智慧城市绿色建筑电梯阵列

盖志武 熊致远 郑国旭 孙昌海 程猛 刘铭 萨里 Waleed Bin Nasir（瓦力达）

（海南师范大学物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

1 背景和意义

现代化都市的最主要标志是具有电梯的高楼大厦；但是，城市楼房电梯在火灾时无法使用、居民无法及时逃生；电梯封闭结构通风差、是病毒等呼吸道疾病的高危传染场所，且封闭电梯内人身侵害犯罪频发，电梯封闭结构还导致乘坐体验差，在电梯故障或者突然停电时常常将乘客关闭在类似囚笼的封闭电梯中。传统室内电梯的通风、照明日夜不停，浪费能源显著。

目前城市楼房的各个楼层是由楼梯及电梯联通的，一旦发生火灾烟雾会迅速弥漫到整个楼房，表明城市楼房结构设计存在重大缺陷。

目前，世界各地所有城市的楼房都存在上述重大缺陷，导致城市楼房宜居指数和平安指数显著降低，业内甚至普遍认为，城市楼房的发展走上了绝路，对于日益紧张的建筑用地供给，特别是寸土寸金的大都市而言，只有向高空发展，才是摆脱土地危机的出路，放弃高楼显然是行不通的，而城市高楼及电梯的问题日益突显，已经成为城市发展最迫切需要解决的、最重大技术瓶颈问题。

为解决上述重大问题，本研究团队提出了颠覆常规楼房设计及传统楼房电梯设计的全新思路，突破了城市发展最严重的技术瓶颈和危机，为智慧城市绿色建筑的发展带来新的曙光。

图1 智慧城市绿色建筑电梯阵列设计方案

2 智慧城市绿色建筑电梯阵列设计方案

2.1 智慧城市绿色建筑电梯阵列设计是颠覆传统楼房结构、电梯布局和结构、以及楼梯设计结构的创新型楼宇，将每栋楼房建为至少具有两个在空间上分隔、且具有一定防火安全距离的楼房单元，每个楼房单元内均无楼梯和电梯，将每个楼房单元的所有楼梯和电梯都集中到电梯间。每个楼房单元都通过连廊连接到室外电梯间，室外电梯间独立于楼房任何单元。室外电梯间内具有独立供电的电梯阵列、楼梯阵列，以及每层都具有的可以通达任何一个楼房单元的具有快速疏散楼内人员的容量足够的廊道，即任何一个楼房单元内的人员都可以通过连廊和廊道迅速转移到同层的其他楼房单元，也可以选择经由临近层的楼梯，通过连廊和廊道迅速转移到不同层层的其他楼房单元。由于本项目独特的设计结构，每一楼房单元的不同楼层是无直接连通通道的（只能通过公共室外电梯间样机连廊才能到另一楼层），而且临近不同楼层的屋顶都设置了耐高温的防火阴燃隔离层，当某一楼房单元的房间发生火灾时，该楼房单元的其他楼层不受影响，彻底解决了传统楼房的各个楼层通过电梯、楼梯相互连通，导致一户失火，整楼遭殃的重大弊端。

可以看到，在发生火灾时，火灾及其烟雾被限制在单一楼层，没有火情的楼层居民即使在家也是安全的，当然，楼内居民可以选择以下三种逃生路线之一：（1）电梯阵列，高层居民的逃生首选路径。（2）楼梯阵列，低层居民的逃生首选路径。（3）通过连廊逃到没有发生火灾的楼房其他单元部分，任何楼层的居民都可选择此逃生路线。

当然，发生火灾时可能会出现人员聚集拥挤现象，这可以从两个方面解决：（1）逃生训练演练：平时训练楼内人员在发生火灾时，可以采用三种逃生方法之一，在看到某一逃生路径人员较多时迅速选择其他逃生路径，不要盲从一窝蜂，要冷静理智逃生，这样人员会自主选择分散逃生，避免拥挤堵塞任一逃生路径。（2）在智能楼宇技术非常发达的今天，还可在楼房各个节点安装设置智能逃生引导系统，与火灾报警系统配合，进一步提高逃生的科学性、快捷性。这样的楼房，才是令人放心的绿色建筑，才是智慧城市应该具有的，令广大人民群众放心真正的“安居房”。

