老旧住宅加装电梯研究综述

2021-05-08重庆大学土木工程学院杨振宇

城市建筑空间 2021年3期

文/重庆大学土木工程学院杨振宇

0 引言

自20世纪70年代，为解决居民住房问题，我国建设大量多层住宅（6层左右），由于当时经济及技术落后，其均未安装电梯。统计数据显示，2019年末，我国60岁及以上人口为25388万，占全国总人口的18.1%，其中大量老年人仍居住于未安装电梯的老旧小区中，上下楼梯不便，亟需加装电梯。

1 加装电梯整体现状

1.1 加装电梯材质

一般而言，加装电梯采用钢结构较多，钢材质量轻、强度高，具有良好的塑性、韧性和均匀性。钢结构制作方法简便，施工工期短，且抗震性能好。钢结构也存在缺点，即其耐腐蚀性差、寿命较短且耐热不耐火。

钢结构选用钢材时应遵循安全可靠、经济合理、经久耐用的基本原则。为保证钢结构的承载能力，防止产生脆性破坏，所选用的钢材应考虑结构或构件的荷载特征、连接方式、使用环境及钢材厚度等因素[1]。

1.2 加装电梯的难点

由于建筑老旧且通道狭窄，故在加装条件、安装空间、安装方位等方面存在问题。老旧建筑由于规划限高、楼顶为顶层住户所有或楼顶无空间等原因，导致电梯机房无空间安放；有些建筑单元门口通道过窄且建筑两旁未预留相应通道，使电梯井道无安装空间；还有些建筑的地下管线交替密布，无法设置电梯底坑[2]。

1.3 解决方案

针对无机房空间的老旧建筑加装电梯，主要采用无机房技术及侧置机房技术2种解决方案。无机房技术分为上置式、下置式与置于导轨上3种模式。上置式与置于导轨上模式要求主机体积小；下置式模式的主机布置于底坑中，对主机的体积没有限制。上置式和置于导轨上模式的主机因体积限制，电梯的载重量小、运行速度慢，运行高度低；下置式主机虽不受体积限制，但其位于井道底坑，雨天主机易进水损坏。侧置机房技术的主机布置于井道投影面外，电梯利用多个导向轮传动钢丝绳达到升降目的，此方法便于机房维修，可增加电梯载重及高度，缺点为对导向轮安装要求高及钢丝绳寿命短。

部分老旧住宅无底坑空间，可使用新型轿厢结构（见图1）。新型轿厢结构对底坑深度没有较高要求，且占用井道空间较小。如井道空间不足，可采用钢结构一体化积木式电梯，这样井道外尺寸可缩减至1.38m×1.98m或2.10m×1.25m。此种电梯采用模块式钢结构井道，包括基座、底层框架、若干中间层框架、顶层框架和顶盖，框架间应采用高强度螺栓焊接。

图1 新型轿厢结构

2 加装电梯各部分技术

2.1 底部基础

2.1.1 地基基础

基础施工涉及围挡安装、管线改移、基坑开挖及清底、验槽、垫层及砂浆黏结层施工、基础吊装、土方回填等过程。大多数基坑位于单元门前，为保障业主安全，须在基坑开挖区域进行封闭围挡处理，并设置夜间照明装置。基坑开挖后需组织验槽，满足要求后才可进行后续施工。现场的黏结砂浆不能随意摆放，需在地面铺设垫层，防止砂浆污染基础底面或影响性能。

2.1.2 电梯底坑

根据狄军等[3]研究，某7层办公楼加装电梯底坑采用250mm厚钢筋混凝土井壁，基础采用400mm厚钢筋混凝土筏板。底坑根据所需电梯规模可调整大小，但加装电梯井道基底应适当高于现有结构基础底标高。

2.2 电梯井

2.2.1 方案

电梯井道可适合不同住宅类型，黄斯拜等[4]设计四柱式钢框架结构井道、箱型柱和焊接工字钢梁组成的钢框架结构井道、贴墙式外挂电梯井道3种方案。

1）采用四柱式钢框架结构形式的电梯井道电梯到达既有建筑之间，通过平台相连。井道结构横、竖向承重构件均使用200mm×200mm×15mm的方形钢管。采用爪点式玻璃幕墙作为井道的围护系统，同时使用200mm厚的连廊墙体，在连廊墙体与既有建筑墙体连接位置处设置拉结筋。此类电梯井道可预先建造好，通过井道吊装直接安装，以减少施工给居民生活带来的影响。

2）采用箱型柱和焊接工字钢梁进行组成的钢框架体系结构的电梯井道井道钢框架连接每个楼层，且连接处使用竖向长圆孔加固，当产生地震等不利影响时，电梯井道与既有建筑结构间能略微上下滑动，减轻共同震动造成的损害。

