刚性防火幕技术杂谈（一）

段慧文

【摘 要】 从国内外刚性防火幕标准的对比入手，对防火幕相关技术参数、幕体结构、驱动/控制的供电电源、幕体驱动 及管理制度等进行讨论，并提出建议。

【关键词】 刚性防火幕；技术参数；幕体结构；供电电源；驱动与控制

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.01.008

Talking about the Rigid Safety Curtain Technology （Part 1）

DUAN Hui-wen

（Owner's Commottee of NCPA， Beijing 100031， China）

【Abstract】From the contrast of rigid safety curtain standards at home and abroad， this paper discussed the fire-proof curtain related technical parameters， structure， drive/control power supply， the curtain body drive and management system， and suggestions are put forward.

【Key Words】rigid safety curtain； technical parameters； screen body structure； power supply； drive and control

笔者2004年在《演艺设备与科技》（《演艺科技》原名）杂志上曾发表过“舞台防火幕”的论文，较为全面地介绍了剧场火灾发生及危害机制、舞台防火幕及相关法规的诞生、防火幕应具备的主要性能、防火幕的分类及组成、刚性防火幕的结构组成（幕体形式及其运动方式、幕体结构、幕体四周密封结构、手动释放缓冲装置等）、刚性防火幕缓冲阻力计算和功率计算等内容。

由于防火幕使用了比较成熟的技术，近年来除柔性防火幕的发展与使用外，国内外对刚性防火幕总体结构形式的改进与更新并无突破性进展，文章的基本内容今天仍可供设计人员参考。

笔者将从国内外刚性防火幕的对比入手，对涉及刚性防火幕的一些重要方面提出一些个人看法，与业内设计、制造、使用领域的技术人员和专家探讨。

1 国内现行标准

WH0101-1996《舞台升降式刚性防火幕》是由天津舞台科学技术研究所起草的中国第一部有关剧场消防安全设备的标准，它的制定为规范我国剧院中防火幕的设计、制造和使用起到了积极作用。笔者有幸参加了当年的标准审查工作，认为作为行业内首个单项消防设备产品的标准，优点体现在以下三方面。

（1）内容齐全，涵盖面广，规定了舞台升降式刚性防火幕（以下簡称“防火幕”）的型号、技术要求、试验方法、检验规则、标志和包装。适用范围明确，为剧场舞台与观众厅之间的防火幕。

（2）技术要求简明扼要，对幕体、导轨、驱动元件、运行、安装、电气元件与设备都有涉及。特别是“5.1.1 防火幕耐火极限应不小于0.5小时”的规定，虽然依据的理念并不甚完整与先进，但其数值现在看来也是符合国际发展情况的。

（3）对试验方法、检验规则、标志与包装也做出了明确的规定。

但是由于制定时的条件局限，如国外有关资料奇缺、出国考察困难、设计理念的差异等，标准本身存在一些先天不足，有些是设计理念的问题，有些是当时舞台设备相关标准欠缺的问题。

原标准主要存在以下问题。

（1）虽然规定“防火幕耐火极限应不小于0.5小时”，和现在逐渐减小防火幕耐火极限的趋势相同，但从设计理念上讲，主要是出于消防而不是出于疏散观众的需要，这与国际上防火幕的设计理念还是不同的。这一观点的产生是基于“15分钟消防”的概念，根据消防部门专家介绍，不少国家大城市（中国亦同）均按此原则配置消防队伍。消防部门接到火警报告后，消防车10分钟内到达现场，了解情况、布置消防器具及人力，15分钟后消防员开始扑救火灾。当然，由于城市规划、城市管理、资源配置、流动人口和临时建筑等诸多因素的制约，达到“15分钟消防”还是相当困难的，所以规定耐火极限大于0.5小时。

