中信大厦垂直交通系统设置及新技术应用

2021-09-17吴丕阳秦继红孟庆贺

施工技术(中英文) 2021年14期

吴丕阳，秦继红，孟庆贺

(中信和业投资有限公司，北京 100026)

1 工程概况

1.1 项目概况

中信大厦位于北京市商务中心区核心区，东至金和东路，南邻规划绿地，西至金和路，北至光华路，项目规划用地面积11 478m2，总建筑面积43.7万m2，其中地上35万m2，地下8.7万m2，建筑高度528m，建筑层数地上108层，地下8层，深度达40m，是北京最高也是最深建筑。工程主体结构形式为：内筒采用钢骨劲性混凝土结构(型钢柱、钢板剪力墙)，外筒采用由混凝土巨型柱、巨型斜撑和带状桁架组成的三维巨型框架结构，以办公为主，是集会议、观光及多功能商业的超高层智能化建筑。该工程于2013年7月30日开工，2018年12月20日完工，是世界上唯一一幢结构高度>500m、抗震设防烈度为8度的超高层建筑。

1.2 电梯配置概况

电梯根据4种不同区域有9种分类：穿梭电梯、观光电梯、VIP电梯、区间客梯、公共电梯、专属电梯、服务电梯、厨房电梯和消防电梯(见图1)；电梯速度从1～10m/s共有12种；提升高度为1～514.5m；根据井道不同分为单井道、双井道、三井道和多井道；按轿厢类型分为单轿厢和双轿厢；按机房情况分为无机房电梯和有机房电梯。整个大厦共100台垂直电梯、39台自动扶梯，包含办公区电梯65台、观光贵宾电梯7台、后勤服务梯19台、公共服务电梯9台。其中双轿厢电梯21台、消防电梯8台、辅助消防疏散电梯(VIP电梯)2台、超大服务电梯(3 600kg)1台。电梯工程于2016年3月30日开工，2018年9月30日完工。

图1 中信大厦垂直系统

2 垂直交通系统设置

建筑地上108层、地下8层，有6个夹层，最多可容纳18 000人同时办公，配套需要服务人员(安保、保洁、工程维修、物业等)约2 000人，同时还有各区段升级改造装饰、机电施工人员约1 500人/d，观光区平均接待人员约12 000人/d，合计约3.3万人/d；另外每日使用电梯的人流及工况还有客户人员、服务单位人员(送水、快递、绿化等)、装饰、机电材料上运、设备、设施及家具上运、食材上运及施工垃圾和厨余垃圾下运等，人流动向和垂直交通系统设置将直接影响大厦运行效率和整体品质。面对复杂的人流和运输压力，如何设计动线、匹配相应的电梯运力、采用适用的行业前沿技术，是垂直交通系统的智慧所在，也是对大厦建设、设计、施工、电梯供应商等参建单位的极大考验。

2.1 垂直分区

根据功能布局，将大厦垂直分成10个区，其中Z0/ZB区为首层大堂、地下大堂、物业用房、停车场及重要设备机房，是大厦核心区域，承担大楼日常运行基础保障功能，包括人车交通接驳、物资流转、能源运行、楼宇管理、共享服务等功能,是决定整个大厦正常运行的动力区；Z1～Z7区为大厦基本运行功能区域，包括办公和辅助配套功能，每个区域有12～14个办公楼层，均有独立的设备层和避难层；Z8区为观光及多功能商业区域。垂直分区如图2所示。

图2 中信大厦垂直分区

2.2 垂直动线规划

为合理设置大厦人流动向，避免动线交叉形成拥堵，对竖向交通进行整体规划，形成独特垂直运输系统。

1)每个功能区域垂直系统均按各功能区平面出入口对应设置，观光、办公、会议、后勤、贵宾均按需求独立配置，避免平面和垂直交通交叉拥堵与碰撞。

2)充分借鉴上海中心、深圳平安金融中心、广州周大福金融中心、上海环球金融中心等超高层应用成熟的垂直交通布置，每个区域动线独立划分，每2个区设置1个空中转换楼层，利用双轿厢穿梭电梯将办公人员从首层/地下大堂集中转运至相应空中转换楼层，通过扶梯和区内电梯分流至各区段楼层，即采用“穿梭电梯+区间电梯”和“穿梭电梯+扶梯+区间电梯”方式转换。

