Системы вертикального транспорта высотных зданий

А. В. Михайлов, ЗАО «Шиндлер»

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

Схемы организации вертикального транспорта

В первых высотных зданиях схема организации вертикального транспорта была достаточно простой – лифтовые шахты располагались по всей высоте здания, и лифты обслуживали все этажи.

После того как высота зданий стала достигать 30 этажей и выше, потребовалось новое решение, поскольку существующая схема уже не обеспечивала приемлемое время перемещения (из-за долгого времени ожидания и т. д.). Именно тогда была разработана схема, ставшая классической, – в здании выделяется главный посадочный этаж (чаще всего это первый этаж здания), все лифты разделяются на группы, обслуживающие только часть этажей. Например, первая группа обслуживает этажи с 1 по 20 включительно; вторая группа – с 21 по 40 включительно, а зону со 2 по 20 этажи лифтовые кабины этой группы проходят транзитом, без остановок (так называемая «слепая» зона). Это позволяет реализовать преимущество высокой скорости движения лифтовых кабин, и чем выше обслуживаемая зона, тем с большей скоростью кабины могут проходить «слепую» зону.

Зачастую лифтовые группы обслуживания при проектировании соотносятся с зонированием высотных зданий по вертикали. Это позволяет использовать технические этажи для размещения машинных помещений лифтов, сократив потери полезной площади здания. Размещение оборудования на технических этажах позволяет с меньшими затратами решить проблему защиты от шума и вибраций. Не во всех зданиях можно разместить оборудование таким образом, но сейчас это и не представляет собой острой проблемы – в настоящее время ведущие производители выпускают оборудование, отличающееся достаточно низким уровнем шума, кроме того, хорошо отработаны различные решения по шумозащите.

Такая схема организации вертикального транспорта успешно применяется и в настоящее время, однако в зданиях выше 50 этажей проявляются ее недостатки, главный из которых – увеличение количества лифтов. Простой расчет вероятностными методами показывает, что при такой схеме в некоторых случаях площадь, потребная для размещения лифтовых шахт, вообще превышает площадь этажа. С учетом очень высокой стоимости площади («квадратного метра») высотного здания такое увеличение количества лифтов совершенно неприемлемо для инвестора.

В связи с этими обстоятельствами сегодня в зданиях, превышающих 50 этажей, часто применяется схема с так называемыми «sky lobby». К настоящему времени такая схема реализована в целом ряде высотных зданий, получивших мировую известность, многие из этих зданий к моменту постройки являлись самыми высокими в мире – «Willis Tower» в Чикаго, «Petronas Twin Towers» в Куала-Лумпуре, «Taipei 101» на Тайване и т. д.

Суть схемы со «sky lobby» состоит в том, что здание делится по вертикали на зоны, которые обслуживаются независимой группой лифтов, шахты который проложены только лишь в пределах обслуживаемой зоны и не затрагивают остальные части здания. Как правило, в пределах зоны лифты группируются по классической схеме, со «слепыми» зонами.

Между собой зоны объединяются скоростными лифтами-шаттлами. Шахты лифтов-шаттлов действуют по всей высоте здания, но имеют всего 2–4 остановки, по числу обслуживаемых зон. Лифты-шаттлы позволяют быстро доставить большое количество людей на промежуточные посадочные узлы – нижние этажи зон. Эти промежуточные посадочные узлы и получили название «sky lobby».

По своей сути при данной схеме с точки зрения расположение лифтов представляет собой несколько отдельных «зданий», расположенных одно над другим. Лифтовые шахты разных зон располагаются в плане также одна над другой, в результате чего в пределах каждой зоны общее число шахт и, соответственно, занимаемая шахтами площадь, уменьшается. Разумеется, некоторая дополнительная площадь необходима для размещения лифтов-шаттлов, но их нужно не очень много – это лифты с очень большой скоростью и грузоподъемностью и малым числом остановок, позволяющим реализовать преимущество высокой скорости.

Схемы организации вертикального транспорта в высотных зданиях: «классическая» (а), со «sky lobby» (б)

Скорость движения лифтовых кабин. Многокабинные решения

Если рассматривать историю развития систем вертикального транспорта с момента его появления и до последнего времени, то можно отметить, что многочисленные инновации (например, внедрение безредукторных приводов и т. д.) не затрагивали основных принципов, заложенных еще в самые первые проекты. Лифты постоянно совершенствовались, но принципиально не менялись. Качественных скачков в развитии происходило не так уж много.

