剛性防火幕技術雜談（一）

段慧文

【摘 要】 從國內外剛性防火幕標準的對比入手，對防火幕相關技術參數、幕體結構、驅動/控制的供電電源、幕體驅動 及管理制度等進行討論，并提出建議。

【關鍵詞】 剛性防火幕；技術參數；幕體結構；供電電源；驅動與控制

文章編號： 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

筆者2004年在《演藝設備與科技》（《演藝科技》原名）雜志上曾發表過“舞臺防火幕”的論文，較為全面地介紹了劇場火災發生及危害機制、舞臺防火幕及相關法規的誕生、防火幕應具備的主要性能、防火幕的分類及組成、剛性防火幕的結構組成（幕體形式及其運動方式、幕體結構、幕體四周密封結構、手動釋放緩沖裝置等）、剛性防火幕緩沖阻力計算和功率計算等內容。

由于防火幕使用了比較成熟的技術，近年來除柔性防火幕的發展與使用外，國內外對剛性防火幕總體結構形式的改進與更新并無突破性進展，文章的基本內容今天仍可供設計人員參考。

筆者將從國內外剛性防火幕的對比入手，對涉及剛性防火幕的一些重要方面提出一些個人看法，與業內設計、制造、使用領域的技術人員和專家探討。

1 國內現行標準

WH0101-1996《舞臺升降式剛性防火幕》是由天津舞臺科學技術研究所起草的中國第一部有關劇場消防安全設備的標準，它的制定為規范我國劇院中防火幕的設計、制造和使用起到了積極作用。筆者有幸參加了當年的標準審查工作，認為作為行業內首個單項消防設備產品的標準，優點體現在以下三方面。

（1）內容齊全，涵蓋面廣，規定了舞臺升降式剛性防火幕（以下簡稱“防火幕”）的型號、技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志和包裝。適用范圍明確，為劇場舞臺與觀眾廳之間的防火幕。

（2）技術要求簡明扼要，對幕體、導軌、驅動元件、運行、安裝、電氣元件與設備都有涉及。特別是“5.1.1 防火幕耐火極限應不小于0.5小時”的規定，雖然依據的理念并不甚完整與先進，但其數值現在看來也是符合國際發展情況的。

（3）對試驗方法、檢驗規則、標志與包裝也做出了明確的規定。

但是由于制定時的條件局限，如國外有關資料奇缺、出國考察困難、設計理念的差異等，標準本身存在一些先天不足，有些是設計理念的問題，有些是當時舞臺設備相關標準欠缺的問題。

原標準主要存在以下問題。

（1）雖然規定“防火幕耐火極限應不小于0.5小時”，和現在逐漸減小防火幕耐火極限的趨勢相同，但從設計理念上講，主要是出于消防而不是出于疏散觀眾的需要，這與國際上防火幕的設計理念還是不同的。這一觀點的產生是基于“15分鐘消防”的概念，根據消防部門專家介紹，不少國家大城市（中國亦同）均按此原則配置消防隊伍。消防部門接到火警報告后，消防車10分鐘內到達現場，了解情況、布置消防器具及人力，15分鐘后消防員開始撲救火災。當然，由于城市規劃、城市管理、資源配置、流動人口和臨時建筑等諸多因素的制約，達到“15分鐘消防”還是相當困難的，所以規定耐火極限大于0.5小時。

（2）“防火幕所用鋼絲繩應符合GB1102中的有關規定，鋼絲繩安全系數應不小于9”，這與現行有關標準規定的安全系數相比顯然偏小。

（3）“幕體下落的全過程不得大于45秒”和“幕體在落至距臺面2.5 m時，幕體下降應做減速運行，運行時間不少于10秒”，這兩個指標與國際通用的全程30 s，后程5 s～10 s仍有差距。

