高层应用的门技术

该论文发表于  2014 年巴黎国际垂直运输技术大会，并首次发表在 IAEE 书中 电梯技术20，由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会许可转载  （网站： www.elevcon.com)。本文为准确重印，未经 ELEVATOR WORLD 编辑。

关键词：自动门、高层、门性能、乘坐体验、部件可靠性、专业方法

设计、建造、安装和维护高层电梯并不是一件容易的事情，因为高性能与严格的限制相结合。 设计必须考虑在普通建筑中通常不重要的问题和影响。 从电梯部件供应商的角度来看，在这种情况下，关注电梯门是非常重要的，因为它们是人员安全方面最关键的设备，也会影响整个系统的性能； 因此，主要关注点之一是让门系统在最佳条件下工作。 在本文中，我们将定义在高层环境中对门系统及其在性能、质量、可靠性和美观要求方面的操作特性产生影响的变量。

一、城市化趋势与高层建筑

当今人口和城市化的持续增长（见表 1）以及新材料的开发正在推动建筑师和施工人员设计更大、更高的建筑物。 世界上任何地方的大城市都在越来越垂直地发展，现代多功能建筑本身就是真正的城市，每个城市都有其特定的服务和交通需求。

最近的国际研究和数据（UNICEF 2012）证实了不可阻挡的城市化增长，这些研究和数据表明未来城市的配置、城市空间的优化以及高效的横向和纵向交通系统的设计将是下一个紧迫的战略挑战50 年来，尤其是在亚洲的快速发展中国家。

• 今天，世界上 50% 的人口生活在城市地区。 到本世纪中叶，这一数字将达到 2/3 以上。
• 城市人口不断增长：每年增加约 60 万人，主要是在中等收入国家。
• 亚洲是全球城镇人口的一半，全球66个发展最快的城市中有100个位于亚洲，其中33个位于中国。中国城镇人口达630亿。
• 近 10% 的城市人口生活在特大城市（人口超过 10 万的城市）。 自五十年代以来，纽约和东京新增了 19 个特大城市。 除 3 个外，其余均位于亚洲、拉丁美洲和非洲。

高层建筑的数量随着人口和城市化的增长而增长。 在过去的 10 年中，超过 200 米的建筑物的数量呈指数增长（见图 1）。 由于城市地区的可用空间减少，必须建造更高的结构，从电梯行业的角度来看，这将需要掌握在此类建筑物内正确移动人员和货物所需的一组特定技能。

2. 高层建筑的垂直交通系统

在建筑行业，高层建筑被定义为 23 m 到 150 m 之间的建筑物。 超过 150 m 的建筑物被归类为摩天大楼。 一层的平均高度约为 4 m，因此一栋 24 m 高的建筑将包括 6 层（Daniel 2012）。

我们可以说高度是这种建筑类型的独特特征，然后很容易理解为什么电梯是并将继续是其成功运行的关键因素，以及为什么垂直运输系统效率的提高可以提供广泛的好处，例如更好地满足租户的需求，以更智能和可持续的方式管理空间或增加建筑物的商业价值。

在处理电梯时，高层的概念听起来有点不同，通常与电梯速度有关。 直到几年前，标准电梯和高层电梯之间的界限是2,5m/s的速度。 现在我们有一个更加结构化的分割（无论如何它在不断变化）：2,5m/s 是标准速度，4m/s 被认为是商品高层，6m/sa 标准高层，10m/sa 高速和超过 10m /s 是非常特殊的电梯。 因此6m/s已经成为高层的正常速度，考虑到电梯部件和材料的快速技术发展，未来几年这个速度会更高。

那么安装在高层建筑中的电梯有什么期望呢？ 首先，它必须快速到达目的地，避免爬上百万级楼梯的体力消耗。 其次，它必须舒适地到达那里，人们不会被挤在角落里或在旅行中听到可怕的声音。 最后但并非最不重要的一点是，它不会像任何其他运输工具一样损坏。 在物理和机械应力比以往任何时候都高的背景下，说起来容易，但实现起来却很难。

考虑到上述特点，高层建筑电梯必须保证：在速度、交通管理和可靠性方面的高性能； 在材料和操作方面的能源效率和可持续性； 即使在火灾和紧急情况下，也能在各种情况下提供最大的安全性； 通过开发技术和美学解决方案，确保电梯与整体建筑完全融合，实现卓越的设计和美学品质。

3. 高层电梯门

高层建筑具有独特的外部、内部和监管特征，需要特殊技能来设计和建造其垂直运输系统及其所有组件。 再加上需要更长的竖井和更高的运输速度，在高层电梯的设计过程中，必须控制一些在普通建筑物中由于低速和气流而通常不重要的特定因素，考虑到高表演必须加上严格的限制。

