塑料门窗以其优异的各项性能，特别是良好的保温节能性能而得到了日益广泛的应用。通常，设计优良的塑料异型材不仅可适应建筑物个性化的设计风格，更重要的是，能够满足塑料门窗对气密性、水密性、抗风压性、保温性及隔音性等方面的严格要求。为此，本文详细介绍了塑料异型材的设计原则，并总结了设计中应注意的事项。
据统计，我国建筑能耗占能源消耗总量的25%左右，其中，占建筑面积15%~30%的外门窗消耗的能量占整个建筑能耗的35%~45%。因此，有效地降低门窗能耗，对降低整个建筑能耗乃至能源消耗总量，将起到极其关键的作用。
目前，市场上普遍使用的门窗种类主要有：铝合金门窗、断桥铝合金门窗以及PVC塑料门窗。其中，PVC材料的导热系数为0.14 W/m2K，铝合金的导热系数为175 W/m2K，是PVC材料的1250倍。而窗框（包括中梃、扇等部件）面积占外窗总面积的20%~30%。可见，采用PVC塑料型材制作的门窗，其保温性能将明显优于另外两种材料。
除此之外，PVC塑料门窗还具有优异的物理机械性能，如气密性、水密性、抗风压性及隔声性。基于这些优点，使得PVC塑料门窗的应用日益广泛。在我国，生产PVC塑料型材的厂家日益增多，市场上的型材品种非常丰富。通常，各厂家的型材产品都有其自身的特点和优势，但优良的型材产品在设计时都遵循着共同的原则。
一般，塑料异型材的设计主要包括：外观设计、功能结构尺寸设计及成窗性能设计等，下面对这几个方面进行详细说明。
外观设计
随着建筑设计的个性化发展，对建筑物外观的要求也越来越高，而门窗作为建筑物的重要组成部分，在整个建筑物中起到了画龙点晴的作用。由于塑料异型材是生产塑料门窗的材料，因此在设计中通常要求其具有美观的外形和颜色。塑料异型材的外形设计包括主型材设计和辅助型材设计（如图1、图2所示），并可采用3种方式实现型材的彩色化，包括：共挤、覆膜和喷涂，其中共挤和覆膜最为常见。
功能结构尺寸设计
型材的功能结构尺寸是指型材正常使用时必须达到的结构设计尺寸，包括用于实现五金件、辅件和玻璃压条安装的结构尺寸，以及型材相互位置及型材拼接的结构尺寸（参见行业标准(ＪＧ/Ｔ 176-2005)《塑料门窗及型材功能结构尺寸》）。其中，最基本的功能结构尺寸包括：传动锁闭器槽、滑轮槽、密封胶条槽、密封毛条槽、玻璃压条脚、玻璃压条槽、导轨槽、锁块定位槽和螺钉定位槽等。
一般，具有特殊功能的结构设计没有统一的标准，比如三密封设计、移动密封设计、连接型材结构设计及盖帽等，每个型材厂家通常是根据自身型材的特点及装配方式，来制定相应的结构设计尺寸要求。
成窗性能设计
优异的型材产品除了材料本身具有优良的物理性能外，其组装成窗后的物理机械性能也很重要。成窗的物理机械性能主要包括：气密性、水密性、抗风压性、保温性及隔声性等，这些性能除了受门窗制作水平和原辅材料的影响外，还取决于型材的结构设计。
1. 气密性能设计
通风换气是建筑门窗的主要功能之一。门窗本身一般具有开启扇，打开时可进行室内外空气的交换，关闭时，框扇的开启缝隙、型材的拼接缝隙及玻璃镶嵌缝隙也会引起空气的渗漏。当室外刮风形成压力差，或冬季室内外温差较大时，冷空气可通过这些缝隙进入室内，从而消耗室内热能。对于夏季采用空调制冷的房屋而言，由空气流动产生的热风会通过这些缝隙进入室内，导致制冷能耗的增加。因此，提高建筑门窗的气密性能非常重要。而且，从阻止沙尘进入、保持室内清洁的角度来讲，同样对气密性能具有很高的要求。
一般，可通过对型材断面的设计来提高成窗的气密性能，具体包括：
（1）增加型材框扇搭接部位的密封条数量。
（2）在推拉窗密封部位，采用密封胶条代替密封毛条。
（3）平开窗采用多道密封型式，可将排水腔及五金件腔体隔离开来，形成两个独立的密闭腔体，以有效提高窗的气密性能。
（4）连接型材部位可采用密封胶条形式。
（5）玻璃与型材之间可采用粘接形式，以减少一道水气通道。
2. 水密性能设计
外窗的水密性能是指关闭的门窗在风雨的共同作用下，阻止雨水渗漏的能力。如果外窗的水密性能不佳，在遇到刮风下雨的天气时，雨水会借助风力，通过门窗缝隙向室内渗漏，造成窗台装饰板、墙面和地板等受潮，严重时还会导致变形变色。因此，必须提高型材的水密性能，其方式主要有以下几种：
（1）提高气密性能的方法，也可以用于提高门窗水密性能。