（4）“幕體上端和兩側超出舞臺建筑臺口部分應不小于300 mm”的規定，與現行劇場建筑設計標準的有關規定不符。

（5）幕體、導軌的耐火試驗，只規定了“按設計要求做一個防火幕試件，試驗方法按GB7633執行”，卻沒有明確防火幕耐火極限的評判標準。

（6）標準回避了幕體承受的水平壓力，這沒有為幕體強度、剛度計算規定條件，也與國際通行的標準相悖。標準中缺乏對幕體強度、剛度計算的指導性意見。

標準推行使用二十多年來這些問題逐漸突顯，亟需對原標準進行修訂與提高改進，其前提是對一些技術問題進行探討，得出一個業內認可、比較一致的意見，這也是筆者撰文的初衷。

2 國內外防火幕標準中技術參數的差異

歐洲國家劇場多，發展歷史悠久，以往發生的火災也多，因此幾乎所有劇場均設置防火幕。劇場建筑的相關標準或法規中對防火安全有較嚴格的規定，少數國家為舞臺臺口防火幕制定了專門的標準，不少國家雖無專門的標準，卻有多年沿襲的、為行業認可的行規和具體技術指標，或建筑專業標準的劇場安全部分（或集會人員安全部分）列出對防火幕的要求，并且舞臺臺口只容許使用剛性防火幕。而北美地區由于消防和設備設計理念的不同，則使用柔性防火幕居多。據了解，中國僅有一個劇場設計了柔性幕體防火幕，鑒于對柔性防火幕的了解、設計理念和方法、幕體材料、特別是使用經驗欠缺等方面的原因，一直未能推廣。因此，柔性防火幕暫不在本文討論之列。

國內外在防火幕的設計理念上有差異，設計理念的差異也會表現在技術參數、設備結構和設備管理等諸多方面。

設計理念的差異主要表現在對防火幕的用途與作用的認識上。歐洲國家普遍認為，防火幕的用途是在舞臺發生火災時，隔離煙火、阻止有毒煙氣向觀眾廳蔓延；阻擋火災引起的火光，減少觀眾因火災引起的恐懼感；為觀眾有序安全疏散爭取時間，以觀眾安全疏散時間作為防火幕耐火極限設計的基本出發點。防火幕不同于舞臺建筑結構的耐火承重墻，兩者對耐火極限的要求是根本不同的；也不同于其他防火門、窗等構件，對背火面溫度和輻射強度也無嚴格要求。這點在英國娛樂行業2008年6月執行的防火幕標準E4中，用較大篇幅進行了闡述。其主要論點是：防火幕可以延遲舞臺火災產生的煙氣向觀眾廳蔓延，可以使觀眾看不到火焰和煙霧而有秩序的疏散；使觀眾可以有足夠的時間擺脫火災的影響安全離開觀眾廳（800座的劇場，通常的疏散時間為2.5 min～4 min）；防火幕不用作隔墻；作為隔墻使用時防火幕將極其昂貴，操作時會出現一系列的問題；將防火幕用作隔墻的企圖出自對防火幕功能的誤解，等等。而國內相當一部分人士認為防火幕的主要功能是作為耐火隔墻，將耐火極限定得很長，這與前期設計多采用原蘇聯標準（耐火極限2小時）有關。

根據筆者以前積累的信息和近期查詢的資料、信息，對防火幕的主要技術性能參數如幕體的耐火極限、無動力自重下降時間、幕體承受的水平壓力、幕體電動升降的速度和幕體的噴淋系統等進行統計并附上個人意見，整理成表，雖不完整，也能反映基本情況，供參考。

