专家谈建筑外窗系统研发的思路和对策

建筑外窗是建筑物外围护结构的重要组成部分，其主要作用是采光通风，给建筑物创造良好的室内光环境和空气环境。由于目前我国的基本建设规模和乡村城镇化进程都处在高速发展阶段，在相当长的时间里，建筑市场对门窗的需求在数量上还会稳步增加。 　　随着建筑工程质量水平的不断提高，对建筑门窗产品的质量也提出了更高的要求。建筑门窗从80年代以前的空、实腹钢门窗一统江山的局面，逐步发展到铝合金、塑料、彩板钢窗、玻璃钢、木制、不锈钢等采用多种材料、具备不同功能用途、适合不同档次建筑的门窗产品系列。 　　节能政策推动外窗系统研发 　　随着国家建筑节能政策的完善，人们充分认识到建筑节能的重要性。而门窗等透光建筑构件是建筑外围护结构中热工性能最薄弱的环节，通过透光建筑构件的能耗，在整个建筑物能耗中占有相当可观的比例。由于建筑能耗约占全国总能耗的25%%,我国已把建筑节能列为国家可持续发展的重要工作，相继制订和颁布了一系列建筑节能方面的标准，这些标准对建筑外窗都提出了明确的要求。 　　为引导、规范和促进我国建筑外窗的研究、开发、生产与应用，围绕我国发展环境友好型建筑材料与产品必须解决的突出问题，瞄准国际前沿，结合我国实际和潜在需求，科技部把“典型地区用建筑外窗系统研究开发”列入“十一五”科技支撑计划重点项目“环境友好型建筑材料与产品研究开发”中，并最终由中国建筑科学研究院领衔的科研开发团队承担。 　　建筑外窗系统研究存在的主要难点 　　据中国建筑科学研究院的专家介绍，建筑外窗的使用与建筑物所在位置、体型、气候条件、使用环境甚至人文因素有密切关系。通常把建筑外窗的气密、水密、抗风压、热工、隔声、采光作为建筑外窗的关键物理性能指标。但是由于以上性能的分级指标分散在不同的标准中，针对一个具体的工程来说，需要进行综合系统的考虑。例如通常水密是参照50年一遇的10分钟最大降雨量时的风速统计值来确定分级指标，确认典型地区最大降雨时的风速，提出适合本地区合理的水密性能指标要求，而不是片面追求高指标，造成不必要的浪费。这一点既具有现实意义，又具有极大难度。 　　建筑外窗的评估体系是指对建筑外窗系统应用技术条件的符合性进行全面的判定，包括设计验证、产品检测及工程检测评定。设计验证是针对典型地区具体工程设计的外窗系统方案进行计算、分析、判定及优化；产品检测是对经设计验证后的产品各项物理性能指标进行试验室检测判定；工程检测是对该建筑工程中的建筑外窗的物理性能进行检测判定。 　　建筑外窗的型材断面非常复杂，有些特性可以精确地计算出来，比如截面惯性矩，但是有些指标往往需要根据经验制定边界条件计算，如传热系数。能否通过试验的方法模拟边界条件来相对准确地测定型材的传热系数，为建筑外窗提供设计依据，是本课题需要解决的主要难点之一。 　　专家说，建筑外窗的安装工艺对建筑外窗的性能有很大影响。当外窗安装不合理时，首先可能产生安全隐患，国内已经有多例安全事故发生；其次可能产生漏水、漏气、局部冷桥造成的结露结冰等，严重影响了外窗的正常使用。多年来门窗行业一直讨论的问题是是否应该增加安装附框，就是在土建施工过程中在门窗的洞口安装金属附框，在建筑装修阶段将外窗整体固定在附框上，这样作可以避免交叉施工造成的对外窗的破坏，同时可以保证外窗的质量，有利于建筑外窗模数化、工业化。实际上在国外发达国家已经不仅采用简单附框技术，而且是采用专用功能性附框，既满足安装要求，又提高了外窗的性能。