Одним из них стало достижение высоких скоростей движения лифтовых кабин. В настоящее время на рынке предлагаются системы, в которых достигается скорость кабин 10 м/с, максимальная скорость на сегодняшний день – 16 м/с. Достижение определенных скоростей позволило существенно увеличить пропускную способность лифтов и пересмотреть требования по их количеству в здании.

Второе изменение, позволившее пересмотреть традиционные подходы к организации систем вертикального транспорта высотных зданий, – появление многокабинных решений. Существуют два подхода к организации многокабинных лифтов.

При первом подходе в одну шахту помещаются две лифтовые кабины, конструктивно выполненные в виде единой двухъярусной кабины, размещенной на одной раме и одновременно обслуживающей два смежных этажа. Каждая кабина может производить посадку и высадку пассажиров на любом этаже. Такая система оказалась очень эффективной в офисных зданиях с большими перемещениями персонала по этажам. При таком подходе увеличивается грузоподъемность и сокращается количество остановок лифтов, соответственно, уменьшается площадь, требуемая для размещения шахт. Хотя с экономической точки зрения данное решение достаточно затратно, инвесторы охотно применяют его, поскольку все дополнительные затраты окупаются за счет высвобождения ценной полезной площади. Эта система известна под названием «Double-Deck» или «Multi-Deck». Она в настоящее время получила достаточно широкое распространение. Примеры реализации такого технического решения есть в том числе и в нашей стране.

Альтернативным решением многокабинных лифтов является система «Twin». Эта новая система, пока она еще не получила широкого распространения. Принципиальным отличием от системы «Double-Deck» является то, что единой рамы в этом случае нет, и лифтовые кабины перемещаются в единой лифтовой шахте независимо друг от друга. Это позволяет более гибко обслуживать этажи здания при той же самой площади шахты. Каждая кабина действует по своей кинематической схеме, имеет собственный противовес и т. д. Решение это чрезвычайно сложно технически, но, тем не менее, постепенно получает распространение.

Кабина лифта типа «Multi-Deck»

Схемы управления

Третий качественный скачок в развитии систем вертикального транспорта связан с появлением новых интеллектуальных систем управления.

Первые лифты не обрабатывали одновременно несколько запросов, каждый последующий запрос мог быть сделан только после выполнения предыдущего. В дальнейшем появилось так называемое последовательное управление. Это самая простая схема, в некоторых случаях она применяется и в настоящее время. При этой схеме все запросы пользователей фиксируются и исполняются последовательно. При одновременных запросах командам из кабины отдается предпочтение: лифт сначала доставляет пассажира на требуемый этаж и лишь затем движется на этаж, с которого был произведен вызов.

Следующей схемой управления стала собирательная схема. Она получила широчайшее распространение в жилых зданиях, где применяется односторонняя собирательная система (вниз). Лифт, движущийся вниз, на первый этаж, делает остановки в соответствии с запросами с этажей, собирая таким образом пассажиров. При движении вверх запросы с этажей игнорируются, обрабатываются только запросы из кабины, поскольку в жилых зданиях необходимость в перемещении жителей с этажа на этаж возникает очень редко. На вызывном аппарате такого лифта располагается только одна кнопка.

Несколько позже стала применяться двухсторонняя собирательная система (вверх и вниз) для офисных зданий и гостиниц. На вызывном аппарате лифтов с такой системой управления располагаются две кнопки – вверх и вниз, и при вызове системе управления задается не только этаж, на котором находится вызывающий, но и требуемое направление движения. Эта система также получила очень широкое распространение.

Достаточно долгое время эти две разновидности собирательной схемы применялись практически повсеместно, какие-то принципиально новые решения в системах управления не появлялись. Совершенствование систем управления в это время шло по пути минимизации времени ожидания за счет оптимизации движения кабин в сложных лифтовых группах. Существовали даже решения на базе нейросетей. Это давало определенный эффект, но он был относительно невелик.

«Революционное» изменение произошло в начале 1990-х годов. Им стало изобретение системы выбора этажа назначения. К настоящему времени эта система стала практически стандартом для высотных зданий. В отличие от собирательной схемы, где задается только исходный этаж и желаемое направление движения, в данной схеме в ходе запроса системе сообщается этаж, на который необходимо попасть. Для этого на каждом этаже устанавливается приказная панель, аналогичная той, которая находится в кабине лифта. Это, казалось бы, незначительное изменение сразу дало огромные возможности по оптимизации. При решении оптимизационной задачи в качестве целевой функции принимается количество остановок, которое делает лифтовая кабина, – эту величину необходимо минимизировать. Чем меньше кабина делает остановок, тем быстрее она возвращается на главной посадочный этаж – тем меньше время ожидания лифта. Эффективность данной системы оказалась очень высока, что было подтверждено опытом ее практического использования.