各國防火幕主要性能參數見表1。

3 關于防火幕技術參數的討論

3.1 幕體耐火極限

由于防火幕的作用是為觀眾有序疏散爭取時間，一般1 200座劇場的疏散時間大約5 min～10 min（E4中的數據為800座，2.5 min～4 min）可以完成。從消防和對建筑物保護的角度考慮，美國的標準僅為30 min，英國舞臺技術咨詢公司1997年設計的新加坡濱海劇場，防火幕幕體的耐火極限為60 min；而英國娛樂行業2008年6月執行的防火幕標準的第一條，規定了“防火幕應是由不燃材料制成的剛性結構，抵御舞臺火災的影響，使觀眾有足夠的時間。從設計上安全疏散時間應保證不少于20 min?！痹瓉須W洲國家幕體的耐火極限普遍較長，中國20世紀建造新劇場時，防火幕的耐火極限采用原蘇聯的標準為120 min，造成幕體過于笨重，設備和建筑的成本都提高了，使劇場建筑設計、舞臺機械專業后進行配合的劇場和舊劇場的改造均難以適應。20世紀80年代，為演出大歌舞而改建某劇場時，因為防火幕笨重只能做了設計，先讓消防部門驗收通過，真正的防火幕至今也只停留在設計圖紙上。幕體耐火極限的長短，主要取決于觀眾有序疏散所需的時間，而不是出于消防的目的，不然會使幕體過于笨重。幕體的耐火極限應從其使用功能和實際疏散需要出發，為安全起見，建議取45 min為宜，比美國30 min和英國E4規定的20 min長，比歐洲多數國家短。

3.2 幕體承受的水平壓力

為了計算高溫下幕體結構的強度和剛度，需要“水平壓力”這一參數。只有在火災載荷（在一個空間里所有物品包括建筑裝修材料在內的總潛熱能）和火災載荷密度（單位建筑面積上的火災載荷）極大的情況下，或產生爆燃（以亞音速傳播的爆炸，例如，在火災載荷密度較大的密閉房間發生火災一段時間后，突然打開門或窗，或可燃氣、液體火災）時才會產生較大的水平壓力。由于舞臺的火災載荷密度不高，舞臺也不是密閉結構，舞臺火災基本上不具備這種條件。舞臺發生火災后，防火幕下降的同時，排煙系統工作，不會有大的水平壓力。舞臺火災后對防火幕幕體產生的水平壓力，主要由“火風壓”造成?；痫L壓原是用于礦井（主要是煤礦）火災的特殊概念詞匯，“火風壓指的是，當井下發生火災時，高溫煙流經過有高差的井巷時產生的附加風壓。礦井中發生火災時，煙流主要沿著原來的風流方向移動，火災波及的范圍內空氣溫度升高，形成與自然風壓相同的火風壓”。舞臺火災與礦井火災的情況極其相似。

中外學者對火風壓進行了大量的研究，用研究結果給出的計算式進行舞臺火災時風壓計算（有一些假設條件），水平壓力均在100 N/m2以下（筆者曾依據礦井火風壓的計算公式，比照劇場舞臺的相似條件進行計算，結果約為79 N/m2）。一般認為原來水平壓力取值都偏高，歐洲各國近期也有減低的趨向。如英國舞臺技術咨詢公司分別于1996年和1997年設計的巴塞羅那劇場和新加坡濱海劇場，其水平壓力分別取為300 N/m2和150 N/m2，而美國娛樂技術協會負責制定的防火幕標準中，水平壓力只有97.5 N/m2（2 lb/ft2），這些都是有道理的。英國新標準E4中有兩個數據可以參考，舞臺無自動噴淋滅火系統時為300 N/m2，舞臺有自動噴淋滅火系統時為150 N/m2。筆者認為，水平壓力的數值很難由試驗取得，從安全角度出發，建議取值為200 N/m2。

3.3 幕體自重下降時間

看表1中數據，幕體全行程緊急下降時間30 s、后程（約2.4 m）的下降時間5 s～10 s居多，后程下降留有一定時間，是為幕體下演員安全撤離著想?？紤]到文化活動國際交往日益增多，筆者建議幕體全行程緊急下降時間和后2.4 m行程的下降時間宜與國際常用值相同，分別為30 s和5 s～10 s。

3.4 電動升降速度

借鑒國外防火幕管理的規定，防火幕應在每場演出前提升打開，演出結束后下降關閉。因為防火幕要在演出開幕前當眾升起，為減少觀眾等待時間并參照國外數值，將防火幕幕體升降速度的適用范圍適當提高（據研究，人的等待耐性約為40 s～45 s，在馬路路口的人行橫道旁，行人等待40 s就會急躁不安，再長，闖紅燈的現象就急劇增加。行程為10 m左右的防火幕，按提升時間30 s考慮，提升速度為0.33 m/s合適），筆者建議防火幕的電動升降速度根據臺口高度的實際情況，在0.2 m/s～0.4 m/s之間選擇（等待時間30 s～35 s）。