2.2 设计的楼房外或者室外电梯间是具有足够通透结构的通风防雨电梯间。电梯间具有智能防雨电动窗；电梯间内的所有电梯均为透明开放式结构，即以支柱支撑电梯，不再是传统意义上的电梯井，电梯轿厢也为开放式结构，即轿厢四周为栏杆结构。

2.3 楼房内不再设置楼梯，楼房所有楼梯都集中到电梯间，电梯间内设计新颖、巧妙的楼梯阵列结构，通透美观，节省空间，具有足够的疏散楼内人员的容量。

2.4 设计适于老旧小区楼房加装的室外通透电梯

老旧小区改造是我国城市化进程中利国利民的重要民生工程，市场规模极其巨大，惠及群众极其广泛。目前全国各地老旧小区的改造正在如火如荼地进行，将会有越来越多的普通底层市民受益。由于老旧小区存在的各种问题，如何将这项重大利国利民工程办好落实，也是摆在城市建设部门面前的重大问题，需要避免的主要问题是：不要用老旧技术甚至已经淘汰的落后技术改造老旧小区，而是应该注重科学技术创新，采用最新的科学技术改造老旧小区，赋予老旧小区以新意，让老旧小区焕发盎然新气息。

老旧小区改造的目的主要是提升老旧房屋居民的生活品质和体验，其中最重要的是加装电梯，绝大多数老旧小区无室内电梯，也不具备加装室内电梯的土建条件，安装室外电梯是唯一选项。目前已经改造的老旧小区安装的室外电梯均为“安装于室外的室内电梯”，即，还是采用传统室内电梯的模式和技术，建造封闭的室外电梯井，电梯井内安装封闭的电梯轿厢，因而，仍然有传统室内的所有问题：乘坐体验差，人身侵害高发；室外电梯与使用电梯的居民楼房共用电源，发生火灾时无法使用电梯，由于老旧小区内老年人居多，没有电梯他们几乎不能上下楼，发生火灾时基本无法及时逃生；电梯内令人窒息的封闭结构，电梯内通风非常差，电梯内异味久久散不出去，是各种呼吸道传染病的高危传染场所。

本项目设计的独立供电的适于老旧小区楼房加装的室外通透结构电梯，将彻底解决目前老旧小区所加装的电梯的问题。本项目的设计可以采用两种方案之一：

方案一，采用电梯井加装电动窗、轿厢为开放式栏杆结构。

图2 所示为电梯井加装电动窗的室外透明开放式电梯示意图，图2（a）中示意安装的电动窗数量较少，图2（b）中示意安装的电动窗数量较多，显然后者设计方案通风性能及采光更好，作为室外电梯，观光效果显然更好，具体方案应该根据当地的气候条件、居民的意愿、建设成本等综合考虑，然后做出设计和选择。

图2 电梯井具有电动窗的室外透明开放式电梯示意图

所示的加装电动窗的电梯井中，电动窗为智能防雨电动窗，在检测到雨滴时会自动关闭，不下雨时则自动打开。雨水检测采用雨滴传感器，一般至少需要3 个雨滴传感器，控制系统采用单片机控制的电动推杆或者丝杆结构，雨滴传感器的布置示意图见图3。室外自动防雨电梯井传感器布置水平剖面示意图。显然，电梯井这种开放式设计，其通风效果非常好，而且解决了目前老旧小区改造中，采用密闭电梯井造成的通风及采光效果极差的问题。有人担心，长期下雨，电梯井内空气会变差，事实上，根据对下雨雨水方向的分析，下雨时雨水要么垂直滴落，要么具有某个倾斜角度，对于雨滴垂直下落的情况，是仍然可以开窗的，如果在电动窗顶部加上垂直于电动窗墙面的雨遮，效果更好；如果雨水是某一角度下落，则总会有一个方面的电动窗淋不到雨水，尤其是电梯井截面为方形结构时，总会有一个方面的电动窗处于背雨面，可以开窗，见图4，倾斜雨滴对电动窗影响分析示意图。因而，下雨天至少可以开一个方向的电动窗，最多各个方面电动窗都可以打开，所以，本设计的电梯井即使在下雨天气也是可以开窗通风换气的，仍然可以保持良好的通风换气。

