在垂直和水平兩個維度實現
——高效乘客運輸的新方法

在垂直和水平兩個維度實現
——高效乘客運輸的新方法

Karl-Otto Schoellkopf高層建筑產品全生命周期管理部門總監Head of Global High-Rise Product Lifecycle Management蒂森克虜伯股份公司 | thyssenkruppElevator埃森，德國 | Essen, Germany

Karl-Otto Schoellkopf 研究電氣工程，于1976年加入蒂森克虜伯電梯集團。他最初在研發部門任職，擔任過數個工程及制造項目的領導人。他主要負責管理全球高層建筑業務項目，在該領域積累了多樣化的經驗，目前為全球銷售及工程活動提供支持。自2013年起，他負責蒂森克虜伯高層建筑分部的全球產品使用壽命管理。

Karl-Otto Schoellkopf studied Electrical Engineering and joined the thyssenkrupp Elevator Group (tke) in 1976. He started his career in the R&D department and was engaged in several leading positions in engineering and manufacturing over the years. With a focus on managing projects in the global highrise industry, he got comprehensive experience in this field and is supporting the sales and engineering activities worldwide. Since 2013 he has been responsible for Product Lifecycle Management Globally in the High Rise Segment for tke.

Joerg Mueller高層建筑咨詢公司總裁Head of High-Rise Consulting蒂森克虜伯股份公司 | thyssenkrupp Elevator斯圖加特，德國 | Stuttgart, Germany

Joerg Mueller 研究電氣工程，于1993年加入蒂森克虜伯電梯集團。他在研發部的測試分部就職，負責管理現代化部門。自2005以來，Joerg先后擔任過德國工廠的高級工程師及主要項目咨詢主管。他負責支持新安裝及現代化的主要項目。他已和他的團隊共同開發了針對高層建筑垂直交通的新概念，這個概念考慮到了空間效率規劃、電梯系統服務質量及使用現代模擬系統的能耗。

Joerg Mueller studied Electrical Engineering and joined thyssenkrupp Aufzugswerke in 1993. He worked in the testing division of R&D, managing the modernization department. Since 2005 Joerg has been working as Senior Engineer and Head of Major Project Consulting for the factory in Germany. He supports Major Projects for New Installation and Modernization. He has developed, together with his team, new concepts for vertical transportation in highrise buildings, considering space efficient planning, quality of service of lift systems and energy consumption through modern simulation methods.

| Abstract

由于人口數量長期增長的趨勢，城區發展需要全新的、富有遠見的移動解決方案。 流動人口（通過私人汽車、巴士、出租車等等）將導致越來越糟糕的交通狀況、惡劣的環境及大幅降低的生活質量，我們現在已經對此習以為常了。本文將展示新技術方法，這些方法旨在改進公共交通系統（諸如地鐵等等）之間的聯系及網絡連接。 增加建筑物高度將導致垂直交通設備數目的增加，這意味著要配備更多垂直電梯井的電梯，這就需要增加覆蓋面積。 第一個無繩電梯系統 thyssenkrupp’s MULTI?及TWIN?等技術創新，將通過在更少的電梯井空間中放置多個電梯轎廂系統來提高交通及建筑效率。本文內容將包括在高層建筑中規劃垂直交通的不同可能方法。電梯系統的正確組合將成為高效解決方案的關鍵。

能源效率、高層電梯、基礎設施、電梯通道空間優化、城市流動性、 垂直和水平城市主義

垂直延伸，但不僅如此...

