老舊住宅加裝電梯研究綜述

文/重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 楊振宇

0 引言

自20世紀70年代，為解決居民住房問題，我國建設(shè)大量多層住宅（6層左右），由于當(dāng)時經(jīng)濟及技術(shù)落后，其均未安裝電梯。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年末，我國60歲及以上人口為25388萬，占全國總?cè)丝诘?8.1%，其中大量老年人仍居住于未安裝電梯的老舊小區(qū)中，上下樓梯不便，亟需加裝電梯。

1 加裝電梯整體現(xiàn)狀

1.1 加裝電梯材質(zhì)

一般而言，加裝電梯采用鋼結(jié)構(gòu)較多，鋼材質(zhì)量輕、強度高，具有良好的塑性、韌性和均勻性。鋼結(jié)構(gòu)制作方法簡便，施工工期短，且抗震性能好。鋼結(jié)構(gòu)也存在缺點，即其耐腐蝕性差、壽命較短且耐熱不耐火。

鋼結(jié)構(gòu)選用鋼材時應(yīng)遵循安全可靠、經(jīng)濟合理、經(jīng)久耐用的基本原則。為保證鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，防止產(chǎn)生脆性破壞，所選用的鋼材應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的荷載特征、連接方式、使用環(huán)境及鋼材厚度等因素[1]。

1.2 加裝電梯的難點

由于建筑老舊且通道狹窄，故在加裝條件、安裝空間、安裝方位等方面存在問題。老舊建筑由于規(guī)劃限高、樓頂為頂層住戶所有或樓頂無空間等原因，導(dǎo)致電梯機房無空間安放；有些建筑單元門口通道過窄且建筑兩旁未預(yù)留相應(yīng)通道，使電梯井道無安裝空間；還有些建筑的地下管線交替密布，無法設(shè)置電梯底坑[2]。

1.3 解決方案

針對無機房空間的老舊建筑加裝電梯，主要采用無機房技術(shù)及側(cè)置機房技術(shù)2種解決方案。無機房技術(shù)分為上置式、下置式與置于導(dǎo)軌上3種模式。上置式與置于導(dǎo)軌上模式要求主機體積小；下置式模式的主機布置于底坑中，對主機的體積沒有限制。上置式和置于導(dǎo)軌上模式的主機因體積限制，電梯的載重量小、運行速度慢，運行高度低；下置式主機雖不受體積限制，但其位于井道底坑，雨天主機易進水損壞。側(cè)置機房技術(shù)的主機布置于井道投影面外，電梯利用多個導(dǎo)向輪傳動鋼絲繩達到升降目的，此方法便于機房維修，可增加電梯載重及高度，缺點為對導(dǎo)向輪安裝要求高及鋼絲繩壽命短。

部分老舊住宅無底坑空間，可使用新型轎廂結(jié)構(gòu)（見圖1）。新型轎廂結(jié)構(gòu)對底坑深度沒有較高要求，且占用井道空間較小。如井道空間不足，可采用鋼結(jié)構(gòu)一體化積木式電梯，這樣井道外尺寸可縮減至1.38m×1.98m或2.10m×1.25m。此種電梯采用模塊式鋼結(jié)構(gòu)井道，包括基座、底層框架、若干中間層框架、頂層框架和頂蓋，框架間應(yīng)采用高強度螺栓焊接。

圖1 新型轎廂結(jié)構(gòu)

2 加裝電梯各部分技術(shù)

2.1 底部基礎(chǔ)

2.1.1 地基基礎(chǔ)

基礎(chǔ)施工涉及圍擋安裝、管線改移、基坑開挖及清底、驗槽、墊層及砂漿黏結(jié)層施工、基礎(chǔ)吊裝、土方回填等過程。大多數(shù)基坑位于單元門前，為保障業(yè)主安全，須在基坑開挖區(qū)域進行封閉圍擋處理，并設(shè)置夜間照明裝置。基坑開挖后需組織驗槽，滿足要求后才可進行后續(xù)施工。現(xiàn)場的黏結(jié)砂漿不能隨意擺放，需在地面鋪設(shè)墊層，防止砂漿污染基礎(chǔ)底面或影響性能。

