浅谈超高层建筑的电梯技术与策略

刘春艳　刘伟伟　高芳芳　孙彦山

摘 要：随着城市用地变得紧张，超高层建筑应运而生，随之带来了超高层建筑的电梯技术问题。文章综述了当今国内外适用于超高层建筑电梯技术与策略的原理与实施方法，分析了各技术与策略的特点与优劣，列举了各技术与策略的应用实例，最后对其技术发展前景做出了展望。

关键词：电梯技术；超高层建筑；双层轿厢电梯；高空门厅电梯系统；双子电梯

1 概述

随着社会经济的发展，城市用地变得紧张。为提高用地效率，超高层建筑应运而生。随之带来了垂直方向上的交通问题，也就是电梯技术问题。超高层建筑一般是指建筑高度超过100m的住宅或公共建筑[1]。目前“世界第一高楼”、162层、总高828米的迪拜塔所采用的电梯最高速度达17.5m/s，从底层到达顶层最快仅需60秒。因此通过提高速度以期减少乘梯时间，收益十分有限。于是，人们将提高超高层建筑电梯运输效率的关键放在了不断改进电梯技术与策略上。

2 超高层建筑电梯技术简介

2.1 传统分层（区）技术

普通住宅电梯一般采用每层停靠开门的方式。但超高层建筑采用这种策略会使电梯运行周期变长，效率降低，而且多次起停将严重影响乘客的乘梯体验。现行《办公建筑设计规范》规定：建筑高度超过75m的办公建筑电梯应分区或分层使用。分层停站策略在实际应用中通常有如下的分类方式：

（1）按奇偶层分区的方式。这种分区方式比较简单，其缺陷是奇偶层间的移动受限。其系统停靠方式如图1（a）。

（2）按高低层分区的方式。该系统停靠方式如图1（b），将整个建筑按电梯的服务分区划分成若干段。服务于中高区的电梯由于有相当一段距离无需停层，可以保持高速运行；低区电梯因为连续密集的停层，所以无需采用高速电梯。

（3）按楼宇功能分区的方式。如今的超高层建筑通常集住宿、餐饮、商务、观光、娱乐等功能为一体，不同功能楼层间的交流较少，因此根据楼宇功能分区能够保证较好的运输效率。

2.2 双层轿厢电梯

在超高层建筑中，为增加运力而增加电梯所占用的井道空间将影响超高层建筑的净有效面积和使用效率。因此，能否充分利用有限的电梯井道空间、提高井道运输能力，成为决定超高层建筑使用效率的关键。

2.2.1 双层轿厢电梯

双层轿厢电梯就是把两个轿厢上下叠合，乘客分层同时上下，其结构如图2（a）所示。这个类似双层巴士的电梯系统的优点是加大电梯运力，提高空间利用率[2]。但双层轿厢电梯也有其局限性：首先，双层轿厢是由两个轿厢固定在一个轿厢架内的整体，所以采用该电梯的建筑层高必须一致。这对建筑设计和电梯长期使用后的改造形成了很大的制约。其次，双层轿厢电梯的运行模式通常随交通流的改变而改变。所以，乘客需根据目的楼层和电梯即时控制策略决定候梯位置。最后，由于双层轿厢电梯运送的乘客数量较多，在上下轿厢都在使用时，可能存在一个轿厢开门进出乘客，另一轿厢没有进出需求但需忍受梯门没有开合动作的电梯停站的情况，影响乘梯体验。

此外，大轿厢、大功率主机对整个电梯系统的土建基础、设备质量、维保能力等要求都随之提高。一般说来，双层轿厢电梯在50层以内会有较高的效率，超过50层时则需考虑更加先进的电梯技术策略。

2.2.2 可伸缩式双层电梯

可伸缩式双层电梯，是在双层轿厢电梯的基础上，在轿厢间安装了可变楼层驱动装置来完成不同高度楼层停站时的平层适应问题。其结构如图2（b）所示。位于上海陆家嘴的上海环球金融中心在总计120多部电梯中使用了16部可伸缩式双层轿厢电梯和6部普通双层轿厢电梯。

