建筑超低能耗耐火窗的結構設計與技術研究

摘要：本文針對建筑超低能耗耐火窗的結構設計和相關技術進行了深入研究和探討，從隔熱性和密封性的角度系統闡述了近零能耗耐火窗的研究基礎、設計方案、技術要求、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對近零能耗耐火窗換代升級的推動作用。結果表明，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，是實現中高層建筑安全與能效保障的重要設備。

關鍵詞：超低能耗；耐火窗；結構設計

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）概念應運而生。耐火窗作為建筑設計中不可或缺的組成部分，逐漸演變成為集節能、環保及安全于一體的高性能設備。近零能耗耐火窗系統源于對現代城市中高層建筑安全與能效的雙重考量，在安全方面既能執行規范中[1-4]所規定的防火功能，同時在設計上融入節能特性，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能耐火窗提升整窗耐火性能的設計方案[6]；楊杰對節能耐火窗密封條的熱解和燃燒特性開展了實驗研究，結果表明密封條受熱膨脹倍率越高耐火性能越強；陳勁松等人提出節能和耐火性能協同提升是防火窗的發展趨勢，目前針對節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、優化結構設計以及集成創新密封技術，既能提升窗體自身耐火性能，又能顯著減少建筑能耗，為建筑設計師、工程師及研究人員提供實際的設計指導和技術參考，同時為實現更加安全、節能的建筑環境提供新的思路。

一、解讀《建筑設計防火規范》

GB50016-2014《建筑設計防火規范》作為我國建筑行業的標準性文件，對火災防護目標、建筑分區、疏散通路、消防設施及建筑材料等方面都有詳細的規定。尤其針對建筑外窗的防火要求，該規范明確指出，所有外窗應在設計上保證能防止火勢向其他樓層或建筑擴散，具體體現在其材料選用、安裝方式及耐火性能等方面。根據規范條款，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與所在區域的火災危險性相適應；最后，耐火窗必須具有完善的測試報告，以證明其在規定的耐火時間內能滿足結構完整性和隔熱性。

通過設計創新，如使用先進的耐火材料、優化窗體結構以及采用多層隔熱技術等，可使耐火窗在滿足現有規范的基礎上，進一步提升其性能。除了設計與材料上的創新，還可以引入智能系統，如熱感應和自動關閉機制，提高耐火窗的響應效率以及整體安全性，見表1。

二、耐火窗的性能特點及技術要求

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

（一）材料選擇

耐火窗必須使用通過火災測試的耐火材料，如耐火玻璃、鋼質或鋁合金框架等。這些材料能在一定時間內承受高溫而不失去結構完整性。

（二）氣密性

優良的氣密性能可以防止煙霧和有害氣體滲透，為火災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，避免鄰近區域的溫度過高，導致二次火災。

（四）耐火等級

耐火窗應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、優化窗框的結構設計以及采用自動噴水系統等集成防火技術，能大幅提高耐火窗的耐火完整性和隔熱性。同時，智能化設計，如聯動疏散系統的集成，也能在火災發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計及技術要求

（一）研究基礎

近零能耗建筑旨在通過高性能的圍護結構和氣密性設計，配合高效熱能回收技術，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良的美觀性、密封性、結構強度和隔熱性能，已成為建筑工程中的普遍選擇。這些窗的常規結構通常包括外框、中橫梃和活動扇型材，它們與玻璃協同作用形成完整的窗戶。然而，傳統窗結構由于型材內部鋼襯、玻璃兩端以及壓條多處為空心設計等，隔熱效果并未達到被動低能耗建筑標準。針對現有技術的局限性，我國專利申請號201621044990X中的“被動式超低能耗建筑用耐火窗結構及建筑結構”提出了改進方案，降低窗戶本身的傳熱系數，優化其保溫功能。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，可能導致火災發生時出現煙氣滲入現象，對室內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計，旨在通過結構和材料的創新，提高耐火窗的整體性能，確保在火災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）設計方案

1.在窗框與扇框內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，在窗框與扇框內部設置專門的密封填充組件，這些組件由高質量保溫棉組成，與扇框端部和窗框內部的阻燃膠條相結合，形成堅固的密封隔斷。外框和扇框通過邊角包覆，內襯鍍鋅鋼和膨脹密封條，兩者共同作用，以提高整個系統的隔熱和抗火性能。

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

3.針對定位組件的設計，采用端部和側邊玻璃托架，這些托架固定在防火玻璃的側面，協同工作，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，以增強整體的穩定性。此外，防火巖棉以其特殊的凹形填充設計，實現扇框和窗框間的最佳隔熱效果。

該設計方案實現了防火窗的兩個重要性能提升。一是在高溫阻隔方面，通過內側的膨脹密封條，保障了窗戶系統在遇到火災時的密封性與穩定性；二是在保護措施方面，內部安裝的防火棉條為防火玻璃的兩側提供了額外的緊密貼合，進一步加固了整體結構。

（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壓性，確保在高溫情況下的結構完整性。此外，特別設計的密封條能有效阻止火災煙氣侵入，通過保溫棉、防火棉條和防火巖棉的協同作用，顯著增強窗戶的隔熱性能。在鍍鋅鋼襯的內側增設了特別的封堵組件，設計的膨脹密封條含有膨脹劑，一旦遇到高溫環境，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環境的安全性與舒適性。

（四）實施方案

窗戶系統由窗框和可旋轉的扇框組成，通過采用先進的結構特性和材料，以實現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，內置的密封填充組件以及由保溫棉與阻燃膠條構成的密封條，優化窗體的密封和保溫特性。最后，窗框的外側和扇框的兩側均配有用于增強結構強度的包角和鋼襯，鍍鋅鋼襯內部還設有可以在高溫下迅速膨脹的密封條，以實現在火災情況下的自動密封。

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

2.防火玻璃兩側的定位由端部玻璃鋼托和側邊玻璃鋼托穩固支撐，與窗框和扇框之間的玻璃壓條協同工作，形成了一個高效的固定結構，使其即使在火災高溫條件下仍能保持完整性和穩定性，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.側邊包角；12.端部玻璃鋼托；13.側邊玻璃鋼托；14.平開執手；15.合頁；16.窗扇啟閉控制裝置；17.防火玻璃墊塊；18.鍍鋅鋼襯。

結語

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

[1]楊杰.密封條燃燒特性及其對建筑節能窗耐火性能的影響研究[D].西安科技大學，2022.

[2]陳勁松，馬鑫.建筑節能耐火窗耐火性能研究進展綜述[J].消防科學與技術，2022，41（09）：1233-1236.

[3]趙良碩，朱小路.建筑耐火節能門窗材料的設計選擇路徑研究[J].門窗，2021（19）：5-6.

[4]程先勝，蔣躍萍，范懷瑾，等.塑料耐火門窗系統技術分析[J].中國建筑金屬結構，2017（05）：54-55.

[5]中國建筑材料科學研究總院.新型復合防火玻璃——開啟建筑安全新通道[J].硅酸鹽通報，2021，40（02）：692.

[6]趙宗凱.建筑節能耐火窗技術研究[D].山東建筑大學，2018.