摘要：本文針對建筑超低能耗耐火窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計和相關(guān)技術(shù)進行了深入研究和探討，從隔熱性和密封性的角度系統(tǒng)闡述了近零能耗耐火窗的研究基礎(chǔ)、設(shè)計方案、技術(shù)要求、有益效果以及實施方案，并展望了新型防火材料和智能技術(shù)對近零能耗耐火窗換代升級的推動作用。結(jié)果表明，建筑超低能耗耐火窗既能提升窗體自身耐火性能，又能降低建筑的整體能耗，是實現(xiàn)中高層建筑安全與能效保障的重要設(shè)備。

關(guān)鍵詞：超低能耗；耐火窗；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

在全球氣候變化和能源危機日益嚴峻的背景下，建筑行業(yè)正面臨著提高能效和減少溫室氣體排放的巨大壓力。同時，近零能耗建筑（NZEB）概念應(yīng)運而生。耐火窗作為建筑設(shè)計中不可或缺的組成部分，逐漸演變成為集節(jié)能、環(huán)保及安全于一體的高性能設(shè)備。近零能耗耐火窗系統(tǒng)源于對現(xiàn)代城市中高層建筑安全與能效的雙重考量，在安全方面既能執(zhí)行規(guī)范中[1-4]所規(guī)定的防火功能，同時在設(shè)計上融入節(jié)能特性，縮小能耗指標。林魏新提出防火五金配件可以提高耐火窗的整體性能和可靠性[5]；趙宗凱從型材、玻璃及五金配件等方面提出了建筑節(jié)能耐火窗提升整窗耐火性能的設(shè)計方案[6]；楊杰對節(jié)能耐火窗密封條的熱解和燃燒特性開展了實驗研究，結(jié)果表明密封條受熱膨脹倍率越高耐火性能越強；陳勁松等人提出節(jié)能和耐火性能協(xié)同提升是防火窗的發(fā)展趨勢，目前針對節(jié)能耐火窗在降低能耗的同時，又能提升耐火性能的研究較少。本研究提出一種新型的近零能耗耐火窗，采用高性能材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以及集成創(chuàng)新密封技術(shù)，既能提升窗體自身耐火性能，又能顯著減少建筑能耗，為建筑設(shè)計師、工程師及研究人員提供實際的設(shè)計指導(dǎo)和技術(shù)參考，同時為實現(xiàn)更加安全、節(jié)能的建筑環(huán)境提供新的思路。

一、解讀《建筑設(shè)計防火規(guī)范》

GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》作為我國建筑行業(yè)的標準性文件，對火災(zāi)防護目標、建筑分區(qū)、疏散通路、消防設(shè)施及建筑材料等方面都有詳細的規(guī)定。尤其針對建筑外窗的防火要求，該規(guī)范明確指出，所有外窗應(yīng)在設(shè)計上保證能防止火勢向其他樓層或建筑擴散，具體體現(xiàn)在其材料選用、安裝方式及耐火性能等方面。根據(jù)規(guī)范條款，耐火窗主要需滿足以下條件。首先，耐火窗必須使用符合國家標準的耐火材料；其次，耐火窗的耐火等級應(yīng)與所在區(qū)域的火災(zāi)危險性相適應(yīng)；最后，耐火窗必須具有完善的測試報告，以證明其在規(guī)定的耐火時間內(nèi)能滿足結(jié)構(gòu)完整性和隔熱性。

通過設(shè)計創(chuàng)新，如使用先進的耐火材料、優(yōu)化窗體結(jié)構(gòu)以及采用多層隔熱技術(shù)等，可使耐火窗在滿足現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上，進一步提升其性能。除了設(shè)計與材料上的創(chuàng)新，還可以引入智能系統(tǒng)，如熱感應(yīng)和自動關(guān)閉機制，提高耐火窗的響應(yīng)效率以及整體安全性，見表1。

二、耐火窗的性能特點及技術(shù)要求

耐火窗作為建筑設(shè)計中關(guān)鍵的安全組件之一，其設(shè)計和制造必須嚴格滿足性能標準，以確保在火災(zāi)情況下能夠有效保護人員和財產(chǎn)安全。

（一）材料選擇

耐火窗必須使用通過火災(zāi)測試的耐火材料，如耐火玻璃、鋼質(zhì)或鋁合金框架等。這些材料能在一定時間內(nèi)承受高溫而不失去結(jié)構(gòu)完整性。

