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摘要：随着铝包木门窗中的木型材需满足铝包木门窗系统对木型材断面设计的基本要求，同时还需满足铝包木门窗在被动式建筑使用上需要的结构强度和保温性能。目前国内对被动式门窗用型材保温系数的要求K值不高于1.3W/㎡·K。为达到这个设计要求，被动式铝包木门窗的木型材主要通过增加木材厚度，木材和保温复合材料压合，木材和保温复合材料弹性链接、或者空腔设计等多种构造方式解决。
关键词：被动式铝包木门窗、木型材、构造
1. 前言
木材做为一种基础原料，具有低导热性，高隔音性等特点，同时由于木材的自然属性，若处理不当，会出现弯曲，扭曲等现象，从而影响门窗的正常使用。本文将从木材特性以及被动式铝包木门窗的生产和使用场景出发，就如何合理的设计、生产用于被动式铝包木门窗用的木型材进行描述，从而为铝包木门窗在被动式建筑中的使用提供理论依据。
2. 铝包木门窗用木材
木材作为一种可再生的自然资源，其具有低导热性、高隔音性、易加工等特点。全球已知的木材种类多达数万种，且由于种类、生长地域、环境不同，木材的质地、纹理、吸水性、热传导性等性能也不同。因此根据门窗特殊的使用场景，需要选择相应的木材种类和质量生产加工铝包木门窗。德国VFF HO. 02：2008-12和VFF HO. 06-1/2 规范中对可用于德系铝包木门窗中的木材种类和木型材质量要求进行了规定，其中共例举了10种针叶林种类和23种阔叶林种类适用于加工铝包木门窗。同时由于各种木材树种的密度不同，其导热系数和弹性模量也有差别。
根据德国DIN 68364标准，表Ⅰ列出铝包木窗中常用的木型材种类的基本物理参数
3. 铝包木门窗用木型材的结构形式
木材本身是一种不均质的基础材料，木材中的水分会随着周围环境的变化而发生改变，水分的变化和木材干缩率的不同会使木材出现弯曲、扭曲等变形现象。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结构设计（词条“结构设计”由行业大百科提供）可以有效防止木型材的变形。目前，从结构设计上防止木型材变形，铝包木窗的木型材主要构造形式是单层指接和多层粘接压合(3层以上)的工艺方式，同时多层压合构造时尽量选择径切纹理板作为外层表板，使木型材更稳定。
图Ⅰ例举的是木门窗型材的结构形式
4. 铝包木门窗用木型材的表面处理
木型材含水率高于20%时，真菌容易在其体内进行繁殖，从而导致木材出现霉变、腐烂等现象。有效控制木材中水分的任意吸收和流失，是确保铝包木门窗用木型材质量的关键因素。实现这一质量保证的重要技术手段是木材的表面处理——水性漆。一般铝包木门窗用木型材都采用2底2面的水性漆施工工艺，德国HO.06-2/A1:2007-10的标准中要求木型材可视面(可接触到紫外线)的漆膜干膜厚度不低于80μm. 非可视面(接触不到紫外线)的漆膜干膜厚度不低于50μm. 只有达到这个标准才可保证木窗在正常使用情况下具有20年以上的使用寿命。
5. 被动式铝包木门窗中的木型材设计
被动式门窗整体门窗保温系数K值低于1.0 W/㎡·K，其中要求型材K值低于1.3 W/㎡·K. 木型材的设计方面可通过增加木型材厚度、添加保温复合材料以及空腔设计来实现，这三种设计解决方案在实施过程中需要考虑型材的胶合强度、结构强度以及木型材在门窗使用中和五金、胶条等之间的配合。
5.1 纯实木被动式木型材构造
纯实木被动木型材是通过单纯增加木型材的厚度来实现提高型材保温性能，此设计方案充分利用木材只是低导热性的优势。由于一味的提高木型材的厚度，增加了门窗的设计难度，特别是当窗扇面积较小的情况下，如果门窗断面设计不合理，开启或闭合过程中易出现型材与胶条剐蹭等现象。
图Ⅱ：纯实木被动式木型材节点图，木结构总厚度为102mm，保温系数Uf值能到达1.05 W/㎡·K 。
*上述保温系数采用的是欧洲所使用的U值，有别于国内使用的K值
表II中根据DIN4108 T4标准给出了针叶林和阔叶林中有代表性的四种木材生产的木型材的保温系数，IV56代表木型材厚度为56毫米，结构形式18+20+18代表型材为三层压合，每层厚度分别为18毫米、20毫米、18毫米。由于不同木材的导热系数不同，同样厚度的木型材达到的保温效果不同。
通过本表可以看出如果要达到型材保温系数K值小于1.3 W/㎡·K，使用赤松或者樟子松作为原料的木型材厚度最少要达到88毫米。