3)相邻2个区电梯采用高低区运行模式设置，相互独立不交叉；每个区电梯运力均独立核算，确保每组电梯平均等候时间和5min载客比率均达到5A办公楼标准。

4)为真正实现超甲级标准，提高办公品质，每个办公楼层均要实现白领即办公人员和蓝领及后勤人员平面通行和垂直交通不交叉。

5)为确保大厦垂直系统安全性、便捷性、先进性、扩展性和性价比，多应用电梯厂家前沿技术，但要求采用的“四新技术”必须应用成熟、性能稳定。

2.3 垂直交通设计

在大厦业态、建筑造型、结构体系和功能分区确定后，组织设计、交通顾问、物业顾问等参建单位对大厦的平面布局、流线和垂直交通动向进行反复研讨、对比。由于大厦主要功能为办公，因此，以办公区电梯配置为例进行阐述。办公区电梯设计按大厦中人口密度、出席率、平均间隔时间、5min载客比率等重要指标作为假定设计标准，如表1所示，进行电梯数量、载重量、载人数量、速度等指标配置，如表2所示。

表1 办公区电梯设计标准

表2 办公区电梯设计方案

办公区电梯设计方案完成后，按相同方式计算、配置观光、后勤、会议用梯。全部电梯理论计算、初步配置完成后，组织建设、设计、交通顾问、物业顾问、总承包单位、有高速电梯业绩的电梯供应商等单位反复研讨、对比和论证，最终确定大厦电梯配置方案。

2.4 垂直电梯系统设置

大厦客用垂直交通系统由2个部分组成：由双轿厢穿梭电梯构架的大交通系统和由区内电梯构架的小循环系统。大堂采用双层转换格局设置，每个区均设置6台双轿厢电梯接驳。Z1，Z2区人员从首层大堂南北入口进入后直接乘坐区间电梯至Z1，Z2区相应楼层；Z3，Z5，Z7区人员分别从首层大堂北侧、西侧、东侧入口进入后乘坐低区、中区和高区穿梭电梯上轿厢至对应Z3区空中大堂32层、Z5区空中大堂60层、Z7区空中大堂91层换乘区内电梯至办公楼层，如图3所示。Z4，Z6，Z7区人员分别从地下1层夹层大堂北侧、西侧、东侧入口进入后乘坐低区、中区和高区穿梭电梯的下轿厢至对应的Z3区空中大堂31层、Z6区空中大堂59层和Z7区空中大堂90层换乘区内电梯至办公楼层，如图4所示。Z3，Z5，Z7区空中大堂均为3层共享大堂设置，每个大堂公共空间采用6台扶梯相互转换，每个办公区段均配置6～8台区间客梯，负责区段楼层内转换。此模式可使每个区办公人员的动线完全独立，相互之间不会产生交叉和拥堵。

图3 首层办公流线

图4 地下1层夹层办公流线

为满足高端办公、接待需求，在大厦内设置2台运行速度10m/s的VIP电梯，可直达全楼每个区行政办公楼层，实现高端办公人员或客户与其他办公人员及客户的流线分离。在紧急情况下，可作为大厦辅助疏散电梯，从各区避难层将人员转移至首层。

后勤服务人员(安保、保洁、工程巡视、维修、物业、送水、快递、绿化、施工人员、餐厅运行等)动线与办公人员动线完全分离，后勤人员快速通行采用8台消防服务电梯和1台超大服务电梯TX-01至全楼的任一楼层；其中3台消防服务电梯TA-01～TA-03 可快速将后勤服务人员运送至可到达的任一楼层，也可将人员转运至对应区段任一楼层，区段内后勤服务人员利用ZB～Z7区每个区内设置的1台后勤服务电梯TS在本区内流动(见图5)，TS电梯共8台。