3）贴墙式外挂电梯井道贴墙式外挂电梯在老旧住宅加装电梯中占绝大多数，此类电梯井道与建筑墙体的距离一般不超过50cm，但留有一定间隔，可有效减少电梯井对原建筑的影响。某老旧小区7层住宅增设钢框架结构外观电梯，其电梯井道地基基础底面略低于原住宅基础，设置25cm厚的井道短墙，电梯井采用C35强度混凝土。分析施工过程监测数据，得出此新增外挂电梯井对原建筑无明显影响[5]。

2.2.2 对既有建筑影响

某些高层框架剪力墙电梯井可能达不到抗震设防第一阶段要求，有安全风险。采用纯框架虽能减少风险，但梁柱截面加大会影响建筑使用功能。加强框架伴随剪力墙超筋问题，即使是平面规则的框架，也存在此问题。有学者通过模型计算发现，随着钢柱截面在有限范围内增大，整体结构的周期变化较小，即电梯井道对既有建筑的刚度、质量影响较小[6]。

2.2.3 结构设计注意事项

电梯井结构设计需注意某些事项。原建筑较好的情况下，若采用单跨钢框架井道，不宜独立于建筑之外，应利用竖向螺栓孔与原建筑连接；当原建筑情况较差时，宜采用带支撑的钢框架，如多跨井道宜采用独立式，但同时应设置防震缝，其宽度不小于规范要求且不小于原建筑和增设井道的弹塑性变形之和[7]。

2.3 加装电梯和既有建筑的连接

2.3.1 既有连接方案

加装电梯井道与原建筑的连接方式有3种，即无连接、铰接与刚接。

1）无连接方式即脱开方式在老旧住宅加装电梯中较常见。针对北京某6层小区，王军芳等[8]建立相应模型计算脱开连接方式下加装电梯对既有建筑产生的影响，得出此连接方法对既有建筑影响较小，整体稳定性满足要求。

2）铰接加装电梯井道与原建筑的铰接方式，是在电梯井道与建筑外立面之间设置连接杆组，连接杆组的一端铰接于建筑外立面，另一端铰接于电梯井道。当不均匀沉降发生时，连接杆组的两端同时发生转动来适应沉降，电梯井道仅传递给主体结构水平荷载，竖向荷载由电梯井道的基础承受，减少老旧建筑所承受的荷载，提高建筑的安全性。

3）刚接框架中梁柱之间的连接应采用柱贯通型。框架梁与柱翼缘宜采用刚性连接，梁翼缘与柱宜采用全熔透焊缝连接，使用摩擦型高强度螺栓连接梁腹板和柱。

2.3.2 节点连接方案

冯德安等[9]研究某7层老旧小区加装电梯，发现电梯框架4个角柱均使用200mm×200mm×5mm规格的Q235B方钢管，中间连有Q235B型钢。加装电梯与既有建筑间可采用“型钢+钢板焊接”及化学螺栓连接。在维持梁强度和刚度的前提下，梁端部加焊上下水平楔形盖板来加固梁柱连接节点，防止节点破坏导致加装电梯结构破坏。

2.4 楼道板

通过研究老旧住宅建筑结构图发现加装电梯停靠位置需选择在上下楼层中间。对于无楼道板楼层情况或原楼道板未延伸至楼梯间外墙的情况，需将该位置楼道板进行延伸处理，常用方法为墙面植筋+楼板现浇[10]。某老旧小区7层住宅加装电梯存在同样问题，一般使用压型钢板组合楼面+檩条结构代替前方案。

2.5 加装电梯顶部空间要求

加装电梯顶部空间具有相应的规范要求，如轿顶可站人净面积不小于0.12m2，轿顶上方应设置1个大于0.50m×0.60m×0.80m的空间，以保证维修空间的大小；井道顶部最低位置部件与轿厢顶部最高部件之间的自由垂直距离不小于0.3+0.035v2(m)；井道顶部最底部件与轿顶站人空间底平面的垂直距离不小于1.0+0.035v2(m)[11]。

3 加装电梯的可行性评估

3.1 评估要求

加装电梯可行性评估需考虑加装电梯对消防通道、场地及空间、绿化等的影响；考虑既有住宅本身安全情况及加装电梯对既有住宅安全性能的影响；考虑加装电梯与现有设备管线的交错情况及加装电梯的可行性和建议[12]。

