【技术】“金刚玻璃”干货分享：耐火窗在《建筑设计防火规范》中的实验分析
2009年2月9日央视新址北配楼发生重大火灾;
2011年2月3日沈阳市皇朝万鑫酒店发生重大火灾。
2013年11月22日，青岛黄岛区中石化管道发生大爆炸;
2015年8月12日，天津滨海新区危险品仓库发生大爆炸。
2016年9月15日台风“莫兰蒂”在厦门翔安沿海登陆，登陆时中心最大风力达15级。
这些安全事故或自然灾害都因经济损失巨大、代价惨重而令世人震惊，并注定载入共和国史册。灾难带给了我们诸多思考，也引起了全社会的集体反思。在这些灾难事故中，建筑物外门窗的安全问题，成为关注的焦点之一。建筑外门窗，是抵御外界灾害入侵的第一道屏障，如果门窗的安全性无法保证，那么保障居民基本的生命安全就无从谈起。
在和平社会里，建筑物在设计上主要考虑的是功能、审美和可建造性。然而，为确保这些建筑在设计寿命内的功能和审美性，还需对许多低概率自然灾害和恶性攻击等因素予以考虑，如火灾、台风(飓风)和爆炸袭击等，防御这些灾害而对建筑物提出的要求，与日常功能要求同等重要。建筑物中大量使用的玻璃门窗是建筑结构中较为薄弱的环节。普通钢化玻璃、夹层玻璃门窗虽然具有一定的安全性能，但其安全级别仍偏低，还不足以抵御这些灾害的破坏力。目前国内外已开展了对高安全性建筑门窗的研发，我国也陆续出台了相关的标准规范，以提高门窗的安全性。
2015年5月1日，GB 50016-2014《建筑设计防火规范》开始实施。该规范深刻吸取央视火灾等上述建筑外保温系统火灾事故的惨痛教训，通过大量的保温材料及系统的火灾试验研究，首次对不同类型、不同高度建筑保温材料的燃烧性能提出了明确、严格的要求，严禁使用易燃保温材料，严格限制可燃保温材料，大力推广使用不燃保温材料，并对建筑外墙上门窗的耐火完整性做了严格规定，实现了建筑节能和建筑防火二者的协调发展。该规范填补了建筑保温系统防火技术要求的空白。这样一个众望所归、千呼万唤始出来的高水准的规范，对于提升我国建筑物抗御火灾的能力，从源头上消除火灾隐患，预防和减少火灾事故无疑意义重大。它的实施效果、执行力度如何，也牵动着亿万人的心。
2015年12月1日起，国家标准GB/T31433《建筑幕墙、门窗通用技术条件》实施。该标准将抗爆炸冲击波性能、抗风携碎物冲击性能列入安全性指标列入安全性指标(选择性能)。国家标准GB/T29908-2013《玻璃幕墙和门窗抗爆炸冲击波性能分级及检测方法》已于2014年8月1日起实施。 国家标准GB/T29738-2013《玻璃幕墙和门窗抗风携碎物冲击性能分级及检测方法》已于2014年6月1日起实施。
中国幕墙网ALwindoor.com小编了解到：新《建规》对建筑门窗的防火相关要求，新《建规》中涉及对窗的防火要求主要有以下几方面：中庭【5.3.2】、步行街【5.3.6】、避难间【5.5.23，5.5.24】、建筑高度大于54m的住宅建筑【5.5.32】、建筑构造【6.2.5】，【6.7.5】～【6.7.7】等。如与中庭相连通的门窗、步行街两侧建筑的商铺、建筑高度大于100米的公共建筑的避难层(间)、高层病房楼的避难间以及建筑高度大于54米住宅建筑等，这些建筑区域的窗涉及到防火要求。而本文要重点探讨的，是规范【6.7.5】～【6.7.7】的内容，它涉及建筑总量大的住宅建筑，势必将对门窗行业产生深远影响。
新《建规》的【6.7.5】～【6.7.7】，对不同类型、不同高度建筑保温材料的燃烧性能提出了明确、严格的要求，并对建筑外墙上门窗的耐火完整性做了明确规定。以下为部分条文规定：
6.7.5 与基层墙体、装饰层之间无空腔的建筑外墙外保温系统，其保温材料应符合下列规定：
住宅建筑：
1) 建筑高度大于100m时，保温材料的燃烧性能应为A级;
2) 建筑高度大于27m，但不大于100m时，保温材料的燃烧性能不应低于B1级;
3) 建筑高度不大于27m时，保温材料的燃烧性能不应低于B2级。