图5 后勤流线

建筑材料、设备、家具、食材等上运及垃圾下运等采用TA-01～TA-03，TX-01电梯运输；TA-01～TA-03服务的楼层从地下2层至105层共109层，在火灾等紧急情况下作为消防应急电梯使用，在日常情况下作为后勤服务电梯使用；大厦中使用效率最高的电梯为超大服务电梯TX-01，提升高度514.5m，额定载重3.6t，额定载人48人/次，服务的楼层为地下4层至105层，可停靠111个楼层；为确保消防救援效能，TX-01电梯也按消防应急电梯设置。这4台电梯均配备双路互投电源及柴发紧急供电“三级供电系统”，确保电源稳定可靠。

大厦塔冠区域设置360°全景观光和餐饮等配套商业设施，经调研分析预计有300万～500万人/年观光人流。为确保运行效率，将观光入口独立于大厦设置，位于大厦东南、西南侧，观光人员从地下1层/地下1层夹层乘坐3台速度为10m/s观光电梯OS-01～OS-03至105层/105夹层,然后乘坐4台扶梯和2台客梯转运至106层及以上楼层。

3 新技术的应用

3.1 跃层电梯技术的应用

建造期间，大型材料和设备主要利用塔式起重机吊运，施工人员上下，小型材料、设备上楼，建筑垃圾清运主要通过电梯运输，而临时施工电梯安全性低、载重小、速度慢等问题导致运行效率较低，为解决好该难题，通过多次调研和安全论证后，应用跃层电梯技术。

跃层电梯分为安装和运行2个部分：安装部分包括顶部及双层保护平台、安装平台、放绳/(缆)装置；运行部分包括可提升的电梯机房、标准电梯层门、电梯轿厢。跃层电梯如图6所示。

图6 跃层电梯示意

在主体结构施工期间，内筒结构楼板施工至20层时开始安装跃层电梯，在核心筒结构快速增长期间同步安装井道ALC板隔墙、电梯导轨、电梯厅门等。2016年8月4台跃层电梯正式启用，成为建造期间垂直运输核心设备。跃层电梯在核心筒楼板每上升4个楼层，临时电梯机房就向上跳跃1次，自行爬升4个楼层，提升高度18～20m。随着结构楼层上升不断向上跳跃，直至结构封顶，电梯机房完工后，将正式电梯曳引机、控制柜等设备安装完成，将临时轿厢、钢丝绳等更换后转换为最终交付电梯。

跃层电梯技术参数如表3所示，其中最大提升高度为514.5m，是世界上首次在高度超过500m以上项目中使用；运行速度为4m/s，是国内运行速度最快的临时施工电梯速度(速度为1m/s，载人8人/次)的4倍，单台运输能力相当于8～12台临时施工电梯，4台跃层电梯相当于24～60台临时施工电梯运力；电梯门开关均为自动，而施工电梯门开关需手动控制。跃层电梯与临时施工电梯相比，具有安全性高、运行速度快、承载能力高、故障率低、安装简单、停机时间短、不额外占用其他电梯井道、不影响其他工序和不受温度、天气状况影响等特点，极大地提升了运行效率和功效，破解了超高层建筑施工瓶颈，加快了大厦整体建造速度。

表3 跃层电梯技术参数

通过使用跃层电梯每天可节省875工(8h/工)的乘梯时间，每年可节约32万工，折算每年缩短工期约4个月；全面施工阶段跃层电梯最高服务楼层实际达到102层，提升高度达480m，实际缩短工时远超预测工时，通过使用跃层电梯技术，整体工期至少缩短12个月，产生了巨大的经济和社会效益。

3.2 双轿厢电梯技术的应用

双轿厢电梯为通过1台曳引机牵引，使2个轿厢在同1个电梯井道内运行；根据设置，分别停靠在奇数层和偶数层进行转换。应用高速双轿厢电梯，为高楼层办公人员提供高速、高效、便捷的换乘路径，避免早、午高峰时在转换大厅拥挤，提高了乘坐舒适感及大厦整体形象和品质。

