电梯的配置选型问题浅析

引言

随着城市建筑的快速开发及人们对便捷生活要求的提高，电梯已经成为城市内高层建筑和公共场所不可或缺的建筑设备。

一、电梯的发展历史

19世纪中叶，在工业革命深入的过程中，垂直运送货物和人员的需求已经是如此之迫切，各方面的条件也都已具备，但当时的蒸汽升降机却一直解决不了一个关键的安全问题——只要起吊绳突然断裂，升降梯便会急速坠落到底层，这种天生的安全痼疾使得它的使用受到大大的局限。1852年，奥的斯为了解决升降机的安全问题，奥的斯发明了一种装置，他将带有锯齿状的铁条固定在导轨上，在轿厢的上部设置了一个弹簧片，并将其与机械联动装置和制动棘爪连接起来。曳引绳固定在弹簧片的中心，曳引绳破断时弹簧片恢复原始形状，强迫机械联动装置动作，然后制动爪伸入锯齿状的铁条阻止电梯下落。

就这样，世界上第一台“安全升降机”发明出来了。从此电梯迎来了历史上真正发展的开端。不过，奥的斯公司的生意并没有因此而立刻火爆起来。奥的斯公司的记载表明，1854年当年他们只销售出几台升降梯，1855年也只有15台，到了1856年共售出27台，那时的升降梯还全部限于货运使用。1857年3月，在纽约百老汇一家专营法国瓷器和玻璃器皿的商店里，安装了世界上第一台安全客运升降梯。该商店共五层，当时就算是相当高的建筑物了，升降梯的动力是由建筑物内的蒸汽动力站利用一系列轴及皮带驱动的。该梯可载重500公斤，速度为每分钟约12米。

因为在升降梯里可以眺望优美的风景，而深受上层阶级很多人的欢迎。虽然奥的斯被人们称为“电梯之父”，但事实上，奥的斯本人从来没有造出过真正的电梯，因为在他的年代，机器普遍使用的动力而且是煤烧出来的蒸汽。直到1889年12月，奥的斯电梯公司才在纽约的第玛瑞斯特大楼安装了第一部名副其实的电梯——它采取直流电动机为动力，通过涡轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。

这座古老的电梯，每分钟只能走10米左右。1900年，以交流电动机传动的电梯问世。1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采取全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。随后电梯进入了快速发展阶段。

二、根据电梯的不同属性，

电梯主要分类情况如下

三、电梯的内部结构

从空间上分主要包含：机房部分、井道及底坑部分、轿厢部分、层站部分。

从系统上分主要包含以下几大系统：

● 曳引系统：曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

● 导向系统：导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

● 轿厢：轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

● 门系统：门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

● 重量平衡系统：系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。

● 电力拖动系统：电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

● 电气控制系统：电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。

● 安全保护系统：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由电梯限速器、安全钳、夹绳器、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。

电梯的系统分类详见附图一

附图一：电梯系统分类示意图

电梯内部结构示意图详见附图二

附图二：电梯内部结构示意图

电梯产品作为机电一体化的特种设备，是机械装置、电力驱动和计算机控制的集中体现。电梯整机的核心技术集中在驱动技术和控制技术。目前，电梯主要采用的驱动技术为永磁同步无齿曳引技术、控制技术主要为VVVF（变频变压调速）。

四、电梯的选型基本计算配置

随着国家城镇化步伐的加快及大中型城户籍制度的放开，住宅产品的市场需求将迎来小幅度的上涨。那对于住宅在开发过程中应该如何配置电梯产品就对设计者提出了挑战。针对目前市场的住宅产品线我们主要分为三大类：超高层住宅、高层住宅、多层及别墅产品。对于以上住宅产品我们应该如何配置电梯，在配置电梯时不同产品类别的关注点又有何不同。

