超高層建筑垂直電梯運輸系統(tǒng)問題的探討

楊 朋

(中船置業(yè)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(fā)展。《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)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(guī)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(qū)域如電梯廳或前室與井道之間產(chǎn)生一定的壓差，致使人員活動區(qū)域的空氣壓力產(chǎn)生變化，影響該區(qū)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(chǎn)生的“活塞效應”。樓層內空氣、聲學品質不穩(wěn)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(chǎn)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(qū)的東側，地塊區(qū)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(yè)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(qū)域設置了31臺垂直電梯，T2塔樓區(qū)域設置了22臺垂直電梯，分別服務塔樓高、中、低三塊辦公區(qū)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(qū)域設置了10臺垂直升降梯及32臺自動扶梯，主要為商業(yè)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(chǎn)生“活塞效應”，但是井道相通區(qū)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(qū)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(qū)域影響尤為突出，從圖2中可知，T2核心筒區(qū)域分別有2部服務低區(qū)的高速電梯(梯速4 m/s)及1部服務高區(qū)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(chǎn)生影響，本文主要針對該3部電梯運行產(chǎn)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(fā)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(jīng)過樓層氣壓劇烈波動。

大氣壓Po與轎廂上部區(qū)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(shù)；C為流量系數(shù)；Cc分別為轎廂周圍環(huán)狀空間的流量系數(shù)，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(fā)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(chǎn)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(xié)調結構專業(yè)調整結構設計，規(guī)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(jīng)由電梯廳設置旁通風管，間接聯(lián)通隔壁通井道，避免壓力影響層層設管聯(lián)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(lián)通井道內空氣，同時針對電梯運行模式控制上進行優(yōu)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(jīng)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(jīng)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(qū)設計效果及建筑品質，故經(jīng)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(lián)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(jīng)結構專業(yè)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(xié)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(chǎn)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。