图3 室外自动防雨电梯井传感器布置水平剖面示意图

图4 倾斜雨滴对电动窗影响分析示意图

电梯轿厢为开放式栏杆结构，不再具有传统电梯轿厢的封闭四壁，轿厢四壁采用防护栏结构，适当结合透明玻璃结构或者百叶窗结构，轿厢具体设计多种多样，具有通风良好，采光效果好的特点，也具有非常好的观光效果。在轿厢上下运动过程中，会形成自然的风场，因而，不需要电风扇；而且日间轿厢内光线良好，不需要启动照明灯，晚上光线暗时会自动启动照明灯，因而节能效果也是非常显著的。

综上所述，本设计的室外透明开放式电梯具有舒适度高，公共卫生及安全性高，乘坐体验好，观光效果好等诸多优点。

方案二，采用支柱取代电梯井，轿厢加防雨电动窗结构。

如图5、图6 所示，轿厢具有智能防雨功能的室外透明开放式电梯正面及侧面的示意图，电梯井简化为4 个支柱，最少可简化到2 个支柱，支柱可以采用钢筋混凝土结构，也可以采用钢结构。电梯轿厢是具有防雨电动窗的透明通风结构，其防雨电动窗的设计与方案一的电梯井的防雨电动窗设计原理类似，也可采用电动窗与百叶窗结合的方式，使得轿厢具有通风、智能防雨功能；这种设计的室外电梯更节省材料，观光效果更好。

图5 轿厢智能防雨室外透明开放式电梯正面效果示意图

图6 轿厢智能防雨室外透明开放式电梯侧面效果示意图

2.5 本文设计的这种室外电梯设计尤其适用于旅游景区，目前张家界等旅游景区已经建造了室外观光电梯，极大提升旅游景区品味和档次，成为现代化的观景平台，也使得室外观光电梯这一科技景观与自然景观相互提升观光效果，成为受到游客追捧的旅游热点。

2.6 都市楼房的室外休闲观光电梯、旅游景区的室外休闲观光电梯都可与现代影音技术或者广告技术融合，增强其观光效果，增加复合功能。

2.7 室外电梯间的供电

室外电梯井可以采用独立供电模式；也可以采用变结构供电模式，即室外电梯间平时与楼宇单元之一使用相同电源，发生火灾时切换到备用的独立电源，或者附近的其他楼房的供电电源，总之确保火灾时电梯可以正常运行。

2.8 节能降耗及经济社会效益显著

本项目的设计可以减少楼梯及电梯的数量而达到更高的乘客运载量，得到更高的乘客疏通效率，而且，这种集中的通透的电梯及楼梯结构增加了电梯乘客或楼梯行走人员的流量，显著降低人身侵害事件发生的概率。不但大幅度节约建筑成本，还显著提高楼房居住安全指数，对于楼房单元越多的建筑，其成本节约效果越显著。其电梯间和轿厢的通透结构设计，也使得材料成本显著降低，显著节约电能。

项目使得的电梯乘客舒适度体验显著提高，电梯阵列成为观光景点和游乐场，每栋楼房都成为旅游观光景点。老人和小孩乘坐电梯次数会显著增加，显著提高城市居民融合交流的机会，极大避免电梯内人身侵害犯罪率，增加社区凝聚力，建立更加和谐的城市群居和社区环境。还使得城市及社区公共卫生安全指数大幅度提高。

2.9 电梯阵列集群控制算法

本设计中的电梯阵列或者电梯集群，可以采用智能控制，优化控制等先进控制算法，提高其运行的科学性和合理性，目前，电梯集群控制算法研究较多，例如：基于BP 神经网络、模糊神经网络、多任务卷积神经网络、Hopfield 神经网络、以及FCM聚类模糊神经网络的电梯集群控制等等；电梯控制仿真平台也为电梯集群控制研究提供捷径。

3 结论

本设计的智慧城市绿色建筑电梯阵列，结构及布局新颖独特，科学合理，节能降耗显著，与火灾智能管理系统、电梯集群智能控制系统结合，可以突破目前城市楼房及电梯的安全技术瓶颈，助力现代化都市的快速发展，造福城市居民；本项目已经申请多项发明专利，拥有自主知识产权，可以广泛用于新建楼房、旅游景区、老旧小区改造加装电梯等，保守估计仅仅在我国，其市场规模约20 万亿；对建设生态、宜居、平安、智慧城市及绿色地球家园具有重大意义。