淺談超高層建筑的電梯技術與策略

劉春艷　劉偉偉　高芳芳　孫彥山

摘 要：隨著城市用地變得緊張，超高層建筑應運而生，隨之帶來了超高層建筑的電梯技術問題。文章綜述了當今國內外適用于超高層建筑電梯技術與策略的原理與實施方法，分析了各技術與策略的特點與優劣，列舉了各技術與策略的應用實例，最后對其技術發展前景做出了展望。

關鍵詞：電梯技術；超高層建筑；雙層轎廂電梯；高空門廳電梯系統；雙子電梯

1 概述

隨著社會經濟的發展，城市用地變得緊張。為提高用地效率，超高層建筑應運而生。隨之帶來了垂直方向上的交通問題，也就是電梯技術問題。超高層建筑一般是指建筑高度超過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17.5m/s，從底層到達頂層最快僅需60秒。因此通過提高速度以期減少乘梯時間，收益十分有限。于是，人們將提高超高層建筑電梯運輸效率的關鍵放在了不斷改進電梯技術與策略上。

2 超高層建筑電梯技術簡介

2.1 傳統分層（區）技術

普通住宅電梯一般采用每層停靠開門的方式。但超高層建筑采用這種策略會使電梯運行周期變長，效率降低，而且多次起停將嚴重影響乘客的乘梯體驗。現行《辦公建筑設計規范》規定：建筑高度超過75m的辦公建筑電梯應分區或分層使用。分層停站策略在實際應用中通常有如下的分類方式：

（1）按奇偶層分區的方式。這種分區方式比較簡單，其缺陷是奇偶層間的移動受限。其系統停靠方式如圖1（a）。

（2）按高低層分區的方式。該系統停靠方式如圖1（b），將整個建筑按電梯的服務分區劃分成若干段。服務于中高區的電梯由于有相當一段距離無需停層，可以保持高速運行；低區電梯因為連續密集的停層，所以無需采用高速電梯。

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

2.2 雙層轎廂電梯

在超高層建筑中，為增加運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、提高井道運輸能力，成為決定超高層建筑使用效率的關鍵。

2.2.1 雙層轎廂電梯

雙層轎廂電梯就是把兩個轎廂上下疊合，乘客分層同時上下，其結構如圖2（a）所示。這個類似雙層巴士的電梯系統的優點是加大電梯運力，提高空間利用率[2]。但雙層轎廂電梯也有其局限性：首先，雙層轎廂是由兩個轎廂固定在一個轎廂架內的整體，所以采用該電梯的建筑層高必須一致。這對建筑設計和電梯長期使用后的改造形成了很大的制約。其次，雙層轎廂電梯的運行模式通常隨交通流的改變而改變。所以，乘客需根據目的樓層和電梯即時控制策略決定候梯位置。最后，由于雙層轎廂電梯運送的乘客數量較多，在上下轎廂都在使用時，可能存在一個轎廂開門進出乘客，另一轎廂沒有進出需求但需忍受梯門沒有開合動作的電梯停站的情況，影響乘梯體驗。

此外，大轎廂、大功率主機對整個電梯系統的土建基礎、設備質量、維保能力等要求都隨之提高。一般說來，雙層轎廂電梯在50層以內會有較高的效率，超過50層時則需考慮更加先進的電梯技術策略。

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上，在轎廂間安裝了可變樓層驅動裝置來完成不同高度樓層停站時的平層適應問題。其結構如圖2（b）所示。位于上海陸家嘴的上海環球金融中心在總計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 高空門廳電梯系統

電梯分層（區）布置會面臨低層電梯運載力不足、高層電梯閑置的問題。雙層轎廂電梯在高于50層的建筑中效率會降低，于是產生了高空門廳電梯系統[3]（The Sky Lobby Elevator System）。該系統在建筑中設有若干個空中轉換廳，乘客乘快速梯到達空中轉換廳后換乘覆蓋相應樓層的電梯前往具體目的樓層，其系統停靠方式如圖1（c）所示。其優勢在于：通往空中轉換廳的快速電梯，因沒有中間停靠層而能以高速運行；而且不同分段的電梯可以在同一井道內運行，為超高層建筑節約了大量的可用面積；其缺點是前往中高區時需要換乘。為了提高電梯的運輸效率，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。在全球超高層建筑中采用這種電梯系統的有：臺北101大廈同樣層數的上海環球金融中心、香港環球國際貿易廣場和上海中心大廈等知名建筑。

2.2.4 雙子電梯

高空門廳電梯系統需要換乘和雙層轎廂電梯特殊的控制策略都會降低乘客的乘梯體驗。為了不降低乘梯體驗，蒂森電梯公司提出了雙子電梯的概念，其系統組成如圖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立的主機、控制系統、安全部件、對重和鋼絲繩，但共用廳門和導軌[4]。在使用時，雙子電梯有專門的目的選層控制系統對乘客的呼梯信號進行分配，推薦乘客選擇合適的電梯前往目標樓層，因此一般會配合使用一臺傳統電梯，以確保乘客直接到達頂層或底層。此外，通常在底層端站下方為轎廂預留一個“轎廂庫”，必要時將一個轎廂關閉并停止于此。

與雙層轎廂電梯相比，雙子電梯有以下優勢：

（1）轎廂更具靈活性。兩個轎廂可同時獨立工作，在具有兩個或更多的主服務層或樓層間有客流使用的建筑中，其效率優勢更加明顯。

（2）無需在入口層處設立扶梯或其他設施對候梯人群進行分流。

（3）在非高峰期可關閉一個轎廂，更加節能。

（4）采用普通的曳引安全部件，在制造、使用、維保等方面具有優勢。

（5）對樓層間距沒有任何限制，因此在老舊電梯更新時更具優勢。

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

3 結論與展望

對比幾種電梯系統及控制策略，雙子電梯系統以其安裝、維保和改造時的適應性，使用過程中靈活性和高效性，已經顯示出其在超高層建筑中的優越性。當然，雙子電梯的發展絕不會止于此，它還可以從以下幾點中做出提升：

（1）算法是決定乘客候梯、乘梯時間長短的關鍵。雙子電梯由最初因為安全無法保證而無法實現兩個轎廂相對運動，發展到現在通過監控兩個轎廂距離來決定轎廂速度，就是算法不斷優化的結果。因此，不斷探尋更加先進可靠的算法是雙子電梯未來發展的方向。

（2）雙子電梯的出現，對于傳統電梯的一個井道內一個轎廂的印象帶來了變革性的沖擊。隨著雙子電梯技術的成熟，三子電梯很有可能適時出現，進一步提高井道利用率和電梯的運輸效率。

參考文獻

[1]GB 50352-2005.民用建筑設計通則[S].

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

[3]黃懷海.超高層辦公建筑垂直交通系統設計相關研究——以成都金融城南塔的雙子電梯系統設計為例[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鍵技術研究[J]. 建筑電氣，2015（5）.

[5]張進.基于粒子群算法的雙子電梯群控制系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

作者簡介：劉春艷，山東協和學院，教師，信號與信息處理，碩士研究生。

劉偉偉，山東協和學院，教師，通信與信息系統，碩士研究生。

高芳芳，山東協和學院，教師，控制科學與工程，碩士研究生。

孫彥山，山東省特種設備檢驗研究院，機械電子工程，碩士研究生。