2 除住宅建筑和设置人员密集场所的建筑外，其他建筑：
1) 建筑高度大于50m时，保温材料的燃烧性能应为A级;
2) 建筑高度大于24m，但不大于50m时，保温材料的燃烧性能不应低于B1级;
3)建筑高度不大于24m时，保温材料的燃烧性能不应低于B2级。
6.7.7 除本规范第6.7.3条规定的情况外，当建筑的外墙外保温系统按本规范第6.7节规定采用燃烧性能为B1、B2级的保温材料时，应符合下列规定：
1 除采用B1级保温材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1级保温材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外，建筑外墙上门、窗的耐火完整性不应低于0.50h;
2 应在保温系统中每层设置水平防火隔离带。防火隔离带应采用燃烧性能为A级的材料，防火隔离带的高度不应小于300mm。
金刚玻璃作为国内安防玻璃系统的领航企业，新近开发的耐火节能窗系列产品，除了具有良好的节能性、耐火性能，还具备一定的防台风冲击和防爆炸冲击波功能，从而为人们构筑起全天候安全屏障，在灾害发生时保障人的生命安全和财产损失。
金刚耐火节能窗是针对GB50016-2014《建筑设计防火规范》的要求而研发生产，采用最新研发的金盾系列高强度防火玻璃，是具有防火、防飓风、防爆炸、保温隔热等性能的多功能安全玻璃体系，具有以下突出特点：
▷ 针对新建规研发，耐火完整性0.5小时以上;
▷ 窗的两个面有同等的防火效果，适用于目前市场上通用的门窗型材,可有效抵御建筑物室内外火灾的蔓延;
▷ 优良的耐气候老化性能，质保期可达10年以上;
▷ 可满足我国不同气候分区的保温性能及隔热要求;
▷ 具有抗台风性能和抗爆炸冲击波性能性能;
▷ 窗玻璃经过严格的均质引爆处理，自爆率低;
▷ 高效隔音，计权隔音量Rw≥40dB。
一、金刚耐火节能窗的耐火性能
金刚耐火节能窗玻璃的耐火性能是按照2015年5月1日起实施的GB 50016—2014 《建筑设计防火规范》对建筑中部分楼层外窗有耐火完整性要求而研发生产。
GB 50016-2014 《建筑设计防火规范》规定:
6.7.7 除本规范第6.7.3条规定的情况外，当建筑的外墙外保温系统接本规范第6.7节规定采用燃烧性能为B1 、B2级的保温材料时，应符合下列规定:
1 除采用B1级保温材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1级保温材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外，建筑外墙上门、窗的耐火完整性不应低于0.50h;
火灾情况下，金盾系列耐火节能窗玻璃的高预应力能抵消玻璃因温差所产生的热应力，从而保证在火焰冲击下的耐火性能。金盾系列耐火节能窗玻璃的两个面有同等的防火效果，无论是室内或者室外的火焰蔓延，都可以保证背火面完好。按照GB12513《镶玻璃构件耐火试验方法》进行检测，金刚耐火节能窗玻璃的耐火完整性在0.5小时以上。
▲ 火灾中建筑玻璃的不同表现
▲ 标准耐火试验的时间-温度曲线
* 耐火完整性的定义：指在标准耐火试验条件下，当其门窗一面受火时能在一定时间内防止火焰和热气穿透或在背火面出现火焰的能力。
* 耐火完整性的判定：按GB/T9978《建筑构件耐火试验方法 第1部分:通用要求》的规定进行测试，当试件背火面窜火达10s以上时，则认为试件失去耐火完整性;当试件背火面出现贯通至试验炉内的裂缝，直径6㎜的探棒可以穿过裂缝进入炉内且可以沿裂缝长度方向移动不小于150㎜或直径25㎜的探棒可以穿过裂缝进入炉内，则认为试件失去耐火完整性。
二、抗台风性能
