高層民用建筑加壓安裝防煙系統(tǒng)可靠性分析

1硬件和軟件元素可靠性分析壓力風(fēng)爆煙裝置的可靠性由可靠性表示。影響因素的類型分為硬件部分的可靠性和軟件部分的可靠性。按故障對系統(tǒng)的危害程度分為一般性故障和致命性故障,前者主要指按消防標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的硬件的可靠度和按規(guī)范規(guī)定的配制標(biāo)準(zhǔn)及控制方式組成系統(tǒng)的可靠度;后者主要指方案策略上的原因?qū)е碌墓收?故障一旦發(fā)生,整個系統(tǒng)都將失效,如加壓送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的計算方法、加壓送風(fēng)口的開啟方式,以及硬件維修保障體系的完善程度,包括用戶、管理人員消防知識的培訓(xùn)等因素引起的系統(tǒng)失效。硬件元素的可靠性只涉及大小,屬戰(zhàn)術(shù)性;軟件元素的可靠性是戰(zhàn)略性的,涉及系統(tǒng)的致命性故障,決定系統(tǒng)是否可行,也涉及規(guī)范中的某些基本原則,內(nèi)容比較復(fù)雜。本文分別分析硬件部分和軟件部分的可靠性。其中對軟件元素的分析僅涉及以下3個主要問題:1)計算方法本身的可靠性。2)對可修復(fù)性產(chǎn)品各元素的保障體系,包括由于維修、管理、用戶的消防意識、消防知識等原因轉(zhuǎn)化成的可靠性。3)前室或合用前室加壓送風(fēng)口的型式及開啟方式的可靠性。分析硬件部分可靠性時,將《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50045—95)(以下簡稱《高規(guī)》)表8.3.2-1～4四種加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)簡化為兩種基本加壓送風(fēng)防煙方案(防煙樓梯間加壓送風(fēng),前室或合用前室加壓送風(fēng))和一種組合防煙方案。分析軟件部分可靠性時,將《高規(guī)》四種加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)簡化為兩種基本加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng):一種是向跨越N層(系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù))的高大空間加壓,其加壓送風(fēng)口是常開型,火災(zāi)時,所有風(fēng)口全開的防煙樓梯間加壓送風(fēng)系統(tǒng),簡稱ZY-1;另一種是向?qū)优c層之間獨立的小空間加壓,其加壓送風(fēng)口是常閉型,火災(zāi)時,加壓送風(fēng)口只開啟著火層或同時開啟三層的前室或合用前室加壓送風(fēng)系統(tǒng)(包括消防電梯獨用前室),簡稱ZY-2,其結(jié)論也適用于包括ZY-1與ZY-2分別加壓的組合防煙系統(tǒng)。2可依賴系統(tǒng)組成和故障引擎2.1硬件部分(見表1,硬件元素的故障是時間的函數(shù))2.2軟件部分(見表2)3可靠性的計算3.1硬件部分3.1.1前室或復(fù)用前室加壓風(fēng)力系統(tǒng)1)防煙樓梯間加壓送風(fēng)系統(tǒng)ZY-1(類同《高規(guī)》表8.3.2-1)見圖1。2)前室或合用前室加壓送風(fēng)系統(tǒng)ZY-2(類同《高規(guī)》表8.3.2-3～4)見圖2。3)防煙樓梯間及其合用前室組合防煙分別加壓送風(fēng),即ZY-1與ZY-2“并聯(lián)”(類同《高規(guī)》表8.3.2-2),見圖3。3.1.2可靠性數(shù)學(xué)模型1計算rb3raef1rb1,rb3raf1rbR1=n∏i=1Ri=Rb3Re?f(1)Rb3=n∏i=1Ri=Rb2Rd(2)Rb2=1-n∏i=1(1-Ri)=1-(1-Rb1)(1-Rc)(3)Rb1=RaRb(4)R1=∏i=1nRi=Rb3Re?f(1)Rb3=∏i=1nRi=Rb2Rd(2)Rb2=1?∏i=1n(1?Ri)=1?(1?Rb1)(1?Rc)(3)Rb1=RaRb(4)將式(2)代入式(1),得R1=Rb2RdRe?f(5)R1=Rb2RdRe?f(5)將式(3)代入式(5)得R1=[1-(1-Rb1)(1-Rc)]RdRe?f(6)R1=[1?(1?Rb1)(1?Rc)]RdRe?f(6)將式(4)代入(6),得R1=[1-(1-RaRb)(1-Rc)]RdRe?f(7)R1=[1?