考慮到對城市空間的嚴格限制和基礎設施擴展的局限，能夠適應城市人口迅速增長的最經濟、環境可行性最高的辦法就是建造更高的建筑。這樣不僅能減少占用土地，保障城市綠地，還有助于實現集中智能控制能源的戰略。隨著建筑高度的增加，需要的垂直運輸單元也更多。以目前常見的先進技術計算，這意味著需要更多垂直井道和更多部電梯（圖1）。邏輯上，占用的建筑空間也會越來越大，因此會對建筑可用面積的凈比率產生直接影響。對于高層甚至超高層建筑，應當認識到，超過50%-60%的空間需要用于交通運輸和服務設施。

這不僅是因為在這些建筑中工作和生活的人數更多，還因為人們需要越來越多的內部設施來改善生活質量，例如會議區、咖啡店、餐廳、水療中心、健身房和醫療服務等等。

所以，從房地產開發商和建筑設計師的這個角度來看（不考慮其他角度）：電梯是建筑物高度增長的瓶頸

通過組織優化井道結構減少核心區面積

采用轉移層減少占用空間的概念計劃[1]。這樣可以實現區間電梯井道的堆疊，特別是在建筑的上部。井道配置更加經濟，因為貫穿整個建筑的井道更少了。轉移層 （高空大廳）通過快遞往返直達電梯與一樓連通。這些電梯可以高速運行，由于減少了中間停靠次數，所以具有良好的吞吐量。

采用這種配置，設置在主大廳的電梯變得更少（圖2）。一樓電梯井道的空間可以減小，不僅是因為井道面積更小，還因為電梯前面的通道區域也有所減小。

提高運輸能力

另一種常見的方法是采用雙層電梯（圖3），這樣可以相應地減少所需井道的數量[2]。建筑需要采用一種雙層調度門廳，可以同時裝載上下兩個轎廂。

然而，對于雙層電梯系統，必須通過清楚明確、合理組織的人流量概念對建筑入口區域的人流進行協調。要前往偶數樓層的乘客必須通過上層門廳進入上轎廂。要前往奇數樓層的乘客必須通過下層門廳進入下轎廂。

通常乘客可以乘坐兩個樓層之間的自動扶梯前往需要的樓層，或者也可以通過錯層式的建筑環境將人流引導至兩個樓層。

由于在上行人流高峰期間能夠同時運送乘客到達兩個樓層，所以平均往返行程中的停靠次數有所減少。這樣就能減少上下客時間的損失。

雙層電梯既可以用于停靠每個樓層的區間組，也可以作為通往轉移層的往返直達電梯。使用常規的雙層系統時，建筑師通常必須保證相同的樓層間距，這會限制建筑結構和建筑設計方面的靈活性。

由于雙層電梯的運行會消耗大量能源，所以減少井道面積帶來的益處會在很大程度上被經年累月的高能耗所抵消。由于設計的原因，雙層電梯具有很大的質量和慣性。轎廂本身的重量就超過10000 kg（圖3），而配重則可以輕松達到甚至超過12500 kg（例如用于兩個1600kg吞吐量的轎廂的配重）。此外，機器、滑輪、纜繩和補償裝置也會產生很大的慣性。通過新材料減少纜繩重量的嘗試才剛剛開始。

所有這些質量都必須經過加速和減速，即使電梯轎廂內只有幾名乘客。這會產生很高的加速電流，消耗大量能源。

最新的靈活雙層電梯允許對跨樓層流量進行有限的調整，從而使樓層間距可以略有不同。它們需要額外的機械裝置，而這又大大增加了需要移動的質量。

使用同一井道的多轎廂系統

類似于蒂森克虜伯的雙子?和MULTI?（第一套無纜繩電梯系統）這樣的技術創新能夠通過多轎廂系統的方式提高運輸能力和建筑可用面積。

與其他解決方案相比，對建筑設計的益處不僅在于節省空間，還大大提高了靈活性，顯著降低了能耗。

蒂森克虜伯電梯（圖4）的雙子系統，實際上是市場上唯一一種兩個轎廂能夠在一個井道中獨立運行的系統[3]。所以電梯井道的數量可以減少最多30%。該系統的靈活性允許在一或兩個樓層上設置主大廳。通過規劃雙層門廳，能夠同時在上、下轎廂上下客，從而實現最佳性能。

