نهج الاستخدام المختلط الهجين للمصاعد ذات الطابقين والمصاعد ذات الطابق الواحد في المباني المكتبية

الكلمات المفتاحية: المصاعد ذات الطابقين (DD)، المصاعد ذات الطابق الواحد (SD)، قدرة المناولة، الاستخدام المختلط، عدد المحطات، سرعة المصاعد، مقارنة الأسعار، توفير المساحة. 

الملخص

لا يمكن توفير 50% من المساحة إلا عند استخدام المصاعد ذات الطابقين كمصاعد نقل، بينما لا توفر هذه المصاعد سوى 30% (أو ثلث) المساحة مقارنةً بالمصاعد ذات الطابق الواحد، بدلاً من النسبة المتوقعة البالغة 50%. ومع ذلك، فإن تكاليف تجهيزها وصيانتها تتراوح بين 2.5 و3.5 أضعاف تكاليف المصاعد ذات الطابق الواحد عند نفس السعة لكل طابق. وهذا يجعلها حلاً أقل جدوى للدول النامية. إضافةً إلى ذلك، تستهلك المصاعد ذات الطابقين طاقةً زائدة خلال ساعات انخفاض الطلب عندما يعمل كلا الطابقين بعدد قليل من الركاب. تقترح هذه الورقة البحثية نهجًا هجينًا مبتكرًا يجمع بين المصاعد ذات الطابقين والمصاعد ذات الطابق الواحد لتحسين استخدام المساحة، وخفض التكاليف، ورفع كفاءة الطاقة في المباني المكتبية، وخاصةً في المباني المكتبية ذات المستأجر الواحد.

تطلّب مشروع مكتبي سابق مؤلف من 29 طابقًا في البداية 12 مصعدًا من نوع SD. وكان استبدالها بمصاعد من نوع DD بنفس سعة كل طابق سيستلزم ثمانية مصاعد من نوع DD. وفي نهاية المطاف، تم تطبيق حل أمثل: ستة مصاعد من نوع DD تخدم الطوابق من G (1) إلى 23، بينما تخدم ثلاثة مصاعد من نوع SD الطوابق من 24 إلى 29. تعمل مصاعد DD الستة فقط خلال ساعات الذروة، بينما تعمل مصاعد SD الثلاثة بشكل مستمر. خلال ساعات الذروة، تخدم مصاعد SD كبار المديرين التنفيذيين في الطوابق الستة العليا فقط، أما خلال ساعات خارج الذروة، فتُتاح لجميع شاغلي المبنى، مما يقلل استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ. 

ينطبق هذا النهج الهجين أيضًا على المباني المكتبية الشاهقة؛ ففي المباني التي تتراوح بين 45 و55 طابقًا، يلزم مجموعتان من المصاعد ذات التيار المباشر وأربعة مصاعد ذات تيار مستمر؛ أما في المباني التي تتراوح بين 65 و75 طابقًا، فيلزم ثلاث مجموعات من المصاعد ذات التيار المباشر وخمسة مصاعد ذات تيار مستمر. ستخدم كل مجموعة من المصاعد ذات التيار المباشر 20 طابقًا لتحقيق أقصى استفادة منها، ولكن الهدف الرئيسي من هذه الترتيبات هو توفير الطاقة بشكل ملحوظ خلال أوقات انخفاض الطلب. 

1. مقدمة

This innovation was originally inspired by the author's experience replacing six SD lifts with six DD lifts at the 1960s-era Westminster City Hall (WCH) between 2017 and 2019 (Liang Hongliang, 2020). WCH project was the first one where six single deck lifts were fully replaced with six double deck lifts in the UK and possibly the second of this kind in the world. During this period, the author observed that DD lifts consumed significantly more energy during off-peak hours compared to SD lifts. Additionally, since DD lifts had to operate continuously, they experienced increased wear and tear, leading to higher maintenance and repair costs. In this paper, a mixed-use hybrid approach of DD Lifts and SD Lifts in office buildings is introduced.

