淺談超高層建筑的電梯技術(shù)與策略

劉春艷　劉偉偉　高芳芳　孫彥山

摘 要：隨著城市用地變得緊張，超高層建筑應(yīng)運(yùn)而生，隨之帶來(lái)了超高層建筑的電梯技術(shù)問(wèn)題。文章綜述了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外適用于超高層建筑電梯技術(shù)與策略的原理與實(shí)施方法，分析了各技術(shù)與策略的特點(diǎn)與優(yōu)劣，列舉了各技術(shù)與策略的應(yīng)用實(shí)例，最后對(duì)其技術(shù)發(fā)展前景做出了展望。

關(guān)鍵詞：電梯技術(shù)；超高層建筑；雙層轎廂電梯；高空門(mén)廳電梯系統(tǒng)；雙子電梯

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市用地變得緊張。為提高用地效率，超高層建筑應(yīng)運(yùn)而生。隨之帶來(lái)了垂直方向上的交通問(wèn)題，也就是電梯技術(shù)問(wèn)題。超高層建筑一般是指建筑高度超過(guò)100m的住宅或公共建筑[1]。目前“世界第一高樓”、162層、總高828米的迪拜塔所采用的電梯最高速度達(dá)17.5m/s，從底層到達(dá)頂層最快僅需60秒。因此通過(guò)提高速度以期減少乘梯時(shí)間，收益十分有限。于是，人們將提高超高層建筑電梯運(yùn)輸效率的關(guān)鍵放在了不斷改進(jìn)電梯技術(shù)與策略上。

2 超高層建筑電梯技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 傳統(tǒng)分層（區(qū)）技術(shù)

普通住宅電梯一般采用每層?？块_(kāi)門(mén)的方式。但超高層建筑采用這種策略會(huì)使電梯運(yùn)行周期變長(zhǎng)，效率降低，而且多次起停將嚴(yán)重影響乘客的乘梯體驗(yàn)?，F(xiàn)行《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：建筑高度超過(guò)75m的辦公建筑電梯應(yīng)分區(qū)或分層使用。分層停站策略在實(shí)際應(yīng)用中通常有如下的分類方式：

（1）按奇偶層分區(qū)的方式。這種分區(qū)方式比較簡(jiǎn)單，其缺陷是奇偶層間的移動(dòng)受限。其系統(tǒng)?？糠绞饺鐖D1（a）。

（2）按高低層分區(qū)的方式。該系統(tǒng)?？糠绞饺鐖D1（b），將整個(gè)建筑按電梯的服務(wù)分區(qū)劃分成若干段。服務(wù)于中高區(qū)的電梯由于有相當(dāng)一段距離無(wú)需停層，可以保持高速運(yùn)行；低區(qū)電梯因?yàn)檫B續(xù)密集的停層，所以無(wú)需采用高速電梯。

（3）按樓宇功能分區(qū)的方式。如今的超高層建筑通常集住宿、餐飲、商務(wù)、觀光、娛樂(lè)等功能為一體，不同功能樓層間的交流較少，因此根據(jù)樓宇功能分區(qū)能夠保證較好的運(yùn)輸效率。

2.2 雙層轎廂電梯

在超高層建筑中，為增加運(yùn)力而增加電梯所占用的井道空間將影響超高層建筑的凈有效面積和使用效率。因此，能否充分利用有限的電梯井道空間、提高井道運(yùn)輸能力，成為決定超高層建筑使用效率的關(guān)鍵。

