本文依据GB50016-2014《建筑设计防火规范》提出的建筑外窗0.5h和1h耐火完整性的要求，从材料分析选用、构造以及相关燃烧原理及实验判定等多方位多途径地阐述了在应用方面的有关问题和经验，并提出应用时应重视的问题。
1.相关背景和意义
为适应成片的居住建筑、物流产业园、商业综合体、综合医院等建筑物广泛使用外墙保温材料，以及吸取近来火灾发生的深刻教训，原有的建筑设计防火规范已经不能适用市场需要和国家对外保温材料使用越来越严格的政策要求。最新修订的《建筑设计防火规范》GB50016-2014是在《建筑设计防火规范》GB50016-2006和《高层民用建筑设计防火规范》GB50016-95（2005版）的基础上，经整合修订而成。该规范由公安部天津和四川两家消防研究所主编，于2015年5月1日正式实施。条文中明确了外窗耐火完整性要求主要涉及四个方面：首先是建筑在一定高度下，当采用非A级（不燃）保温材料时要求建筑外墙上的门、窗的耐火完整性不应低于0.5h（表1、表2）；第二是当建筑外墙上下层开口达不到防火墙高度要求时，设置了防火玻璃墙或设置外窗耐火完整性时限的要求（见表3）；第三是建筑高度大于54m的住宅建筑避难间的外窗耐火完整性不宜低于1h；第四是步行街两侧的门窗有1h耐火完整性及其他相应措施的要求。
表1 住宅建筑高度与外墙外保温材料及外门窗耐火完整性的应用要求
表2 除住宅建筑外的其他建筑高度与外墙外保温材料及外门窗耐火完整性的应用要求
表3 建筑外墙上、下层开口间距设置与外窗耐火完整性要求
在建筑外窗上，耐火完整性属首次提出。在门窗制品中，只有《防火门》GB 12955和《防火窗》GB 16890两个产品标准中明确其产品应符合耐火完整性的要求，相应的各类建筑外窗产品基础标准中均没有这一性能的要求，直至2015年12月1日实施的《建筑幕墙、门窗通用技术条件》GB/T31433-2015正式将耐火完整性等性能纳入建筑门窗幕墙的通用性能中，作为技术条件标准实施。建筑外窗和防火窗两者的耐火完整性虽然都是按照《镶玻璃构件耐火试验方法》GB/T 12513进行测试，但普通的外窗并不能满足防火窗标准中规定的其他必要性能，就更不能简单理解为“非隔热型防火窗”，即具有耐火完整性的建筑外窗并不符合《防火窗》GB 16890的标准，目前我们习惯上称之为“耐火窗”。这也必将要求我们对相应的门窗产品标准抓紧进行修订完善。
通过火灾案例来看外窗具备耐火完整性的意义。
2010年11月15日14时，上海静安区胶州路一栋高层公寓因施工不当起火，整栋楼都被大火包围着，楼内不少居民没能及时撤离，共计造成58人死亡，70余人受伤送医。
图1 上海静安区胶州路居民楼火灾
2011年2月3日（正月初一）0点13分，沈阳皇朝万鑫酒店由于燃放礼花引起火灾，至6点28分，楼顶火势依然难以控制，大楼完全在烟雾笼罩之下，幸好无人员伤亡。
图2 沈阳皇朝万鑫酒店火灾及灾后情况
2014年4月21日上午11时，大连星海广场附近的一座高层公寓外墙保温材料起火，现场浓烟滚滚，楼体南侧3层至34层外墙基本烧毁。
图3 大连星海广场公寓火灾
近年来火灾案例并不少见，尤其使用外墙外保温的建筑。使用燃烧性能低于A级保温材料（实际工程中多为B1、B2级）出现火情时，均会大面积过火，造成严重的人员伤亡和财产损失。公安部组织相应部门广泛调研并结合我国国情，提出了在特定条件下要求建筑外门窗具备耐火完整性的必要性，对于方便开展消防救援减少人员伤亡和降低财产损失有着重要而深远的意义。
