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摘要：隨著鋁包木門窗中的木型材需滿足鋁包木門窗系統對木型材斷面設計的基本要求，同時還需滿足鋁包木門窗在被動式建筑使用上需要的結構強度和保溫性能。目前國內對被動式門窗用型材保溫系數的要求K值不高于1.3W/㎡·K。為達到這個設計要求，被動式鋁包木門窗的木型材主要通過增加木材厚度，木材和保溫復合材料壓合，木材和保溫復合材料彈性鏈接、或者空腔設計等多種構造方式解決。
關鍵詞：被動式鋁包木門窗、木型材、構造
1. 前言
木材做為一種基礎原料，具有低導熱性，高隔音性等特點，同時由于木材的自然屬性，若處理不當，會出現彎曲，扭曲等現象，從而影響門窗的正常使用。本文將從木材特性以及被動式鋁包木門窗的生產和使用場景出發，就如何合理的設計、生產用于被動式鋁包木門窗用的木型材進行描述，從而為鋁包木門窗在被動式建筑中的使用提供理論依據。
2. 鋁包木門窗用木材
木材作為一種可再生的自然資源，其具有低導熱性、高隔音性、易加工等特點。全球已知的木材種類多達數萬種，且由于種類、生長地域、環境不同，木材的質地、紋理、吸水性、熱傳導性等性能也不同。因此根據門窗特殊的使用場景，需要選擇相應的木材種類和質量生產加工鋁包木門窗。德國VFF HO. 02：2008-12和VFF HO. 06-1/2 規范中對可用于德系鋁包木門窗中的木材種類和木型材質量要求進行了規定，其中共例舉了10種針葉林種類和23種闊葉林種類適用于加工鋁包木門窗。同時由于各種木材樹種的密度不同，其導熱系數和彈性模量也有差別。
根據德國DIN 68364標準，表Ⅰ列出鋁包木窗中常用的木型材種類的基本物理參數
3. 鋁包木門窗用木型材的結構形式
木材本身是一種不均質的基礎材料，木材中的水分會隨著周圍環境的變化而發生改變，水分的變化和木材干縮率的不同會使木材出現彎曲、扭曲等變形現象。因此控制木材中水分的任意吸收和流失以及木型材合理的結構設計（詞條“結構設計”由行業大百科提供）可以有效防止木型材的變形。目前，從結構設計上防止木型材變形，鋁包木窗的木型材主要構造形式是單層指接和多層粘接壓合(3層以上)的工藝方式，同時多層壓合構造時盡量選擇徑切紋理板作為外層表板，使木型材更穩定。
圖Ⅰ例舉的是木門窗型材的結構形式
4. 鋁包木門窗用木型材的表面處理
木型材含水率高于20%時，真菌容易在其體內進行繁殖，從而導致木材出現霉變、腐爛等現象。有效控制木材中水分的任意吸收和流失，是確保鋁包木門窗用木型材質量的關鍵因素。實現這一質量保證的重要技術手段是木材的表面處理——水性漆。一般鋁包木門窗用木型材都采用2底2面的水性漆施工工藝，德國HO.06-2/A1:2007-10的標準中要求木型材可視面(可接觸到紫外線)的漆膜干膜厚度不低于80μm. 非可視面(接觸不到紫外線)的漆膜干膜厚度不低于50μm. 只有達到這個標準才可保證木窗在正常使用情況下具有20年以上的使用壽命。
5. 被動式鋁包木門窗中的木型材設計
被動式門窗整體門窗保溫系數K值低于1.0 W/㎡·K，其中要求型材K值低于1.3 W/㎡·K. 木型材的設計方面可通過增加木型材厚度、添加保溫復合材料以及空腔設計來實現，這三種設計解決方案在實施過程中需要考慮型材的膠合強度、結構強度以及木型材在門窗使用中和五金、膠條等之間的配合。
5.1 純實木被動式木型材構造
純實木被動木型材是通過單純增加木型材的厚度來實現提高型材保溫性能，此設計方案充分利用木材只是低導熱性的優勢。由于一味的提高木型材的厚度，增加了門窗的設計難度，特別是當窗扇面積較小的情況下，如果門窗斷面設計不合理，開啟或閉合過程中易出現型材與膠條剮蹭等現象。
圖Ⅱ：純實木被動式木型材節點圖，木結構總厚度為102mm，保溫系數Uf值能到達1.05 W/㎡·K 。
*上述保溫系數采用的是歐洲所使用的U值，有別于國內使用的K值
表II中根據DIN4108 T4標準給出了針葉林和闊葉林中有代表性的四種木材生產的木型材的保溫系數，IV56代表木型材厚度為56毫米，結構形式18+20+18代表型材為三層壓合，每層厚度分別為18毫米、20毫米、18毫米。由于不同木材的導熱系數不同，同樣厚度的木型材達到的保溫效果不同。
通過本表可以看出如果要達到型材保溫系數K值小于1.3 W/㎡·K，使用赤松或者樟子松作為原料的木型材厚度最少要達到88毫米。
