节能铝合金门窗设计与加工制作.docx

节能铝合金门窗设计与加工制作.docx

《节能铝合金门窗设计与加工制作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《节能铝合金门窗设计与加工制作.docx（73页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

节能铝合金门窗设计与加工制作

.节能铝合金门窗设计与加工制作

第一节影响铝合金门窗性能的几个控制指标

一抗风压性能

按《建筑外窗抗风压强度、挠度计算方法》确定。

当局部某些构件不满足时，一般考虑型材空腔内加钢芯，但这种做法由于无法保证钢铝之间紧密接触，理论上很难解释清楚；因此最好还是重新开模或采取组合型材的办法，如右图。

二水密性能

水密性能一般应由设计计算确定，规范没有对此进行硬性要求，但对门窗特别是高档的节能门窗来讲，无疑是极其重要的，因此这次浙江省的《建筑外门窗应用技术规程》报批稿明确了水密性能：

1－6层建筑应≥2级；

7层及以上建筑应≥3级

提高水密性能有以下构造措施：

1.采用等压原理及压力平衡设计门窗的排水系统，确保玻璃镶嵌槽以及框与扇配合空间形成等压腔；

空气压差是造成门窗漏水的主要因素，由“1标准大气压=1.013×10^5帕斯卡=760毫米汞柱=10.336米”水柱推导出1Pa的压差所产生0.102mm的水柱，门窗水密性能要达到3级，取300Pa，型材要内壁要高外壁300×0.102＝30.6mm。

2.对于不采用等压原理及压力平衡设计的门窗结构，应采取有效的多层密封防水措施和结构防水措施；

3.排水槽的尺寸、数量、分布应保证排水系统的畅通，槽宽宜为5mm，长度宜为20～40mm。

对有纱轨的推拉窗，内、外排水槽一般宜各开两个（内排水槽在室内侧、外排水槽在室外侧），内、外排水槽应错开设置，分别开在外窗关闭时没有窗扇的扇轨上。

无纱轨的推拉窗不可设置内排水槽。

面积大于3.5m2的门窗宜适当增加排水槽，并在室外侧配置防风盖；

4．门窗洞口外墙体应有排水措施，门窗洞口上沿应做滴水线或滴水槽，滴水槽的宽度和深度均不应小于10mm。

外窗窗台面应做散水坡度。

三气密性能

气密性能浙江省《公共建筑节能设计标准》规定不小于4级；浙江省《居住建筑节能设计标准》规定：

1－6层建筑应≥3级；

7层及以上建筑应≥4级

提高水密性能有以下构造措施：

1.平开门窗框扇密封胶条应采用三元乙丙橡胶条或硅橡胶条，推拉门窗框扇采用摩擦式密封时，应使用密度较高的硅化密封毛条或采用中间加胶片的硅化密封毛条。

2.密封胶条和密封毛条应保证在门窗四周的连续性，形成封闭的密封结构。

3.平开扇高度大于900mm时,应采用多点锁，锁点的数量可参考五金配件厂家的相关建议，或按以下经验公式确定：

以N=F/a=Wk·S/a来计算。

其中：

N：

锁点的个数。

F：

开启扇所受集中力。

a：

单个锁点所能承受的允许使用的剪切力；

a=0.8×[α]/1.4

[α]为单个锁点设计最大剪切破坏力，一般为2300N。

Wk：

当地风压标准值。

S：

开启扇面积。

四保温性能

保温性能应按《公共建筑节能设计标准》和《居住建筑节能设计标准》规定经计算确定，详下节。

第二节铝合金门窗的节能设计

本节通过一个例题来大家共同交流，熟悉节能铝合金门窗设计流程。

例：

杭州市某住宅小区1#楼，建施图显示：

平面为矩形，长20m、宽10m、高50m；主立面为南偏东20°，采用55系列外开铝门窗，标准窗型1500×1800，室外部分外露型材为深灰色，室内部分为白色，透明中空玻璃5+9A+5，无外遮阳。