2.基本条件和判定方法
门窗耐火完整性是指在标准耐火试验条件下，建筑门窗某一面受火时，在一定时间内阻止火焰和热气穿透或在背火面出现火焰的能力。0.5h和1h是门窗在试验期间能够保持该能力的时间，依据试验方法标准，判定其丧失能力为以下任一情况。
2.1背火面出现火焰持续时间超过10秒。
2.2试件出现贯通至试验炉内的缝隙，直径6mm探棒可以穿过缝隙进入试验炉且探棒可以沿缝隙长度方向移动不小于150mm，或直径25mm的探棒可以穿过缝隙进入试验炉内（试件有一定隔热性能且背火面裂缝温度不超过300℃先采用棉垫测定）。
图4 建筑构件耐火试验垂直炉及测试照
图5 标准时间-温度曲线图
我们的试件试验是采用垂直炉（见图4）进行的，试验过程炉内平均温度见图5，温度与时间关系曲线为T=345lg(8t+1)+20，15分钟内温度与时间几乎呈线形关系，至25分钟内温度上升速度非常明显。各关键时点的炉内平均温度见表4。
表4 关键时点的炉内平均温度
通过上面的图表，要使门窗具备耐火完整性，我们必须充分认识门窗制作材料与燃烧及有关防火的知识。目前制造建筑外窗的材料无法全部采用不燃材料，我们就必须通过一定的方法和途径防止燃烧和控制燃烧。
燃烧其实是一种自由基的链锁反应，材料燃烧的条件是可燃物（有一定相对性）与氧化剂作用并达到一定数量比例，且不受化学抑制，有足够能量和温度的引燃源与之作用，也就是燃烧并不一定有明火，可以是炽热体、火星、光辐射热、化学反应热和生物热等。着火源温度越高，越容易造成可燃物的燃烧，常见的火源温度见表5。
表5 常见火源温度
3.外窗用材料性能
按照《建筑幕墙、门窗通用技术条件》的要求，对有耐火完整性要求的外门窗，所用玻璃最少有一层应符合GB 15763.1的规定。塑料外门窗、铝塑复合外门窗、钢塑共挤外门窗、铝塑共挤外门窗型材所用加强钢或铝衬应连接成封闭的框架，并在玻璃镶嵌槽口内采取受火后能防止玻璃脱落的措施。市场上的建筑外窗类型见表6。
表6 常见建筑外窗类型
根据上表类型，建筑外窗其基本构成为框材、玻璃及镶嵌密封材料，按占整窗面积或体积比重约在24％、70％和6％。玻璃是不燃材料，密封材料多为有机材料，框材除钢、铝之外多为高分子聚合物，按照GB8624进行分类（表7），有机材料难以获得不燃材料，但可以通过配方调整提高其阻燃性。
表7 建筑材料及制品燃烧性能等级
以建筑为例，广泛使用的低碳钢的力学性能都会随着温度的持续升高而降低，当钢材温度在350℃以下时，由于蓝脆现象，其拉伸强度会比常温时略有提高，然后开始下降，至500℃时强度降低约50％，600℃时降低70％，一般认为540℃是建筑钢材的强度损失的临界温度，见图6。但是钢材在温度升高时，其导热率是在下降的，至750℃时，基本恒定而不再发生变化。钢材属于建筑不燃材料，熔点为1535℃。
图6 低碳钢力学性能随温度变化降低曲线
铝是热的良导体，导热系数为237W/m·k，铝合金为160W/m·k，属于窗构成中导热系数最高的，且铝的导热率随温度的升高而上升。纯铝的熔点约是660℃，工业铝合金的熔点约620~650℃，在火灾中火场温度通常远高于铝的熔点。从已有火灾案例来看，门窗铝料的破坏多为在高温下严重变形而无法使用，完全烧熔的现象相对少见。铝料一般在300℃左右即失去承载能力，并发生不可接受的变形而无法使用。