在高层电梯设计中，门起到了关键的作用，因为它们是人员安全方面最关键的设备，也影响着系统的整体性能； 因此，主要关注点之一是让门系统在最佳条件下工作。

实现这一目标的出发点是明确定义对门系统有影响的所有变量（见表 2）。

第一组变量从结构配置、人口、流量管理等方面确定建筑物的状态。这些变量中的每一个都负责必须仔细考虑的特定影响。 例如，建筑物的高度（即竖井的高度）决定了气压，从而产生烟囱效应和活塞效应。 事实上，在如此高的竖井中，压力可能如此之高，以至于门在关闭阶段的最后阶段可能会遇到困难，如果管理不当，则会导致可靠性问题。

外部因素的影响也不容小觑，影响门的设计和施工。 这些变量通常编入标准、规范、建议、规范中，并对门系统产生强烈影响。 防火和防烟法规可能是最关键的主题之一，但新标准（例如 EN 81-20 和 EN 81-50）的引入也会对电梯门的设计和制造产生重大影响。

最后一组变量仅与门系统相关，其中包括：打开/关闭循环所需的性能（显着影响行程时间）、感知质量（噪音、振动、平滑轮廓）、呼叫方面的可靠性-随着时间的推移，性能和质量的恢复率和保持、节能、安全和美观（设计和灵活性以适应不同的覆层和执行，以及例如掌握玻璃的能力）。

如果每个特定的安装都需要具有独特、明确的特征和技术特性的电梯门，那么高层电梯门是哪些？ （见表 3）。 根据表 3 的数据，我们可以将它们的主要特征定义如下：

• 性能（打开和关闭时间的速度：高层电梯门为 1,4 秒 + 1,9 秒，标准电梯门为 1,9 秒 + 2,6 秒）
• 可靠性（生命周期）
• 坚固性（增加面板质量）

因此，高速电梯的自动门设计用于在短时间内可靠地移动重型面板并降低噪音排放。 为满足所有这些要求，门制造商开发了完整的解决方案，其中包括门驱动控制器的特殊功能（可调节开启和关闭速度曲线；实时移动质量计算算法；速度曲线自动降级；待机模式；备用电池）或特定的机械设备，例如，在乘坐电梯期间密封舱室和层门（增加舒适度）。

4. 特定的门变量

4.1 表演

在高层建筑中，交通流量可能很大，这些极其困难的情况无法通过增加安装在建筑物中的电梯数量来管理，但可以通过开发基于乘客出行分析的智能交通管理系统来简化行为并保证更好的空间管理（减少正确服务建筑物所需的电梯数量），大幅减少等待时间并最大限度地提高电梯性能。

这些成果的取得要归功于电梯每个组件的技术发展和性能，以及它们的正确设计和集成。 例如，考虑车门、行驶时间、车门开启和关闭速度，由具有不同可调速度曲线的车门驱动控制器调节，是一个关键变量，在短途骑行中会对整体行驶时间产生重大影响。电梯。

为了证明这个假设，我们应该开始定义门系统的性能时间。 这可以通过简化的飞行时间模型计算如下（见图 2）：

• 关门时间
• 加速时间：电梯达到最大速度所用的时间。 是否达到最大速度，取决于两站之间的路径长度
• 最高速度运行时间：在最高速度下花费的时间（标准情况下通常为 5-6m/s）
• 减速时间：电梯停止的时间
• 开门时间

为了了解门对高层电梯整体飞行时间的影响，我们进行了五次模拟（见图 3），考虑由标准高层电梯（40 m/s) 标准高层电梯门（开门时间 + 关门时间 = 4 s）。 电梯启动和停止之间的楼层数显示在 X 轴上。

这个模型只是一个简化，它没有考虑例如填充/清空电梯所花费的时间，但无论如何它可以给出问题的复杂性以及影响电梯门性能的因素的想法。

在第一个模拟中，我们考虑了单层停靠站； 在这种情况下，没有时间达到最高速度，即只有加速和减速阶段； 至少对于 10 层楼的运行，电梯最大速度的贡献变得显着。 第一个结论是，对于短/中距离（最多 10 层），门速度可对性能时间的贡献高达 50%，这是整体性能的重要数字。 当然，经过更长的距离，最高速度跑时的影响就变得更加重要了。 因此，优化电梯和门的性能以获得最佳效果非常重要，而不要只关注电梯速度。

所有这些考虑因素都已针对单次运行排除，但只需考虑在考虑多次运行时会发生什么。 例如，一个人在 16 层等待从地面离开并每四层停止的电梯，将感知电梯性能四次。 想想每天多少次停靠，多少人穿过一座高层建筑。

4.2 质量感知

4.2.1 舒适度和噪音

乘坐舒适性对于高层建筑的电梯来说非常重要，因为振动和噪音会随着电梯速度的增加以及较长井道中的压力差异而增加。 组件的选择、设置和安装是降低使用中电梯系统噪音水平的关键，将其保持在可接受的参数范围内（峰值最大为 50 分贝）。