2.2.3 高空门厅电梯系统

电梯分层（区）布置会面临低层电梯运载力不足、高层电梯闲置的问题。双层轿厢电梯在高于50层的建筑中效率会降低，于是产生了高空门厅电梯系统[3]（The Sky Lobby Elevator System）。该系统在建筑中设有若干个空中转换厅，乘客乘快速梯到达空中转换厅后换乘覆盖相应楼层的电梯前往具体目的楼层，其系统停靠方式如图1（c）所示。其优势在于：通往空中转换厅的快速电梯，因没有中间停靠层而能以高速运行；而且不同分段的电梯可以在同一井道内运行，为超高层建筑节约了大量的可用面积；其缺点是前往中高区时需要换乘。为了提高电梯的运输效率，电梯公司建议建筑在240m或50层以上才考虑使用这种电梯系统。在全球超高层建筑中采用这种电梯系统的有：台北101大厦同样层数的上海环球金融中心、香港环球国际贸易广场和上海中心大厦等知名建筑。

2.2.4 双子电梯

高空门厅电梯系统需要换乘和双层轿厢电梯特殊的控制策略都会降低乘客的乘梯体验。为了不降低乘梯体验，蒂森电梯公司提出了双子电梯的概念，其系统组成如图3所示。

不同于双层轿厢电梯，双子电梯的上下轿厢拥有各自独立的主机、控制系统、安全部件、对重和钢丝绳，但共用厅门和导轨[4]。在使用时，双子电梯有专门的目的选层控制系统对乘客的呼梯信号进行分配，推荐乘客选择合适的电梯前往目标楼层，因此一般会配合使用一台传统电梯，以确保乘客直接到达顶层或底层。此外，通常在底层端站下方为轿厢预留一个“轿厢库”，必要时将一个轿厢关闭并停止于此。

与双层轿厢电梯相比，双子电梯有以下优势：

（1）轿厢更具灵活性。两个轿厢可同时独立工作，在具有两个或更多的主服务层或楼层间有客流使用的建筑中，其效率优势更加明显。

（2）无需在入口层处设立扶梯或其他设施对候梯人群进行分流。

（3）在非高峰期可关闭一个轿厢，更加节能。

（4）采用普通的曳引安全部件，在制造、使用、维保等方面具有优势。

（5）对楼层间距没有任何限制，因此在老旧电梯更新时更具优势。

自从2004年首部雙子电梯在蒂森克虏伯公司总部大楼安装，德国宝马公司办公楼、俄罗斯联邦大厦A塔、沙特阿拉伯资本市场监管局总部大厦等新建和改造的建筑项目中采用了双子电梯系统。2012年2月，中国首例双子电梯系统在大连星海假日酒店电梯改造项目中完成安装[5]，此后北京奥林匹克 望塔、天津津湾广场、成都金融城南塔等项目都安装了双子电梯系统。

3 结论与展望

对比几种电梯系统及控制策略，双子电梯系统以其安装、维保和改造时的适应性，使用过程中灵活性和高效性，已经显示出其在超高层建筑中的优越性。当然，双子电梯的发展绝不会止于此，它还可以从以下几点中做出提升：

（1）算法是决定乘客候梯、乘梯时间长短的关键。双子电梯由最初因为安全无法保证而无法实现两个轿厢相对运动，发展到现在通过监控两个轿厢距离来决定轿厢速度，就是算法不断优化的结果。因此，不断探寻更加先进可靠的算法是双子电梯未来发展的方向。

（2）双子电梯的出现，对于传统电梯的一个井道内一个轿厢的印象带来了变革性的冲击。随着双子电梯技术的成熟，三子电梯很有可能适时出现，进一步提高井道利用率和电梯的运输效率。

参考文献

[1]GB 50352-2005.民用建筑设计通则[S].

[2]肖铁军，王岳峰.双层轿厢电梯在高层办公建筑中的应用[J].电气应用，2010（11）.

[3]黄怀海.超高层办公建筑垂直交通系统设计相关研究——以成都金融城南塔的双子电梯系统设计为例[J].建筑技艺，2011（3）.

[4]岳云涛，王贵忠，寇兆一.超高层建筑高速电梯关键技术研究[J]. 建筑电气，2015（5）.

[5]张进.基于粒子群算法的双子电梯群控制系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

作者简介：刘春艳，山东协和学院，教师，信号与信息处理，硕士研究生。

刘伟伟，山东协和学院，教师，通信与信息系统，硕士研究生。

高芳芳，山东协和学院，教师，控制科学与工程，硕士研究生。

孙彦山，山东省特种设备检验研究院，机械电子工程，硕士研究生。