配置的21台高速双轿厢电梯，分为4个组别：6台速度为7m/s低区穿梭电梯SL-01～SL-06、6台速度为9m/s中区穿梭电梯SM-01～SM-06 、6台速度为10m/s高区穿梭电梯SH-01～SH-06和3台速度为10m/s观光电梯OS-01～OS-03；观光电梯提升高度为508m，为世界上提升高度最高的双轿厢电梯。办公区3组双轿厢电梯的2个轿厢分别停靠在地下1层夹层和首层大堂，将乘坐地铁和地面交通进入大厦的办公人员分别运送至各自高度的空中大堂转换楼层，配合上、下2组区间电梯进行人员转换，快速、舒适、便捷将办公人员运送至对应楼层。

实践表明，单台曳引机使机房布置更具紧凑性和灵活性，单位井道内运力成倍提升，减少乘梯等候时间，减少电梯运行次数，优化了大厦垂直交通，提高运输效率达80%；与单轿厢对比，双轿厢系统轴更长，重量匹配更为均衡，乘坐舒适感更佳；21台双轿厢电梯的应用，减少了电梯机房、井道和停靠前室面积，相当于增加净使用面积约22 400m2；双轿厢电梯的高运输效率，减少了设备损耗，延长了设备使用年限，并节约了总用电量，降低运行能耗，实现了绿色环保目标。

3.3 消防辅助疏散电梯技术的应用

设置2台速度为8m/s的VIP电梯VS-01～VS-02作为辅助疏散电梯(见表4)。为确保紧急疏散要求，VIP电梯必须按消防电梯标准设置，在防火、防水、防烟、通讯等方面，遵循消防电梯技术要求：动力与控制线缆为耐火型、基坑设集水坑及排水设施、井道满足2h耐火极限、轿厢装修采用不燃材料、机房设计满足消防电梯的要求等，另外，配备双路互投电源及柴发紧急供电“三级供电系统”，确保电源稳定可靠。

表4 辅助疏散电梯技术参数

3.4 永磁同步无齿轮曳引机技术的应用

永磁同步无齿轮曳引机主要由永磁同步电动机、紧凑整合的曳引轮和转子、2组独立抱闸等组成。原理为通过高精度速度传感器的检测、反馈和快速电流跟踪的变频装置的控制，以同步转速进行转动，有与直流电动机相同的线性、恒定转距及可调节速度的电动机平稳地直接驱动曳引轮。共有74台垂直电梯应用了永磁同步无齿轮曳引机技术，根据电梯情况分别配置9种规格永磁同步无齿轮曳引机。该曳引机对比液压电梯、传统曳引机更坚固可靠，具有安全可靠、运行平稳、恒定转距、调速范围宽、体积小巧、质量小、免维护、低噪声、环保、高效和节能等性能优点，如表5所示。

表5 性能对比

采用的永磁同步无齿轮曳引机，对比其他厂家，曳引机功率减小约20%、额定电流减小约30%、功率因数达0.95，在行业技术中处于领先地位。

3.5 目的楼层选层系统技术的应用

办公区47台区间电梯全部采用厅外目的选层系统技术，即在83个办公楼层安装了目的选层控制器，乘客在电梯厅有序选择前往的楼层。

在目的选层系统控制下，电梯根据乘客数量和电梯实时状态，控制器将指引乘客乘坐专门分配的电梯，系统将相同目的地楼层乘客分配在同一电梯轿厢内。通过这种方式，可在不增加电梯数量情况下，乘客乘梯井然有序，有效减少上行高峰时电梯运行中的停站，加快整个行程速度，缩短乘客到达目的楼层时间，提升电梯处理客流能力，提高电梯上行高峰的输送效率，如图7所示。

图7 传统群控系统及目的楼层选层系统

为便于乘客使用、减少磨损及避免异物按压造成的损坏，选用10英寸触摸键盘式液晶屏的目的选层控制器，该控制器按压反应灵敏、寿命长、15°倾斜设计，显示区域与面板齐平、易清洁，触摸区域较大且清晰可见，能显示更多楼层信息、不易造成误操作，表面划伤时仅需更换表层玻璃而非整个液晶屏，维护成本低。