3.5 緊急手/電動釋放裝置

為保證防火幕在任何情況下都能靠自重下降這一安全性能，必須有緊急手/電動釋放裝置。根據國內設計經驗和實踐，建議采用手動釋放制動器的結構；當采用電動釋放離合器時，需要備用蓄電池。

3.6 卷筒提升鋼絲繩數量

從安全角度和國內實踐考慮，建議用雙繩或雙分支結構。

3.7 幕體噴淋系統

國外的防火幕有設置噴淋冷卻水幕為幕體降溫的，也有不設置的。但對設置或不設置噴淋冷卻水幕的判定沒有說明，即什么情況下必須設置，什么情況下可以不設置并不明確。在德國就有濕式（設置噴淋冷卻水幕）和干式（不設置噴淋冷卻水幕）防火幕兩種形式，但其要求幕體的耐火極限、幕體所承受的水平壓力并無差別。實際上，構件的耐火性能的判定準則對不同的構件是不同的。

根據GB/T9978.1-2008《建筑構件耐火試驗方法 第1部分 通用要求》的規定，“試件能滿足的耐火性能”包括承重構件的穩定性和建筑分隔構件的完整性與隔熱性，其判定準則用時間長短表示。對于舞臺防火幕應類似于（雖然不完全等同于）建筑分隔構件，其耐火性能應按照建筑分隔構件等同要求，即其耐火性能有完整性和隔熱性兩種，按耐火試驗判定準則任何一項不符合要求，即認為其喪失了必須的耐火性能。具體的判定準則如下。

完整性是指試件在耐火試驗期間能夠持續保持耐火隔火性能的時間。試件出現以下任一限定情況，均認為試件喪失完整性：按標準進行棉墊試驗，棉墊被點燃；按標準進行縫隙試驗，縫隙探棒可以穿過；背火面出現火焰并持續時間超過10 s。

隔熱性是指試件在耐火試驗期間能夠持續保持耐火隔熱性能的時間，試件背火面的溫度溫升發生超過以下任一限定情況，均認為試件喪失隔熱性：平均溫度溫升超過初始平均溫度140℃；任一點位置的溫度溫升超過初始溫度（包括移動熱電偶）180℃（初始溫度是試驗開始時背火面的初始平均溫度）。原蘇聯防火幕標準中還有一條關于隔熱性的規定：在起火1小時后防火幕骨架溫度不得超過200℃（不考慮噴淋冷卻的作用），此時臺上的計算溫度為1 000℃（按照GB/T9978.1-2008《建筑構件耐火試驗方法 第1部分 通用要求》中規定的升溫曲線，應為945℃）。比照此條，筆者建議在隔熱性的條款下也增加一條“在起火45 min后防火幕骨架溫度不得超過200℃（不考慮噴淋冷卻的作用）”。

筆者建議，對防火幕幕體有無防護冷卻水幕系統的兩種情況進行不同處理，即當防火幕幕體設計有噴淋冷卻水幕時，耐火極限（標準中定義的耐火極限是指滿足相應耐火性能判定準則的時間）只測試幕體的耐火完整性。當防火幕幕體沒有設計噴淋冷卻水幕時，應同時測試幕體的耐火完整性和耐火隔熱性。當然，這還沒有徹底解決問題，因為還必須解決什么情況下防火幕幕體必須設計有噴淋冷卻水幕，什么情況下防火幕幕體可以不設計噴淋冷卻水幕。這個問題必須要在上一級標準中明確才行，例如能夠在JGJ57-2000《劇場建筑設計規范》修訂時加以明確（而原來的版本第8.3.4A給出的規定只是：“未測試背火面溫度和輻射熱的防火幕上部，應設置防護冷卻水幕系統”。應規定什么劇場如特級劇場的防火幕應設置防護冷卻水幕系統）為宜。