3.2 评估内容

加装电梯评估内容主要包括规划、建筑、结构和地下管线这4个方面。规划方面包括防火间距、日照标准、用地红线、场地绿化、场地道路；建筑方面包括采光、通风、噪声；结构方面包括既有建筑结构现状安全评估、加装电梯对既有建筑结构影响；地下管线方面涉及地下管线合格评估[13]。

4 加装电梯面临的问题

4.1 前期问题

加装电梯前存在实施主体不明确、居民加装电梯意见难以协调、资金筹集困难、居民对加装方案意见不同、加装电梯申请流程复杂、管理机制混乱、技术标准难定等问题[14-15]。

既有建筑质量情况是加装电梯工程中需考虑的重点。当前加装电梯工程很少对既有建筑进行结构安全鉴定，大部分情况靠现场勘察，但现场勘察不能完全诊断房屋现况，一旦发生质量问题将造成居民生活不便甚至威胁人身安全[16]。

4.2 施工问题

加装电梯对既有建筑产生一定影响，需定期对既有建筑进行沉降、倾斜监测，一旦发现沉降或变形，应及时调整方案。加装电梯地基基础施工时可能遇到地下管线复杂且不易迁移问题，因此在开始施工前应尽量搜集老旧住宅图纸，如有必要还需对其进行结构鉴定[17]。受建筑强度及地下管线等限制，加装电梯施工时可能存在底坑无法挖开的情况，现今普遍使用浅底坑技术来解决此类问题[18]。

老旧住宅因其特殊性，施工时间无法得到保证。施工过程中如遇到电焊使用不规范、产生扬尘、晚间卸货、物资摆放不当、施工围挡不规范等问题，则小区居民会对施工单位进行投诉，从而影响施工进程。北京市某小区还出现已处于安装阶段的加装电梯因某居民反悔不同意而无限期延期施工。

4.3 检验阶段问题

4.3.1 救援通道

大量老旧住区加装电梯存在救援通道不畅通问题，特别是平层入户的电梯。该入户方式未预留等候电梯的空间位置，一旦发生事故，会因救援通道不畅导致救援延误。

4.3.2 电梯井道

加装电梯井道一般位于老旧住宅外，故其所承受的载荷与普通钢结构有很大区别，既要承受本身的静载荷，又要承受风载荷及电梯使用情况下加减速时的动载荷，如果设计不当，会导致井道整体失稳破坏。

4.3.3 紧急报警装置

电梯轿厢内的报警装置一般应与值班室连接，但加装电梯往往受管线限制，直接把电话装在电梯1层门口，紧急报警装置形同虚设。

4.4 使用阶段问题

加装电梯的使用往往受气温环境影响。我国大部分加装电梯采用以钢结构为支撑的玻璃外挂井道，这种井道内部温度受外界环境影响极大。在温度过低情况下，电梯紧急操作和自动救援操作所使用的电池可能出现失效情况；在高温环境下，机房设备温度可能超过其规定使用温度，将影响其正常使用且缩短机房寿命。

5 加装电梯对既有建筑的影响

5.1 加装电梯对既有建筑抗震性能的影响

向荣等[19]以6层砌体住宅为例，采用Midas/Gen有限元软件，分析地震作用下电梯井道结构对既有多层砖混结构自振特性的影响、地震下电梯井道与既有建筑的连接对整体结构位移的影响、不同地震下楼层连接位置作用力变化趋势，得出以下结论。

电梯井道与既有建筑结构连接时，使既有结构自振周期略有变长，结构的地震作用位移略有增加；电梯井道结构的变形相较于无连接时显著减小，连接对井道结构抗震有利；电梯井道与既有建筑结构连接时，各层连接位置相互作用力均较小，连接处最大拉力出现在顶层；不同连接方式对井道结构位移影响显著，连接刚度越大，井道位移越小。

5.2 加装电梯和既有建筑在水平荷载作用下的相互作用

林宏伟等[20]通过某6层钢筋混凝土框架结构办公楼研究加装电梯和既有建筑在水平荷载作用下的相互作用，采用Midas／Gen有限元软件建立井道结构与原有结构的空间有限元分析模型，并采用振型分解反应谱法计算多遇地震作用。通过有限元分析井道结构与原有结构相互作用、增设井道结构对原有结构的影响、井道结构在地震作用和风荷载作用下的受力特点，分析结果表明，井道结构几乎对原有结构刚度和质量没有影响，原有结构的层间刚度有小幅增大，井道结构的变形和内力均由原有结构在水平荷载作用下的层间位移被动产生。

此外，苗洪敏等[21]还设计座椅电梯，通过座椅加装电梯可在一定程度上满足老年人及残疾人上下楼需求，该设计采用齿轮齿条传动，并重置新的控制系统来增加电梯的安全性，使居民在进入电梯时更安全舒适。