正压区域疏散门开启可靠性分析

孙于萍 赵国敏 梁茵 张静

天津城建大学能源与安全工程学院

在建筑防排烟设计中，防烟楼梯间及其（合用）前室、避难层等部位均设置有一定耐火等级的疏散防火门。这些门，无论平时常开还是常闭，在加压送风系统开启后均处于关闭状态，以保证楼梯间、前室内空气压力高于其周围空气压力，阻止着火层烟气侵入疏散区域。而人员在逃生过程中总要打开防火门，所需开门力过大就会导致开门困难甚至打不开门，十分危险。这就出现了疏散门开启的可靠性问题。在疏散门尺寸一定的条件下，闭门器开启力矩、门两侧空气压差将决定开门力的大小。本文分析确定了允许压差和人群最大推力，采用控制因素法，讨论闭门器开启力矩对开门力的影响，给出提高疏散门开启可靠性的建议和方法。

1 开门力和中国人群最大推力

作用在疏散门门轴上的开门力F需要克服两个反方向的力，一个是加压空间空气压力差作用于门扇上的力，另一个是闭门器的反扣力，根据力矩概念，建立开门力数学模型：

式中：F为开门力，N；M为闭门器开启力矩，N·M；W为门的宽度，m；H为门的高度，m；ΔP为门两侧的压差，Pa；d为把手到门闩的距离，一般情况下d取0.076m。

此数学模型假设开门力全部作用在拉手上。当开门力不超过人的最大推力时，才能保证疏散人员能够顺利进入加压空间。一个人的推门力，则取决于此人的力量、拉手位置、地板与鞋之间的摩擦、开门方式等因素。美国消防协会（National Fire Protection Association）制定的标准《防火规范》（NFPA Standard 1-Fire Code）第14章对疏散通道中防火门开启力给出以下数值，“打开安全逃生设施任意门的力不应超过133 N”，这相当于13.6 N的力。儿童的手臂无法产生这样大的推力，小女孩的最小推力为46 N，老年妇女的最小推力只有83 N。这一数值更适合工业门及商业门，对民用住宅建筑而言此值偏大。

目前，中国现行国家标准对人群最大推门力还没有明确规定。《实用供热空调设计手册》提出疏散时加压空间防火门推门力不大于10 kg，即98 N，这一限值的人群对象主要为妇女。DGJ08-88-2006《上海市建筑防排烟技术规程》采用110 N作为我国人群最大推门力。《机械设计手册》第六卷给出中国成年男女站姿手臂的推门力限值为113 N，此值源于人机工程试验数据。考虑国内外人员体质差异、数据的普遍适用性，本文以113 N作为我国人群的最大推力。

2 压差和开启力矩

正压区域某一规格的防火门开门力取决于压差和闭门器开启力矩。门两侧的压差就等于空气流过门缝时的局部阻力。

式中：ζ为门缝局部阻力系数2.44，取决于流动路径几何形状及流动湍流度等；ρ为空气密度，取1.2kg/m3。

火灾时，烟气水平方向流速为0.3～0.8m/s，垂直方向扩散速度为3～4m/s，可根据式（2）计算出阻挡烟气扩散的最小压差为25 Pa。从防烟角度而言，25Pa及以上的正压都可以满足防烟要求，且越高防烟效果越好。但人员逃生总是会打开门的，过高的压差可能导致开门困难甚至打不开门。因此，从疏散角度而言，送风形成的压差存在一个上限，此上限称为最大允许压差。值得注意的是，最大允许压差并不是一个定值。开门力大小决定于门两侧压差和防火门闭门器开启力矩两个因素。在确定的人群最大推力下，一个闭门器开启力矩对应一个最大允许压差。闭门器开启力矩越大，允许正压值就越小（但不能小于25Pa）。闭门器开启力矩越小，压差就可以增大。

对于理论计算，只要确保压差与开启力矩（也称自闭配件反扣力）耦合作用下的开门力不超过人群最大推力即可。这意味着每一个设计方案都需要根据门的规格、区域正压值和闭门器参数等逐一校验开门力，极不现实。

可行的办法是给出一定的压差和闭门器允许开启力矩范围。范围内，所有标准规格的防火门均应满足开门力限值要求。为了促使楼梯间内的加压空气向走道流动，发挥对着火层烟气的排斥作用，要求楼梯间的空气压力大于前室的空气压力，前室的空气压力大于走道的空气压力。现行GB50016-2014《建筑设计防火规范》给出的设计压差范围为防烟楼梯间40～50Pa。前室或合用前室25～30Pa。

3 开门力验算

根据式（1）验算标准防火门（不含超大规格防火门）所需开门力。设计压差随防烟部位不同而不同，防烟楼梯间40～50Pa，前室或合用前室25～30Pa，验算时压差取上限50Pa。根据GB12955-2008《防火门标准》标准防火门共有27种规格，依据门扇质量和宽度可确定所配置闭门器的开启力矩。验算结果如表2所示。

表2 压差50 Pa时标准防火门开门力

4 分析与建议

表2数据显示，加压送风50Pa时，打开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规格防火门所需开门在113～147 N，超过人群最大推力113 N。根据开门力影响因素权重分析，标准防火门（非超大规格防火门）闭门器开启力矩对开门力的影响大于压差对开门力的影响，故本文采取控制压差因素的方法，重新计算闭门器开启力矩允许范围，计算结果绘入图1。

图1 闭门器开启力矩建议范围

当闭门器开启力矩符合图1建议范围时，在允许压差范围内（25～50 Pa），所有标准防火门开门力均不超限。闭门器开启力矩的大小与安装位置、门可开启角度等因素有关，对比国内外闭门器标准，我国各型号闭门器效率（平均37%）与欧美国家（平均56%）相比较低，应进一步提高设备性能。因此，本文建议降低我国标准型号防火门闭门器的开启力矩允许范围，由当前13～80 N·M调整为13～47 N·M。

此外，在满足安全疏散要求的前提下，建议避免选用大尺寸防火门。大尺寸防火门受力面积大，开启力矩相对较高。对于住宅建筑，考虑老弱妇幼单独逃生的概率较高，应选用0.9 m宽度以下防火门，将所需开门力控制在平均98 N，通过增加安全出口数量的方式达到疏散要求。对于公共建筑，GB50016-2014《建筑设计防火规范》规定“公共建筑内疏散门和安全出口净宽度不应小于0.9 m”，故必须选用0.9 m及以上宽度单扇防火门或1.2 m宽度及以上双扇防火门。这进一步凸显降低闭门器开启力矩的必要性，确保加压送风区域疏散门开启的可靠性。