在研究电梯配置前，我们先来了解一下电梯评价的两个关键指标。5分钟运力（HC5）及平均侯梯时间(WT)。五分钟运力是指全部电梯在满载运行状态下五分钟内能够输送的全部乘客数占全部需要输送乘客数量的百分比。平均侯梯时间即平均等待时间。对于高层而言垂直交通的配置问题直接关系到开发的成本及客户的满意度。如何平衡开发成本和垂直运力就成了设计阶段的关键。在设计阶段对于电梯的配置选型主要涉及到三个主要方面，一、电梯的数量 二、电梯的载重量 三、电梯的速度。我们先来说明确定这三个要素的基本原则。

1.电梯数量的基本原则为下述公式：

电梯数量=建筑总人数/每台电梯服务人数 或 电梯数量=楼层总层数/每台电梯服务层数

注：每台电梯服务人数一般按200~250人确定（办公）； 

每台电梯服务层数一般按4~5层确定（办公）

2.电梯速度的基本原则为下述公式：

电梯速度=提升高度/行程时间

注：行程时间为从基站直驶到最高层的时间，不考虑加减速的时间。

3.电梯载重量的基本原则为下述公式：

CL=P*75KG   P=Ar*INT  Ar= BP*HC5/300s

注：CL=Car load[电梯载重]；

P=Passenger per car (car load with 80%) [轿厢满载率80%情况下的乘客数量];

Ar=Arrival Rate [到达率];  

BP=buiding population[建筑总人数];

INT= interpretation of interval [间隔时间];

HC=Handling capacity [运输能力]

确定了基本原则以后，我们针对住宅产品进行分析，根据我国《住宅设计规范》：十二层及以上的高层住宅，每栋楼设置的电梯数量不应少于两台。其中宜配置一台可容纳担架的电梯。根据国际电梯标准CIBSE GUIDE D-2010其推荐值见下表：

注：INT= interpretation of interval [间隔时间];

HC=Handling capacity [运输能力];

WT=Wating time (等候时间)

有上表可见对于住宅而言五分钟运力应该在6%~8%之间。平均侯悌时间应该在40S~60S之间。对于高层住宅而言我们可根据住宅产品的定位确定电梯数量。详见下表（经验值）：

电梯速度确定电梯行程时间即可根据提升高度计算。行程时间可根据住宅档次确定。详见下表（经验值）：

根据国际电梯标准CIBSE GUIDE D-2010 可知HC5和INT即可根据公式计算电梯载重量。

五、超高层住宅配置选型及关注要点

首先我们分析超高层建筑。超高层建筑一般指建筑高度超过100米的建筑。

除前述基本配置之外，超高层住宅在设计阶段还应重点关注以下两点：电梯的烟囱效应及活塞效应。烟囱效应就是由于建筑物内外空气的温度差产生了空气密度的差别，于是形成压力差，趋使室内外空气的流动。室内温度高的空气，因比重小而上升，并从建筑物上部风口排除，这时会在低密度空气原来的地方形成负压区，于是室外温度比较低而比重大的新鲜空气从建筑物的底部被吸入，室内外的空气源源不断的进行流动。这种由热压而引起的自然通风被称为烟囱效应。井道内的烟囱效应与提升高度，井道内外温度差，环境压力等因素成正比。烟囱效应是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果，通常以前者为主，而热压值与室内外温差产生的空气密度差及进排风口的高度差成正比。这说明，室内温度越是高于室外温度，建筑物越高，烟囱效应也越明显。就一栋建筑物而言，理论上视建筑物的一半高度位置为中和面，认为中和面以下房间从室外渗入空气，中和面以上房间从室内渗出空气。不同季节的影响见附图三： 

附图三：不同季节烟囱效应的表现

电梯井道烟囱效应造成的影响大致有以下几个方面：

（1） 流动的井道风会从层门门缝挤出，造成噪音；

（2） 风压严重时会影响电梯开关门；

（3） 当发生火灾时，烟囱效应会将浓烟或火苗抽入井道内，造成危险；

（4） 能量的损耗较大；

对电梯开关门的影响，国家标准要求“阻止关门力不应大于150N”, 通过对日立，奥蒂斯，三菱，蒂森，迅达达五大厂家的咨询，五大厂家对烟囱效应对开关门的影响的设计标准：按照电梯门两侧的压力小于100Pa作为标准。