（2）型材的排水腔要与其他腔体隔开，以防止排水时，水流入其他腔体。另外，在设计时要充分考虑排水通道的流畅。
（3）在型材上设计小的辟水点，以提高型材的疏水性。
（4）内平开窗的框扇采用平齐设计，不仅外形美观，还能起到提高窗扇水密性能的作用。
（5）使框的排水筋设计高度H≥15mm，充分留出外墙抹灰或装饰的空间，以免造成排水孔的堵塞。
（6）增加推拉窗框纱窗轨道的高度，利用连通器的原理阻止雨水向室内渗漏。
（7）通过辅助型材的设计来提高窗的水密性能，如挡水板。
3. 抗风压性能设计
作为塑料窗的一个主要力学性能，抗风压性能是指建筑外门窗在风荷载作用下所拥有的抵抗风压变形的能力。该项性能对门窗的安全使用具有决定性的影响，特别是针对高层建筑中所使用的门窗，其抗风压性能尤为重要。此外，抗风压性能也是保证窗的气密、水密、保温及隔音性能的先决条件。
由于塑料异型材本身的弹性模量（仅为2500N/mm2）与抗弯强度均很低，在组装塑料门窗时，必须在其型材内部的空腔中加入增强型钢，以提高其抗弯强度。塑料门窗的抗风压能力与门窗的尺寸大小、门窗的窗形结构、塑料异型材的种类、增强型钢的厚度以及玻璃的种类、厚度等有关，合格的型材断面设计能有效地提高成窗的抗风压能力。通常，提高抗风压性能的措施主要有：
（1）增加建筑外窗使用型材的壁厚，特别是高层建筑，建议型材壁厚应在2.5~3.0mm之间，由此，可增加型材截面积，进而提高型材的焊接强度。在同样的外形尺寸下，壁厚增加，型材的惯性矩也会增加，从而提高型材的抗弯能力。
（2）当型材具有相同的断面尺寸时，可在型材内筋分布合理的基础上，尽量增加增强型钢腔体的尺寸，从而允许型材使用大尺寸的增强型钢，以提高成窗的抗风压性能。
（3）采用钢衬套型材设计，对受力杆件进行辅助增强。
4. 保温性能设计
建筑节能的重点是提高围护结构的热工性能，降低传热系数以减少热损失。与其他材质的门窗相比，塑料门窗不仅价格经济，更重要的是具有优良的保温性能。众所周知，热量主要以传导、对流和辐射3种方式而散失掉，且这3种方式往往同时进行。因此，要想提高门窗的保温性能，就要综合考虑热量的3种传递方式。在此，可通过对型材结构的分析来予以说明。
（1）选择多腔结构的塑料型材是节能的关键。以70mm厚的平开框型材为例，随着型材腔体数的增加，传热系数递减。综合考虑材料成本，以5腔为最佳。
（2）玻璃的装配对塑料门窗的保温性能有很大的影响，特别是中空玻璃尤为突出。在型材设计时，提供充足的玻璃安装空间，以便安装多层中空玻璃，并选择合适的玻璃间隙等，均能在很大程度上提高门窗的保温性能。
（3）框扇构造的多密封结构可提高成窗的保温性能。试验表明：普通的双密封平开窗的气密性能指标q1可达到0.45m3/mh，q2可达到1.40m3/m2h；普通的三密封平开窗的气密性能指标q1可达到0.25m3/ mh，q2可达到1.05m3/m2h，如采用三密封结构的大连实德的65A平开窗系列。如图3所示，大连实德的65A系列四密封窗专利技术在更大的程度上提高了成窗的保温性能。
（4）型材与玻璃采用结构粘接形式，可在减少一道水气通道的同时，提高成窗的保温性能。
（5）双层窗框设计。安装双层窗，即使两层窗都是单玻璃，在使用时，其保温性能、气密性能及隔音性能等也都优于单层窗。实验证明，采用中空玻璃的双层推拉窗，其K值能达到1.25W/m2K。
5. 隔音性能设计
按照行业标准JG/T140-2005和JG/T180-2005的规定，塑料门窗的隔音性能要达到2级以上，即：Rw≥25dB，而一些临街建筑对门窗隔音性能的要求更高。因此，在制作门窗时，一般可通过选用优质的密封条，采用充入惰性气体的中窗玻璃，安装缝隙填充的隔音、吸音材料等方式来提高隔音性能。在选择型材时，应注意以下几点：
（1）气密性能好的门窗，其隔音性能一定好（具体可参考气密性能设计）。
（2）采用多层中空玻璃，并选择合适的玻璃间隙，可提高成窗的隔音性能。
在设计塑料异型材时，除了要考虑上述各因素外，还应考虑型材模具的制作、型材生产的可操作性及型材组装成窗的方便性等。
10/17/2012
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