2. معايير تصميم المكاتب للمباني المكتبية

2.1 سعة استيعاب مجموعات حركة المرور في اتجاه واحد خلال ساعات الذروة الصباحية

Group Handling Capacity is used to evaluate the "quantity" of lift service during the heavy up peak traffic period. This is the number of persons, or percentage of the zone population, that can be transported by the lifts in the same 5-minute period of traffic used to measure Average Waiting Time: 

قدرة استيعاب المجموعات في أوقات الذروة = 12% أو أكثر خلال فترة 5 دقائق 

2.2 متوسط ​​الفاصل الزمني (AI) أو متوسط ​​وقت الانتظار لحركة المرور الصباحية أحادية الاتجاه في أوقات الذروة 

Average Interval (AI) or Average Waiting Time (AWT) relates to the "quality" of lift service during the heavy peak traffic period. The following chart indicates the standards we apply to evaluate levels of service based on average waiting time:

3. المبادئ المطبقة هنا في تصميم النقل العمودي 

منذ يونيو 2014، يعمل كاتب هذه السطور مستشارًا في مجال النقل العمودي؛ لذا يُرجى تغيير "النقل العمودي" إلى "النقل العمودي" في العنوان رقم 3. في الفيزياء، تُعرَّف القدرة بأنها معدل بذل الشغل على جسم ما. وهي كمية تعتمد على الزمن، وتعكس سرعة إنجاز المهمة. صيغة القدرة هي: ق = ش / ز، حيث ق تمثل القدرة، ش تمثل الشغل، ز يمثل الزمن. باختصار، تُحسب القدرة بقسمة مقدار الشغل المنجز على الزمن اللازم لإنجازه.

بافتراض وجود مبنى مكاتب مكون من 25-30 طابقًا ومصاعد SD في منطقة واحدة، يمكن تمثيل قدرة معالجة VT على النحو التالي:

P= n₁ x SX Qg x (1.5 xv₁) = 2/3 xn₁ x D x Qg x (1.5 xv₁) = 1/2 xn₁ x D x Qg x (1.5 xv₁) + 3 x SX Qg x (2 xv₁) =fxm/s

ملاحظة: إذا كانت المصاعد ذات الطابق الواحد موجودة في منطقتين؛

P= (1/2 xn₁) x SX Qg xv₁ + (1/2 × n1) × SX Qg × (2 × v₁) = ن₁ x S x Qg x (1.5 xv₁)

حيث:

3.1 المبدأ 01

المبدأ الأول في تصميم النقل العمودي هو تقليل عدد أعمدة المصاعد قدر الإمكان.

3.2 المبدأ 02

المبدأ الثاني في تصميم أنظمة النقل العمودي هو الحفاظ على سرعات الرفع عند أدنى مستوى ممكن. فعندما تتجاوز سرعة الرفع 2.5 متر/ثانية، فإن كل زيادة قدرها 2 متر/ثانية إضافية تُضاعف تكلفة الوحدة. أما في المناطق منخفضة الارتفاع، فيجب ألا تتجاوز السرعة 4.0 متر/ثانية. وذلك لأنه عندما تتجاوز السرعة 3.5-4.0 متر/ثانية، يتغير تكوين الحبال من 2:1 إلى 1:1، مما ينتج عنه آلة أكبر بمرتين من نظام 2:1، وبالتالي زيادة التكاليف بشكل ملحوظ. ولتحسين كفاءة المناولة دون زيادة سرعة الرفع، يكمن الحل في تقليل عدد مرات التوقف. ففي الأنظمة عالية الأداء، يعني زمن دورة (T) من طابق إلى آخر يبلغ 8.7 ثانية أن كل توقف يتطلب 5 ثوانٍ على الأقل، مما يؤثر بشكل كبير على متوسط ​​وقت الانتظار. ولاختيار السرعة المناسبة للمكاتب، يجب أن يتراوح زمن الرحلة الاسمي بين 20 و30 ثانية وفقًا للمعيار ISO 8100-32:2020. 

إلى جانب تقليل عدد مرات التوقف، يتمثل أحد الحلول الأخرى في زيادة سعة كابينة المصعد. في المباني المكتبية، تبلغ السعة القياسية الدنيا لكابينة المصعد 1,275 كيلوغرامًا. ويمكن تحسين كفاءة المناولة بزيادتها إلى 1,600 أو 1,800 أو 2,000 كيلوغرام. عند السرعة نفسها، لن تزيد تكلفة المصعد الواحد إلا بنسبة 20-30%، مقارنةً بزيادة تتراوح بين 50 و100% عند استخدام سرعات أعلى.

3.3 المبدأ 03

المبدأ الثالث في تصميم أنظمة النقل العمودي هو تجنب استخدام المصاعد ذات الطابقين، باستثناء استخدامها كمصاعد نقل مكوكية. تبلغ تكاليف تجهيز وصيانة كل مصعد من هذا النوع 2.5 إلى 3.5 أضعاف تكاليف المصاعد ذات الطابق الواحد التي لها نفس السعة لكل طابق. إضافةً إلى ذلك، تستهلك المصاعد ذات الطابقين طاقةً أكبر بكثير خلال ساعات خارج الذروة، حيث يبقى كلا الطابقين قيد التشغيل حتى عند خدمة عدد قليل من الركاب.