對于上行人流高峰，理想的情況是，上層門廳是電梯組內高區的入口層；下層門廳則是低區的入口層。這些區域經過設置，使上部和下部轎廂能夠運送相同數量的乘客或停靠相同數量的樓層，例如低區：3至15樓；高區：16至30樓。

在非人流高峰時，電梯可以不受限制，兩個轎廂都可以響應兩個區域內的呼梯需求。一個井道內兩個獨立轎廂的靈活性在樓層間交通時特別明顯。在租戶使用多個樓層的建筑中，與雙層系統相比，可以使用更多的轎廂于樓層間交通。最佳人流量由控制器控制。雙子電梯轎廂的慣性和質量與傳統電梯的轎廂（單層）相同。

對系統進行優化，以提高一組多轎廂電梯的能效，只啟動所需數量的轎廂，以提供需要的服務質量。當然，該技術具有最高安全水平的認證，已經在全球各地的多個項目中成功運行，非常成熟。

將兩套具有類似吞吐量和同等服務質量的電梯組進行比較可以發現，雙層解決方案的電負荷是多轎廂系統的近兩倍。通過100米建筑項目（圖5）的全天辦公人流量模板[5]，基于行業標準的人流量模擬模型[4]，對兩個系統的能耗進行比較，即可證明這一結論。在模擬軟件中已經運行了一個復雜的能耗模型[6]。

圖1. 低、中、高層建筑電梯群的空間要求（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

圖2. 疊置井道和電梯的空間布置（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

圖3. 雙層電梯（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

雙層電梯組的能耗高出約20-30%。但是要注意，這兩套電梯系統都依據VDI 4707獲得了相同的能效等級認證[7]。這背后的原因是，該規范所討論的能耗僅限于上下一個行程，不考慮日常運行中電梯組的總體性能。雙層系統在非人流高峰時需要移動更多的轎廂，而且實際上非人流高峰占據了一天中的大部分時間。

圖4. 疊置井道和電梯的空間布置（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

圖5. 能耗對比：雙層電梯--多轎廂電梯（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

因此，為了獲得最佳性能，盡量減少能源浪費，必須根據實際建筑運行模式對每個系統進行規劃。因此，雙層系統不僅需要更多運行功耗，而且需要大型的電氣設備，例如變壓器、電纜、發電機等。

多轎廂概念

到目前為止，我們描述的所有電梯系統仍然配備鋼絲纜繩。自從電梯被發明以來，始終采用的就是這套技術，現在它已經成為限制運行高度延伸的關鍵因素。

最重要的影響包括：

由于世界各國的法律規定的安全系數，纜繩的數量和直徑必須隨著運行高度的提高而增加。因此，纜繩的總質量終將提高到極限，以至于它們無法再承受自身的重量。現在，蒂森克虜伯在兩年前開始研發的MULTI概念已經問世，它采用直線電機技術以取代懸掛纜繩，從而完全避免垂直曳引帶來的限制。

即使是目前最先進的電梯技術，除了少數情況外，也很難適應非垂直建筑內的傾斜井道。而MULTI概念卻并不存在懸掛纜繩對于傾斜曳引的限制。

由于靜定原因，高層和超高層建筑受風力、日照或地震的影響，不可能完全避免建筑搖擺。采用懸掛纜繩的電梯會直接受到建筑性能的影響，并且可能造成運行故障或危險損害。MULTI不采用纜繩，在高層和超高層建筑內不會導致纜繩劇烈擺動。

到目前為止，所有電梯都無法進行水平運動。因此，電梯井道之間、建筑之間以及通往公共設施的水平連接都限制了城市交通。MULTI概念支持垂直和水平方向的乘客運輸。

因此：使高層建筑繼續提升高度的關鍵就是通過突破性的新技術消除這些限制。

其功能原理基于這樣的想法，在最少兩個井道構成的環路中使轎廂循環運行，提供連續的載客流 (圖6)。兩個或更多井道將由所謂的交換設備連接起來，從而使轎廂能夠從一個井道水平轉入另一個井道。