根据门窗表统计，南、北立面门窗面积相同，为350m2，东西立面门窗面积相同，为160m2。

根据以上条件，对本幢楼的门窗进行深化设计。

一确定气候分区

查《主要城市所处气候分区》可知杭州属于夏热冬冷地区。

当表中查不到，可查《民用建筑热工设计规范》GB50176-93的附录八的《全国建筑热工设计分区图》。

主要城市所处气候分区

气候分区

代表性城市

严寒地区A区

海伦、博克图、伊春、呼玛、海拉尔、满洲里、齐齐哈尔、富锦、哈尔滨、牡丹江、克拉玛依、佳木斯、安达

严寒地区B区

长春、乌鲁木齐、延吉、通辽、通化、四平、呼和浩特、抚顺、大柴旦、沈阳、大同、本溪、阜新、哈密、鞍山、张家口、

酒泉、伊宁、吐鲁番、西宁、银川、丹东

寒冷地区

兰州、太原、唐山、阿坝、喀什、北京、天津、大连、阳泉、

平凉、石家庄、德州、晋城、天水、西安、拉萨、康定、济南、青岛、安阳、郑州、洛阳、宝鸡、徐州

夏热冬冷地区

南京、蚌埠、盐城、南通、合肥、安庆、九江、武汉、黄石、岳阳、汉中、安康、上海、杭州、宁波、宜昌、长沙、南昌、株洲、零陵、赣州、韶关、桂林、重庆、达县、万州、涪陵、南充、宜宾、成都、贵阳、遵义、凯里、绵阳

夏热冬暖地区

福州、莆田、龙岩、梅州、兴宁、英德、河池、柳州、贺州、泉州、厦门、广州、深圳、湛江、汕头、海口、南宁、北海、梧州

全国建筑热工设计分区图

二确定适用规范、标准

现行针对夏热冬冷地区及浙江地区的节能设计的规范主要有《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2001、浙江省标准《居住建筑节能设计标准》DB33/1015-2003、《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005和浙江省标准《公共建筑节能设计标准》DB33/1036-2007。

由于本工程为住宅小区，所以应适用浙江省标准《居住建筑节能设计标准》（下简称省标）DB33/1015-2003。

公共建筑：

是指办公建筑（包括写字楼、政府部门办公楼等），商业建筑（如商场、金融建筑等），旅游建筑（如旅馆饭店、娱乐场所等），科教文卫建筑（包括文化、教育、科研、医疗、卫生、体育建筑等），通讯建筑（如邮电、通信、广播用房）以及交通用房（如机场、车站建筑等）。

需要注意的是，旅馆、招待所、商住楼裙房部位的商铺、古建筑和希望小学等均属于公共建筑，但古建筑的改扩建本着修旧如旧的原则，可以不执行节能设计标准。

浙江省《公共建筑节能设计标准》则对以上公共建筑按照建筑物围能耗占全年建筑能耗的比例特征又划分成甲、乙、丙三类。

三校核体形系数

省标4.1.5条规定：

“条式建筑物的体形系数不应超过0.35，点式建筑物的体形系数不应超过0.40。

”

如超过则不适用本标准的热工指标限值，应由建筑设计单位进行热工权衡判断，重新给出热工性能指标限值。

本工程为条式建筑，体形系数＝（（20+10）×2×50+20×10）/10×20×50＝0.32＜0.35，符合要求

体型系数系指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的建筑体积之比。

外表面积中不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。

建筑体形系数越大，单位建筑面积对应的外表面面积越大，传热损失就越大。

体形系数的确定还与建筑造型、平面布局、采光通风等条件相关。

体形系数限值规定过小，将制约建筑师的创造性，可能使建筑造型呆板，平面布局困难，甚至损害建筑功能。

因此，如何合理地确定建筑形状，必须考虑本地区气候条伥，冬、夏季太阳辐射强度、风环境、围护结构构造形式等各方面的因素。

应权衡利弊，兼顾不同类型的建筑造型，尽可能减少房间的外围护面积，使体形不要太复杂，凸凹面不要过多，以达到节能的目的。

在夏热冬冷和夏热冬暖地区，建筑体形系数对空调和采暖能耗也有一定的影响，但由于室内外的温差远不如严寒和寒冷地区大，尤其是对部分内部发热量很大的商场类建筑，还有个夜间散热问题，所以一般不对体形系数提出具体的要求。