（2）“防火幕所用钢丝绳应符合GB1102中的有关规定，钢丝绳安全系数应不小于9”，这与现行有关标准规定的安全系数相比显然偏小。

（3）“幕体下落的全过程不得大于45秒”和“幕体在落至距台面2.5 m时，幕体下降应做减速运行，运行时间不少于10秒”，这两个指标与国际通用的全程30 s，后程5 s～10 s仍有差距。

（4）“幕体上端和两侧超出舞台建筑台口部分应不小于300 mm”的规定，与现行剧场建筑设计标准的有关规定不符。

（5）幕体、导轨的耐火试验，只规定了“按设计要求做一个防火幕试件，试验方法按GB7633执行”，却没有明确防火幕耐火极限的评判标准。

（6）标准回避了幕体承受的水平压力，这没有为幕体强度、刚度计算规定条件，也与国际通行的标准相悖。标准中缺乏对幕体强度、刚度计算的指导性意见。

标准推行使用二十多年来这些问题逐渐突显，亟需对原标准进行修订与提高改进，其前提是对一些技术问题进行探讨，得出一个业内认可、比较一致的意见，这也是笔者撰文的初衷。

2 国内外防火幕标准中技术参数的差异

欧洲国家剧场多，发展历史悠久，以往发生的火灾也多，因此几乎所有剧场均设置防火幕。剧场建筑的相关标准或法规中对防火安全有较严格的规定，少数国家为舞台台口防火幕制定了专门的标准，不少国家虽无专门的标准，却有多年沿袭的、为行业认可的行规和具体技术指标，或建筑专业标准的剧场安全部分（或集会人员安全部分）列出对防火幕的要求，并且舞台台口只容许使用刚性防火幕。而北美地区由于消防和设备设计理念的不同，则使用柔性防火幕居多。据了解，中国仅有一个剧场设计了柔性幕体防火幕，鉴于对柔性防火幕的了解、设计理念和方法、幕体材料、特别是使用经验欠缺等方面的原因，一直未能推广。因此，柔性防火幕暂不在本文讨论之列。

国内外在防火幕的设计理念上有差异，设计理念的差异也会表现在技术参数、设备结构和设备管理等诸多方面。

设计理念的差异主要表现在对防火幕的用途与作用的认识上。欧洲国家普遍认为，防火幕的用途是在舞台发生火灾时，隔离烟火、阻止有毒烟气向观众厅蔓延；阻挡火灾引起的火光，减少观众因火灾引起的恐惧感；为观众有序安全疏散争取时间，以观众安全疏散时间作为防火幕耐火极限设计的基本出发点。防火幕不同于舞台建筑结构的耐火承重墙，两者对耐火极限的要求是根本不同的；也不同于其他防火门、窗等构件，对背火面温度和辐射强度也无严格要求。这点在英国娱乐行业2008年6月执行的防火幕标准E4中，用较大篇幅进行了阐述。其主要论点是：防火幕可以延迟舞台火灾产生的烟气向观众厅蔓延，可以使观众看不到火焰和烟雾而有秩序的疏散；使观众可以有足够的时间摆脱火灾的影响安全离开观众厅（800座的剧场，通常的疏散时间为2.5 min～4 min）；防火幕不用作隔墙；作为隔墙使用时防火幕将极其昂贵，操作时会出现一系列的问题；将防火幕用作隔墙的企图出自对防火幕功能的误解，等等。而国内相当一部分人士认为防火幕的主要功能是作为耐火隔墙，将耐火极限定得很长，这与前期设计多采用原苏联标准（耐火极限2小时）有关。

根据笔者以前积累的信息和近期查询的资料、信息，对防火幕的主要技术性能参数如幕体的耐火极限、无动力自重下降时间、幕体承受的水平压力、幕体电动升降的速度和幕体的喷淋系统等进行统计并附上个人意见，整理成表，虽不完整，也能反映基本情况，供参考。

