专业篇: 电梯的计算初探

最近转发了两篇关于电梯的文章，诱发了本人刨根问底的毛病，电梯作为高层建筑中的基本特种设备，应用的数量和占用的成本还是比较高的，如何在保证有效运力的前提下，降低电梯的数量就成为摆在设计师面前的一道题。
经了解，目前电梯的选择计算主要以英标CIBSE Guide D为准，经过查阅学习相关内容，在这里和大家分享一下（因为这本书是英文版，本人有解释或说明不到位的地方，还希望各位大咖给予反馈，以便修订）。
电梯的选择主要涉及到5分钟运力及平均间隔侯梯时间，要想说清楚这两个参数，还需要关注以下几个因素：
1. 乘客的体重及占用空间；
2. 乘客的运送需求；
3. 电梯的参数（额定荷载、额定速度、加速度、门尺寸及门的类型、开关门时间、人员侯梯容许时间等）；
4. 建筑物的类型（酒店、办公、住宅还是医院、养老院；建筑资料：建筑高度、楼栋的净面积及使用面积等）及运营情况（自用、出租、零售等）；

下面就对这几个参数做一下简要介绍：
第一点：乘客的体重及占用空间：
电梯是运载乘客用的，因此人的体重和占用空间对电梯的选择就有很大的影响，英标中是以欧美及北美人的平均体重（75kg）、占用空间（0.21m2）来进行计算，详见下图：

图1 欧洲或北美人均占用空间
对于不同的体重，该标准中也给出了建议的单个人占用空间：
表1 不同体重占用空间面积

   当然人和人之间因性别不同、年龄不同、身材不同等因素，实际的占用面积和空间与该表中的数值可能会有较大不同，而且人们的身高体重也有越来越大的趋势，因此上表中的数值仅是一个现阶段的平均值。

第二点：乘客的运送需求
关于乘客的需求问题，一座高层建筑中，实际的载客人群需求在不同的时间是不一样的，以一个高层写字楼为例，不同时间段的载客量详见下图：

图2  乘客需求模式显示四种截然不同的经典乘客需求
由上图可以看出，在一个典型办公楼中，电梯上下的载客量，主要分布在4个阶段：
第1阶段是早高峰阶段，主要为上行的人群；
第2阶段是午餐时间，办公人员需要到员工食堂或附近的餐馆就餐的下行人群；
第3个阶段是午餐后返回工作岗位的上行客流人群；
第4个阶段是下班高峰期的下行人群。
由上图可知，电梯的最大运力就是要满足最不利时段的上下行载客量，避免使乘客等候较长时间。
各种不同建筑类型的乘客运送需求存在很大不同，即便是同一栋建筑，因为乘客种类不同（自用、出租等）、运营形式不同（是否错峰上下班、是否有自用餐厅及楼层位置等），对乘客的运送需求也会存在较大的差异，因此在确定乘客需求时，需尽量向业主或使用方做好调研工作，或参考类似已建成运营项目进行推算。

第三点：电梯的参数：
电梯的参数应尽早从确定的电梯供应商处获得，因不同的厂家性能参数并不完全一致，下面的一些经验数值可供参考。
先介绍一个关于等候时间容忍度的参数，候梯时间不同，会直接影响到等候人群的情绪，尤其是有心理疾病或着急办事人员对等候时间的容忍度更低。
根据一般人群标准，其等候时间间隔与满意度关系如下：
表2  等候间隔与满意度

电梯运行的主要阶段详见下图：

图3 电梯往返运行的要素
由上图可知，电梯的运行主要分为起始层的上客时间（含开关门）、电梯的加减速时间、各个停靠站上下乘客时间（含开关门），到达顶层下客后，电梯快速回到起始层的运行时间。
下述各种参数的讨论，都是尽量将电梯的运行时间控制在人们可以接受的范围之内。
1. 轿厢运载力
对于不同额定荷载的电梯，因乘客的体重及占用空间不同，也会造成一定的运力差别，详见下表：
表3  轿厢运载力

2. 电梯轿厢开关门时间
对不同类型的门及尺寸，其开关门时间可参见下表：
表4  电梯轿厢开关门时间

   由上表可知，不同类型的门或者门的尺寸不同，会增加电梯运行时间间隔，这种现象在电梯服务楼层多时特别明显，对乘客等候时间的容忍度也造成了一定的挑战，因此，对于超高层电梯，电梯分区设置还是比较现实可行的方法。
需要说明的是，电梯开门的时间是指门从关闭到开度达到800mm的时间，而不是完全打开的时间。

3. 电梯单层运行时间t[sub]f[/sub]（1）
表5  电梯单层运行时间 (s)