PVC-U、玻璃纤维增强材料及聚氨脂PU材料其自身材料通过工艺改进均可以实现阻燃级别，另外这些材料在温度不断上升过程中，表面燃烧后形成了一定的碳化层，起到一定的隔热效果。
表8 塑料燃烧性能判定
塑料材料燃烧性能主要依据表8进行判定，这些材料在燃烧后的火焰温度和燃烧热必须引起足够的重视。密封胶依据GB/T2408采用垂直法进行试验评价，胶条依据GB/T 10707《橡胶燃烧性能的测定》标准进行评价，按试验效果从高到低分为FV-0、FV-1、FV-2三级，胶条也可以按氧指数法评价。耐火时限按GB 23864的要求为1h、2h、3h。
表9 常用木材的元素组成
木材因种类和产地不同，其组成有很大差别，但都是由碳、氢和氧为主要组成元素，用于门窗的木材元素组成见表9。木材主要成份是纤维素、半纤维素和木质素，在不同温度下分解挥发，一般在130℃木材中的纤维素开始分解，产生水蒸气和二氧化碳，至220～250℃时，开始变色并碳化，分解产物主要为一氧化碳、氢气和烃类物质。木材虽可燃，但由于其低导热，在燃烧时表面形成的碳化层导热率比木材更低，大断面木结构往往比钢结构更耐燃烧，目前国内外采用木窗框制作防火窗的工艺十分成熟，故实现实木窗和铝木复合窗的耐火完整性容易一些。
表10 部分高分子材料分解温度及窗使用部位
表11 部分高分子材料闪点和自燃点
表12 部分高分子材料燃烧热与木材和煤对比
表14 单片低膨胀玻璃特性
门窗用的高分子材料的燃烧性能如表10、表11、表12和表13。高分子材料分解后多有可燃性气体（如甲烷、乙烷、乙烯、甲醛、丙酮等），伴有烟雾，甚至部分材料烟尘较大并产生相对分子质量较高的有机化合物、焦油等液态物质和烟灰、碳黑等碳化物。燃烧热和燃烧火焰温度较高对整窗耐火完整性得以实现是不利的，而这些又是外窗不可或缺的组成材料。
玻璃是外窗所占比重最多的材料，为热的不良导体，实现外窗的耐火完整性主要取决于玻璃热学性能。
首先是热膨胀系数，玻璃组成是影响膨胀系数的内因，温度是影响膨胀系数的外因。膨胀系数越小，其热稳定性越高，其不同类型的玻璃因构成元素不同，膨胀系数也不同。常温下普通钠钙硅酸盐玻璃的热传导系数是1W/m·k。玻璃在常温时，为脆性材料，加热后渐渐软化，最后变成液体。玻璃软到可以流动的温度称为玻璃的软化点。成分不同，玻璃的软化点温度也不相同，普通玻璃一般在500~700℃。但是玻璃在到达软化点以前已经失去玻璃常温时的强度。其次是耐热性。玻璃本身是不燃材料，但温度急剧变化会引起玻璃的破碎，玻璃表面温差最大处产生的热膨胀差造成玻璃内部张应力大于玻璃强度值所致。而玻璃所能承受这种温度剧变的能力称为耐热性，也称热稳定性，玻璃受火强度变化如图7，图8为钠钙硅酸盐玻璃的热膨胀曲线。对玻璃热稳定性影响最大的是热膨胀系数，此外还与玻璃厚度、形状和应力分布等密切相关。热应力也是玻璃主要的热学性能。受热不均或膨胀不同，在受热或冷却时所产生的应力为热应力，处理不好就会在温度变化下过早的失去玻璃完整性。
图7 玻璃强度与温度的关系
图8 钠钙硅酸盐玻璃的热膨胀曲线
处理好玻璃的热学性能，防止玻璃受火过早的炸裂，提高玻璃的软化温度，防火玻璃便应运而生。
未完待续——
（作者：陈国栋 杨加喜 计国庆 单位：北京西飞世纪门窗幕墙工程有限责任公司）