5.2 實木和復合材料復合壓合構造
實木和保溫復合材料復合壓合是通過在多層木型材壓合過程中加入和木材干縮比相近但導熱系數更低的保溫材料（詞條“保溫材料”由行業大百科提供）。此設計方案可以在不增加木型材厚度的情況下，大大提高木型材的保溫性能。但是，由于不同材質之間進行多層膠合，需要考慮其它材質和木材在膠合過程以及后期使用過程中的兼容性和穩定性。在保證木型材的保溫系數的同時，兼顧型材的結構強度。
圖Ⅲ：在實木之間壓合保溫復合材料結構形式的節點圖，27mm厚木材+24mm厚復合保溫材料+27mm厚木材，若選用24mm厚Purenit M 550作為保溫材料，保溫系數Uf值能達到1.08 W/㎡·K。
*上述保溫系數采用的是歐洲所使用的U值，有別于國內使用的K值
表Ⅲ中根據DIN4108 T4標準給出了紅松/樟子松和歐洲常用的三種木型材用保溫材料(高強度XPS、Purenit M 550、Puren RG 200) 復合壓合后的保溫系數。18+20+18代表型材為三層壓合，每層厚度分別為18毫米、20毫米、18毫米。由于不同木材的導熱系數不同，同樣厚度的木型材達到的保溫效果不同。
(IV 代表木型材厚度，IV68代表型材厚度為68毫米，以上表格的保溫系數為根據DIN4108 T4標準測試出的Uf值)
5.3 實木和復合材料彈性鏈接構造
實木和復合材料彈性鏈接構造是在不改變木型材結構的情況下，在門窗系統設計時單獨用螺絲或卡扣的形式將木型材和保溫材料鏈接。此設計方案可以在不改變木型材自身厚度的情況下，大大提高木型材的保溫性能。但是，由于是在現有型材通過螺絲或者卡扣等彈性鏈接方式和保溫材料相連，增加了型材的厚度，對開啟窗扇面積較小的門窗的設計增加了設計難度。
圖Ⅳ：實木和復合材料彈性鏈接的節點圖，其中木型材厚度為68mm，若選用24mm厚Purenit M 550作為保溫材料，保溫系數Uf值能達到0.97 W/㎡·K 。
*上述保溫系數采用的是歐洲所使用的U值，有別于國內使用的K值
表Ⅳ中根據DIN4108 T4標準給出了紅松/樟子松和歐洲常用的三種木型材用保溫材料(XPS、Purenit M 550、Puren RG 200) 復合壓合后的保溫系數。18+20+18代表型材為三層壓合，每層厚度分別為18毫米、20毫米、18毫米。由于不同木材的導熱系數不同，同樣厚度的木型材達到的保溫效果不同。
5.4 空腔式木型材構造
空腔式木型材是在木型材的型材結構中引入空腔設計概念，結合木材本身的低導熱性以達到更好的保溫效果。此設計方案可以在不增加木型材厚度的情況下，提高木型材的保溫性能。但是，由于采用空腔設計理念，型材的結構強度受到影響，在進行木型材結構設計時需要考慮木型材在門窗使用過程中的結構承重系數和抗風壓能力，以及門窗組角時的角部強度等因素。 圖Ⅴ：空腔式木型材節點圖,型材厚度為68mm，保溫系數Uf值可達到1.12 W/㎡·K
*上述保溫系數采用的是歐洲所使用的U值，有別于國內使用的K值
空腔式木型材，型材空腔設計斷面不同，木型材達到的保溫性能也各有不同，表Ⅴ是按照德國諾卡木業有限公司設計的斷面由德國IFT測量得到的數據。
其它高保溫木型材構造
除以上四種形式構造作為解決方案外，為滿足不同使用場景需求還可以將以上四種構造形式組合使用，例如空腔型材設計加保溫材料等，用于被動式建筑中鋁包木門窗的木型材。
6. 被動式鋁包木門窗木型材的使用
目前國內大部分的鋁包木門窗生產企業，一般生產IV78、IV68或者IV58系列，此三系列木型材中木材厚度分別為78毫米、68毫米和58毫米，在不采取其它技術措施的情況下，即使采用保溫系數低的樟子松或者紅松，保溫系數Uf值在木材厚度78毫米的情況下為1.31W/㎡·K，仍然無法滿足被動式門窗的設計要求。
基于目前國內被動式門窗整窗K值不高于1.0W/㎡·K，以及型材保溫系數K值不高于1.3W/㎡·K的技術要求，鋁包木門窗企業如不改變原有門窗系統設計，可直接采購采用木材空腔設計或者實木和復合材料復合壓合型材設計的木型材。但使用這種構造的木型材，門窗企業需和木型材生產企業確定木型材的設計斷面，已保證木型材的結構強度和膠合強度。如采用增加木材厚度或實木和復合材料彈性鏈接，門窗企業則需要對門窗截面進行重新設計，以保證門窗使用過程中不出現膠條與型材剮蹭等現象的出現。
作者單位：北京金諾迪邁幕墻裝飾工程有限公司
