中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究起源
近年發生多起火災有關的新聞案件，其中造成重大意外傷亡的，往往跟防火區劃的設置安全與否有著重要的關係。建築技術規則建築設計施工編第79條等規定，防火構造建築物內之挑空部分、昇降階梯間、安全梯之樓梯間、昇降機道、垂直貫穿樓板之管道間及其他類似部分，應以具有一小時以上防火時效之牆壁、防火門窗等防火設備與該處防火構造之樓地板形成區劃分隔。
現今流通在市面上的防火門，其重量普遍相當大，造成了耐用性和啟閉困難的缺點。因此，在輕量化設計仍有提升空間，例如減少製造商在運輸和現場組裝時面臨的重量問題，減少開啟和關閉過程所需的時間、力量，和提升其耐用性等。
防火門在長期護理機構、醫院、半導體製造廠等皆有其市場和需求，因此若能改善防火門重量，除了對一般民眾在真正發生火災時能更容易使用，增加逃生時間外，同時也能夠促使產業發展進步，促使相關廠商更積極研發新材料或結構設計優化。
二、研究方法及過程
本研究首先收集國內外防火門相關材料、工法與研究成果，並分析填充材料與結構設計對於防火遮煙門輕量化之影響。目標期望以較簡單的更換填充材料方式對既有防火門進行改良，提昇其各項性能。進行試驗驗證後，其結果除直接推廣應用外，也可用於改善「防火門同型式判定原則」，以鼓勵業界開發使用新材料新技術。
1.文獻分析
本研究計畫將依照計畫之研究議題，蒐集包含國內外防火遮煙門設計工法、材料特性、測試案例以及相關文獻資料，並且相互比較分析與歸納整理，作為本研究計畫在實驗設計規劃階段之基礎參考。藉由收集文獻的分析與比對了解國際間與本研究議題相關之發展方向與現況，作為本研究計畫報告與投稿論文撰寫之文獻回顧資料庫。
2.專家諮詢法
研究結果經初步整理後，研究團隊將定期邀請相關學者以及產業界、工會專家進行意見溝通交流，並針對研究內容進行審議，提出應修正及增刪之意見，作為充實、加強本研究計畫內容之參考。並擇期辦理期中、期末簡報來說明研究計畫執行成效、進度及所遭遇之問題。
3.實尺寸實驗驗證
於選定目標防火遮煙門後，即可以其原始性能作為基準進行改良。在輕量化後需以實尺寸實驗驗證其性能，包括CNS 1227-1「防火時效試驗法－第 1 部：門及捲門組件」，檢測防火時效性，以及CNS 15038「建築用門遮煙性試驗法」，檢測遮煙性能，期望在至少不降低性能時效下進行輕量化。其它亦需測量如總重、開關力等，以評量輕量化成效。
三、重要發現
1.本研究收集國內99份具遮煙性能與1小時防火時效之防火門報告書，以及1份只具有1小時防火時效之防火門報告書。分析各項材料組成之重量比例。其中多數為鋼製門，而鋼製門重量佔比第一為扇面板佔38.32% ，第二即為中間的芯材(中心材+層間材)佔30.46%。研究中以使用頻率最高的陶瓷棉、岩棉、矽酸鈣板等，製作去除防火門骨架、配件等部份，純為探討材料性質的小型試體進行耐火試驗。研究結果顯示：
(1)由於探討的試體數量較多，無法全部做實尺寸試驗，因此本研究將以小型試體進行試驗。小型試體之阻熱性較原尺寸差，使用1小時防火時效材料的小型試體，僅有部份可達到30分鐘阻熱性能。而在30分鐘時試體雖有膨脹變形，但表面無破損，遮焰性良好。模擬結果也顯示小試體非曝火面溫度上升速率會高於實尺寸試體。因此若為實尺寸試體，非曝火面的溫度上升較緩慢，可延長阻熱時效。
(2)30分鐘時效之不同試體結果顯示，岩棉比陶瓷棉的重量較輕且阻熱性較佳；纖維水泥板比矽酸鈣板、石膏板重量重且阻熱性較差，矽酸鈣板比石膏板重量略重、阻熱性接近。
(3)由不同中心材與層間材的結構組合，於阻熱性能結果顯示，主要與材料之熱傳導係數有關，但仍有如試驗過程中，板材破損與框架周邊熱傳等現象可能造成阻熱性的差異。
2.針對不同中心材與層間材的結構組合與測試結果，是能以替換填充材料之方式進行輕量化，如用既有常見材料，以岩棉替代陶瓷棉或是矽酸鈣板替代纖維水泥，矽酸鈣板與石膏板性質相近時可互換等。但各材料有其適用性，如岩棉阻熱性雖較佳，但高於600oC即開始劣化，而陶瓷棉可耐1000oC以上等，超過1小時的防火試驗亦需納入評估。原因為CNS12514-1升溫曲線在1小時的溫度約945oC ，此時使用岩棉的防火門，其岩棉溫度是否高於600oC導致劣化，則是要確認的重點。此外，本研究也使用新型材料的氣凝膠酚醛發泡樹脂作為層間材，實尺寸防火門通過CNS 11227-1的60分鐘遮焰與阻熱性能。此門扇重量 86.5kg輕於礦製單門扇的平均172kg，以及最輕的92kg。
3.本試驗並未探討結構是否會對防火門遮焰與阻熱性能造成影響，因此撇除橫料、立料及骨架等防火門組成構件，單純探討不同中心材及層間材組合替換的情況下，遮焰與阻熱性能的優劣差異。針對不同中心材與層間材的結構組合與測試結果顯示，原材料之熱傳導係數(k)可替換更小熱傳導係數(k)之材料，及需要更長的時效驗證。例如：
(1)中心材：岩棉的重量與k值小於陶瓷棉，試驗結果顯示岩棉替換成陶瓷棉，能提升阻熱性。(但各中心材有其適用性，如岩棉阻熱性雖較佳，但高於600oC即開始劣化，而陶瓷棉可耐1000oC以上等，超過1小時的防火試驗亦需納入評估。原因為CNS12514-1升溫曲線在1小時的溫度約945oC ，此時使用岩棉的防火門，其岩棉溫度是否高於600oC，則是要確認的重點。)
(2)層間材：(a)石膏板與矽酸鈣板的重量與k值小於纖維水泥板，石膏板與矽酸鈣板的測試結果優於纖維水泥板。(b)本研究所採用的石膏板與矽酸鈣板k值相近，試驗結果亦顯示石膏板與矽酸鈣板具有互換性。
四、主要建議事項
建議一
中長期建議：防火門同型式判定原則於中心材、層間材各式材料替換性
主辦機關：經濟部標準檢驗局
協辦機關：內政部建築研究所、中華民國防火門商業同業公會
防火門的防火時效測試與相關評定認可，在國內已行之有年，相關廠商也有許多商品通過測試並取得相關認可報告。現有的『防火門同型式判定原則』並未有中心材、層間材替換的同型式判定原則說明。本研究參考通過遮煙及防火性能的評定書中出現之中心材、層間材組合，歸納出「中心材+層間材+中心材」及「層間材+中心材+層間材」之組合。以縮小尺度並且排除其他立料、橫料的結構性影響，探討陶瓷棉、岩棉、纖維水泥板、矽酸鈣板及石膏板，共計16種試體組合的遮焰與阻熱性能。參照CNS 12514-1升溫曲線針對不同中心材與層間材的結構組合與測試結果顯示，原材料之熱傳導係數(k)可替換更小熱傳導係數(k)之材料，及需要更長的時效驗證。
