正壓區(qū)域疏散門(mén)開(kāi)啟可靠性分析

孫于萍 趙國(guó)敏 梁茵 張靜

天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院

在建筑防排煙設(shè)計(jì)中，防煙樓梯間及其（合用）前室、避難層等部位均設(shè)置有一定耐火等級(jí)的疏散防火門(mén)。這些門(mén)，無(wú)論平時(shí)常開(kāi)還是常閉，在加壓送風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟后均處于關(guān)閉狀態(tài)，以保證樓梯間、前室內(nèi)空氣壓力高于其周?chē)諝鈮毫Γ柚怪饘訜煔馇秩胧枭^(qū)域。而人員在逃生過(guò)程中總要打開(kāi)防火門(mén)，所需開(kāi)門(mén)力過(guò)大就會(huì)導(dǎo)致開(kāi)門(mén)困難甚至打不開(kāi)門(mén)，十分危險(xiǎn)。這就出現(xiàn)了疏散門(mén)開(kāi)啟的可靠性問(wèn)題。在疏散門(mén)尺寸一定的條件下，閉門(mén)器開(kāi)啟力矩、門(mén)兩側(cè)空氣壓差將決定開(kāi)門(mén)力的大小。本文分析確定了允許壓差和人群最大推力，采用控制因素法，討論閉門(mén)器開(kāi)啟力矩對(duì)開(kāi)門(mén)力的影響，給出提高疏散門(mén)開(kāi)啟可靠性的建議和方法。

1 開(kāi)門(mén)力和中國(guó)人群最大推力

作用在疏散門(mén)門(mén)軸上的開(kāi)門(mén)力F需要克服兩個(gè)反方向的力，一個(gè)是加壓空間空氣壓力差作用于門(mén)扇上的力，另一個(gè)是閉門(mén)器的反扣力，根據(jù)力矩概念，建立開(kāi)門(mén)力數(shù)學(xué)模型：

式中：F為開(kāi)門(mén)力，N；M為閉門(mén)器開(kāi)啟力矩，N·M；W為門(mén)的寬度，m；H為門(mén)的高度，m；ΔP為門(mén)兩側(cè)的壓差，Pa；d為把手到門(mén)閂的距離，一般情況下d取0.076m。

此數(shù)學(xué)模型假設(shè)開(kāi)門(mén)力全部作用在拉手上。當(dāng)開(kāi)門(mén)力不超過(guò)人的最大推力時(shí)，才能保證疏散人員能夠順利進(jìn)入加壓空間。一個(gè)人的推門(mén)力，則取決于此人的力量、拉手位置、地板與鞋之間的摩擦、開(kāi)門(mén)方式等因素。美國(guó)消防協(xié)會(huì)（National Fire Protection Association）制定的標(biāo)準(zhǔn)《防火規(guī)范》（NFPA Standard 1-Fire Code）第14章對(duì)疏散通道中防火門(mén)開(kāi)啟力給出以下數(shù)值，“打開(kāi)安全逃生設(shè)施任意門(mén)的力不應(yīng)超過(guò)133 N”，這相當(dāng)于13.6 N的力。兒童的手臂無(wú)法產(chǎn)生這樣大的推力，小女孩的最小推力為46 N，老年婦女的最小推力只有83 N。這一數(shù)值更適合工業(yè)門(mén)及商業(yè)門(mén)，對(duì)民用住宅建筑而言此值偏大。

目前，中國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人群最大推門(mén)力還沒(méi)有明確規(guī)定。《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》提出疏散時(shí)加壓空間防火門(mén)推門(mén)力不大于10 kg，即98 N，這一限值的人群對(duì)象主要為婦女。DGJ08-88-2006《上海市建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》采用110 N作為我國(guó)人群最大推門(mén)力。《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六卷給出中國(guó)成年男女站姿手臂的推門(mén)力限值為113 N，此值源于人機(jī)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)。考慮國(guó)內(nèi)外人員體質(zhì)差異、數(shù)據(jù)的普遍適用性，本文以113 N作為我國(guó)人群的最大推力。

2 壓差和開(kāi)啟力矩

正壓區(qū)域某一規(guī)格的防火門(mén)開(kāi)門(mén)力取決于壓差和閉門(mén)器開(kāi)啟力矩。門(mén)兩側(cè)的壓差就等于空氣流過(guò)門(mén)縫時(shí)的局部阻力。

式中：ζ為門(mén)縫局部阻力系數(shù)2.44，取決于流動(dòng)路徑幾何形狀及流動(dòng)湍流度等；ρ為空氣密度，取1.2kg/m3。

火災(zāi)時(shí)，煙氣水平方向流速為0.3～0.8m/s，垂直方向擴(kuò)散速度為3～4m/s，可根據(jù)式（2）計(jì)算出阻擋煙氣擴(kuò)散的最小壓差為25 Pa。從防煙角度而言，25Pa及以上的正壓都可以滿(mǎn)足防煙要求，且越高防煙效果越好。但人員逃生總是會(huì)打開(kāi)門(mén)的，過(guò)高的壓差可能導(dǎo)致開(kāi)門(mén)困難甚至打不開(kāi)門(mén)。因此，從疏散角度而言，送風(fēng)形成的壓差存在一個(gè)上限，此上限稱(chēng)為最大允許壓差。值得注意的是，最大允許壓差并不是一個(gè)定值。開(kāi)門(mén)力大小決定于門(mén)兩側(cè)壓差和防火門(mén)閉門(mén)器開(kāi)啟力矩兩個(gè)因素。在確定的人群最大推力下，一個(gè)閉門(mén)器開(kāi)啟力矩對(duì)應(yīng)一個(gè)最大允許壓差。閉門(mén)器開(kāi)啟力矩越大，允許正壓值就越小（但不能小于25Pa）。閉門(mén)器開(kāi)啟力矩越小，壓差就可以增大。