2.1.2 電梯底坑

根據(jù)狄軍等[3]研究，某7層辦公樓加裝電梯底坑采用250mm厚鋼筋混凝土井壁，基礎(chǔ)采用400mm厚鋼筋混凝土筏板。底坑根據(jù)所需電梯規(guī)模可調(diào)整大小，但加裝電梯井道基底應(yīng)適當(dāng)高于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底標高。

2.2 電梯井

2.2.1 方案

電梯井道可適合不同住宅類型，黃斯拜等[4]設(shè)計四柱式鋼框架結(jié)構(gòu)井道、箱型柱和焊接工字鋼梁組成的鋼框架結(jié)構(gòu)井道、貼墻式外掛電梯井道3種方案。

1）采用四柱式鋼框架結(jié)構(gòu)形式的電梯井道 電梯到達既有建筑之間，通過平臺相連。井道結(jié)構(gòu)橫、豎向承重構(gòu)件均使用200mm×200mm×15mm的方形鋼管。采用爪點式玻璃幕墻作為井道的圍護系統(tǒng)，同時使用200mm厚的連廊墻體，在連廊墻體與既有建筑墻體連接位置處設(shè)置拉結(jié)筋。此類電梯井道可預(yù)先建造好，通過井道吊裝直接安裝，以減少施工給居民生活帶來的影響。

2）采用箱型柱和焊接工字鋼梁進行組成的鋼框架體系結(jié)構(gòu)的電梯井道 井道鋼框架連接每個樓層，且連接處使用豎向長圓孔加固，當(dāng)產(chǎn)生地震等不利影響時，電梯井道與既有建筑結(jié)構(gòu)間能略微上下滑動，減輕共同震動造成的損害。

3）貼墻式外掛電梯井道 貼墻式外掛電梯在老舊住宅加裝電梯中占絕大多數(shù)，此類電梯井道與建筑墻體的距離一般不超過50cm，但留有一定間隔，可有效減少電梯井對原建筑的影響。某老舊小區(qū)7層住宅增設(shè)鋼框架結(jié)構(gòu)外觀電梯，其電梯井道地基基礎(chǔ)底面略低于原住宅基礎(chǔ)，設(shè)置25cm厚的井道短墻，電梯井采用C35強度混凝土。分析施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出此新增外掛電梯井對原建筑無明顯影響[5]。

2.2.2 對既有建筑影響

某些高層框架剪力墻電梯井可能達不到抗震設(shè)防第一階段要求，有安全風(fēng)險。采用純框架雖能減少風(fēng)險，但梁柱截面加大會影響建筑使用功能。加強框架伴隨剪力墻超筋問題，即使是平面規(guī)則的框架，也存在此問題。有學(xué)者通過模型計算發(fā)現(xiàn)，隨著鋼柱截面在有限范圍內(nèi)增大，整體結(jié)構(gòu)的周期變化較小，即電梯井道對既有建筑的剛度、質(zhì)量影響較小[6]。

2.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

電梯井結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意某些事項。原建筑較好的情況下，若采用單跨鋼框架井道，不宜獨立于建筑之外，應(yīng)利用豎向螺栓孔與原建筑連接；當(dāng)原建筑情況較差時，宜采用帶支撐的鋼框架，如多跨井道宜采用獨立式，但同時應(yīng)設(shè)置防震縫，其寬度不小于規(guī)范要求且不小于原建筑和增設(shè)井道的彈塑性變形之和[7]。

2.3 加裝電梯和既有建筑的連接

2.3.1 既有連接方案

加裝電梯井道與原建筑的連接方式有3種，即無連接、鉸接與剛接。

1）無連接方式 即脫開方式在老舊住宅加裝電梯中較常見。針對北京某6層小區(qū)，王軍芳等[8]建立相應(yīng)模型計算脫開連接方式下加裝電梯對既有建筑產(chǎn)生的影響，得出此連接方法對既有建筑影響較小，整體穩(wěn)定性滿足要求。

2）鉸接 加裝電梯井道與原建筑的鉸接方式，是在電梯井道與建筑外立面之間設(shè)置連接桿組，連接桿組的一端鉸接于建筑外立面，另一端鉸接于電梯井道。當(dāng)不均勻沉降發(fā)生時，連接桿組的兩端同時發(fā)生轉(zhuǎn)動來適應(yīng)沉降，電梯井道僅傳遞給主體結(jié)構(gòu)水平荷載，豎向荷載由電梯井道的基礎(chǔ)承受，減少老舊建筑所承受的荷載，提高建筑的安全性。