浙江省属于夏热冬冷地区，因此《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005对此没有进行限制，但省标有要求。

四确定建筑朝向

本工程平面为矩形，主立面为南偏东20°，因此四个立面均位于相应的朝向上。

当建筑平面为异形时，可按以下原则确定建筑朝向的范围：

。

北（偏东60°至偏西60°）；东、西（东或西偏北30°至偏南60°）；南（偏东30°至偏西30°）

浙江地区建筑单体的朝向宜采用偏东30°至偏西15°或当地最佳朝向，主要房间宜避开冬季主导风向的朝向和夏季最大日射的西向。

五确定窗墙面积比

窗墙面积比是指每个朝向外墙面上的窗、阳台门及幕墙的透明部分的总面积与所在朝向建筑的外墙面总面积之比。

窗墙面积比按不同朝向分别计算；

本工程南（北）立面：

窗墙面积比＝350/20×50＝0.35

东（西）立面：

窗墙面积比＝160/10×50＝0.32

六确定传热系数限值

传热系数是指在单位时间内通过单位面积围护结构的传热量。

是围护结构节能设计的主要指标。

按每个立面的外墙（包括非透明幕墙）、外窗（包括透明幕墙）、屋面、屋顶透明部分分别计算。

同一立面上的同一类型进行加权平均。

根据以上的窗墙面积比，查省标的表4.2.1，可得：

北立面：

传热系数K≤3.2；

东立面：

窗墙面积比过大，不符合省标要求，应会同建筑师重新调整立面开窗面积，使得东立面窗墙面积比不大于3.0；

或者采取太阳辐射热透过率不大于20%的外遮阳措施，同时传热系数K≤3.2。

西立面：

传热系数K≤2.5；

南立面：

传热系数K≤3.2。

不同朝向、不同窗墙面积比的外窗传热系数

朝向

北

（偏东60°到偏西60°范围）

东

（偏北30°到偏南60°范围）

西

（偏北30°到偏南60°范围）

南

（偏东30°到偏西

30°范围）

窗外环境条件

冬季最冷月室外平均气温﹥5℃

冬季最冷月室外平均气温≤5℃

无外遮阳措施

有外遮阳（其太阳辐射

透过率

≤20%）

无外遮阳措施

有外遮阳（其太阳辐射

透过率

≤20%）

外窗的

传热系

K【W/（m2·

K）】

窗墙面积比≤0.25

4.7

4.7

4.7

4.7

4.7

4.7

4.7

窗墙面积比﹥0.25且≤0.30

4.7

3.2

3.2

3.2

3.2

3.2

4.7

窗墙面积比﹥0.30且≤0.35

3.2

3.2

—

3.2

2.5

3.2

3.2

窗墙面积比﹥0.35且≤0.45

2.5

2.5

—

2.5

2.5

2.5

2.5

窗墙面积比﹥0.45且≤0.50

—

—

—

2.5

2.5

2.5

2.5

窗墙面积比﹥0.50且≤0.55

—

—

—

—

2.5

2.5

2.5

窗墙面积比﹥0.55且≤0.60

—

—

—

—

2.5

2.5

2.5

窗墙面积比﹥0.60

且≤0.65

—

—

—

—

2.5

2.5

2.5

窗墙面积比﹥0.65且≤0.70

—

—

—

—

—

2.5

2.5

窗墙面积比﹥0.70且≤0.75

—

—

—

—

—

2.5

—

窗墙面积比﹥0.75且≤0.80

—

—

—

—

—

2.5

—

七确定遮阳系数限值

现行标准对居住建筑门窗的遮阳系数未作具体要求。

八确定铝门窗系统的型材

1、隔热材料

目前节能门窗一般均选用隔热铝型材，中国市场的隔热铝型材有两种形式：

1）穿条式——通过开齿、穿条、滚压工序，将条形隔热材料穿入铝合金型材穿条槽内，并使之被铝合金型材牢固咬合的复合方式。

几乎所有欧洲门窗系统的隔热铝型材都采用此方式。

由于国内的节能门窗系统早期基本上都来自欧洲，因此这种方式在目前市场上是主流。

隔热材料采用PA66GF25（聚酰胺66＋25玻璃纤维），国内以泰诺风·保泰公司的产品为代表。

优点是市场占有率高，技术成熟，可方便地做内外双色；缺点是单位门窗铝型材用量偏大。

2）浇注式——把液态隔热材料注入铝合金型材浇注槽内并固化，切除铝合金型材浇注槽内的临时连接桥使之断开金属连接，通过隔热材料将铝合金型材断开的两部分结合在一起的复合方式。