例如：
1.中心材：岩棉的重量與k值小於陶瓷棉，試驗結果顯示岩棉替換成陶瓷棉，能提升阻熱性。(但各中心材有其適用性，如岩棉阻熱性雖較佳，但高於600oC即開始劣化，而陶瓷棉可耐1000oC以上等，超過1小時的防火試驗亦需納入評估。原因為CNS12514-1升溫曲線在1小時的溫度約945oC ，此時使用岩棉的防火門，其岩棉溫度是否高於600oC，則是要確認的重點。)
2.層間材：(1)本研究使用之石膏板與矽酸鈣板的厚度大於纖維水泥板；但重量與k值小於纖維水泥板。石膏板與矽酸鈣板的測試結果優於纖維水泥板，可替換纖維水泥板。(2)本研究所採用的石膏板與矽酸鈣板k值相近，試驗結果亦顯示石膏板與矽酸鈣板具有互換性。
建議二
中長期建議：釐清鋼製防火門結構變化對中心材、層間材的影響性
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：中華民國防火門商業同業公會
本研究的實驗試體，在設計外觀、結構、支撐構造等，不同於現今防火門結構，主要是以去除防火門骨架、配件等部份，單純探討不同材料性質與組合在防火試驗過程(CNS 12514-1)的遮焰與阻熱性能變化。實驗的試體分為(1)中心材+層間材+中心材，(2)層間材+中心材+層間材，兩大類。由研究結果顯示，原材料之熱傳導係數(k)可替換更小熱傳導係數(k)之材料，及需要更長的時效驗證。
但不同中心材、層間材與防火門骨架之間的結構固定，以及在防火試驗過程(CNS 11227-1)，防火門整體結構的變化或變形量是否直接影響中心材與層間材的性能，更甚至於是否直接或間接影響遮煙性能，都需要再進一步的釐清。建議未來可探討防火門結構變形與中心材、層間材之間的相互影響性，以及是否影響原有的遮煙性能。
建議三
中長期建議：防火門製造之於2050淨零碳排的分析與對策研究
主辦機關： 內政部建築研究所
協辦機關： 中華民國防火門商業同業公會
目前政府以2050淨零排放為主要目標。市售防火門以鋼製和木製防火門為主，其中又以鋼製防火門為大宗。鋼製防火門主要結構組成為扇面板、骨架、橫立料等，此等門組件的材料大多為鍍鋅鋼板、不銹鋼板、五金配件等金屬材質。此類金屬材質在加工製造過程需耗費大量的能源與碳排，對環境有一定程度影響。而木製防火門的結構，除了芯材(中心材+層間材)和五金配件以外，大部分為木質材料，相較鋼製防火門來說，製造過程所需耗費的能源與碳排也不相同。由於木質材料可視為生質材料，因此具有可再生、低碳足跡與對環境較為友善之特性。建議可針對鋼製及木質門，於原料端、加工製造端、配送端…等過程，進行能耗與碳排分析比較，且擬定減少能耗與碳排之對策，往2050淨零碳排目標邁進。

The majority of fire doors available today meet both the CNS 11227-1 or CNS 15038 standards for fire resistance and smoke shielding performance. The fire doors' heavy weight has the disadvantages of being less durable and more challenging to open and close. Therefore, there remains room for improvements in the lightweight design and simple opening, such as lowering the weight problems manufacturers encounter while shipping and on-site assembly, as well as lowering the time, force, and durability needed for the opening and shutting procedure of fire doors. The company's fire door has a market and demand in long-term care centers, hospitals, semiconductor manufacturing facilities, etc.
The common specifications and types of fire door components have been discovered by compiling the reports provided by the fire door judgment institution. The specimens were created based on the aggregated materials, and the experiment was carried out in accordance with CNS 11227-1. The same type identification principle is one of the essential elements in this study, therefore it is crucial to not only determine whether it is possible to replace the infilled materials but also to design new material types which are more lightweight and higher heat resistant than the existing ones.