إذا كانت جميع المصاعد في المبنى ذات طابقين، سواءً كان المبنى مقسمًا إلى مناطق أم لا، فإن مشكلة أخرى تبرز: سيواجه الركاب العاملون في الطوابق العليا أطول أوقات التنقل. عادةً ما تضم ​​هذه الطوابق مكاتب كبار المديرين التنفيذيين وكبار الشخصيات، مما يعني أن هؤلاء شاغلي المناصب الرفيعة سيعانون من تجارب تنقل أسوأ من مرؤوسيهم. علاوة على ذلك، لن تكون خصوصيتهم محمية بشكل كافٍ. لذلك، يُعدّ الحل الأمثل هو استخدام مصاعد ذات طابق واحد للطوابق العليا لضمان خدمة أفضل لكبار الشخصيات.

4. كيف يمكننا تقليل عدد عمليات الرفع المطلوبة؟

باستخدام أنظمة التحكم "النداء إلى قاعة الوجهة"، والمصاعد ذات الطابقين، وردهات الاستقبال العلوية في المباني الشاهقة. يوضح الشكل 1 أدناه مقارنة المساحة الأساسية الموفرة باستخدام مصاعد ذات طابقين بدلاً من مصاعد ذات طابق واحد (Godwin A CPD). يوضح الشكل 2 مشروعًا حقيقيًا من تصميم جهة أخرى، ويعاني هذا التصميم من ثلاث مشكلات رئيسية: أولاً، تبلغ سرعة مصاعد الطابقين في المناطق المرتفعة 6 أمتار/ثانية، مما يرفع تكلفة المعدات والصيانة بشكل كبير. ثانيًا، تخدم كل مجموعة من مصاعد الطابقين 14 طابقًا فقط، وهو عدد أقل بكثير من العدد الأمثل للطوابق وهو 20 طابقًا (Godwin A CPD)، مما يؤدي إلى وجود فائض كبير في المعدات في كلتا المجموعتين. ثالثًا، يكون استهلاك الطاقة مفرطًا خلال أوقات انخفاض الطلب.    

4.1 عدد الطوابق الفعال للمصاعد ذات الطابق الواحد والمصاعد ذات الطابقين

تحتوي المصاعد ذات الطابقين على عربتي رفع مرتبتين، إحداهما فوق الأخرى داخل حبل فولاذي واحد، بحيث يمكن خدمة الركاب في طابقين متتاليين في وقت واحد.

4.2 قواعد عامة لتطبيقات المصاعد ذات الطابقين

بحسب غودوين:

• يبلغ نطاق الطابق الفعال 20 مقابل نطاق الطابق الفعال للمصاعد ذات الطابق الواحد وهو 12.
• مساحات أرضية كبيرة
• Population 100 - 120 people per floor
• من 40 إلى 60 طابقًا بدون ردهة علوية
• 80-100+ طابق مع ردهة علوية
• مصاعد نقل سريعة
• مبانٍ شاهقة ورفيعة، تتألف من 70 طابقاً أو أكثر
• مبانٍ منخفضة الارتفاع تتراوح بين 10 و20 طابقًا، ويتسع كل طابق منها لـ 200 شخص.
• يفضل أن تكون ارتفاعات الطوابق متطابقة.

5. استكشاف المشكلة وتطوير التصميم 

5.1. التصميم الأولي

عمل المؤلف على مشروع مبنى مكاتب مكون من 29 طابقًا في دولة نامية، حيث تمت الموافقة على التصميم الأولي (الشكلان 4 و5 والجدول 5) من قبل العميل. ويُبين الجدول 6 أداء المبنى. بعد بضعة أشهر، طلب العميل تقييمًا لحل المصاعد ذات الطابقين للمبنى. كان السبب الرئيسي لهذا الطلب هو الزيادة الكبيرة في عدد السكان، بالإضافة إلى وجود المطاعم في الطابق الثاني (الطابق 2)، حيث لم تكن هناك مصاعد ركاب - باستثناء مصاعد مواقف السيارات - توفر وصولًا مباشرًا إلى هذا الطابق. مع المصاعد ذات الطابقين، يمكن تركيب زوج من السلالم المتحركة، مما يسمح للركاب بالوصول بسهولة إلى الطابق الثاني (الطابق 2) من الطابق الأول (الطابق الأرضي).

