正壓區(qū)域疏散門開啟可靠性分析

孫于萍 趙國敏 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)置有一定耐火等級的疏散防火門。這些門，無論平時常開還是常閉，在加壓送風(fēng)系統(tǒng)開啟后均處于關(guān)閉狀態(tài)，以保證樓梯間、前室內(nèi)空氣壓力高于其周圍空氣壓力，阻止著火層煙氣侵入疏散區(qū)域。而人員在逃生過程中總要打開防火門，所需開門力過大就會導(dǎo)致開門困難甚至打不開門，十分危險。這就出現(xiàn)了疏散門開啟的可靠性問題。在疏散門尺寸一定的條件下，閉門器開啟力矩、門兩側(cè)空氣壓差將決定開門力的大小。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，討論閉門器開啟力矩對開門力的影響，給出提高疏散門開啟可靠性的建議和方法。

1 開門力和中國人群最大推力

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

式中：F為開門力，N；M為閉門器開啟力矩，N·M；W為門的寬度，m；H為門的高度，m；ΔP為門兩側(cè)的壓差，Pa；d為把手到門閂的距離，一般情況下d取0.076m。

此數(shù)學(xué)模型假設(shè)開門力全部作用在拉手上。當(dāng)開門力不超過人的最大推力時，才能保證疏散人員能夠順利進(jìn)入加壓空間。一個人的推門力，則取決于此人的力量、拉手位置、地板與鞋之間的摩擦、開門方式等因素。美國消防協(xié)會（National Fire Protection Association）制定的標(biāo)準(zhǔn)《防火規(guī)范》（NFPA Standard 1-Fire Code）第14章對疏散通道中防火門開啟力給出以下數(shù)值，“打開安全逃生設(shè)施任意門的力不應(yīng)超過133 N”，這相當(dāng)于13.6 N的力。兒童的手臂無法產(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)門及商業(yè)門，對民用住宅建筑而言此值偏大。

目前，中國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對人群最大推門力還沒有明確規(guī)定。《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》提出疏散時加壓空間防火門推門力不大于10 kg，即98 N，這一限值的人群對象主要為婦女。DGJ08-88-2006《上海市建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》采用110 N作為我國人群最大推門力。《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第六卷給出中國成年男女站姿手臂的推門力限值為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作為我國人群的最大推力。

2 壓差和開啟力矩

正壓區(qū)域某一規(guī)格的防火門開門力取決于壓差和閉門器開啟力矩。門兩側(cè)的壓差就等于空氣流過門縫時的局部阻力。

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

火災(zāi)時，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足防煙要求，且越高防煙效果越好。但人員逃生總是會打開門的，過高的壓差可能導(dǎo)致開門困難甚至打不開門。因此，從疏散角度而言，送風(fēng)形成的壓差存在一個上限，此上限稱為最大允許壓差。值得注意的是，最大允許壓差并不是一個定值。開門力大小決定于門兩側(cè)壓差和防火門閉門器開啟力矩兩個因素。在確定的人群最大推力下，一個閉門器開啟力矩對應(yīng)一個最大允許壓差。閉門器開啟力矩越大，允許正壓值就越小（但不能小于25Pa）。閉門器開啟力矩越小，壓差就可以增大。

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

可行的辦法是給出一定的壓差和閉門器允許開啟力矩范圍。范圍內(nèi)，所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的防火門均應(yīng)滿足開門力限值要求。為了促使樓梯間內(nèi)的加壓空氣向走道流動，發(fā)揮對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 開門力驗(yàn)算

根據(jù)式（1）驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)防火門（不含超大規(guī)格防火門）所需開門力。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)算時壓差取上限50Pa。根據(jù)GB12955-2008《防火門標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)防火門共有27種規(guī)格，依據(jù)門扇質(zhì)量和寬度可確定所配置閉門器的開啟力矩。驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 壓差50 Pa時標(biāo)準(zhǔn)防火門開門力

4 分析與建議

表2數(shù)據(jù)顯示，加壓送風(fēng)50Pa時，打開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)格防火門所需開門在113～147 N，超過人群最大推力113 N。根據(jù)開門力影響因素權(quán)重分析，標(biāo)準(zhǔn)防火門（非超大規(guī)格防火門）閉門器開啟力矩對開門力的影響大于壓差對開門力的影響，故本文采取控制壓差因素的方法，重新計(jì)算閉門器開啟力矩允許范圍，計(jì)算結(jié)果繪入圖1。

圖1 閉門器開啟力矩建議范圍

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

此外，在滿足安全疏散要求的前提下，建議避免選用大尺寸防火門。大尺寸防火門受力面積大，開啟力矩相對較高。對于住宅建筑，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，將所需開門力控制在平均98 N，通過增加安全出口數(shù)量的方式達(dá)到疏散要求。對于公共建筑，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或1.2 m寬度及以上雙扇防火門。這進(jìn)一步凸顯降低閉門器開啟力矩的必要性，確保加壓送風(fēng)區(qū)域疏散門開啟的可靠性。