由于全球气候日趋变暖、出现“厄尔尼诺”现象等，造成每年飓风、台风发生的次数较多，等级加大，并带来了极大的破坏和损失。以9月15号厦门“莫兰蒂”台风为例，台风登陆鼎盛时强度达到17级，近中心气压一度低至883百帕，刷新世界气象纪录。台风“莫兰蒂”给福建省造成严重经济损失害和人员伤亡，威力堪比地震。
2016年10月4日，飓风“马修”登陆重创海地，以每小时230公里的速度席卷古巴和海地，海地死于飓风“马修”的人数已至少877人。
据有关资料证明，飓风每次发生时，飓风对建筑物造成的破坏，大部分是通过飓风产生的持续风压及飓风夹带的固体杂物，先破坏建筑物中最薄弱的玻璃部分，玻璃碎片的飞涨造成对人们生命及财产的破坏，然后进入屋内，对建筑物形成增压破坏力，最终造成对建筑物结构的破坏。因此，建筑玻璃防飓风性能的好坏直接关系到人们的生命财产受威胁及整个建筑物受破坏的可能性。
美国是世界上最早应用防飓风(台风)玻璃的国家，并在美国佛罗里达、得克萨斯等沿大西洋海岸的州被强制使用。美国等国外防飓风(台风)玻璃产品，多是利用胶片的强度和粘结力来达到防飓风(台风)性能。在玻璃受飓风及飓风携带的碎片冲击破碎后，利用其中间层的韧性和强度来抵抗飓风(台风)持续作用。金刚玻璃是国内首家有能力加工防台风门窗产品的企业，门窗产品通过了美国迈阿密防飓风试验室的测试。金刚防飓风(台风)玻璃以高强度玻璃作为基片，利用玻璃的超高强度对飓风(台风)的抵抗性能来到达防飓风(台风)性能。与国外产品相比，产品具有更高的抗冲击能力和防护等级，能承受更大的风压荷载和更大的正负循环风压，使用面积更大，能提高建筑物的整体透光面积，具有在大冲击下不破碎的性能，能长时间使用，减少建筑物受破坏的更换费用。
国内外相关防台风标准：JC/T2165-2013《防台风玻璃》、GB/T29738-2013《建筑幕墙和门窗抗风携碎物冲击性能分级及检测方法》、ASTM E1996-04 《受飓风中的风载残片冲击的外窗、幕墙、门和百叶窗的性能技术规范》;ASTM E1886-04 《发射物冲击和循环压差作用下外窗、幕墙、门和百叶窗的性能试验方法》。防台风的主要技术指标，是防发射物冲击和正负气压循环。
▲ ASTM E1996发射物冲击试验对发射物的要求
▲ ASTM E1996 循环荷载试验要求
▲ GB/T29738标准对门窗幕墙抗台风级别的确定
根据美国ASTM E1886、ASTM E1996标准技术条件，经美国佛罗里达州迈阿密防飓风试验室Hurricane Test Laboratory检测，金刚耐火节能窗的防飓风性能可以达到美国标准规定的最高级别E级，可承受63米/秒以上的飓风(台风)冲击和9000次的循环风压荷载。
▲ 美国迈阿密防飓风试验室报告
▲ 美国迈阿密实验室
▲ 发射物冲击测试
▲ 静荷载测试
▲ 防飓风测试
▲ 循环荷载试验
▲ 气密性试验
金刚耐火节能窗的防台风技术指标：
厚度为26.52mm，尺寸为2774mm×1414mm的夹胶防飓风玻璃，经受24.38m/s、质量为4100g的木块冲击两次，并在200PSF风压下循环9000次不破裂，并可承受300PSF静风压不破裂。达到了防飓风最高级别E级;
厚度为15mm，尺寸为2440mm×1524mm的单片防飓风玻璃，经受15.28m/s、质量为4100g的木块冲击两次，并在150PSF风压下循环9000次不破裂，并可承受225PSF静风压不破裂。达到了防飓风D级;
厚度为13.92mm，尺寸为2770mm×1410mm的夹胶防飓风玻璃，经受12.19m/s、质量为2050g的木块冲击两次，并在90PSF风压下循环9000次不破裂，并可承受135PSF静风压不破裂，达到了防飓风C级。
三、抗爆炸冲击波性能
2013年11月22日，青岛黄岛区中石化管道公司输油管线破裂，造成原油泄漏、爆炸事故，共造成62人遇难，伤136人 ，直接经济损失7.5亿元。2015年8月12日晚间,天津滨海新区开发区周边瑞海危险品仓库发生爆炸，造成165人遇难，经济损失惨重，震惊世界。除了爆炸本身的影响外，爆炸现场周围的住宅小区的门窗玻璃也受损严重，在爆炸冲击波作用下，破损的玻璃对人身造成了严重伤害。一次又一次的爆炸事故，也带给人反思，建筑物的防爆安全问题不容忽视。