从上表中标准层高电梯的运行时间可以看出，电梯的实际运行时间要远高于电梯额定速度下所需的时间，这是因为电梯在标准层间运行时，尤其是层层停靠时，离开楼梯平台需要加速至额定速度，而为了准确停止于停靠站，又要提前减速运行，这种情况会大大增加实际运行的时间，电梯的额定速度并不能被有效利用，这种现象在高速电梯、停靠服务站数多的时候尤其的明显。很多情况下，电梯加速还没有达到额定速度，就需要减速，以便准确停靠。
4. 乘客进出电梯时间tp
电梯的乘客进出时间英标中规定如下:
办公一般1.2s；老年人一般2.0s。
前6个人按照单人进入，后面的人按照双人同时进出；需要注意，计算参数中分配给tp的值是所有电梯乘客的平均值;例如，一个2000公斤的电梯可以载16名乘客，每位乘客的换乘时间为1.2秒。前6名乘客为6×1.2秒，即7.2秒，但接下来的10名乘客成对离开，即在6.0秒内离开。因此，所有乘客的总换乘时间为13.2s，平均传输时间（tp）为：
tp = 13.2/16 = 0.83 s。
5. 电梯层间运行时间（T）
电梯的层间运行时间由电梯单层运行时间t[sub]f[/sub]（1）、电梯启动延迟时间t[sub]sd[/sub]、电梯开门时间t[sub]o[/sub]、电梯关门时间t[sub]c[/sub]及提前开门时间t[sub]ad[/sub]的值确定,详见下述公式：

举例：
一个有效使用人数U为731人的办公楼，建筑层数为10层，电梯数量L为4台，电梯额定载荷1000kg，额定速度1.6m/s，标准层高3.6m，由前述表5可查得，电梯单层运行时间为5.2s，电梯开门时间为2.5s，关门时间为3s，电梯启动延迟时间为0.5s，提前开门时间为0.5s。
平均往返时间RTT的计算公式如下：

其中:
参数P可根据电梯参数由表3中查得P=9.1person；
参数H、S可根据服务楼层数及电梯运载人数P由下表查的。当与下表数值不一致时，可以采用插值法。

表6  层数及P值对应的H、S(5~12person)：

表6  层数及P值对应的H、S(13~20person)：

参数t[sub]v[/sub] =3.6/1.6 =2.25s；
参数T = 5.2+0.5+2.5+3-0.5=10.7s；
参数Tp可由下表根据电梯的额定荷载及电梯门类型确定。
表7 办公室平均乘客转乘时间(Tp)

根据本例题假设，可知Tp可按照1.0s取值。
经过计算：
RTT=2×(9.4×2.25)+（7.2×8.45）+2×（9.1+1）= 121.3s
80%轿厢载重时平均高峰间隔UPPINT:
UPPINT = 121.3/4=30.3s
5min峰值处理能力:
UPPHC = (300×9.1)/32.9=90.1人/5min
5min运力人员百分比:
%POP =(90.1×100)/731=12.3%
为了获得较满意的成果，计算过程可能需要反复假设、计算，以便确定一个较为满意的结果。
在网络上还可以搜索到日本升降机指南中的计算方法，详见下表：

图4 日本升降机技术指南电梯计算表
以上表格为网络搜索所得，据评论还是比较好用的，日本的升降机技术指南，本人暂时未能找到，广大网友如有此资料，希望可以发给我，在此先行感谢。

第四点：建筑物的类型及运营情况：
由上述分析可知，不同的建筑类型、建筑特性及运营模式，对电梯的选择计算都是有较大的影响，这些因素直接决定了电梯服务的人数、层数以及每层停留的时间，载客高峰出现的时间等，因此，在设计时了解的越详细，越能够确定准确的计算模型，计算出的结果与实际越相符。
对于老人建筑，他们行动迟缓，必然会增加进出电梯的时间，增加电梯运行间隔，同时他们的占用空间及辅助的设备（比如拐棍、轮椅等）又会影响到电梯的实际载客人数；对于群居的老年人建筑，如果采用的是集中餐饮，就餐时间的安排也会进一步影响到电梯的选择计算；
对于办公楼，自用办公与出租办公也有着明显的区别，自用办公楼内的人群的上下班时间、就餐时间等有很强的一致性，对电梯的运力提出了更大的挑战；而相比之下，出租办公楼内的人群则具有一定差异性，比如业务范围不同，而造成的上下班差异：销售类型的公司，他们的上下班时间并不是很固定，大部分人员不在岗而减少了电梯峰值时刻的压力；而不同公司之间的管理差异也可以带来这种差别，比如错峰上下班的推广。
总之，电梯的设计选择是一个相当复杂的过程，不合适的选择或运营时与设计工况的不符，可能会造成现实中的候梯时间过长，而建筑物一旦建成，电梯的改造是十分困难的，而不同的运营方式却有可能在建筑物建成后随时改变。如何进行精准的匹配，是摆在业主、建设方及设计人员面前的一道课题。

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