美国的门窗隔热铝型材主要采用这种方式，隔热材料采用聚氨基甲酸乙酯，国内以亚松公司的产品为代表。

优点是经过合理的设计，单位门窗铝型材用量较穿条式少；缺点是目前可选择的系统少，需要门窗设计单位有一定的开发能力，且做成内外双色难度较大。

因本工程框料设计要求做成内外双色，故选择穿条式隔热型材。

2、表面处理

用于门窗的铝合金型材一般采用阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂、氟碳漆喷涂进行表面处理，应符合现行国家标准GB5237《铝合金建筑型材》的质量要求，表面处理层的厚度应满足下表的要求。

铝合金型材表面处理层的厚度

品种

阳极氧化、着色

电泳涂漆

粉末喷涂

氟碳漆喷涂

厚度

AA15

B级

40μm～120μm

≥30μm

注：

有特殊要求的按GB5237选择。

四种表面处理的比较：

耐久性：

阳极氧化、电泳涂漆、氟碳漆喷好，粉末喷涂差；

色彩：

粉末喷涂、氟碳漆喷丰富，阳极氧化、电泳涂漆色彩相对单一（阳极氧化常见的颜色是银灰色和古铜色、电泳涂漆常见的是香槟色和仿不锈钢色）

价格：

阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂价格相差不大，氟碳漆喷涂较前者高约1/3。

因本工程框料灰色和白色，同时考虑造价，故铝型材表面处理选择粉末喷涂。

3、窗型选择

本工程建筑设计的窗型为55系列外开铝门窗，根据2003年建设部《全国民用建筑设计技术措施》的规定，高层建筑严禁使用外平开窗，因此建议业主和建筑设计改为内开内倒窗，型式如下：

4、受力杆件的结构设计

受力构件（指参与受力和传力的杆件）应经计算确定，其未经表面处理的型材最小实测壁厚：

窗应≥1.4mm，组合窗拼樘管应≥2.0mm，门应≥2.0mm。

1）门窗构件的荷载效应计算应根据实际情况选用风荷载、重力荷载和地震作用的最不利组合。

2）作用于外门窗上的风荷载标准值，根据现行国家标准GB50009《建筑结构荷载规范》的有关规定按下式计算：

ωk=βgzμsμzωo

式中ωk——风荷载标准值（kN/m2）；

βgz——阵风系数，应按现行国家标准GB50009《建筑结构荷载规范》的有关规定采用；

μs——风荷载体型系数，应按现行国家标准GB50009《建筑结构荷载规范》的有关规定采用；

μz——风压高度变化系数，应按现行国家标准GB50009《建筑结构荷载规范》的有关规定采用；

ωo——基本风压（kN/m2），参照本规范全省各地50年一遇的基本风压（kN/m2）；

3）垂直于门窗平面分布的水平地震作用标准值，可按下式计算：

qEk=βEαmaxGk/A

式中qEk——垂直于门窗平面分布的水平地震作用标准值（kN/m2）

βE——动力放大系数，可取5.0；

αmax——水平地震影响系数最大值，抗震设防烈度为6度时取0.04；7度（峰值加速度0.1g）时取0.08；7度（峰值加速度0.15g）时取0.12；8度（峰值加速度0.30g）时取0.24；