3.8 設備噪聲

已有的資料中大部分沒有給出設備噪聲的數據，只有巴塞羅那劇場給出了機旁噪聲數據為70 dB，新加坡海濱劇場給出的觀眾廳測試噪聲數據為≤40 dB。筆者認為，機旁噪聲測試在多數情況下是不必要的，只有在觀眾廳噪聲測試不合格或發現機械設備噪聲和振動過大時，為了尋找振動源、尋求噪聲傳播途徑（如空氣傳播為主還是固體傳播為主）及決定減噪對策時才是必要的。因為“機旁噪聲”并沒有明確定義機旁是哪里，現在多數人都認為機旁就是電動機旁，這可能是一種誤解。機旁應理解為發出噪聲大的地方，比如導軌處噪聲大，就在距發出噪聲導軌1 m處測量；滑輪組噪聲大，就在滑輪組外1 m處測量。測量噪聲最關鍵的還是在觀眾廳按規定測量，這才是劇場演出的直接需要?？紤]到演出前防火幕已提升和國內設備制造水平，建議這一指標值為≤50 dB。

4 幕體結構的強度、剛度計算

目前國內幕體結構的強度、剛度計算的現狀，處于一個尷尬的狀態，一方面幾乎所有人都認為防火幕結構笨重，建筑荷載大，設備造價高，都希望把防火幕減??；一方面卻沒有人對其強度、剛度計算進行研究，到底應該是多少。還有人為地把防火幕結構的厚度按舞臺臺口寬度分為120 mm、160 mm、180 mm和200 mm等，卻沒有計算依據做支撐。

關于幕體結構的強度、剛度計算條件的資料很少，各國標準也沒有查到計算條件、方法或相關信息，只有原蘇聯標準對此做出了相應規定。其主要內容為：防火幕骨架結構所承受來自舞臺方向的水平壓力應按40 kg/m2計算；骨架結構的計算溫度為400℃；此時骨架結構的容許相對撓度不大于該構件計算寬度的1/350；作為飾板用的表面薄鋼板可耐受火焰，但只能視為負荷而不作為結構構件，不能將其視為薄膜應力結構進行計算。

筆者認為，對于沒有噴淋冷卻水幕的防火幕進行強度、剛度計算時，這個條件還是相對嚴酷的。因為不僅壓力取值偏大，溫度取值也偏高。建議的計算條件是：骨架結構的計算溫度為300℃、計算壓力200 N/m2、骨架結構的容許相對撓度不大于該構件計算寬度的1/350、飾板不計入結構強度計算。主要理由是：按照GB/T9978.1-2008《建筑構件耐火試驗方法 第1部分 通用要求》中規定的升溫曲線，從點火開始，45 min時的爐內火焰溫度約945℃，防火幕鋼結構溫度在沒有噴淋冷卻時約為（骨架內充填礦棉、厚度為180 mm、外部空氣溫度為30℃、經初略計算的結果）270℃，采用300℃進行計算還是靠譜的。

另外，用此條件進行計算，也考慮了鋼鐵材料在高溫下的機械性能不至于過多降低、以避免無法進行計算的情況發生。根據國內外學者的研究，鋼鐵材料在300℃時，其強度極限降低系數kp=（p300/p20）在0.520～0.613；彈性模量降低系數kE=（E300/E20）在0.800～0.916。p300、p20分別是鋼材300℃和20℃時的抗拉強度極限，E300、E20分別是鋼材300℃和20℃時的彈性模量。為了幕體的合理計算，規定計算溫度為300℃，幕體材料的強度極限和彈性模量不至降低過多，這個剛度計算條件沿用了原蘇聯的標準規定的內容，修正了數值，也是符合劇場火災的實際情況的。

對于設有噴淋冷卻水幕的防火幕進行強度、剛度計算時，骨架結構的計算溫度為常溫，其他條件不變。