2.2.1 雙層轎廂電梯

雙層轎廂電梯就是把兩個(gè)轎廂上下疊合，乘客分層同時(shí)上下，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。這個(gè)類似雙層巴士的電梯系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是加大電梯運(yùn)力，提高空間利用率[2]。但雙層轎廂電梯也有其局限性：首先，雙層轎廂是由兩個(gè)轎廂固定在一個(gè)轎廂架內(nèi)的整體，所以采用該電梯的建筑層高必須一致。這對(duì)建筑設(shè)計(jì)和電梯長(zhǎng)期使用后的改造形成了很大的制約。其次，雙層轎廂電梯的運(yùn)行模式通常隨交通流的改變而改變。所以，乘客需根據(jù)目的樓層和電梯即時(shí)控制策略決定候梯位置。最后，由于雙層轎廂電梯運(yùn)送的乘客數(shù)量較多，在上下轎廂都在使用時(shí)，可能存在一個(gè)轎廂開(kāi)門(mén)進(jìn)出乘客，另一轎廂沒(méi)有進(jìn)出需求但需忍受梯門(mén)沒(méi)有開(kāi)合動(dòng)作的電梯停站的情況，影響乘梯體驗(yàn)。

此外，大轎廂、大功率主機(jī)對(duì)整個(gè)電梯系統(tǒng)的土建基礎(chǔ)、設(shè)備質(zhì)量、維保能力等要求都隨之提高。一般說(shuō)來(lái)，雙層轎廂電梯在50層以內(nèi)會(huì)有較高的效率，超過(guò)50層時(shí)則需考慮更加先進(jìn)的電梯技術(shù)策略。

2.2.2 可伸縮式雙層電梯

可伸縮式雙層電梯，是在雙層轎廂電梯的基礎(chǔ)上，在轎廂間安裝了可變樓層驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)完成不同高度樓層停站時(shí)的平層適應(yīng)問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。位于上海陸家嘴的上海環(huán)球金融中心在總計(jì)120多部電梯中使用了16部可伸縮式雙層轎廂電梯和6部普通雙層轎廂電梯。

2.2.3 高空門(mén)廳電梯系統(tǒng)

電梯分層（區(qū)）布置會(huì)面臨低層電梯運(yùn)載力不足、高層電梯閑置的問(wèn)題。雙層轎廂電梯在高于50層的建筑中效率會(huì)降低，于是產(chǎn)生了高空門(mén)廳電梯系統(tǒng)[3]（The Sky Lobby Elevator System）。該系統(tǒng)在建筑中設(shè)有若干個(gè)空中轉(zhuǎn)換廳，乘客乘快速梯到達(dá)空中轉(zhuǎn)換廳后換乘覆蓋相應(yīng)樓層的電梯前往具體目的樓層，其系統(tǒng)停靠方式如圖1（c）所示。其優(yōu)勢(shì)在于：通往空中轉(zhuǎn)換廳的快速電梯，因沒(méi)有中間?？繉佣芤愿咚龠\(yùn)行；而且不同分段的電梯可以在同一井道內(nèi)運(yùn)行，為超高層建筑節(jié)約了大量的可用面積；其缺點(diǎn)是前往中高區(qū)時(shí)需要換乘。為了提高電梯的運(yùn)輸效率，電梯公司建議建筑在240m或50層以上才考慮使用這種電梯系統(tǒng)。在全球超高層建筑中采用這種電梯系統(tǒng)的有：臺(tái)北101大廈同樣層數(shù)的上海環(huán)球金融中心、香港環(huán)球國(guó)際貿(mào)易廣場(chǎng)和上海中心大廈等知名建筑。

2.2.4 雙子電梯

高空門(mén)廳電梯系統(tǒng)需要換乘和雙層轎廂電梯特殊的控制策略都會(huì)降低乘客的乘梯體驗(yàn)。為了不降低乘梯體驗(yàn)，蒂森電梯公司提出了雙子電梯的概念，其系統(tǒng)組成如圖3所示。

不同于雙層轎廂電梯，雙子電梯的上下轎廂擁有各自獨(dú)立的主機(jī)、控制系統(tǒng)、安全部件、對(duì)重和鋼絲繩，但共用廳門(mén)和導(dǎo)軌[4]。在使用時(shí)，雙子電梯有專門(mén)的目的選層控制系統(tǒng)對(duì)乘客的呼梯信號(hào)進(jìn)行分配，推薦乘客選擇合適的電梯前往目標(biāo)樓層，因此一般會(huì)配合使用一臺(tái)傳統(tǒng)電梯，以確保乘客直接到達(dá)頂層或底層。此外，通常在底層端站下方為轎廂預(yù)留一個(gè)“轎廂庫(kù)”，必要時(shí)將一個(gè)轎廂關(guān)閉并停止于此。