因此本项目的难点是推广采用功能性附框的同时，在功能性与经济性之间寻找平衡点。 　　我国建筑外窗产业面临的主要问题 　　建筑外窗是建筑物外围护结构的重要组成部分，建筑外窗的性能直接影响到建筑物的美观、安全、环保等诸多方面。与气候条件接近的西欧、北美国家相比，目前我国建筑通过外窗的热损失是加拿大和其它北半球国家同类建筑物的2倍以上。 　　专家介绍，在寒冷及严寒地区，外窗热工性能不好，既浪费能源，又可能产生结露等室内热环境问题。据调查，我国北方一些地区的采暖建筑，由于采用普通门窗，冬季通过外窗的传热与空气渗透耗热量之和，可达全部建筑能耗的50%以上。根据严寒地区建筑外窗现状调查结果显示，目前大量采用的单框三玻塑料窗，由于安装构造不合理导致窗墙连接部位以及漏气部位严重结冰结露，在极端温差作用下，型材产生弯曲、玻璃形成弧面，降低了建筑外窗的性能。 　　从调查的结果看，由于严寒地区室内外温差大，按照常规的设计思路制作的建筑外窗会出现异常的问题。比如开启扇部位仅仅存在极小的局部密封缺陷，由于气密性能是按照缝隙或面积平均的结果，整体气密性能很好，但是缺陷部位在冬季严重结冰，一旦打开窗扇会破坏密封条，导致整个冬季无法开窗；由于室内外温差过大，室外侧型材和玻璃在低温作用下产生收缩变形，当型材的保温性能较好时，型材内表面的温度较高，会在型材内部沿窗法线方向上产生很大的温度梯度，形成极大的内应力。从室外可以明显看出型材向室内弯曲变形，玻璃也会发生同样的现象，由于玻璃是平面材料，外观效果形同锅盖；变形的结果可能导致气密性能下降，甚至影响到外窗的正常使用功能；另外窗框与外墙安装部位存在冷桥，特别是采用单层窗时更容易结露、结冰；中空玻璃密封失效引起结露、进水，导致热工性能下降。 　　在夏热冬暖地区，外窗隔热性能差，不但大幅度提高空调能耗，还会严重影响室内舒适度。夏季通过向阳面门窗进入室内的太阳辐射热，已成为空调负荷的主体。 　　在夏热冬冷地区，上述问题都有不同程度的体现。但是由于建筑师偏爱使用大窗墙比设计，很多场合甚至高度跨越一个楼层。由于大量采用的隔热型材铝合金外窗型材的刚度不足，往往给工程带来很大的安全隐患。 　　在我国沿海城市，台风是常见的天气状况，外窗强度或刚度不够，将造成结构损坏，危害人身安全。雨水通过外窗的孔缝渗入室内，会浸染房间内部装修和室内陈设物件，不仅影响室内正常活动并且使居民在心理上形成不能满足建筑基本要求的不舒适和不安全感。同时，长期滞留在型材腔内的积水还会腐蚀金属材料、五金配件，影响正常开关，缩短建筑外窗的寿命。因此建筑外窗良好的抗风压性能和水密性能是满足该地区外窗使用功能的基本要求。 　　因此，注重建筑外窗设计、制作、安装和施工验收全过程的系统化技术，生产既满足建筑外窗功能性要求、又高效节能的高质量外窗产品，规范我国建筑外窗市场，提高建筑节能，既是我们面临的现实难题，也是具有紧迫性的研究课题。 　　建筑外窗的研究是一项系统工程，涉及的科学领域相当广泛，如：能源、环境、建筑学、结构、材料等诸多相关领域，因此需要不同专业的技术人员密切合作，高校、科研单位和门窗企业紧密配合。本文主要针对我国建筑外窗系统的研究开发项目的实施，提出整体的研究思路和方法，供大家参考。

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