這些電梯將不再配備鋼絲纜繩，而是采用線性馬達系統。這一技術不但廣為人知，而且已經在蒂森克虜伯的磁浮列車系統中得到充分驗證。可以保證高度的安全性和舒適性。

為了控制轎廂的獨立運動，它采用了一套基于SIL3標準的最高級別安全程序，并在此基礎上運用了雙子系統可靠、成功的技術。先進的目的地調度算法可以實現最優交通管制。

如前所述，高層和超高層建筑越來越像是在運行一座城中城。因此，毫不奇怪的是，這些建筑中的垂直交通解決方案將會越來越接近現代化水平公共交通基礎設施的概念。

快速列車提供長途運輸服務，僅設有幾個站點，將乘客在各個樞紐中心之間運輸，然后，乘客將在交通樞紐改乘當地交通系統，如地鐵、公交車，甚至是汽車服務。這個概念同樣在MULTI中得到了重視（原因與其他應用不同）（圖7）。

使用MULTI作為一個“長途”運輸系統，從正門抵達轉移門廳，然后換乘短距離的區間電梯。

對于這個基于轉移門廳的整體概念，人們可能會存在某些疑慮。但是，毫無疑問，在這種建筑中，運輸系統的高效運行不能固守使任何乘客都能夠一次性直達最終目的地的概念。

MULTI的吞吐量是恒定的，與運行高度無關。此外，由于高空大廳配置（例如，每50米）帶來的新的可能性，區間電梯組的運行距離將變得更短，從增加區間電梯的吞吐量，優化所需的電梯井道數量。

圖6. MULTI--垂直和水平方向的運輸系統（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

圖7. MULTI-- 參考公共交通的交通概念（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

圖8. MULTI--項目應用（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

與區間電梯組的單層或雙子系統相結合（圖8），這一概念將總共節省最多40-50%的井道面積。

圖9. 占用空間對比：實際項目中的雙層電梯/MULTI（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

圖10. 水平交通的創新技術--ACCEL（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

圖11. 水平方向的加速和持續運動（來源：蒂森克虜伯電梯集團）

將雙層往返電梯與MULTI往返電梯進行比較可知，MULTI概念在井道數量較少時最有優勢，特別是在運行高度超過200米時 (圖9)。

一個已經投入使用的真實建筑項目采用了兩套具有類似吞吐量和同等服務質量的電梯系統，比較這兩種垂直運輸配置，MULTI應用比雙層應用減小的井道面積相當可觀。

關于能耗問題，正如第1.3節中所述，情況也非常類似。除VDI 4707 [7]的定義以外，考慮全天模板或一周運行記錄更有意義。一方面，MULTI系統采用了輕量化材料，大大減少了需要移動的質量。另一方面，該系統在能量運用方面更加均衡，因為向上和向下運行的轎廂直接相互連接，而且配有能源再生裝置。到目前為止，新開發的電梯系統完全跟隨了現代化驅動系統的趨勢。不僅如此，在此概念中，只有需要的轎廂才會移動。

MULTI將成為高層和超高層建筑中實現有效井道配置和最大化可用空間的典范，對于這些建筑來說，如果使用普通的電梯系統，達到同樣的吞吐量將需要更多的井道面積和空間。

電梯系統的正確組合將是高效解決方案的關鍵。

更快的水平移動

正如我們現在習以為常的乘客運輸，無論是通過私家車、公交車還是出租車等，都會導致越來越混亂的交通狀況、嚴重的環境影響和更差的生活質量。我們需要全新的技術方法來改善通往公共交通系統的連接以及公共交通系統之間的連接，比如地鐵站、交通樞紐、公共建筑間的連接等。 尤其是，地鐵將會成為未來重要的公共交通方式之一。