3.6 碳纤维绳曳引技术的应用

碳纤维材料在电梯系统中使用属于世界首次。碳纤维曳引绳与传统钢丝绳对比，安全可靠，通过了欧盟EN和美国ASME测试和认证。在同样曳引力情况下，质量不及传统钢丝绳15%，比传统钢丝绳强度大，具有更优秀的弯曲疲劳性，更耐高温，具备阻燃特性，无延展性，无需定期停梯割绳，减少维护成本。表面弹性材料有利于电梯平稳加、减速，降低运行噪声，有效提升乘坐舒适度；自身摆动频率与大楼风摆频率不重合，解决了大风天气电梯停运难题；使用寿命达15年，为传统钢丝绳使用寿命的3倍，有效降低电梯启动电流，节约30%能耗，减少运营费用。

公司组织相关单位及业内专家多次论证后，提升高度>400m的客用电梯VS，SH，OS组共11台电梯使用碳纤维绳曳引技术，对11台电梯进行初步测算，10年可节约电费约117万元，如表6所示。

表6 使用碳纤维曳引绳的电梯节约能耗和电费测算

3.7 其他“四新技术”的应用

1)为缩短安装时间，加快安装速度，确保施工安全，在电梯放线、导轨安装等工序作业中，现场摒弃利用搭设脚手架传统工艺，全部采用自动提升平台技术也称提拉克操作平台技术(Tirak)进行安装作业，不受场地、工序等影响。对于井道长度>200m的电梯安装，根据井道长度和整体结构工程进展情况创新采用分段安装技术；长度>300m时，分成3段进行安装。较通常井道全部完成后再开始安装电梯方式缩短2/3工期。

2)为使电梯运行安全可靠、平稳，采用双段式安全钳技术、动态基础隔振悬挂系统技术和地震感应检测技术，及时检测到地震波等异常情况，与电梯联动，在任何运行工况下保护好乘客和电梯；采用电梯厂家独有的E-Link电梯监控技术和 24/7云管家远程监控技术，保证电梯运行中每刻均能被大厦监控中心和电梯厂家技术专家团队实时监控，第一时间发现电梯运行中各种状况，快速提出处理措施和应急方案，而且根据累积数据进行分析，及时采取有效的运行策略和维保方案，延长设备及部件使用寿命，最大限度地发挥设备性能，整体降低运营成本。

3)为确保电梯运行平稳、顺滑，提高舒适性，采用风摆智能控制技术，减轻电梯井道气流对轿厢的晃动；采用空气动力学加压轿厢技术，将轿厢上、下运行过程中的气流分散，降低轿厢内部噪声和震动；采用主动式滚轮导靴技术，通过可调整的弹簧和运动限位，减少电梯晃动，减轻乘客在高速电梯行进中眩晕的感觉；采用耳压控制技术，减轻高速电梯上、下行程中对耳膜冲击而引起不适。

4)为确保便捷性，采用人工智能群控系统技术和目的楼层选层系统技术，根据不同时段、不同人流，优化派梯系统，使客流体验更完美、舒适。

5)为节省能耗、降低运营成本，垂直电梯均采用能源再生回馈技术，30%电能可回收利用，真正实现大厦节能环保。

6)为节约空间，释放更多可用空间，26台后勤服务电梯采用无机房电梯，74台电梯采用体积小、质量轻的永磁同步无齿轮曳引机，21台超高速电梯采用了双层轿厢。

7)超高层井道烟囱效应和风环境异常复杂，降低冬季电梯啸叫并保证室内外温差过大时电梯正常运行，采用迷宫结构绝缘防火厅门技术，有效阻止井道内外空气流动，减少大厦热量损失；采用自动重型门机技术，自动侦测开关门力矩而随之调整，降低烟囱效应带来的不利工况，确保电梯冬季能够顺利运行。