(1?RaRb)(1?Rc)]RdRe?f(7)2ra2rg/1-ra1/ra2/h1ra1計算R2=Ra2Rg?h(8)Ra2=[1-(1-Ra1)(1-Rb3)](9)R2=Ra2Rg?h(8)Ra2=[1?(1?Ra1)(1?Rb3)](9)3zy-1與zy-2組合系統(tǒng)的可靠性因ZY-1與ZY-2形式上是并聯(lián)系統(tǒng),從可靠度分析,二者任一系統(tǒng)失效都使整個系統(tǒng)防煙功能失效,故ZY-1與ZY-2組合系統(tǒng)的可靠性是串聯(lián)系統(tǒng)。R組合=n∏i=1Ri=R1R2(10)R組合=∏i=1nRi=R1R2(10)3.1.3三個預(yù)預(yù)防系統(tǒng)的可靠性的比較3.1.3.消防產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)1)設(shè)所有硬件元素的可靠度為Rxi,均滿足0＜Rxi＜1.0(11)0＜Rxi＜1.0(11)2)所有硬件元素的可靠度Rxi都滿足消防產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,一般都不應(yīng)低于95%。3)防煙樓梯間加壓送風(fēng)機開啟,自垂式百葉風(fēng)口聯(lián)動開啟的可靠度Re·f,前室或合用前室加壓送風(fēng)口手動或自動開啟時加壓送風(fēng)機聯(lián)鎖開啟,組合后的可靠度為Rg·h,忽略兩者的細(xì)小差別,認(rèn)為Re?f≈Rg?h(12)Re?f≈Rg?h(12)4)所有加壓送風(fēng)系統(tǒng)總可靠度R1,R2,R組合均滿足0<Ri<1.0。3.1.3.ra1與zy-2組合的可靠度計算1)ZY-1與ZY-2的比較由式(1),(8),(12)整理得R1R2=Rb3Ra2(13)R1R2=Rb3Ra2(13)由圖1c知,Rb3為Rb2與Rd組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度,而Ra2是由圖2c中的Rb2與Rd組成串聯(lián)系統(tǒng)后又與Ra1組成并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度(見圖4)。分析圖4,可得Ra2＞Rb3(14)Ra2＞Rb3(14)故Rb3Ra2＜1(15)將式(15)代入式(13)得R1R2＜1(16)從而證明R1小于R2。即防煙樓梯間加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)ZY-1的可靠度R1比前室或合用前室加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)ZY-2的可靠度R2小。2)ZY-1與ZY-2組合后的總可靠度R組合與R1或R2的比較由式(10)得R組合R1=R1R2R1=R2(17)R組合R2=R1R2R2=R1(18)因R1<1.0,R2<1.0,即兩者的比值R組合/R1<1.0,即證明R1>R組合,同理R組合/R2<1.0,同樣證明R2>R組合。即防煙樓梯間及其合用前室分別加壓的組合防煙方案的可靠度最小。3.2軟件部分3.2.1可靠性試驗的基礎(chǔ)判定依據(jù)為:《高規(guī)》規(guī)定的防煙技術(shù)條件,即開門時保證門洞處的風(fēng)速v≥vmin。3.2.2計算方法的可靠性計算方法可靠度只對ZY-1系統(tǒng)產(chǎn)生影響,因為對ZY-2系統(tǒng)可以回避動態(tài)的矛盾。3.2.2.同時開啟門數(shù)時,rl軟m時,m假設(shè)實際同時開啟門的層數(shù)為m。只有當(dāng)風(fēng)量計算方法中規(guī)定的同時開啟門數(shù)n不小于實際的同時開啟的門數(shù)m時,才是可靠的,分為兩檔:當(dāng)n≥m時,Rl軟1=1.0;當(dāng)n<m時,Rl軟1=0。這是因為n<m時,計算的加壓送風(fēng)量小于實際需要的加壓送風(fēng)量,使防火門門洞處的風(fēng)速v達(dá)不到極限風(fēng)速vmin的要求,從而抵御不了煙氣的入侵。3.2.2.疏散人數(shù)及時間m=Ν2+2(19)式中N2為系統(tǒng)負(fù)擔(dān)N層時采用概率理論計算得到的防火門M1與M2同時開啟的層數(shù),詳見文獻(xiàn)?，F(xiàn)以某高層建筑為例,每層共計疏散人數(shù)為120,按雙扇門,同時并排2人疏散,疏散時通過防火門的時間為3s,每人平均通過防火門耗時為1.5s,允許疏散時間以最大300s為例,將同時開啟門層數(shù)N2的數(shù)值計算結(jié)果摘錄如下:系統(tǒng)負(fù)擔(dān)19層時,N2=7;12層時,N2=5;8層時,N2=4。