各国防火幕主要性能参数见表1。

3 关于防火幕技术参数的讨论

3.1 幕体耐火极限

由于防火幕的作用是为观众有序疏散争取时间，一般1 200座剧场的疏散时间大约5 min～10 min（E4中的数据为800座，2.5 min～4 min）可以完成。从消防和对建筑物保护的角度考虑，美国的标准仅为30 min，英国舞台技术咨询公司1997年设计的新加坡滨海剧场，防火幕幕体的耐火极限为60 min；而英国娱乐行业2008年6月执行的防火幕标准的第一条，规定了“防火幕应是由不燃材料制成的刚性结构，抵御舞台火灾的影响，使观众有足够的时间。从设计上安全疏散时间应保证不少于20 min。”原来欧洲国家幕体的耐火极限普遍较长，中国20世纪建造新剧场时，防火幕的耐火极限采用原苏联的标准为120 min，造成幕体过于笨重，设备和建筑的成本都提高了，使剧场建筑设计、舞台机械专业后进行配合的剧场和旧剧场的改造均难以适应。20世纪80年代，为演出大歌舞而改建某剧场时，因为防火幕笨重只能做了设计，先让消防部门验收通过，真正的防火幕至今也只停留在设计图纸上。幕体耐火极限的长短，主要取决于观众有序疏散所需的时间，而不是出于消防的目的，不然會使幕体过于笨重。幕体的耐火极限应从其使用功能和实际疏散需要出发，为安全起见，建议取45 min为宜，比美国30 min和英国E4规定的20 min长，比欧洲多数国家短。

3.2 幕体承受的水平压力

为了计算高温下幕体结构的强度和刚度，需要“水平压力”这一参数。只有在火灾载荷（在一个空间里所有物品包括建筑装修材料在内的总潜热能）和火灾载荷密度（单位建筑面积上的火灾载荷）极大的情况下，或产生爆燃（以亚音速传播的爆炸，例如，在火灾载荷密度较大的密闭房间发生火灾一段时间后，突然打开门或窗，或可燃气、液体火灾）时才会产生较大的水平压力。由于舞台的火灾载荷密度不高，舞台也不是密闭结构，舞台火灾基本上不具备这种条件。舞台发生火灾后，防火幕下降的同时，排烟系统工作，不会有大的水平压力。舞台火灾后对防火幕幕体产生的水平压力，主要由“火风压”造成。火风压原是用于矿井（主要是煤矿）火灾的特殊概念词汇，“火风压指的是，当井下发生火灾时，高温烟流经过有高差的井巷时产生的附加风压。矿井中发生火灾时，烟流主要沿着原来的风流方向移动，火灾波及的范围内空气温度升高，形成与自然风压相同的火风压”。舞台火灾与矿井火灾的情况极其相似。

中外学者对火风压进行了大量的研究，用研究结果给出的计算式进行舞台火灾时风压计算（有一些假设条件），水平压力均在100 N/m2以下（笔者曾依据矿井火风压的计算公式，比照剧场舞台的相似条件进行计算，结果约为79 N/m2）。一般认为原来水平压力取值都偏高，欧洲各国近期也有减低的趋向。如英国舞台技术咨询公司分别于1996年和1997年设计的巴塞罗那剧场和新加坡滨海剧场，其水平压力分别取为300 N/m2和150 N/m2，而美国娱乐技术协会负责制定的防火幕标准中，水平压力只有97.5 N/m2（2 lb/ft2），这些都是有道理的。英国新标准E4中有两个数据可以参考，舞台无自动喷淋灭火系统时为300 N/m2，舞台有自动喷淋灭火系统时为150 N/m2。笔者认为，水平压力的数值很难由试验取得，从安全角度出发，建议取值为200 N/m2。

3.3 幕体自重下降时间

看表1中数据，幕体全行程紧急下降时间30 s、后程（约2.4 m）的下降时间5 s～10 s居多，后程下降留有一定时间，是为幕体下演员安全撤离着想。考虑到文化活动国际交往日益增多，笔者建议幕体全行程紧急下降时间和后2.4 m行程的下降时间宜与国际常用值相同，分别为30 s和5 s～10 s。