在设计阶段如何减小烟囱效应的影响主要有以下几点：

通过上表可知在侯悌厅设置前室或隔断是降低烟囱效应最经济有效的措施。这就需要在建筑方案设计时建筑师给予充分的考虑。

其次对于超高层建筑电梯需要关注的就是活塞效应。高速电梯转换周围空气的速度通常比周围环境能够转移这些被置换的空气速度要快。空气具有粘性和可被压缩的特性，当电梯在井道内高速运行的时候，会将与电梯运行的相反方向的空气“吸”进来，同时压缩电梯前进方向的空气，当找到任何一处可能的缝隙（包括厅门门缝）时，这些被压缩的空气就会被挤出去，产生扰人的噪音和振动。这就是电梯运行的活塞效应。通过调研各电梯厂家，活塞风效应一般在5m/s高速单井道电梯中出现。合理的电梯阻塞比范围如下：

为减少活塞效应我们可以采取以下措施：

（1） 尽量避免单井道的设计，而采用通井道的设计，并且在电梯运行模式上进行控制，尽量避免通井道内各电梯出现同时下降或同时上升的情况。则单井道电梯所压缩的空气除了其井道外还有另外的空间让它扩散，以减少井道内空气的压力，从根本上降低活塞效应的不良影响。

（2） 在单井道或双井道的顶层和底坑各设有大孔通向室外，孔的面积最好等于1.5倍的轿厢地台面积。因此轿厢在接近顶层和底层的时候，压缩的空气可以向井道外扩散。

再次超高层建筑还需要关注：建筑摇摆对电梯系统的影响，一般建筑高度超过250米以后才加以考虑。目前超高层住宅的高度基本不超过此高度，因此本文不做讨论。

六、高层住宅配置选型及关注要点

高层住宅在设计阶段还应重点关注问题：井道尺寸、冲顶高度、基坑深度等。电梯的冲顶高度及基坑深度与电梯的速度成正比关系。对于高层住宅我们对了五大厂家的主流电梯型号进行了对比（仅以1000KG及1050KG举例）。详见下表：

通过上表分析可见在轿内尺寸变化不大的情况下。五大厂家的井道尺寸有明显不同。井道宽度最小为迅达2000mm最大为蒂森2200mm。对于进深而言通力最小仅为1820.而三菱的井道进深则达到了2250mm。然而对于井道的净面积而言通力最小为3.95m2,三菱最大为4.83 m2。这就需要建筑设计者在方案设计时就应确定电梯品牌从而确定相应的井道尺寸。不然在后期的施工工程中就可能会出现如下情况：若井道尺寸过小会造成后期招标品牌电梯轿厢无法安装。后期工程改造会成本增加。而电梯井道面积过大会增加公摊面积，从而导致住户的套内使用面积减少。其次国家标准《城市居住区规划设计标准》GB50180-2018，已于今年正式实施。住宅高度被限制在80米。在屋顶建筑面积较小且限高的情况下，需要重点关注冲顶高度，若电梯机房面积大于屋顶面积的1/4之一，则机房高度要记入建筑高度。可能会突破限制高度。对于冲顶高度我们可以看出在相同速度的情况下（2.00m/s），蒂森的冲顶高度最小为4050mm.而日立的冲顶高度最大为4700mm。在高层住宅中往往会涉及到消防电梯的设置。《建筑设计防火规范》GB 50016-2018年版要求建筑高度大于33米的住宅建筑必须设置消防电梯，且消防电梯的载重不得小于800KG，电梯从首层至顶层的时间不得超过60S.且每层都需停靠。所以对于消防电梯的速度及载重选择都已经有了明确的要求。

