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。這些門,無論平時(shí)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(huì)導(dǎo)致開門困難甚至打不開門,十分危險(xiǎn)。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(duì)開門力的影響,給出提高疏散門開啟可靠性的建議和方法。
作用在疏散門門軸上的開門力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扇上的力,另一個(gè)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(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(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(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)人群最大推門力還沒有明確規(guī)定?!秾?shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》提出疏散時(shí)加壓空間防火門推門力不大于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)人群最大推門力?!稒C(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力限值為113 N,此值源于人機(jī)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)??紤]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。
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(shí)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(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(gè)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(gè)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(gè)因素。在確定的人群最大推力下,一個(gè)閉門器開啟力矩對(duì)應(yīng)一個(gè)最大允許壓差。閉門器開啟力矩越大,允許正壓值就越?。ǖ荒苄∮?5Pa)。閉門器開啟力矩越小,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(gè)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(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?,F(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。
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(shí)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)防火門開門力
表2數(shù)據(jù)顯示,加壓送風(fēng)50Pa時(shí),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(duì)開門力的影響大于壓差對(duì)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(shí),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(duì)比國(guó)內(nèi)外閉門器標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)各型號(hào)閉門器效率(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(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,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(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。