（二）氣密性

優(yōu)良的氣密性能可以防止煙霧和有害氣體滲透，為火災(zāi)疏散和滅火行動爭取寶貴時間。

（三）耐熱性

耐火窗不僅要阻擋火焰蔓延，更重要的是限制熱輻射，避免鄰近區(qū)域的溫度過高，導(dǎo)致二次火災(zāi)。

（四）耐火等級

耐火窗應(yīng)按其耐火完整性從低到高分為不同等級，如05小時、1個小時、15小時等，以適應(yīng)不同場所的防火要求，如表2所示。

通過選用更高標準的防火玻璃、優(yōu)化窗框的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及采用自動噴水系統(tǒng)等集成防火技術(shù)，能大幅提高耐火窗的耐火完整性和隔熱性。同時，智能化設(shè)計，如聯(lián)動疏散系統(tǒng)的集成，也能在火災(zāi)發(fā)生時提供更有效的逃生指引和保護。

三、建筑超低能耗耐火窗的窗體設(shè)計及技術(shù)要求

（一）研究基礎(chǔ)

近零能耗建筑旨在通過高性能的圍護結(jié)構(gòu)和氣密性設(shè)計，配合高效熱能回收技術(shù)，顯著減少建筑的制熱和制冷需求。目前，塑鋼和合金門窗因其優(yōu)良的美觀性、密封性、結(jié)構(gòu)強度和隔熱性能，已成為建筑工程中的普遍選擇。這些窗的常規(guī)結(jié)構(gòu)通常包括外框、中橫梃和活動扇型材，它們與玻璃協(xié)同作用形成完整的窗戶。然而，傳統(tǒng)窗結(jié)構(gòu)由于型材內(nèi)部鋼襯、玻璃兩端以及壓條多處為空心設(shè)計等，隔熱效果并未達到被動低能耗建筑標準。針對現(xiàn)有技術(shù)的局限性，我國專利申請?zhí)?01621044990X中的“被動式超低能耗建筑用耐火窗結(jié)構(gòu)及建筑結(jié)構(gòu)”提出了改進方案，降低窗戶本身的傳熱系數(shù)，優(yōu)化其保溫功能。盡管該方案改善了保溫效果，但耐火性與縫隙填充方面仍然存在不足，可能導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生時出現(xiàn)煙氣滲入現(xiàn)象，對室內(nèi)避險人員的生命安全造成威脅。為解決上述問題，本研究提出了接近零能耗需求的新型耐火窗設(shè)計，旨在通過結(jié)構(gòu)和材料的創(chuàng)新，提高耐火窗的整體性能，確保在火災(zāi)中能有效阻隔煙氣擴散，同時提供被動式低能耗建筑所需的隔熱性能。

（二）設(shè)計方案

1.在窗框與扇框內(nèi)嵌具有精確定位的組件，以提升窗框和扇框間的密封性，并安裝高效能防火玻璃。同時，在窗框與扇框內(nèi)部設(shè)置專門的密封填充組件，這些組件由高質(zhì)量保溫棉組成，與扇框端部和窗框內(nèi)部的阻燃膠條相結(jié)合，形成堅固的密封隔斷。外框和扇框通過邊角包覆，內(nèi)襯鍍鋅鋼和膨脹密封條，兩者共同作用，以提高整個系統(tǒng)的隔熱和抗火性能。

2.針對扇框和窗框之間的合頁系統(tǒng)以及易于操作的平開執(zhí)手和窗扇啟閉控制裝置，通過進一步優(yōu)化防火設(shè)計，使其在保持窗戶結(jié)構(gòu)完整性和密封性的同時，還具有防火性能。在扇框與平開執(zhí)手相對側(cè)，采用內(nèi)凹式設(shè)計，并在其四周設(shè)置同樣的阻燃膠條，以適配窗框內(nèi)部的類似組件。

3.針對定位組件的設(shè)計，采用端部和側(cè)邊玻璃托架，這些托架固定在防火玻璃的側(cè)面，協(xié)同工作，保持玻璃位于正確位置。防火玻璃的下方配有專用的防火墊塊，以增強整體的穩(wěn)定性。此外，防火巖棉以其特殊的凹形填充設(shè)計，實現(xiàn)扇框和窗框間的最佳隔熱效果。