3）剛接 框架中梁柱之間的連接應(yīng)采用柱貫通型。框架梁與柱翼緣宜采用剛性連接，梁翼緣與柱宜采用全熔透焊縫連接，使用摩擦型高強度螺栓連接梁腹板和柱。

2.3.2 節(jié)點連接方案

馮德安等[9]研究某7層老舊小區(qū)加裝電梯，發(fā)現(xiàn)電梯框架4個角柱均使用200mm×200mm×5mm規(guī)格的Q235B方鋼管，中間連有Q235B型鋼。加裝電梯與既有建筑間可采用“型鋼+鋼板焊接”及化學(xué)螺栓連接。在維持梁強度和剛度的前提下，梁端部加焊上下水平楔形蓋板來加固梁柱連接節(jié)點，防止節(jié)點破壞導(dǎo)致加裝電梯結(jié)構(gòu)破壞。

2.4 樓道板

通過研究老舊住宅建筑結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn)加裝電梯停靠位置需選擇在上下樓層中間。對于無樓道板樓層情況或原樓道板未延伸至樓梯間外墻的情況，需將該位置樓道板進行延伸處理，常用方法為墻面植筋+樓板現(xiàn)澆[10]。某老舊小區(qū)7層住宅加裝電梯存在同樣問題，一般使用壓型鋼板組合樓面+檁條結(jié)構(gòu)代替前方案。

2.5 加裝電梯頂部空間要求

加裝電梯頂部空間具有相應(yīng)的規(guī)范要求，如轎頂可站人凈面積不小于0.12m2，轎頂上方應(yīng)設(shè)置1個大于0.50m×0.60m×0.80m的空間，以保證維修空間的大小；井道頂部最低位置部件與轎廂頂部最高部件之間的自由垂直距離不小于0.3+0.035v2(m)；井道頂部最底部件與轎頂站人空間底平面的垂直距離不小于1.0+0.035v2(m)[11]。

3 加裝電梯的可行性評估

3.1 評估要求

加裝電梯可行性評估需考慮加裝電梯對消防通道、場地及空間、綠化等的影響；考慮既有住宅本身安全情況及加裝電梯對既有住宅安全性能的影響；考慮加裝電梯與現(xiàn)有設(shè)備管線的交錯情況及加裝電梯的可行性和建議[12]。

3.2 評估內(nèi)容

加裝電梯評估內(nèi)容主要包括規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)和地下管線這4個方面。規(guī)劃方面包括防火間距、日照標準、用地紅線、場地綠化、場地道路；建筑方面包括采光、通風(fēng)、噪聲；結(jié)構(gòu)方面包括既有建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀安全評估、加裝電梯對既有建筑結(jié)構(gòu)影響；地下管線方面涉及地下管線合格評估[13]。

4 加裝電梯面臨的問題

4.1 前期問題

加裝電梯前存在實施主體不明確、居民加裝電梯意見難以協(xié)調(diào)、資金籌集困難、居民對加裝方案意見不同、加裝電梯申請流程復(fù)雜、管理機制混亂、技術(shù)標準難定等問題[14-15]。

既有建筑質(zhì)量情況是加裝電梯工程中需考慮的重點。當(dāng)前加裝電梯工程很少對既有建筑進行結(jié)構(gòu)安全鑒定，大部分情況靠現(xiàn)場勘察，但現(xiàn)場勘察不能完全診斷房屋現(xiàn)況，一旦發(fā)生質(zhì)量問題將造成居民生活不便甚至威脅人身安全[16]。

4.2 施工問題

加裝電梯對既有建筑產(chǎn)生一定影響，需定期對既有建筑進行沉降、傾斜監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)沉降或變形，應(yīng)及時調(diào)整方案。加裝電梯地基基礎(chǔ)施工時可能遇到地下管線復(fù)雜且不易遷移問題，因此在開始施工前應(yīng)盡量搜集老舊住宅圖紙，如有必要還需對其進行結(jié)構(gòu)鑒定[17]。受建筑強度及地下管線等限制，加裝電梯施工時可能存在底坑無法挖開的情況，現(xiàn)今普遍使用淺底坑技術(shù)來解決此類問題[18]。

