智慧城市綠色建筑電梯陣列

蓋志武 熊致遠(yuǎn) 鄭國旭 孫昌海 程猛 劉銘 薩里 Waleed Bin Nasir（瓦力達(dá)）

（海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，海南 海口 571158）

1 背景和意義

現(xiàn)代化都市的最主要標(biāo)志是具有電梯的高樓大廈；但是，城市樓房電梯在火災(zāi)時無法使用、居民無法及時逃生；電梯封閉結(jié)構(gòu)通風(fēng)差、是病毒等呼吸道疾病的高危傳染場所，且封閉電梯內(nèi)人身侵害犯罪頻發(fā)，電梯封閉結(jié)構(gòu)還導(dǎo)致乘坐體驗(yàn)差，在電梯故障或者突然停電時常常將乘客關(guān)閉在類似囚籠的封閉電梯中。傳統(tǒng)室內(nèi)電梯的通風(fēng)、照明日夜不停，浪費(fèi)能源顯著。

目前城市樓房的各個樓層是由樓梯及電梯聯(lián)通的，一旦發(fā)生火災(zāi)煙霧會迅速彌漫到整個樓房，表明城市樓房結(jié)構(gòu)設(shè)計存在重大缺陷。

目前，世界各地所有城市的樓房都存在上述重大缺陷，導(dǎo)致城市樓房宜居指數(shù)和平安指數(shù)顯著降低，業(yè)內(nèi)甚至普遍認(rèn)為，城市樓房的發(fā)展走上了絕路，對于日益緊張的建筑用地供給，特別是寸土寸金的大都市而言，只有向高空發(fā)展，才是擺脫土地危機(jī)的出路，放棄高樓顯然是行不通的，而城市高樓及電梯的問題日益突顯，已經(jīng)成為城市發(fā)展最迫切需要解決的、最重大技術(shù)瓶頸問題。

為解決上述重大問題，本研究團(tuán)隊(duì)提出了顛覆常規(guī)樓房設(shè)計及傳統(tǒng)樓房電梯設(shè)計的全新思路，突破了城市發(fā)展最嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸和危機(jī)，為智慧城市綠色建筑的發(fā)展帶來新的曙光。

圖1 智慧城市綠色建筑電梯陣列設(shè)計方案

2 智慧城市綠色建筑電梯陣列設(shè)計方案

2.1 智慧城市綠色建筑電梯陣列設(shè)計是顛覆傳統(tǒng)樓房結(jié)構(gòu)、電梯布局和結(jié)構(gòu)、以及樓梯設(shè)計結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新型樓宇，將每棟樓房建為至少具有兩個在空間上分隔、且具有一定防火安全距離的樓房單元，每個樓房單元內(nèi)均無樓梯和電梯，將每個樓房單元的所有樓梯和電梯都集中到電梯間。每個樓房單元都通過連廊連接到室外電梯間，室外電梯間獨(dú)立于樓房任何單元。室外電梯間內(nèi)具有獨(dú)立供電的電梯陣列、樓梯陣列，以及每層都具有的可以通達(dá)任何一個樓房單元的具有快速疏散樓內(nèi)人員的容量足夠的廊道，即任何一個樓房單元內(nèi)的人員都可以通過連廊和廊道迅速轉(zhuǎn)移到同層的其他樓房單元，也可以選擇經(jīng)由臨近層的樓梯，通過連廊和廊道迅速轉(zhuǎn)移到不同層層的其他樓房單元。由于本項(xiàng)目獨(dú)特的設(shè)計結(jié)構(gòu)，每一樓房單元的不同樓層是無直接連通通道的（只能通過公共室外電梯間樣機(jī)連廊才能到另一樓層），而且臨近不同樓層的屋頂都設(shè)置了耐高溫的防火陰燃隔離層，當(dāng)某一樓房單元的房間發(fā)生火災(zāi)時，該樓房單元的其他樓層不受影響，徹底解決了傳統(tǒng)樓房的各個樓層通過電梯、樓梯相互連通，導(dǎo)致一戶失火，整樓遭殃的重大弊端。