與雙層轎廂電梯相比，雙子電梯有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）轎廂更具靈活性。兩個(gè)轎廂可同時(shí)獨(dú)立工作，在具有兩個(gè)或更多的主服務(wù)層或樓層間有客流使用的建筑中，其效率優(yōu)勢(shì)更加明顯。

（2）無(wú)需在入口層處設(shè)立扶梯或其他設(shè)施對(duì)候梯人群進(jìn)行分流。

（3）在非高峰期可關(guān)閉一個(gè)轎廂，更加節(jié)能。

（4）采用普通的曳引安全部件，在制造、使用、維保等方面具有優(yōu)勢(shì)。

（5）對(duì)樓層間距沒(méi)有任何限制，因此在老舊電梯更新時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。

自從2004年首部雙子電梯在蒂森克虜伯公司總部大樓安裝，德國(guó)寶馬公司辦公樓、俄羅斯聯(lián)邦大廈A塔、沙特阿拉伯資本市場(chǎng)監(jiān)管局總部大廈等新建和改造的建筑項(xiàng)目中采用了雙子電梯系統(tǒng)。2012年2月，中國(guó)首例雙子電梯系統(tǒng)在大連星海假日酒店電梯改造項(xiàng)目中完成安裝[5]，此后北京奧林匹克 望塔、天津津?yàn)硰V場(chǎng)、成都金融城南塔等項(xiàng)目都安裝了雙子電梯系統(tǒng)。

3 結(jié)論與展望

對(duì)比幾種電梯系統(tǒng)及控制策略，雙子電梯系統(tǒng)以其安裝、維保和改造時(shí)的適應(yīng)性，使用過(guò)程中靈活性和高效性，已經(jīng)顯示出其在超高層建筑中的優(yōu)越性。當(dāng)然，雙子電梯的發(fā)展絕不會(huì)止于此，它還可以從以下幾點(diǎn)中做出提升：

（1）算法是決定乘客候梯、乘梯時(shí)間長(zhǎng)短的關(guān)鍵。雙子電梯由最初因?yàn)榘踩珶o(wú)法保證而無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轎廂相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)展到現(xiàn)在通過(guò)監(jiān)控兩個(gè)轎廂距離來(lái)決定轎廂速度，就是算法不斷優(yōu)化的結(jié)果。因此，不斷探尋更加先進(jìn)可靠的算法是雙子電梯未來(lái)發(fā)展的方向。

（2）雙子電梯的出現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)電梯的一個(gè)井道內(nèi)一個(gè)轎廂的印象帶來(lái)了變革性的沖擊。隨著雙子電梯技術(shù)的成熟，三子電梯很有可能適時(shí)出現(xiàn)，進(jìn)一步提高井道利用率和電梯的運(yùn)輸效率。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50352-2005.民用建筑設(shè)計(jì)通則[S].

[2]肖鐵軍，王岳峰.雙層轎廂電梯在高層辦公建筑中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2010（11）.

[3]黃懷海.超高層辦公建筑垂直交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)研究——以成都金融城南塔的雙子電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例[J].建筑技藝，2011（3）.

[4]岳云濤，王貴忠，寇兆一.超高層建筑高速電梯關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 建筑電氣，2015（5）.

[5]張進(jìn).基于粒子群算法的雙子電梯群控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

作者簡(jiǎn)介：劉春艷，山東協(xié)和學(xué)院，教師，信號(hào)與信息處理，碩士研究生。

劉偉偉，山東協(xié)和學(xué)院，教師，通信與信息系統(tǒng)，碩士研究生。

高芳芳，山東協(xié)和學(xué)院，教師，控制科學(xué)與工程，碩士研究生。

孫彥山，山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，機(jī)械電子工程，碩士研究生。