杨 朋
(中船置业有限公司，上海 200120)
1 概述
随着超高层建筑不断的拔地而起，高楼必备的垂直交通工具电梯也得到了飞速发展。《建筑设计防火规范》规定消防电梯从首层至顶层的运行时间不宜大于60 s，随着楼高的不断突破，无论是应规设计还是考虑输送速率，垂直电梯的梯速随之也不断提升。然而，电梯轿厢在电梯井道内高速运行时，会推挤井道内的空气进行往复运动，就好像活塞在气缸内运动一样，导致与井道相连的人员活动区域如电梯厅或前室与井道之间产生一定的压差，致使人员活动区域的空气压力产生变化，影响该区域内空气及声学品质，甚至引起运行中轿厢的剧烈抖动，这就是电梯在高速运行时产生的“活塞效应”。楼层内空气、声学品质不稳定，轿厢运行中的剧烈抖动会极大的影响入驻品质，进而给整栋大楼的使用体验带来负面影响。陆家嘴2E5-1项目建设过程中，我们也碰到了单井道高速电梯(梯速不小于3.5 m/s)运行产生“活塞效应”的问题。
2 项目情况
该项目位于上海浦东陆家嘴金融中心区的东侧，地块区域四边均临城市道路，建筑分T1，T2，T3三个部分，T1，T2为两栋办公塔楼，T3为商业裙房，总建筑面积约43.5万m2：地上部分约31.5万m2，地下部分约为12万m2。其中,T1塔楼共55层，高度为250 m；T2塔楼共52层，高度为238 m。
项目共设置了95台电梯，其中T1塔楼区域设置了31台垂直电梯，T2塔楼区域设置了22台垂直电梯，分别服务塔楼高、中、低三块办公区域，梯速设计参见表1，塔楼核心筒内电梯分布参见图1，图2；T3裙房及地下室区域设置了10台垂直升降梯及32台自动扶梯，主要为商业及地下室服务梯，垂直升降梯设计梯速均为1.75 m/s。
表1 办公塔楼垂直电梯梯速汇总表 m/s
3 电梯运行涉及的问题分析
多井道相通的电梯运行时虽会产生“活塞效应”，但是井道相通区域可以互为泄压或增压，能够有效地减少电梯运行对井道外部人员活动区域的影响，然而单井道高速电梯运行时的“活塞效应”对人员活动区域影响尤为突出，从图2中可知，T2核心筒区域分别有2部服务低区的高速电梯(梯速4 m/s)及1部服务高区的高速电梯(梯速8 m/s)设置于单井道内，故为避免该3部电梯运行时对楼层空调及入驻、乘梯舒适度产生影响，本文主要针对该3部电梯运行产生的“活塞效应”问题进行论述及探讨。
在单井道电梯井中，由于活塞效应的作用，会使井道中的压力发生变化，进而影响其前室或电梯厅的压力分布，会使井道与人员活动的前室或电梯厅的气流运动变得更加紊乱。以电梯上行运动为例，向上运行的轿厢迫使气流由电梯井下部流入上部(如图3所示)，导致轿厢经过楼层气压剧烈波动。
大气压Po与轿厢上部区域的压差Pa为：
(1)
其中,ρ为电梯井道内空气密度,kg/m3；As为电梯井道断面积，m2；V为电梯轿厢运动速度，m/s；Na,Nb分别为轿厢上下部楼层数；C为流量系数；Cc分别为轿厢周围环状空间的流量系数，单梯单井中Cc取0.83；Af为电梯井与轿厢面积之差；Ae为等效面积，等效面积Ae由电梯井及其前室的渗漏面积Asl、电梯前室和建筑内部空间的渗漏面积Ali、建筑与外界的渗漏面积Aio组成，如式(2)：
(2)
电梯前室与建筑空间之间的压差ΔPli为：
ΔPli=(Po-Pa)(Ae/Ali)2
(3)
将式(1)代入式(3)可得：
(4)
由式(4)可以判断，前室或电梯厅与建筑空间之间的压差与电梯井断面积、轿厢速度、建筑气流的流动路径和轿厢的位置有关，随着轿厢的上行，轿厢下部的ΔPli开始降低，而其上部的ΔPli先升高，随着轿厢的驶离，ΔPli会随之降低。ΔPli的上限为：
(5)
将ΔPli上极限值记为临界增压，临界增压与轿厢速度的关系如图4所示。
由图4可以看出，在单井道中临界增压随着轿厢速度的增加急剧增加，电梯活塞效应带来的压力变化会导致室内空气的运动路径、速度发生变化，影响空气在电梯井道及前室或电梯厅的分布，进而对室内空气温度、流向和声学舒适度产生影响，因此在快速运行的电梯单井道的活塞效应不容忽视。
4 缓解“活塞效应”的方案分析
针对该项目中单井道电梯缓解“活塞效应”的方案及分析如下：
方案一：建议调整为通井道设计，协调结构专业调整结构设计，规避单井道的布置。
方案二：单井道电梯增大井道面积至轿厢地坪面积的2倍。
方案三：在单井道的二次墙处经由电梯厅设置旁通风管，间接联通隔壁通井道，避免压力影响层层设管联通。
方案四：在单井道与通井道之间的结构剪力墙上增设留洞，联通井道内空气，同时针对电梯运行模式控制上进行优化。
由于塔楼结构设计已完成，若按方案一调整，则将推翻原设计，故未有采纳方案一。方案二占用的建筑空间较大，且核心筒内无进一步拓展增大井道的空间，且该方案占用的建筑面积较大导致经济性较差，故也未有采用方案二。方案三与方案四其实目的相同，方案三虽对原结构及建筑调整较少，但是经由电梯厅设置旁通风管间接接驳至通井道，对于核心筒内走道及管线标高影响较大，亦会影响走道公共区设计效果及建筑品质，故经多方沟通及讨论，最终选择了方案四：在单井道电梯的剪力墙处增设通气留洞，联通相邻的通井道。然而针对方案四，我们也提出了两种实施方案：方案一：在井道的底部及顶部打通隔墙，如图5所示；方案二：在井道的层层设置通气留洞，如图6所示。
因按图5方案设计，须直接打通底部及顶部结构剪力墙，经结构专业复核，按此设计将破坏结构受力，故未采用。最终选择了层层留洞，在结构允许的范围内，将留洞面积减小至0.5 m2，同时协调电梯厂家合理调整电梯运行逻辑，避免同时上下的情况，最终有效的缓解了T2塔楼3部单井道电梯“活塞效应”带来的影响。
5 结语
在超高层建筑设计中高速电梯运行时“活塞效应”产生的影响，是建筑师及设计师们应在建筑方案阶段就关注的设计要点，上述的缓解措施及方案，也是受到诸多前期设计条件限制和影响而较为被动的缓解措施，建议在治理超高层建筑设计电梯“活塞效应”时，应着眼于建筑设计本身同时考虑，于设计初期进行更好的研究及论证，在初期就考虑及解决“活塞效应”的影响，这样才能更好的保证电梯乃至整个大楼的安全及舒适。