3.4 电动升降速度

借鉴国外防火幕管理的规定，防火幕应在每场演出前提升打开，演出结束后下降关闭。因为防火幕要在演出开幕前当众升起，为减少观众等待时间并参照国外数值，将防火幕幕体升降速度的适用范围适当提高（据研究，人的等待耐性约为40 s～45 s，在马路路口的人行横道旁，行人等待40 s就会急躁不安，再长，闯红灯的现象就急剧增加。行程为10 m左右的防火幕，按提升时间30 s考虑，提升速度为0.33 m/s合适），笔者建议防火幕的电动升降速度根据台口高度的实际情况，在0.2 m/s～0.4 m/s之间选择（等待时间30 s～35 s）。

3.5 紧急手/电动释放装置

为保证防火幕在任何情况下都能靠自重下降这一安全性能，必须有紧急手/电动释放装置。根据国内设计经验和实践，建议采用手动释放制动器的结构；当采用电动释放离合器时，需要备用蓄电池。

3.6 卷筒提升钢丝绳数量

从安全角度和国内实践考虑，建议用双绳或双分支结构。

3.7 幕体喷淋系统

国外的防火幕有设置喷淋冷却水幕为幕体降温的，也有不设置的。但对设置或不设置喷淋冷却水幕的判定没有说明，即什么情况下必须设置，什么情况下可以不设置并不明确。在德国就有湿式（设置喷淋冷却水幕）和干式（不设置喷淋冷却水幕）防火幕两种形式，但其要求幕体的耐火极限、幕体所承受的水平压力并无差别。实际上，构件的耐火性能的判定准则对不同的构件是不同的。

根据GB/T9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法 第1部分 通用要求》的规定，“试件能满足的耐火性能”包括承重构件的稳定性和建筑分隔构件的完整性与隔热性，其判定准则用时间长短表示。对于舞台防火幕应类似于（虽然不完全等同于）建筑分隔构件，其耐火性能应按照建筑分隔构件等同要求，即其耐火性能有完整性和隔热性两种，按耐火试验判定准则任何一项不符合要求，即认为其丧失了必须的耐火性能。具体的判定准则如下。

完整性是指试件在耐火试验期间能够持续保持耐火隔火性能的时间。试件出现以下任一限定情况，均认为试件丧失完整性：按标准进行棉垫试验，棉垫被点燃；按标准进行缝隙试验，缝隙探棒可以穿过；背火面出现火焰并持续时间超过10 s。

隔热性是指试件在耐火试验期间能够持续保持耐火隔热性能的时间，试件背火面的温度温升发生超过以下任一限定情况，均认为试件丧失隔热性：平均温度温升超过初始平均温度140℃；任一点位置的温度温升超过初始温度（包括移动热电偶）180℃（初始温度是试验开始时背火面的初始平均温度）。原苏联防火幕标准中还有一条关于隔热性的规定：在起火1小时后防火幕骨架温度不得超过200℃（不考虑喷淋冷却的作用），此时台上的计算温度为1 000℃（按照GB/T9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法 第1部分 通用要求》中规定的升温曲线，应为945℃）。比照此条，笔者建议在隔热性的条款下也增加一条“在起火45 min后防火幕骨架温度不得超过200℃（不考虑喷淋冷却的作用）”。

笔者建议，对防火幕幕体有无防护冷却水幕系统的两种情况进行不同处理，即当防火幕幕体设计有喷淋冷却水幕时，耐火极限（标准中定义的耐火极限是指满足相应耐火性能判定准则的时间）只测试幕体的耐火完整性。当防火幕幕体没有设计喷淋冷却水幕时，应同时测试幕体的耐火完整性和耐火隔热性。当然，这还没有彻底解决问题，因为还必须解决什么情况下防火幕幕体必须设计有喷淋冷却水幕，什么情况下防火幕幕体可以不设计喷淋冷却水幕。这个问题必须要在上一级标准中明确才行，例如能够在JGJ57-2000《剧场建筑设计规范》修订时加以明确（而原来的版本第8.3.4A给出的规定只是：“未测试背火面溫度和辐射热的防火幕上部，应设置防护冷却水幕系统”。应规定什么剧场如特级剧场的防火幕应设置防护冷却水幕系统）为宜。