建筑物在设计防爆炸玻璃时，应在高气压荷载下保持其完整性，玻璃保持在框架内不产生碎片掉落的危险，从而保护建筑物室内居住者;假如玻璃破碎，应可预测其碎片特性，把对人身财产造成的风险降至最小。另外对于玻璃、门窗系统的其他结构组件——例如框架系统，在设计上也应可以抵抗来自爆炸和风暴的气压载荷。
2015年12月1日起，国家标准GB/T31433《建筑幕墙、门窗通用技术条件》实施。该标准将抗爆炸冲击波性能列入安全性指标(选择性能)。
美国联邦事物服务总局(GSA)给出出五个性能条件，描述在爆炸冲击波作用下不同的门窗保护等级(见下表)。在许多工程实例中，要求做特定的试验来验证门窗产品实际抵抗荷载的能力和碎片状态。
▲ 美国GSA标准-玻璃碎片在波及空间分布的分级示意图
■ 场地爆炸试验(距离检测)
▲ 加拿大爆炸试验现场
▲ 加拿大爆炸试验现场
经美国ABS测试机构及加拿大爆炸测试中心现场测试，在炸药当量为1000磅(453Kg)TNT试验条件下，爆炸冲击波压力高达180PSi (1241KPa)，金盾系列防火防爆炸节能玻璃保持完好，背面无飞溅物。
备注：1.检测依据GB/T29908-2013《玻璃幕墙和门窗抗爆炸冲击波性能分级及检测方法》。
2.黑色炸药(相当0.8倍TNT当量)。
3.1Kg黑色炸药在距离2米爆炸冲击波相当4003 KG在1公里距离爆炸威力。
■ 激波管测试
极波管冲击试验是通过压缩机持续压缩空气直到极波管内产生所需的冲击压力波，是爆炸空气冲击波模拟试验。
▲ 激波管测试
激波管测试在美国得克萨州的ABS测试机构进行，试验依据为美国GSA标准《窗及玻璃系统动态超大气压荷载试验方法》。测试中，冲击波正压峰值达到15.6Psi(107.6KPa)，持续时间22.4msec，正压冲量达到174.5psi.ms。测试数据表明，金盾系列防火防爆炸节能玻璃抵抗爆炸冲击波荷载的安全等级属于GSA标准规定的最高等级。
四、金刚耐火节能窗的分类及特点
金刚耐火节能窗主要有以下系列：FPAW72系列铝塑耐火节能窗、FAW65系列铝合金耐火节能窗、APA75系列耐火节能窗、FASW75系列钢铝耐火节能窗等，除防火、防爆炸、防台风性能外，它们的其他特点如下：
1.FPAW72系列铝塑耐火节能窗
铝塑耐火节能窗是采用铝塑共挤型材，该型材以壁厚大于1mm的多空腔的铝合金型材做衬，并在其外表面上采用挤出发泡成型工艺包覆一层4.0mm的高阻燃微发泡聚氯乙烯塑料，成型后既具有塑料型材的高保温性能，又具有铝合金的强度，搭配独特的防火结构设计，功能性进一步提升，可满足节能与耐火完整性的双重需求。
铝塑耐火节能窗物理性能
2.FAW65系列铝合金耐火节能窗
铝合金耐火节能窗通过Low-E中空玻璃与断热铝合金框的完美组合,降低了门窗的传热系数，有效地提高了窗的保温性能和隔声性能。面层可采用氟碳、覆膜等耐候涂层，共有多种颜色可供选择，极大地丰富了产品色彩，以满足不同客户的个性化需求。
铝合金耐火节能窗物理性能
3.APA75系列耐火节能窗
APA75耐火节能窗主要采用铝塑共挤型材，在室外面采用铝合金做扣板，中间以壁厚大于1mm 的多腔体铝合金做内衬，并在其外表面采用挤出成型工艺包覆一层4mm 的高阻燃微发泡PVC塑料。APA75耐火节能窗将铝合金和塑料这两种材料的优点有效结合，既具有塑料型材的高保温性能，又具有铝合金的外观和强度，搭配独特的防火结构设计，功能性进一步提升，满足节能与耐火的双重需求。
APA75系列耐火节能窗的物理性能
4.FASW75系列钢铝耐火节能窗
来源：广东金刚玻璃科技有限公司
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