但是，如何在最短的時間內將更多的乘客送到地鐵站又是一個很大的挑戰。地鐵網絡的連通性已經得到改善。大大加快運輸時間，改善乘坐地鐵的舒適度感非常有必要。考慮到二氧化碳排放，這些目標越快實現越好！

ACCEL是蒂森克虜伯電梯為這一領域推出的創新技術。它是一套具有兩種速度的自動人行道。它將流暢平穩的變速與乘客運輸的最高安全要求相結合 (圖10)。

城市外圍的乘客可以乘坐它迅速前往附近的地鐵站或其他目的地，無需長時間等待免費往返的接送巴士。

在機場，這種革命性的技術可以為乘客節省三分之二的通行時間，這樣他們就可以把這些時間花在機場商店或餐廳中 (圖11)。

圖12. 可到達性的挑戰--提高連接性 (來源：蒂森克虜伯電梯集團)

這一革命性技術也由直線電機驅動，可單獨控制每一個踏板。水平速度可從正常的0.6m/s加速到最大2m/s (7.2 km/h)，并在線路末尾再次減速至0.6m/s，以方便乘客邁步走下。

高速人行道的長度可從每個模塊100m擴展到500m，而且可以連接起來，提供不同長度。踏板寬1 200 mm，載客能力可達每小時7 300人 (圖12)。

由于需要的空間小，對基礎設施的要求低，運營成本低，這一概念將增加地鐵站的覆蓋范圍，將城市中的重要節點整合到地鐵網絡中。 登機樓層之間的交通時間減少30%。投資低于隧道，同時具有更高的公共可見度。

結論

垂直運輸行業致力于運用先進的新技術，積極采用新的概念運輸人員和物資，為塑造全新城市化的新時代作出貢獻。連通性和城市交通將提高大型城市在高層建筑、公共交通設施等各個領域的品質，使其更加適合居住、工作、商務、休閑：

以激動人心的方式連接各個區域和場所 。

參考| References:

Al-Sharif, L., Peters, R. and Smith, R. (2004). “Elevator Energy Simulation Model”, Elevator Technology 14.

Gerstenmeyer, S. and Jetter, M. (2015). “A Next Generation Vertical Transportation Systems”, CTBUH New York Conference.

IEC 61508, Section.

Peters, R. (2016). Elevate. Available: www.petersresearch.com

Schroeder, J. (1989). “Sky Lobby Elevatoring”, Elevator World, pp. 90-93, January.

Siikonen, M.L. (2000). “On Traffic Planning Methodology”, Elevator Technology 10.

Strakosch, G. R. “Double-Deck Elevators: The Challenge to Utilize Space”, Elevator World, July.

The Association of German Engineers. (2009). VDI 4707.

Thumm, G. (2000). “A Breakthrough in Lift Handling Capacity”, Elevator Technology 14, Elevcon.

New Approaches for Efficient People Transportation in Both Dimensions –Vertically and Horizontally

Energy Efficiency, High Rise Elevator, Multiple Car Systems, Shaft Space Optimization, Urban Mobility, Vertical & Horizontal Transportation

The trend of growing cities with permanently increasing populations will require new and visionary solutions for mobility in urban areas. Moving people as we are used to do today – either by individual cars, buses, taxis, etc., will lead to chaotic traffic conditions, high environmental impacts and a poor quality of life. This paper will show new approaches in technology to improve connections and network links to and between public transportation systems like metros, etc. Increasing the height of buildings demands an increasing number of vertical transportation equipment, requiring more elevators with more vertical hoistway with more demands on space in the building’s footprint. New innovations in technology, like thyssenkrupp’s MULTI? as a the first rope less elevator system and TWIN?, would allow for better transportation and building efficiency by means of multiple car systems in reduced hoistway space. We will explore different possibilities of vertical transportation in high-rise buildings. In the end, the right combination of elevator systems will be the key for an efficient solution.