式(19)中2指防煙樓梯間底層通向室外的防火門MW底和通向屋面疏散平臺的防火門MW頂,火災(zāi)時都處于常開狀態(tài)。3.2.2.rl軟1=0的計算當(dāng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)<20時,n=2;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)≥20時;n=3。根據(jù)第3.2.2.1節(jié)與式(19)可得n≥m的等效式:系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)<20時Ν2≤0(20)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)≥20時Ν2≤1(21)即使高層建筑只有8層(計算得到的N2=4),式(21),(22)都是不成立的,間接證明了n<m,故Rl軟1=0。這表明向防煙樓梯間加壓的防煙系統(tǒng)ZY-1是不可行的。3.2.2.4可靠性的計算結(jié)果按ZY-1系統(tǒng)出、入口數(shù)對風(fēng)量的修正系數(shù)取最大值為1.75,對同時開啟門數(shù)n′進(jìn)行等效修正后,其可靠度的計算結(jié)果列于表3。3.2.2.zy-1系統(tǒng)的可靠度檢驗對于ZY-1系統(tǒng),凡8層以上的高層建筑,不論按常規(guī)做法,即不對出、入口數(shù)進(jìn)行修正,還是按出入口數(shù)乘以最大等效修正系數(shù)1.75,其可靠度都是Rl軟1=0,證明ZY-1系統(tǒng)是不可行的。同時開啟門數(shù)是其致命失效的根源之一。3.2.3工程而異影響保障體系是由安裝、調(diào)試、維護(hù)、管理和用戶消防意識、消防知識對其行為所產(chǎn)生的影響。這些因素主要是對ZY-1系統(tǒng)的可靠度Rl軟2產(chǎn)生影響,其影響大小和嚴(yán)重程度隨工程而異,具有隨機性和不確定性,但與時間沒有必然的因果關(guān)系,只能從統(tǒng)計規(guī)律的平均值來預(yù)計。從筆者對全國20多個工程的實況調(diào)查中,以其中成都市的8個工程為例,垂直疏散通道上設(shè)常閉型防火門,由于上述原因,平均有97%的常閉型防火門處于常開,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于n=2～3,這將成為ZY-1即防煙樓梯間加壓送風(fēng)系統(tǒng)致命性失效的第一大敵,這是計算方法中始料不及的,但不能不予以重視。3.2.3.疊加風(fēng)力量的計算因為ZY-2系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)為N,防煙樓梯間的上、下各層都是與前室或合用前室內(nèi)的防火門M1,M2相通的。按規(guī)范規(guī)定,計算加壓送風(fēng)量的同時開啟的防火門層數(shù)為n(n=2～3),這里同樣假設(shè)實際同時開啟防火門的層數(shù)為m。m值的確定如下(類似式(20))m=Ν′2+2(22)式中N′2為保障體系等因素引起的防火門同時開啟的層數(shù)。3.2.3.nm的等效式只有當(dāng)n不小于m時,系統(tǒng)才是可靠的。即Rl軟2=1.0n≥mRl軟2=0n＜m}(23)n的取值如下:當(dāng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)<20時,n=2。根據(jù)式(22),(23),n≥m的等效式為Ν′2≤0(24)當(dāng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)為20～32時,n=3。同理,n≥m的等效式為Ν′2≤1(25)根據(jù)式(24),(25)可得:對<20層的系統(tǒng),必須滿足保障體系100%可靠,這顯然是辦不到的。對≥20層的系統(tǒng),必須滿足保障體系最多只能有一層的閃失。從筆者調(diào)查報告結(jié)論中可看出,顯然是很難辦到的,因此間接證明n<m存在的概率是很大的。故Rl軟2使系統(tǒng)失效的危險是很大的。3.2.4加壓風(fēng)力門數(shù)的判定這一點只對ZY-2系統(tǒng)有影響。對ZY-1不產(chǎn)生影響,因為ZY-1是常開型自垂式百葉風(fēng)口,火災(zāi)時是全開的。