老舊住宅因其特殊性，施工時間無法得到保證。施工過程中如遇到電焊使用不規(guī)范、產(chǎn)生揚塵、晚間卸貨、物資擺放不當(dāng)、施工圍擋不規(guī)范等問題，則小區(qū)居民會對施工單位進行投訴，從而影響施工進程。北京市某小區(qū)還出現(xiàn)已處于安裝階段的加裝電梯因某居民反悔不同意而無限期延期施工。

4.3 檢驗階段問題

4.3.1 救援通道

大量老舊住區(qū)加裝電梯存在救援通道不暢通問題，特別是平層入戶的電梯。該入戶方式未預(yù)留等候電梯的空間位置，一旦發(fā)生事故，會因救援通道不暢導(dǎo)致救援延誤。

4.3.2 電梯井道

加裝電梯井道一般位于老舊住宅外，故其所承受的載荷與普通鋼結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，既要承受本身的靜載荷，又要承受風(fēng)載荷及電梯使用情況下加減速時的動載荷，如果設(shè)計不當(dāng)，會導(dǎo)致井道整體失穩(wěn)破壞。

4.3.3 緊急報警裝置

電梯轎廂內(nèi)的報警裝置一般應(yīng)與值班室連接，但加裝電梯往往受管線限制，直接把電話裝在電梯1層門口，緊急報警裝置形同虛設(shè)。

4.4 使用階段問題

加裝電梯的使用往往受氣溫環(huán)境影響。我國大部分加裝電梯采用以鋼結(jié)構(gòu)為支撐的玻璃外掛井道，這種井道內(nèi)部溫度受外界環(huán)境影響極大。在溫度過低情況下，電梯緊急操作和自動救援操作所使用的電池可能出現(xiàn)失效情況；在高溫環(huán)境下，機房設(shè)備溫度可能超過其規(guī)定使用溫度，將影響其正常使用且縮短機房壽命。

5 加裝電梯對既有建筑的影響

5.1 加裝電梯對既有建筑抗震性能的影響

向榮等[19]以6層砌體住宅為例，采用Midas/Gen有限元軟件，分析地震作用下電梯井道結(jié)構(gòu)對既有多層磚混結(jié)構(gòu)自振特性的影響、地震下電梯井道與既有建筑的連接對整體結(jié)構(gòu)位移的影響、不同地震下樓層連接位置作用力變化趨勢，得出以下結(jié)論。

電梯井道與既有建筑結(jié)構(gòu)連接時，使既有結(jié)構(gòu)自振周期略有變長，結(jié)構(gòu)的地震作用位移略有增加；電梯井道結(jié)構(gòu)的變形相較于無連接時顯著減小，連接對井道結(jié)構(gòu)抗震有利；電梯井道與既有建筑結(jié)構(gòu)連接時，各層連接位置相互作用力均較小，連接處最大拉力出現(xiàn)在頂層；不同連接方式對井道結(jié)構(gòu)位移影響顯著，連接剛度越大，井道位移越小。

5.2 加裝電梯和既有建筑在水平荷載作用下的相互作用

林宏偉等[20]通過某6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓研究加裝電梯和既有建筑在水平荷載作用下的相互作用，采用Midas／Gen有限元軟件建立井道結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的空間有限元分析模型，并采用振型分解反應(yīng)譜法計算多遇地震作用。通過有限元分析井道結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)相互作用、增設(shè)井道結(jié)構(gòu)對原有結(jié)構(gòu)的影響、井道結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載作用下的受力特點，分析結(jié)果表明，井道結(jié)構(gòu)幾乎對原有結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量沒有影響，原有結(jié)構(gòu)的層間剛度有小幅增大，井道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均由原有結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的層間位移被動產(chǎn)生。

此外，苗洪敏等[21]還設(shè)計座椅電梯，通過座椅加裝電梯可在一定程度上滿足老年人及殘疾人上下樓需求，該設(shè)計采用齒輪齒條傳動，并重置新的控制系統(tǒng)來增加電梯的安全性，使居民在進入電梯時更安全舒適。

6 結(jié)語

針對當(dāng)前日益增多的老舊住宅，政府大力支持老舊住宅加裝電梯以便老年人上下樓梯，但隨著越來越多加裝電梯的修建，問題隨之產(chǎn)生，大量學(xué)者就這些問題進行研究，不斷改善加裝電梯設(shè)計方案，已取得有效進展。隨著加裝電梯的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)多種新型加裝電梯，進而促進老舊住宅的更新改造。