超高層建筑垂直電梯運輸系統問題的探討

楊 朋

(中船置業有限公司，上海 200120)

1 概述

隨著超高層建筑不斷的拔地而起，高樓必備的垂直交通工具電梯也得到了飛速發展。《建筑設計防火規范》規定消防電梯從首層至頂層的運行時間不宜大于60 s，隨著樓高的不斷突破，無論是應規設計還是考慮輸送速率，垂直電梯的梯速隨之也不斷提升。然而，電梯轎廂在電梯井道內高速運行時，會推擠井道內的空氣進行往復運動，就好像活塞在氣缸內運動一樣，導致與井道相連的人員活動區域如電梯廳或前室與井道之間產生一定的壓差，致使人員活動區域的空氣壓力產生變化，影響該區域內空氣及聲學品質，甚至引起運行中轎廂的劇烈抖動，這就是電梯在高速運行時產生的“活塞效應”。樓層內空氣、聲學品質不穩定，轎廂運行中的劇烈抖動會極大的影響入駐品質，進而給整棟大樓的使用體驗帶來負面影響。陸家嘴2E5-1項目建設過程中，我們也碰到了單井道高速電梯(梯速不小于3.5 m/s)運行產生“活塞效應”的問題。

2 項目情況

該項目位于上海浦東陸家嘴金融中心區的東側，地塊區域四邊均臨城市道路，建筑分T1，T2，T3三個部分，T1，T2為兩棟辦公塔樓，T3為商業裙房，總建筑面積約43.5萬m2：地上部分約31.5萬m2，地下部分約為12萬m2。其中,T1塔樓共55層，高度為250 m；T2塔樓共52層，高度為238 m。

項目共設置了95臺電梯，其中T1塔樓區域設置了31臺垂直電梯，T2塔樓區域設置了22臺垂直電梯，分別服務塔樓高、中、低三塊辦公區域，梯速設計參見表1，塔樓核心筒內電梯分布參見圖1，圖2；T3裙房及地下室區域設置了10臺垂直升降梯及32臺自動扶梯，主要為商業及地下室服務梯，垂直升降梯設計梯速均為1.75 m/s。

表1 辦公塔樓垂直電梯梯速匯總表 m/s

3 電梯運行涉及的問題分析

多井道相通的電梯運行時雖會產生“活塞效應”，但是井道相通區域可以互為泄壓或增壓，能夠有效地減少電梯運行對井道外部人員活動區域的影響，然而單井道高速電梯運行時的“活塞效應”對人員活動區域影響尤為突出，從圖2中可知，T2核心筒區域分別有2部服務低區的高速電梯(梯速4 m/s)及1部服務高區的高速電梯(梯速8 m/s)設置于單井道內，故為避免該3部電梯運行時對樓層空調及入駐、乘梯舒適度產生影響，本文主要針對該3部電梯運行產生的“活塞效應”問題進行論述及探討。

在單井道電梯井中，由于活塞效應的作用，會使井道中的壓力發生變化，進而影響其前室或電梯廳的壓力分布，會使井道與人員活動的前室或電梯廳的氣流運動變得更加紊亂。以電梯上行運動為例，向上運行的轎廂迫使氣流由電梯井下部流入上部(如圖3所示)，導致轎廂經過樓層氣壓劇烈波動。

大氣壓Po與轎廂上部區域的壓差Pa為：

(1)

其中,ρ為電梯井道內空氣密度,kg/m3；As為電梯井道斷面積，m2；V為電梯轎廂運動速度，m/s；Na,Nb分別為轎廂上下部樓層數；C為流量系數；Cc分別為轎廂周圍環狀空間的流量系數，單梯單井中Cc取0.83；Af為電梯井與轎廂面積之差；Ae為等效面積，等效面積Ae由電梯井及其前室的滲漏面積Asl、電梯前室和建筑內部空間的滲漏面積Ali、建筑與外界的滲漏面積Aio組成，如式(2)：

(2)

電梯前室與建筑空間之間的壓差ΔPli為：

ΔPli=(Po-Pa)(Ae/Ali)2

(3)

將式(1)代入式(3)可得：

(4)

由式(4)可以判斷，前室或電梯廳與建筑空間之間的壓差與電梯井斷面積、轎廂速度、建筑氣流的流動路徑和轎廂的位置有關，隨著轎廂的上行，轎廂下部的ΔPli開始降低，而其上部的ΔPli先升高，隨著轎廂的駛離，ΔPli會隨之降低。ΔPli的上限為：

(5)

將ΔPli上極限值記為臨界增壓，臨界增壓與轎廂速度的關系如圖4所示。

由圖4可以看出，在單井道中臨界增壓隨著轎廂速度的增加急劇增加，電梯活塞效應帶來的壓力變化會導致室內空氣的運動路徑、速度發生變化，影響空氣在電梯井道及前室或電梯廳的分布，進而對室內空氣溫度、流向和聲學舒適度產生影響，因此在快速運行的電梯單井道的活塞效應不容忽視。

4 緩解“活塞效應”的方案分析

針對該項目中單井道電梯緩解“活塞效應”的方案及分析如下：

方案一：建議調整為通井道設計，協調結構專業調整結構設計，規避單井道的布置。

方案二：單井道電梯增大井道面積至轎廂地坪面積的2倍。

方案三：在單井道的二次墻處經由電梯廳設置旁通風管，間接聯通隔壁通井道，避免壓力影響層層設管聯通。

方案四：在單井道與通井道之間的結構剪力墻上增設留洞，聯通井道內空氣，同時針對電梯運行模式控制上進行優化。

由于塔樓結構設計已完成，若按方案一調整，則將推翻原設計，故未有采納方案一。方案二占用的建筑空間較大，且核心筒內無進一步拓展增大井道的空間，且該方案占用的建筑面積較大導致經濟性較差，故也未有采用方案二。方案三與方案四其實目的相同，方案三雖對原結構及建筑調整較少，但是經由電梯廳設置旁通風管間接接駁至通井道，對于核心筒內走道及管線標高影響較大，亦會影響走道公共區設計效果及建筑品質，故經多方溝通及討論，最終選擇了方案四：在單井道電梯的剪力墻處增設通氣留洞，聯通相鄰的通井道。然而針對方案四，我們也提出了兩種實施方案：方案一：在井道的底部及頂部打通隔墻，如圖5所示；方案二：在井道的層層設置通氣留洞，如圖6所示。

因按圖5方案設計，須直接打通底部及頂部結構剪力墻，經結構專業復核，按此設計將破壞結構受力，故未采用。最終選擇了層層留洞，在結構允許的范圍內，將留洞面積減小至0.5 m2，同時協調電梯廠家合理調整電梯運行邏輯，避免同時上下的情況，最終有效的緩解了T2塔樓3部單井道電梯“活塞效應”帶來的影響。

5 結語

在超高層建筑設計中高速電梯運行時“活塞效應”產生的影響，是建筑師及設計師們應在建筑方案階段就關注的設計要點，上述的緩解措施及方案，也是受到諸多前期設計條件限制和影響而較為被動的緩解措施，建議在治理超高層建筑設計電梯“活塞效應”時，應著眼于建筑設計本身同時考慮，于設計初期進行更好的研究及論證，在初期就考慮及解決“活塞效應”的影響，這樣才能更好的保證電梯乃至整個大樓的安全及舒適。