可以看到，在發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)及其煙霧被限制在單一樓層，沒有火情的樓層居民即使在家也是安全的，當(dāng)然，樓內(nèi)居民可以選擇以下三種逃生路線之一：（1）電梯陣列，高層居民的逃生首選路徑。（2）樓梯陣列，低層居民的逃生首選路徑。（3）通過連廊逃到?jīng)]有發(fā)生火災(zāi)的樓房其他單元部分，任何樓層的居民都可選擇此逃生路線。

當(dāng)然，發(fā)生火災(zāi)時可能會出現(xiàn)人員聚集擁擠現(xiàn)象，這可以從兩個方面解決：（1）逃生訓(xùn)練演練：平時訓(xùn)練樓內(nèi)人員在發(fā)生火災(zāi)時，可以采用三種逃生方法之一，在看到某一逃生路徑人員較多時迅速選擇其他逃生路徑，不要盲從一窩蜂，要冷靜理智逃生，這樣人員會自主選擇分散逃生，避免擁擠堵塞任一逃生路徑。（2）在智能樓宇技術(shù)非常發(fā)達(dá)的今天，還可在樓房各個節(jié)點(diǎn)安裝設(shè)置智能逃生引導(dǎo)系統(tǒng)，與火災(zāi)報警系統(tǒng)配合，進(jìn)一步提高逃生的科學(xué)性、快捷性。這樣的樓房，才是令人放心的綠色建筑，才是智慧城市應(yīng)該具有的，令廣大人民群眾放心真正的“安居房”。

2.2 設(shè)計的樓房外或者室外電梯間是具有足夠通透結(jié)構(gòu)的通風(fēng)防雨電梯間。電梯間具有智能防雨電動窗；電梯間內(nèi)的所有電梯均為透明開放式結(jié)構(gòu)，即以支柱支撐電梯，不再是傳統(tǒng)意義上的電梯井，電梯轎廂也為開放式結(jié)構(gòu)，即轎廂四周為欄桿結(jié)構(gòu)。

2.3 樓房內(nèi)不再設(shè)置樓梯，樓房所有樓梯都集中到電梯間，電梯間內(nèi)設(shè)計新穎、巧妙的樓梯陣列結(jié)構(gòu)，通透美觀，節(jié)省空間，具有足夠的疏散樓內(nèi)人員的容量。

2.4 設(shè)計適于老舊小區(qū)樓房加裝的室外通透電梯

老舊小區(qū)改造是我國城市化進(jìn)程中利國利民的重要民生工程，市場規(guī)模極其巨大，惠及群眾極其廣泛。目前全國各地老舊小區(qū)的改造正在如火如荼地進(jìn)行，將會有越來越多的普通底層市民受益。由于老舊小區(qū)存在的各種問題，如何將這項(xiàng)重大利國利民工程辦好落實(shí)，也是擺在城市建設(shè)部門面前的重大問題，需要避免的主要問題是：不要用老舊技術(shù)甚至已經(jīng)淘汰的落后技術(shù)改造老舊小區(qū)，而是應(yīng)該注重科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，采用最新的科學(xué)技術(shù)改造老舊小區(qū)，賦予老舊小區(qū)以新意，讓老舊小區(qū)煥發(fā)盎然新氣息。

老舊小區(qū)改造的目的主要是提升老舊房屋居民的生活品質(zhì)和體驗(yàn)，其中最重要的是加裝電梯，絕大多數(shù)老舊小區(qū)無室內(nèi)電梯，也不具備加裝室內(nèi)電梯的土建條件，安裝室外電梯是唯一選項(xiàng)。目前已經(jīng)改造的老舊小區(qū)安裝的室外電梯均為“安裝于室外的室內(nèi)電梯”，即，還是采用傳統(tǒng)室內(nèi)電梯的模式和技術(shù)，建造封閉的室外電梯井，電梯井內(nèi)安裝封閉的電梯轎廂，因而，仍然有傳統(tǒng)室內(nèi)的所有問題：乘坐體驗(yàn)差，人身侵害高發(fā)；室外電梯與使用電梯的居民樓房共用電源，發(fā)生火災(zāi)時無法使用電梯，由于老舊小區(qū)內(nèi)老年人居多，沒有電梯他們幾乎不能上下樓，發(fā)生火災(zāi)時基本無法及時逃生；電梯內(nèi)令人窒息的封閉結(jié)構(gòu)，電梯內(nèi)通風(fēng)非常差，電梯內(nèi)異味久久散不出去，是各種呼吸道傳染病的高危傳染場所。