影響ZY-2系統(tǒng)可靠度Rq軟3的主要因素有兩個,其一是前室或合用前室內(nèi)出入口數(shù)(防火門數(shù)),通常只有1～3個,標(biāo)準(zhǔn)型為1個風(fēng)口,一般是2個,因此規(guī)范中通常規(guī)定不允許戶門直接開向前室或合用前室;其二是火災(zāi)時加壓送風(fēng)口同時開啟的層數(shù),目前常規(guī)做法有兩種,一種是只開啟著火層,第二種是同時開啟3層(即著火層及其上、下層)。3.2.4.1判定依據(jù)假設(shè)計算加壓送風(fēng)量的同時開啟門數(shù)為n,修正后的等效同時開啟門數(shù)為n′,實際開啟的防火門數(shù)為m。只有滿足n′≥m時,ZY-2系統(tǒng)才是可靠的。n′=nη(26)式中η——按出入口數(shù)的修正系數(shù),按《高規(guī)》規(guī)定,出入口數(shù)1個時,η=1;2個時,η=1.5;3個時,η=1.75。m=Μf(27)式中M——前室或合用前室內(nèi)出入口數(shù);f——火災(zāi)時加壓送風(fēng)口同時開啟的層數(shù)。計算加壓送風(fēng)量時,《高規(guī)》中表8.3.2-1～4的附注中,當(dāng)有兩個或兩個以上出入口時,其風(fēng)量應(yīng)乘以修正系數(shù)1.50～1.75。在這里,筆者認(rèn)為對風(fēng)量的修正與對同時開啟門數(shù)的修正是等效的(認(rèn)為壓差法與流速法的風(fēng)量計算方法中,一般都取后者)。假定計算加壓送風(fēng)量的同時開啟門層數(shù)n與加壓送風(fēng)口開啟的層數(shù)f是重合的最不利情況來評定Rq軟3的。3.2.4.2ZY-2系統(tǒng)Rq軟3的計算結(jié)果(見表4)3.2.4.3ZY-2系統(tǒng)Rq軟3小結(jié)由表4可知:1)加壓送風(fēng)系統(tǒng)ZY-2,火災(zāi)時只開啟著火層,前室或合用前室的出入口數(shù)為1～3個時,都是可靠的。2)ZY-2系統(tǒng),火災(zāi)時加壓送風(fēng)口同時開啟3層(著火層及其上、下層),除了前室或合用前室只有一個出入口,且系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)為20～32的情況可靠外,其他1～3個出入口的所有情況都是不可靠的,故不應(yīng)采取同時開啟3層的作法。4結(jié)論4.1防煙樓梯間防煙系統(tǒng)的可靠度s1按系統(tǒng)可靠度大小排序R2>R1>R組合,即前室或合用前室加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)(類比《高規(guī)》表8.3.2-3～4)ZY-2的可靠度R2大于防煙樓梯間加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)(類比《高規(guī)》表8.3.2-1)ZY-1的可靠度R1;而防煙樓梯間加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)ZY-1的可靠度R1又大于防煙樓梯間及其合用前室ZY-1與ZY-2組合防煙系統(tǒng),即分別加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)(類比《高規(guī)》表8.3.2-2)的可靠度R組合。4.2軟件部分1同時開啟門層數(shù)的原因①當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)所有防火門的功能都處于正常狀態(tài)時,由于動態(tài)條件引起的同時開啟門層數(shù)N2的原因,會使可靠度Rl軟1=0。②當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的防火門由于保障體系因素和用戶等因素引起的同時開啟的門層數(shù)N′2的原因,會使可靠度Rl軟2=0。③兩者同時存在,同樣可使Rl軟2=0。但同時開啟門(層)數(shù)不能用N2+N′2的疊加來表述,這是因為N2是在假設(shè)所有防火門功能正常時,防火門的開與關(guān)才能用概率理論的獨立事件來描述的。假設(shè)不成立時,計算方法則不同。2在有附加陣風(fēng)風(fēng)速情況下,多層承擔(dān)層數(shù)20層,有因為加壓送風(fēng)口常規(guī)開啟方式只有兩種:一種是火災(zāi)時只開啟著火層;另一種是火災(zāi)時開啟著火層及其