3.8 设备噪声

已有的资料中大部分没有给出设备噪声的数据，只有巴塞罗那剧场给出了机旁噪声数据为70 dB，新加坡海滨剧场给出的观众厅测试噪声数据为≤40 dB。笔者认为，机旁噪声测试在多数情况下是不必要的，只有在观众厅噪声测试不合格或发现机械设备噪声和振动过大时，为了寻找振动源、寻求噪声传播途径（如空气传播为主还是固体传播为主）及决定减噪对策时才是必要的。因为“机旁噪声”并没有明确定义机旁是哪里，现在多数人都认为机旁就是电动机旁，这可能是一种误解。机旁应理解为发出噪声大的地方，比如导轨处噪声大，就在距发出噪声导轨1 m处测量；滑轮组噪声大，就在滑轮组外1 m处测量。测量噪声最关键的还是在观众厅按规定测量，这才是剧场演出的直接需要。考虑到演出前防火幕已提升和国内设备制造水平，建议这一指标值为≤50 dB。

4 幕体结构的强度、刚度计算

目前国内幕体结构的强度、刚度计算的现状，处于一个尴尬的状态，一方面几乎所有人都认为防火幕结构笨重，建筑荷载大，设备造价高，都希望把防火幕减薄；一方面却没有人对其强度、刚度计算进行研究，到底应该是多少。还有人为地把防火幕结构的厚度按舞台台口宽度分为120 mm、160 mm、180 mm和200 mm等，却没有计算依据做支撑。

关于幕体结构的强度、刚度计算条件的资料很少，各国标准也没有查到计算条件、方法或相关信息，只有原苏联标准对此做出了相应规定。其主要内容为：防火幕骨架结构所承受来自舞台方向的水平压力应按40 kg/m2计算；骨架结构的计算温度为400℃；此时骨架结构的容许相对挠度不大于该构件计算宽度的1/350；作为饰板用的表面薄钢板可耐受火焰，但只能视为负荷而不作为结构构件，不能将其视为薄膜应力结构进行计算。

笔者认为，对于没有喷淋冷却水幕的防火幕进行强度、刚度计算时，这个条件还是相对严酷的。因为不仅压力取值偏大，温度取值也偏高。建议的计算条件是：骨架结构的计算温度为300℃、计算压力200 N/m2、骨架结构的容许相对挠度不大于该构件计算宽度的1/350、饰板不计入结构强度计算。主要理由是：按照GB/T9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法 第1部分 通用要求》中规定的升温曲线，从点火开始，45 min时的炉内火焰温度约945℃，防火幕钢结构温度在没有喷淋冷却时约为（骨架内充填矿棉、厚度为180 mm、外部空气温度为30℃、经初略计算的结果）270℃，采用300℃进行计算还是靠谱的。

另外，用此条件进行计算，也考虑了钢铁材料在高温下的机械性能不至于过多降低、以避免无法进行计算的情况发生。根据国内外学者的研究，钢铁材料在300℃时，其强度极限降低系数kp=（p300/p20）在0.520～0.613；弹性模量降低系数kE=（E300/E20）在0.800～0.916。p300、p20分别是钢材300℃和20℃时的抗拉强度极限，E300、E20分别是钢材300℃和20℃时的弹性模量。为了幕体的合理计算，规定计算温度为300℃，幕体材料的强度极限和弹性模量不至降低过多，这个刚度计算条件沿用了原苏联的标准规定的内容，修正了数值，也是符合剧场火灾的实际情况的。

对于设有喷淋冷却水幕的防火幕进行强度、刚度计算时，骨架结构的计算温度为常温，其他条件不变。