The experiment was carried out without taking structural concerns into account, and it was discovered from the test results that rock wool has a high likelihood of replacing ceramic wool and performs even better in terms of heat insulation when the same kind of fireboard is used within the specimen. Additionally, gypsum or calcium silicate board can be changed out for fiber cement board. They can both be used in place of one another because they have comparable thermal conductivity and densities. Moreover, it has been confirmed that the new type of material, aerogel phenolic foam board, has stable mechanical qualities, excellent insulating performance, and is lightweight, etc. Finally, it was successfully applied to a fire door that offers flame protection and heat insulation for 60 minutes, while also being lighter in weight than conventional fire doors.
The specimens do, however, exhibit the expansion phenomena. When it is discovered that many of the inside fireproof boards have clearly been cracked, significantly decreasing the specimens' ability to withstand heat. It is conceivable that the structure influences the fire door's ability to withstand heat to a certain degree. The outcomes of this study imply that future work will have to focus more on the design of fire door structures as well as the relationship between the structure and infilled materials.
Research methods:
1.Collect domestic and foreign fire door related materials, construction methods and research results.
2.Design the specimens and conduct the fire test, then analyze the influence of infilled materials and structural design on the lightweight of fire doors.
3.Find out how to improve the heat performance of fire doors, and the posibility about replacing infilled materials under the principle of same type identification.
Major outcomes:
1.The experimental result shows that it is possible to replace ceramic wool by rock wool, and there is a possibility of substitution between the calcium silicate board and gypsum board.
2.The new-typed material has been developed, and successfully applied to fire door which has 60 minutes of heat insulation and flame shielding, moreover, it is more lightweighted comparing to other fire doors.
3.All the specimens have the phenomenon of expansion. and it is found that many of the fireproof boards inside have been obviously broken, which leads to poor heat resistance.
4.The infilled materials and fire door structure have a certain degree of influence on the heat resistance of fire door, and there is a need to do a further analysis about the relation between infilled materials and structure.