5.2 实木和复合材料复合压合构造
实木和保温复合材料复合压合是通过在多层木型材压合过程中加入和木材干缩比相近但导热系数更低的保温材料（词条“保温材料”由行业大百科提供）。此设计方案可以在不增加木型材厚度的情况下，大大提高木型材的保温性能。但是，由于不同材质之间进行多层胶合，需要考虑其它材质和木材在胶合过程以及后期使用过程中的兼容性和稳定性。在保证木型材的保温系数的同时，兼顾型材的结构强度。
图Ⅲ：在实木之间压合保温复合材料结构形式的节点图，27mm厚木材+24mm厚复合保温材料+27mm厚木材，若选用24mm厚Purenit M 550作为保温材料，保温系数Uf值能达到1.08 W/㎡·K。
*上述保温系数采用的是欧洲所使用的U值，有别于国内使用的K值
表Ⅲ中根据DIN4108 T4标准给出了红松/樟子松和欧洲常用的三种木型材用保温材料(高强度XPS、Purenit M 550、Puren RG 200) 复合压合后的保温系数。18+20+18代表型材为三层压合，每层厚度分别为18毫米、20毫米、18毫米。由于不同木材的导热系数不同，同样厚度的木型材达到的保温效果不同。
(IV 代表木型材厚度，IV68代表型材厚度为68毫米，以上表格的保温系数为根据DIN4108 T4标准测试出的Uf值)
5.3 实木和复合材料弹性链接构造
实木和复合材料弹性链接构造是在不改变木型材结构的情况下，在门窗系统设计时单独用螺丝或卡扣的形式将木型材和保温材料链接。此设计方案可以在不改变木型材自身厚度的情况下，大大提高木型材的保温性能。但是，由于是在现有型材通过螺丝或者卡扣等弹性链接方式和保温材料相连，增加了型材的厚度，对开启窗扇面积较小的门窗的设计增加了设计难度。
图Ⅳ：实木和复合材料弹性链接的节点图，其中木型材厚度为68mm，若选用24mm厚Purenit M 550作为保温材料，保温系数Uf值能达到0.97 W/㎡·K 。
*上述保温系数采用的是欧洲所使用的U值，有别于国内使用的K值
表Ⅳ中根据DIN4108 T4标准给出了红松/樟子松和欧洲常用的三种木型材用保温材料(XPS、Purenit M 550、Puren RG 200) 复合压合后的保温系数。18+20+18代表型材为三层压合，每层厚度分别为18毫米、20毫米、18毫米。由于不同木材的导热系数不同，同样厚度的木型材达到的保温效果不同。
5.4 空腔式木型材构造
空腔式木型材是在木型材的型材结构中引入空腔设计概念，结合木材本身的低导热性以达到更好的保温效果。此设计方案可以在不增加木型材厚度的情况下，提高木型材的保温性能。但是，由于采用空腔设计理念，型材的结构强度受到影响，在进行木型材结构设计时需要考虑木型材在门窗使用过程中的结构承重系数和抗风压能力，以及门窗组角时的角部强度等因素。 图Ⅴ：空腔式木型材节点图,型材厚度为68mm，保温系数Uf值可达到1.12 W/㎡·K
*上述保温系数采用的是欧洲所使用的U值，有别于国内使用的K值
空腔式木型材，型材空腔设计断面不同，木型材达到的保温性能也各有不同，表Ⅴ是按照德国诺卡木业有限公司设计的断面由德国IFT测量得到的数据。
其它高保温木型材构造
除以上四种形式构造作为解决方案外，为满足不同使用场景需求还可以将以上四种构造形式组合使用，例如空腔型材设计加保温材料等，用于被动式建筑中铝包木门窗的木型材。
6. 被动式铝包木门窗木型材的使用
目前国内大部分的铝包木门窗生产企业，一般生产IV78、IV68或者IV58系列，此三系列木型材中木材厚度分别为78毫米、68毫米和58毫米，在不采取其它技术措施的情况下，即使采用保温系数低的樟子松或者红松，保温系数Uf值在木材厚度78毫米的情况下为1.31W/㎡·K，仍然无法满足被动式门窗的设计要求。
基于目前国内被动式门窗整窗K值不高于1.0W/㎡·K，以及型材保温系数K值不高于1.3W/㎡·K的技术要求，铝包木门窗企业如不改变原有门窗系统设计，可直接采购采用木材空腔设计或者实木和复合材料复合压合型材设计的木型材。但使用这种构造的木型材，门窗企业需和木型材生产企业确定木型材的设计断面，已保证木型材的结构强度和胶合强度。如采用增加木材厚度或实木和复合材料弹性链接，门窗企业则需要对门窗截面进行重新设计，以保证门窗使用过程中不出现胶条与型材剐蹭等现象的出现。
作者单位：北京金诺迪迈幕墙装饰工程有限公司