本項(xiàng)目設(shè)計的獨(dú)立供電的適于老舊小區(qū)樓房加裝的室外通透結(jié)構(gòu)電梯，將徹底解決目前老舊小區(qū)所加裝的電梯的問題。本項(xiàng)目的設(shè)計可以采用兩種方案之一：

方案一，采用電梯井加裝電動窗、轎廂為開放式欄桿結(jié)構(gòu)。

圖2 所示為電梯井加裝電動窗的室外透明開放式電梯示意圖，圖2（a）中示意安裝的電動窗數(shù)量較少，圖2（b）中示意安裝的電動窗數(shù)量較多，顯然后者設(shè)計方案通風(fēng)性能及采光更好，作為室外電梯，觀光效果顯然更好，具體方案應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、居民的意愿、建設(shè)成本等綜合考慮，然后做出設(shè)計和選擇。

圖2 電梯井具有電動窗的室外透明開放式電梯示意圖

所示的加裝電動窗的電梯井中，電動窗為智能防雨電動窗，在檢測到雨滴時會自動關(guān)閉，不下雨時則自動打開。雨水檢測采用雨滴傳感器，一般至少需要3 個雨滴傳感器，控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制的電動推桿或者絲桿結(jié)構(gòu)，雨滴傳感器的布置示意圖見圖3。室外自動防雨電梯井傳感器布置水平剖面示意圖。顯然，電梯井這種開放式設(shè)計，其通風(fēng)效果非常好，而且解決了目前老舊小區(qū)改造中，采用密閉電梯井造成的通風(fēng)及采光效果極差的問題。有人擔(dān)心，長期下雨，電梯井內(nèi)空氣會變差，事實(shí)上，根據(jù)對下雨雨水方向的分析，下雨時雨水要么垂直滴落，要么具有某個傾斜角度，對于雨滴垂直下落的情況，是仍然可以開窗的，如果在電動窗頂部加上垂直于電動窗墻面的雨遮，效果更好；如果雨水是某一角度下落，則總會有一個方面的電動窗淋不到雨水，尤其是電梯井截面為方形結(jié)構(gòu)時，總會有一個方面的電動窗處于背雨面，可以開窗，見圖4，傾斜雨滴對電動窗影響分析示意圖。因而，下雨天至少可以開一個方向的電動窗，最多各個方面電動窗都可以打開，所以，本設(shè)計的電梯井即使在下雨天氣也是可以開窗通風(fēng)換氣的，仍然可以保持良好的通風(fēng)換氣。

圖3 室外自動防雨電梯井傳感器布置水平剖面示意圖

圖4 傾斜雨滴對電動窗影響分析示意圖

電梯轎廂為開放式欄桿結(jié)構(gòu)，不再具有傳統(tǒng)電梯轎廂的封閉四壁，轎廂四壁采用防護(hù)欄結(jié)構(gòu)，適當(dāng)結(jié)合透明玻璃結(jié)構(gòu)或者百葉窗結(jié)構(gòu)，轎廂具體設(shè)計多種多樣，具有通風(fēng)良好，采光效果好的特點(diǎn)，也具有非常好的觀光效果。在轎廂上下運(yùn)動過程中，會形成自然的風(fēng)場，因而，不需要電風(fēng)扇；而且日間轎廂內(nèi)光線良好，不需要啟動照明燈，晚上光線暗時會自動啟動照明燈，因而節(jié)能效果也是非常顯著的。

綜上所述，本設(shè)計的室外透明開放式電梯具有舒適度高，公共衛(wèi)生及安全性高，乘坐體驗(yàn)好，觀光效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

方案二，采用支柱取代電梯井，轎廂加防雨電動窗結(jié)構(gòu)。

如圖5、圖6 所示，轎廂具有智能防雨功能的室外透明開放式電梯正面及側(cè)面的示意圖，電梯井簡化為4 個支柱，最少可簡化到2 個支柱，支柱可以采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也可以采用鋼結(jié)構(gòu)。電梯轎廂是具有防雨電動窗的透明通風(fēng)結(jié)構(gòu)，其防雨電動窗的設(shè)計與方案一的電梯井的防雨電動窗設(shè)計原理類似，也可采用電動窗與百葉窗結(jié)合的方式，使得轎廂具有通風(fēng)、智能防雨功能；這種設(shè)計的室外電梯更節(jié)省材料，觀光效果更好。