为了解决这个问题，电梯行业开发了特定的机械设备，例如，确保在行驶过程中门的完美密封和轿厢的完全隔离。

4.2.2 平稳运行

开门速度可根据性能进行调整，并可微调操作的流畅性（舒适度参数）。 这使面板的运动感觉非常好，在打开和关闭循环的每个瞬间都表现出控制和精确性。

4.3 可靠性

在高层建筑中，可靠性越来越成为必不可少的要求，因为轴中的压力（正压和负压）、湍流和振动以及机械元件的间隙公差和更高的建筑公差，系统和组件都承受着很大的压力，有时必须在非理想条件下工作。 考虑到，在高层建筑中，电梯使用比低层建筑更密集，由于人口和交通量大，因此其部件更容易磨损甚至断裂，这可能会对系统的其他部分造成损坏，甚至最坏的后果。 为了保证该应用领域电梯所需的高服务水平，必须通过合格供应商网络谨慎选择组件，并且必须对更敏感的部件进行实验室测试，即使是数百万次循环。

4.4 美学与设计

高层建筑是世界上最好的当代建筑之一。 建筑及其组成元素的设计是定义其成功的关键参数之一。 电梯可以成为此类建筑的一个独特的焦点，提供优雅的饰面和全方位的视野——非常适合充分利用，例如，开放式酒店门厅或办公综合体中庭。 高层垂直交通系统的所有组件都必须设计为与建筑物无缝集成，尊重其美学品质并适合特定的建筑要求或设计概念。

形状、材料、照明和颜色只是将技术与美学相结合的广泛解决方案的可见部分。 对于自动电梯门，这些要求通过材料选择（全玻璃或带框玻璃面板）、面板形状（圆门）和特殊执行方式来满足，例如带有隐藏式底部轨道的门或带有下驱动操作器的门，其中包括独特的设计优势，例如例如，从隐藏楼层下方的电梯门机构的楼层减少轿厢门操作员的可见尺寸。

4.5 可持续性和能源效率

与高层建筑及其服务设施（包括电梯）相关的另一个重要主题是可持续性和能源效率。 建筑物使用能源，建筑物越大，它使用的能源就越多（即使设计了一些现代摩天大楼来反驳这种说法！）。

由欧盟委员会赞助和支持的联盟 E4（节能电梯和自动扶梯）的测量表明，垂直运输系统占建筑物服务消耗的总能源的 3% 至 8% (E4 2010) .

电梯和自动扶梯绝对不是建筑物中最大的能源消耗者，但应在其生命周期的每个阶段确保可持续性和效率：从设计（乘客流量分析、组件选择、材料选择）到生产（ISO 14001 流程、减轻重量）组件、废物管理），从使用（能量回收系统、待机模式下的节能、使用 A 级组件）到维护（预防性和高效性）和现代化（更换完整系统或组件）。

4.5.1 待机模式下电梯门效率

电梯消耗的大部分能量是在待机模式下消耗的（50% 到 70%）。 特定的解决方案允许减少电梯门的这一配额，这意味着开发由电子轿门驱动控制器管理的停车模式功能，当轿厢停在楼层时，使溜冰鞋保持打开位置，从而显着降低了电梯消耗的能源整体系统。

4.5.2 最大安全性

在高层建筑中，一些风险，例如火灾和烟雾传播，会被建筑物本身的结构（竖井的长度和随之而来的烟囱效应）放大； 任何建筑设备的不良保护系统都可能导致灾难性后果。 因此，满足最高安全要求不仅是建筑师和设计师的必需品，也是建筑所有服务设施制造商（包括电梯和电梯部件制造商）的必需品。

高层电梯系统必须能够安全地处理任何紧急情况，并且必须设计有特殊组件（防火；防破坏等）和材料（即不可燃），例如，在发生火灾时不允许火焰和烟雾的传播。

国际和地方标准、规范、建议、规范为设计电梯系统中的安全组件以及提高其耐火性提供了一些指导方针和提示。 消防电梯和防火部件是电梯行业提供的用于提高高层建筑安全性的解决方案之一。

5. 结论：高层电梯组件设计的综合方法

在为高层建筑设计和制造电梯系统和组件时，必须考虑许多不同的变量。 电梯系统在这样的应用环境中必须处理的问题是业内其他任何问题都无法比拟的。

必须仔细识别和考虑外部和内部变量； 必须为它们中的每一个开发解决方案并将其集成到整体电梯设计中。 问题和解决方案不仅必须涵盖系统的单个组件，还必须涵盖所有组件之间的交互，例如舱室和车门的集成。

对于电梯门，正确的方法是将与解决应用环境问题（速度、可靠性、感知质量和舒适度）相关的所有技术方面与建筑师、工程和建筑公司（美学）提出的非技术要求结合起来从项目的早期阶段，从电梯设计到产品开发、产品制造和安装。

案例
联合国儿童基金会（2012）。2012 年世界儿童状况——城市世界中的儿童，第 1-11 页。
CTBUH（2011）。高层与城市——全球人口与高层建筑分析，第 1-3 页。
圣战 S. 丹尼尔 (2012)。 高层建筑施工周期，p。 4.
E4 – 节能电梯和自动扶梯（2010 年）。 提高电梯能源效率的选项，第 1-16 页。