對(duì)于理論計(jì)算，只要確保壓差與開(kāi)啟力矩（也稱(chēng)自閉配件反扣力）耦合作用下的開(kāi)門(mén)力不超過(guò)人群最大推力即可。這意味著每一個(gè)設(shè)計(jì)方案都需要根據(jù)門(mén)的規(guī)格、區(qū)域正壓值和閉門(mén)器參數(shù)等逐一校驗(yàn)開(kāi)門(mén)力，極不現(xiàn)實(shí)。

可行的辦法是給出一定的壓差和閉門(mén)器允許開(kāi)啟力矩范圍。范圍內(nèi)，所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的防火門(mén)均應(yīng)滿(mǎn)足開(kāi)門(mén)力限值要求。為了促使樓梯間內(nèi)的加壓空氣向走道流動(dòng)，發(fā)揮對(duì)著火層煙氣的排斥作用，要求樓梯間的空氣壓力大于前室的空氣壓力，前室的空氣壓力大于走道的空氣壓力。現(xiàn)行GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》給出的設(shè)計(jì)壓差范圍為防煙樓梯間40～50Pa。前室或合用前室25～30Pa。

3 開(kāi)門(mén)力驗(yàn)算

根據(jù)式（1）驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)防火門(mén)（不含超大規(guī)格防火門(mén)）所需開(kāi)門(mén)力。設(shè)計(jì)壓差隨防煙部位不同而不同，防煙樓梯間40～50Pa，前室或合用前室25～30Pa，驗(yàn)算時(shí)壓差取上限50Pa。根據(jù)GB12955-2008《防火門(mén)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)防火門(mén)共有27種規(guī)格，依據(jù)門(mén)扇質(zhì)量和寬度可確定所配置閉門(mén)器的開(kāi)啟力矩。驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 壓差50 Pa時(shí)標(biāo)準(zhǔn)防火門(mén)開(kāi)門(mén)力

4 分析與建議

表2數(shù)據(jù)顯示，加壓送風(fēng)50Pa時(shí)，打開(kāi)0.9*2.3、0.9*2.2、1.0*2.3、1.0*2.2、1.0*2.1、1.05*2.3、1.05*2.2、1.05*2.1規(guī)格防火門(mén)所需開(kāi)門(mén)在113～147 N，超過(guò)人群最大推力113 N。根據(jù)開(kāi)門(mén)力影響因素權(quán)重分析，標(biāo)準(zhǔn)防火門(mén)（非超大規(guī)格防火門(mén)）閉門(mén)器開(kāi)啟力矩對(duì)開(kāi)門(mén)力的影響大于壓差對(duì)開(kāi)門(mén)力的影響，故本文采取控制壓差因素的方法，重新計(jì)算閉門(mén)器開(kāi)啟力矩允許范圍，計(jì)算結(jié)果繪入圖1。

圖1 閉門(mén)器開(kāi)啟力矩建議范圍

當(dāng)閉門(mén)器開(kāi)啟力矩符合圖1建議范圍時(shí)，在允許壓差范圍內(nèi)（25～50 Pa），所有標(biāo)準(zhǔn)防火門(mén)開(kāi)門(mén)力均不超限。閉門(mén)器開(kāi)啟力矩的大小與安裝位置、門(mén)可開(kāi)啟角度等因素有關(guān)，對(duì)比國(guó)內(nèi)外閉門(mén)器標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)各型號(hào)閉門(mén)器效率（平均37%）與歐美國(guó)家（平均56%）相比較低，應(yīng)進(jìn)一步提高設(shè)備性能。因此，本文建議降低我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)防火門(mén)閉門(mén)器的開(kāi)啟力矩允許范圍，由當(dāng)前13～80 N·M調(diào)整為13～47 N·M。

此外，在滿(mǎn)足安全疏散要求的前提下，建議避免選用大尺寸防火門(mén)。大尺寸防火門(mén)受力面積大，開(kāi)啟力矩相對(duì)較高。對(duì)于住宅建筑，考慮老弱婦幼單獨(dú)逃生的概率較高，應(yīng)選用0.9 m寬度以下防火門(mén)，將所需開(kāi)門(mén)力控制在平均98 N，通過(guò)增加安全出口數(shù)量的方式達(dá)到疏散要求。對(duì)于公共建筑，GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定“公共建筑內(nèi)疏散門(mén)和安全出口凈寬度不應(yīng)小于0.9 m”，故必須選用0.9 m及以上寬度單扇防火門(mén)或1.2 m寬度及以上雙扇防火門(mén)。這進(jìn)一步凸顯降低閉門(mén)器開(kāi)啟力矩的必要性，確保加壓送風(fēng)區(qū)域疏散門(mén)開(kāi)啟的可靠性。