七、多层住宅及别墅配置选型及关注要点

对于多层住宅配置电梯的产品一般为花园洋房，花园洋房及别墅在电梯的选择上主要是考虑品质。因此对于电梯一般会进行二次装修。这就需要再电梯设计选型时对电梯的预留重量及弱电功能要给予重点关注。我们仍以五大厂家的主流型号进行举例。详见下表：

由上表可知五大厂家1000（1050）KG的最大装修预留重量在系统不升级的情况下，一般为250~400KG。因多层住宅建筑高度不高，故随行电缆及钢丝绳自重较轻故一般都能达到最大装修预留重量。其次需要关注的就是电梯和住宅小区弱电信息系统的对接。高档花园洋房有电梯入户的产品类型，这就需要设置电梯权限问题，业主必须进行刷卡选层。而对于访客业主可以通过可是对讲系统确认后与电梯进行联动。给予访客目的层的授权。其就涉及到可视对讲系统与电梯控制系统的对接。

对于别墅产品的细分一般分为独栋、联排、叠拼等。开发商在进行别墅产品的开发过程中分为配置电梯和预留条件两种情况。无论哪种情况根据产品特点都会采用无机房、低载重、低速电梯产品。而对于预留条件产品，一般开发商会预留电梯井道而电梯由业主在二次装修时自行采购。预留井道时结构一般会在楼板处开设洞口，洞口周边设置梁进行加固。若井道尺寸过小就会导致后期业主对梁进行拆除后再进行加固留下安全隐患。故预留井道时必须按最大尺寸预留。因别墅电梯低载重、低速度的特点。在业主选购电梯时不会增加额外的成本。

为给读者一个直观的配置选择方向，我们对超高层、高层、多层及别墅建筑做一个综合比较分析。仅以迅达为例，详见下表：

有上表可见，超高层建筑配置的电梯基本趋向为高速度、大载重、大机房。这也是由超高层建筑的特点所决定的，其建筑高度高提升高度大，相应配置的曳引系统要求高。所以整体参数的配置要提高才能满足运力要求。而对于超高层建筑我们一般会分区设置。而对于普通中高层建筑电梯配置基本趋向于小机房、常用速度及基本载重量。而对于多层及别墅建筑的基本趋向于无机房、低载重及低速度。而冲顶高度及基坑尺寸都会随载重的增加而变大。

而从用户角度来讲，用户最关注的为电梯的安全性，而用户最直观的感受为乘梯的体验感。电梯的安全性，这就涉及到产品质量、品牌影响力、运营维保情况及应急预案等相关内容。从开发角度讲主流地产商选择的电梯均为市场主流品牌，客户对其质量及品牌的认可度极高。所以运营维保及应急预案就成为了决定安全性的主要因素。目前主流品牌厂家在各个城市均会有运营维保中心，且每部电梯都实现了实时监测、事故自动报警等功能。而体验感涉及到了电梯的另外几个方面：电梯的速度、侯悌厅门头的选择、电梯内部的装饰效果。速度选择过快会对乘梯者带来耳鸣等不适感、侯悌厅的门头选择会直接影响大堂的装饰效果、电梯的内部装饰是乘梯者视觉感受的决定项。

八、电梯未来发展趋势

目前从电梯的发展来看，出现了为提高单次运力的双轿厢电梯、为实现人员更好的分流的自动派梯系统。且目前由蒂森克虏伯研发的无绳电梯已得到了应用。无绳电梯打破了井道的束缚，可以竖向及横向进行移动。对传统电梯的运输形式实现了巨大的突破。详见附图四:

附图四：无绳电梯示意图

但随着物联网及云技术的不断发展，通过建立电梯信息交流网络将每一台电梯的实时运作信息和各关键指标参数上传至云平台， 由电梯制造厂商或其他负责机构统一管理实现信息共享信息交流。电梯物联网通过配置具有运行参数采集功能的数据系统，实现电梯安全的智能化监管。

九、结语

电梯技术的迅速发展在未来必然会带来建筑从设计到建造的新革命！

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