該設(shè)計方案實現(xiàn)了防火窗的兩個重要性能提升。一是在高溫阻隔方面，通過內(nèi)側(cè)的膨脹密封條，保障了窗戶系統(tǒng)在遇到火災(zāi)時的密封性與穩(wěn)定性；二是在保護措施方面，內(nèi)部安裝的防火棉條為防火玻璃的兩側(cè)提供了額外的緊密貼合，進一步加固了整體結(jié)構(gòu)。

（三）有益效果

近零能耗耐火窗旨在顯著增強窗戶的耐火與密封能力。通過采用窗框和扇框之間集成的密封填充組件，有效提升氣密性和抗風(fēng)壓性，確保在高溫情況下的結(jié)構(gòu)完整性。此外，特別設(shè)計的密封條能有效阻止火災(zāi)煙氣侵入，通過保溫棉、防火棉條和防火巖棉的協(xié)同作用，顯著增強窗戶的隔熱性能。在鍍鋅鋼襯的內(nèi)側(cè)增設(shè)了特別的封堵組件，設(shè)計的膨脹密封條含有膨脹劑，一旦遇到高溫環(huán)境，膨脹密封條中的膨脹劑會激活并迅速擴充，以填充鍍鋅鋼襯。此過程不僅密封了鍍鋅鋼襯與窗框間的潛在縫隙，也大幅增強了窗戶的防火與隔熱能力，從而實現(xiàn)最佳的防火和保溫效果，確保即使在極端條件下也能保持室內(nèi)環(huán)境的安全性與舒適性。

（四）實施方案

窗戶系統(tǒng)由窗框和可旋轉(zhuǎn)的扇框組成，通過采用先進的結(jié)構(gòu)特性和材料，以實現(xiàn)最佳的耐火性能和保溫性能，如圖1所示。首先，在窗框和扇框之間，裝配精密的定位組件，確保防火玻璃的牢固安裝。其次，內(nèi)置的密封填充組件以及由保溫棉與阻燃膠條構(gòu)成的密封條，優(yōu)化窗體的密封和保溫特性。最后，窗框的外側(cè)和扇框的兩側(cè)均配有用于增強結(jié)構(gòu)強度的包角和鋼襯，鍍鋅鋼襯內(nèi)部還設(shè)有可以在高溫下迅速膨脹的密封條，以實現(xiàn)在火災(zāi)情況下的自動密封。

1.扇框和窗框通過合頁連接，使扇框可通過外側(cè)的平開執(zhí)手靈活開啟或關(guān)閉，包含一個用于優(yōu)化操作的窗扇啟閉控制裝置。值得注意的是，扇框在遠離平開執(zhí)手的一側(cè)采用了內(nèi)凹設(shè)計，以增強窗體的整體密封能力。

2.防火玻璃兩側(cè)的定位由端部玻璃鋼托和側(cè)邊玻璃鋼托穩(wěn)固支撐，與窗框和扇框之間的玻璃壓條協(xié)同工作，形成了一個高效的固定結(jié)構(gòu)，使其即使在火災(zāi)高溫條件下仍能保持完整性和穩(wěn)定性，避免受煙氣羽流、火羽流劇烈沖擊后失去強度。

3.防火玻璃底部的防火玻璃墊塊以及填充在防火玻璃四周的防火巖棉，進一步增強了窗體的耐火隔熱性能，確保在極端條件下的室內(nèi)安全性與舒適性。

圖中：1.窗框；2.扇框；3.玻璃壓條；4.防火玻璃；5.阻燃膠條；6.膨脹密封條；7.保溫棉；8.防火棉條；9.防火巖棉；10.端部包角；11.側(cè)邊包角；12.端部玻璃鋼托；13.側(cè)邊玻璃鋼托；14.平開執(zhí)手；15.合頁；16.窗扇啟閉控制裝置；17.防火玻璃墊塊；18.鍍鋅鋼襯。

結(jié)語

近零能耗耐火窗是通過在耐火窗系統(tǒng)設(shè)計上采用創(chuàng)新的密封填充組件，結(jié)合膨脹密封條和阻火材料，如防火玻璃、保溫棉和防火巖棉，增強結(jié)構(gòu)的鋼襯和壓條，實現(xiàn)在常規(guī)使用條件下的高效保溫性能以及在火災(zāi)條件下迅速反應(yīng)和封閉的功能，從而有效阻止煙氣和火焰擴散。在未來的研究中，可從保持或改善現(xiàn)有窗戶的防火和保溫性能的同時，進一步降低成本與復(fù)雜性的設(shè)計優(yōu)化方面開展深入探索。參考文獻

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