Gk——门窗（包括玻璃和窗框）的重力荷载标准值（kN）

A——门窗平面面积（m2）。

4）门窗构件应根据受荷情况和支承条件采用结构力学弹性方法计算内力和挠度，并应符合下列规定：

1应力：

σ≤f

2挠度：

u≤〔u〕且u≤15mm

式中：

σ——截面最大应力组合设计值；

f——材料强度设计值；

u——挠度组合设计值；

〔u〕——构件弯曲允许挠度值。

当门窗镶嵌单层、夹层玻璃时：

〔u〕=L/120；当门窗镶嵌中空玻璃时：

〔u〕=L/180。

5）进行门窗构件、连接件承载力计算时应

（1）式，门窗构件的挠度验算应按

（2）式计算：

σ=1.4σWk+1.2σGk+1.3×0.5σEk

（1）

u=uWk

（2）

式中：

σ、u——最大应力组合设计值、挠度组合设计值；

σWk、uWk——风荷载产生的应力标准值、挠度标准值；

σGK——重力荷载产生的应力标准值；

σEK——地震荷载产生的应力标准值。

注：

后两项可根据实际荷载情况进行取或舍。

以上是一个手算的步骤，现在中小企业建议都能购买几套结构计算软件，目前市场上常用的内江“百科”，沈阳“汇宝”，淄博“长风”等软件都可以，只是几乎每种软件的计算过程都有一些小瑕疵，需要手工调整。

下面沈阳“汇宝”软件的计算结果：

基本参数

门窗所在地区：

杭州地区；

地面粗糙度分类等级：

按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）

A类：

指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

B类：

指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；

C类：

指有密集建筑群的城市市区；

D类：

指有密集建筑群且房屋较高的城市市区；

依照上面分类标准，本工程按B类地形考虑。

门窗承受荷载计算

计算依据：

按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）计算：

wk=βgzμzμs1w0……7.1.1-2[GB50009-20012006年版]

上式中：

wk：

作用在门窗上的风荷载标准值（MPa）；

Z：

计算点标高：

50m；

βgz：

瞬时风压的阵风系数；

根据不同场地类型,按以下公式计算：

βgz=K（1+2μf）

其中K为地面粗糙度调整系数，μf为脉动系数

A类场地：

βgz=0.92×（1+2μf）其中：

μf=0.387×（Z/10）-0.12

B类场地：

βgz=0.89×（1+2μf）其中：

μf=0.5（Z/10）-0.16

C类场地：

βgz=0.85×（1+2μf）其中：

μf=0.734（Z/10）-0.22

D类场地：

βgz=0.80×（1+2μf）其中：

μf=1.2248（Z/10）-0.3

对于B类地形，50m高度处瞬时风压的阵风系数：

βgz=0.89×（1+2×（0.5（Z/10）-0.16））=1.5779

μz：

风压高度变化系数；

根据不同场地类型,按以下公式计算：

A类场地：

μz=1.379×（Z/10）0.24

当Z>300m时，取Z=300m，当Z<5m时，取Z=5m；

B类场地：

μz=（Z/10）0.32

当Z>350m时，取Z=350m，当Z<10m时，取Z=10m；

C类场地：

μz=0.616×（Z/10）0.44

当Z>400m时，取Z=400m，当Z<15m时，取Z=15m；

D类场地：

μz=0.318×（Z/10）0.60

当Z>450m时，取Z=450m，当Z<30m时，取Z=30m；

对于B类地形，50m高度处风压高度变化系数：

μz=1.000×（Z/10）0.32=1.6737

μs1：

局部风压体型系数；

按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版）第7.3.3条：

验算围护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数μs1：

一、外表面

1.正压区按表7.3.1采用；

2.负压区

—对墙面，取-1.0

—对墙角边，取-1.8

二、内表面

对封闭式建筑物，按表面风压的正负情况取-0.2或0.2。

由于大部分门窗都有开启，按[5.3.2]JGJ102-2003条文说明，门窗结构一般的体型系数取1.2（大面区域）、2.0（转角区域）。

另注：

上述的局部体型系数μs1

（1）是适用于围护构件的从属面积A小于或等于1m2的情况，当围护构件的从属面积A大于或等于10m2时，局部风压体型系数μs1（10）可乘以折减系数0.8，当构件的从属面积小于10m2而大于1m2时，局部风压体型系数μs1（A）可按面积的对数线性插值，即：