5.1 التصميم الثاني: ثمانية مصاعد ذات طابقين

يُظهر الشكلان 6 و7أ التصميم الثاني الذي يضم ثمانية مصاعد ذات طابقين في مجموعة واحدة. أما الشكل 7ب فهو ابتكار من المؤلف مقارنةً بالشكل 2 (مشروع حقيقي لآخرين). يحتوي الشكل 7ب على ثمانية مصاعد ذات طابقين في مجموعة تحكم واحدة، ولكنها تشترك في أربعة طوابق لتحسين تحمل الأعطال وسهولة التعامل. يُبين الجدول 8 أداء هذا التصميم، وهو أفضل من أداء الشكل 7أ. 

 5.2 استخدامات متعددة: ثلاثة مصاعد ذات طابق واحد مع ستة مصاعد ذات طابقين

بعد إجراء العديد من عمليات المحاكاة باستخدام برنامج Adsimulo (Godwin et al., 2012)، تم ابتكار التصميم الثالث الذي يجمع بين استخدام ثلاثة مصاعد أحادية الطابق وستة مصاعد مزدوجة الطابق (الشكلان 8 و9). ويُبين الجدول 9 أداء هذا التصميم.

5.3 التقييم الهندسي 

يتطلب التصميم الثالث، الذي يجمع بين المصاعد ذات الطابقين والمصاعد ذات الطابق الواحد، تسعة أعمدة للمصعد، مما يجعل قلب المصعد صغير الحجم للغاية. ومع ذلك، ونظرًا لموقع المشروع، لم يُوصِ المؤلف بهذا الحل. لكن هذا التصميم قد يكون مناسبًا للدول المتقدمة، ولا سيما في المدن الكبرى العالمية مثل لندن وباريس ونيويورك.

6. الاستنتاجات

توصل أدريان جودوين (1958-2019) في شركة MovvéO المحدودة إلى استنتاج مفاده أن توفير المساحة بنسبة 30٪ كان مبنيًا على نتيجة محاكاة حركة المرور VT، مما يعني أنه إذا كان مبنى المكاتب الذي يقل ارتفاعه عن 30 طابقًا يحتاج إلى 12 مصعدًا من نوع SD، فسيحتاج إلى 8 مصاعد من نوع DD للحصول على سعة مناولة كافية. 

يُمكن استخدام ثلاثة مصاعد أحادية الطابق وستة مصاعد مزدوجة الطابق في مبنى مكاتب مكون من 29 طابقًا، مما يُوفر ربع عدد فتحات المصاعد، ولكنه يُقلل المساحة مقارنةً بمجموعتين من ستة مصاعد أحادية الطابق موزعة على منطقتين. ورغم عدم طرحه رسميًا بعد، إلا أنه يُعدّ الحل الأمثل لأنظمة النقل العمودي في مباني المكاتب التي تتراوح بين 28 و30 طابقًا في المدن الكبرى العالمية. يُمكن تطبيق هذا النهج الهجين أيضًا على مباني المكاتب الأعلى ارتفاعًا؛ ففي المباني التي تتراوح بين 45 و55 طابقًا، يلزم مجموعتان من المصاعد مزدوجة الطابق وأربعة مصاعد أحادية الطابق؛ أما في المباني التي تتراوح بين 65 و75 طابقًا، فيلزم ثلاث مجموعات من المصاعد مزدوجة الطابق وخمسة مصاعد أحادية الطابق. ستخدم كل مجموعة من المصاعد مزدوجة الطابق 20 طابقًا لتحقيق أقصى استفادة منها، ولكن الهدف الرئيسي من هذه الترتيبات هو توفير الطاقة بشكل ملحوظ خلال أوقات انخفاض الطلب.

7. ملاحظة المؤلف

كان أدريان غودوين أول من استخدم نظام التحكم في الوجهة في المصاعد ذات الطابقين. في هذه الورقة، أعتمد بشكل أساسي على عرضه التقديمي الذي قدمه للمهندسين المعماريين حول أحدث الاتجاهات في تصميم النقل العمودي ونمذجة معلومات المباني (BIM)، وقد استُقيت بعض الصور والجداول مباشرةً من ذلك العرض. لذا، أهدي هذه الورقة أيضًا إلى ذكرى السيد غودوين، الذي كان مرشدي وقدوتي.