圖5 轎廂智能防雨室外透明開放式電梯正面效果示意圖

圖6 轎廂智能防雨室外透明開放式電梯側(cè)面效果示意圖

2.5 本文設(shè)計的這種室外電梯設(shè)計尤其適用于旅游景區(qū)，目前張家界等旅游景區(qū)已經(jīng)建造了室外觀光電梯，極大提升旅游景區(qū)品味和檔次，成為現(xiàn)代化的觀景平臺，也使得室外觀光電梯這一科技景觀與自然景觀相互提升觀光效果，成為受到游客追捧的旅游熱點(diǎn)。

2.6 都市樓房的室外休閑觀光電梯、旅游景區(qū)的室外休閑觀光電梯都可與現(xiàn)代影音技術(shù)或者廣告技術(shù)融合，增強(qiáng)其觀光效果，增加復(fù)合功能。

2.7 室外電梯間的供電

室外電梯井可以采用獨(dú)立供電模式；也可以采用變結(jié)構(gòu)供電模式，即室外電梯間平時與樓宇單元之一使用相同電源，發(fā)生火災(zāi)時切換到備用的獨(dú)立電源，或者附近的其他樓房的供電電源，總之確?；馂?zāi)時電梯可以正常運(yùn)行。

2.8 節(jié)能降耗及經(jīng)濟(jì)社會效益顯著

本項(xiàng)目的設(shè)計可以減少樓梯及電梯的數(shù)量而達(dá)到更高的乘客運(yùn)載量，得到更高的乘客疏通效率，而且，這種集中的通透的電梯及樓梯結(jié)構(gòu)增加了電梯乘客或樓梯行走人員的流量，顯著降低人身侵害事件發(fā)生的概率。不但大幅度節(jié)約建筑成本，還顯著提高樓房居住安全指數(shù)，對于樓房單元越多的建筑，其成本節(jié)約效果越顯著。其電梯間和轎廂的通透結(jié)構(gòu)設(shè)計，也使得材料成本顯著降低，顯著節(jié)約電能。

項(xiàng)目使得的電梯乘客舒適度體驗(yàn)顯著提高，電梯陣列成為觀光景點(diǎn)和游樂場，每棟樓房都成為旅游觀光景點(diǎn)。老人和小孩乘坐電梯次數(shù)會顯著增加，顯著提高城市居民融合交流的機(jī)會，極大避免電梯內(nèi)人身侵害犯罪率，增加社區(qū)凝聚力，建立更加和諧的城市群居和社區(qū)環(huán)境。還使得城市及社區(qū)公共衛(wèi)生安全指數(shù)大幅度提高。

2.9 電梯陣列集群控制算法

本設(shè)計中的電梯陣列或者電梯集群，可以采用智能控制，優(yōu)化控制等先進(jìn)控制算法，提高其運(yùn)行的科學(xué)性和合理性，目前，電梯集群控制算法研究較多，例如：基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及FCM聚類模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電梯集群控制等等；電梯控制仿真平臺也為電梯集群控制研究提供捷徑。

3 結(jié)論

本設(shè)計的智慧城市綠色建筑電梯陣列，結(jié)構(gòu)及布局新穎獨(dú)特，科學(xué)合理，節(jié)能降耗顯著，與火災(zāi)智能管理系統(tǒng)、電梯集群智能控制系統(tǒng)結(jié)合，可以突破目前城市樓房及電梯的安全技術(shù)瓶頸，助力現(xiàn)代化都市的快速發(fā)展，造福城市居民；本項(xiàng)目已經(jīng)申請多項(xiàng)發(fā)明專利，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，可以廣泛用于新建樓房、旅游景區(qū)、老舊小區(qū)改造加裝電梯等，保守估計僅僅在我國，其市場規(guī)模約20 萬億；對建設(shè)生態(tài)、宜居、平安、智慧城市及綠色地球家園具有重大意義。