μs1（A）=μs1

（1）+[μs1（10）-μs1

（1）]logA

w0：

基本风压值（MPa），根据现行<<建筑结构荷载规范>>GB50009-2001附表D.4（全国基本风压分布图）中数值采用，按重现期50年，杭州地区取0.00045MPa；

计算杆件时的风荷载标准值：

计算杆件时的构件从属面积：

A=0.75×1.3=0.975m2

LogA=0

μs1（A）=μs1

（1）+[μs1（10）-μs1

（1）]logA

=1

μs1=1+0.2

=1.2

wk=βgzμzμs1w0

=1.5779×1.6737×1.2×0.00045

=0.001426MPa

计算玻璃时的风荷载标准值：

计算玻璃时的构件从属面积：

A=1.3×0.75=0.975m2

LogA=0

μs1（A）=μs1

（1）+[μs1（10）-μs1

（1）]logA

=1

μs1=1+0.2

=1.2

wk=βgzμzμs1w0

=1.5779×1.6737×1.2×0.00045

=0.001426MPa

垂直于门窗平面的分布水平地震作用标准值：

qEAk=βEαmaxGk/A……5.3.4[JGJ102-2003]

qEAk：

垂直于门窗平面的分布水平地震作用标准值（MPa）；

βE：

动力放大系数,取5.0；

αmax：

水平地震影响系数最大值；

Gk：

门窗构件的重力荷载标准值（N）；

A：

门窗构件的面积（mm2）；

作用效应组合：

荷载和作用效应按下式进行组合：

S=γGSGk+ψwγwSwk+ψEγESEk……5.4.1[JGJ102-2003]

上式中：

S：

作用效应组合的设计值；

SGk：

重力荷载作为永久荷载产生的效应标准值；

Swk、SEk：

分别为风荷载，地震作用作为可变荷载产生的效应标准值；

γG、γw、γE：

各效应的分项系数；

ψw、ψE：

分别为风荷载，地震作用效应的组合系数。

上面的γG、γw、γE为分项系数，按5.4.2、5.4.3、5.4.4[JGJ102-2003]规定如下：

进行门窗构件强度、连接件和预埋件承载力计算时：

重力荷载：

γG：

1.2；

风荷载：

γw：

1.4；

地震作用：

γE：

1.3；

进行挠度计算时；

重力荷载：

γG：

1.0；

风荷载：

γw：

1.0；

地震作用：

可不做组合考虑；

上式中，风荷载的组合系数ψw为1.0；

地震作用的组合系数ψE为0.5；

门窗竖中梃计算

基本参数：

1：

计算点标高：

50m；

2：

力学模型：

单跨简支梁；

3：

竖中梃跨度：

H=1300mm；

4：

竖中梃左受荷单元宽：

W1=750mm；竖中梃右受荷单元宽：

W2=750mm；

5：

竖中梃材质：

6063-T5，断热型材；

竖中梃受荷单元分析：

（1）竖中梃计算简图的确定：

因为：

W1

W2

所以，左受荷单元作用在竖中梃上是梯形荷载；

右受荷单元作用在竖中梃上是梯形荷载；

（2）竖中梃在左受荷单元力作用下的受力分析：

wwk：

风荷载标准值（MPa）；

W1：

左受荷单元宽（mm）；

H：

竖中梃的跨度（mm）；

qwk1：

在左受荷单元作用下的风荷载线集度标准值（N/mm）；

qw1：

在左受荷单元作用下的风荷载线集度设计值（N/mm）；

qwk1=wk×W1/2

=0.001426×750/2

=0.535N/mm

qw1=1.4×qwk1

=1.4×0.535

=0.749N/mm

qEAk：

垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值（MPa）；

βE：

动力放大系数，取5.0；

αmax：

水平地震影响系数最大值，取0.04；

Gk：

构件的重力荷载标准值（N），（含面板和框架）；

A：

门窗构件的面积（mm2）；

qEAk=βEαmaxGk/A……5.3.4[JGJ102-2003]

=5.0×0.04×0.0005

=0.0001MPa

qEk1：

左受荷单元水平地震作用线荷载集度标准值（N/mm）；

H：

竖中梃的跨度（mm）；

W1：

左受荷单元宽（mm）；

qEk=