При выборе этажа назначения на информационной панели сразу же отображается номер кабины лифта, которая необходима пассажиру. Помимо прочего, это позволяет избежать скопления людей у дверей одного из лифтов.

С развитием компьютерной техники, ее значительным удешевлением система выбора этажа назначения получила дальнейшее развитие – появилась возможность применения серверов для управления лифтовыми группами. Эта система позволяет реализовывать, во-первых, более сложные алгоритмы, а во-вторых, различные дополнительные опции. Это, например, контроль и разграничение доступа – в офисных зданиях сотрудники физически не могут попасть на этажи, доступ на которые им не положен по занимаемой должности, и эта функция может быть реализована самыми разными способами – посредством набора пин-кода, по магнитной либо бесконтактной карте, сканированию сетчатки глаза и т. д. В высотных зданиях зачастую одновременно размещаются офисы нескольких компаний, и в том случае, если в одном здании оказываются офисы конкурирующих компаний, можно сделать так, чтобы их сотрудники никогда не могли оказаться в одной кабине – лифт проезжает этаж без остановки, игнорируя вызов сотрудника корпорации, если в это время в кабине находится сотрудник компании-конкурента. Можно реализовать такую функцию, как персональное приветствие, и т. д.

Выбор этажа места назначения при традиционной системе управления (а) и при системе управления с выбором этажа назначения (б)

Схема работы лифтовой группы при традиционной системе управления (а) и при системе управления с выбором этажа назначения (б)

Особенности конструкции лифтов для высотных зданий

Лифты в высотных зданиях – это всегда очень сложное устройство, и при его проектировании приходится обращать особое внимание на многие элементы, которые в обычных многоэтажных зданиях не оказывают особого влияния на комфорт и даже безопасность поездки. С другой стороны, лифт высотного здания включает себя ряд элементов, которых в лифтах обычных многоэтажных зданий может просто не быть.

Например, в высотных зданиях применяется такой элемент, как компенсационный трос. Лифт уравновешивается противовесом, и в многоэтажных зданиях масса троса не оказывает существенного влияния на кинематику системы. В высотных зданиях, где длина троса может составлять несколько сот метров, его массой уже пренебречь нельзя: она достигает нескольких сотен килограммов. При движении лифта масса кабины и масса противовеса непрерывно меняются за счет сокращения или удлинения соответствующих участков троса – система становится разбалансированной. Проблему удается решить за счет применения компенсационных тросов, соединяющих кабину лифта и противовес в нижней части. При движении, например, вверх, длина участка троса, на котором подвешена кабина, непрерывно уменьшается, но зато длина участка компенсационного троса увеличивается. Соответственно, увеличивается длина участка троса, на котором подвешен противовес, и уменьшается длина участка компенсационного троса. Разбалансирования системы в этом случае не происходит.

На характерных для высотных зданий высоких скоростях движения лифтовых кабин обязательно применяются роликовые башмаки. В обычных лифтах на скоростях до 2,5 м/с часто используются направляющие башмаки скольжения. При повышении скоростей такие башмаки неприменимы, поскольку в этом случае резко возрастают шумы, вибрации и износ этих башмаков.

Схема лифта с обычным (а) и компенсационным тросом (б)

В высотных зданиях при скоростях движения лифтовых кабин, превышающих 6 м/с, существенную роль начинает играть аэродинамика кабин. С точки зрения влияния на аэродинамику можно выделить два случая конструктивного исполнения лифтов. В первом случае несколько кабин располагаются в одной шахте и разделяются только балками. Во втором случае каждая лифтовая кабина помещается в отдельную шахту – этот случай очень сложен с точки зрения аэродинамики, так как, во-первых, воздух оказывает сопротивление движению кабины, во-вторых, при движении воздуха в узких промежутках между кабиной и стенками шахты возникает очень сильный шум. Поэтому в высотных зданиях уже при скоростях движения кабин выше 4 м/с крайне желательно использование нескольких кабин, разделенных балками, в общей шахте. Когда это сделать невозможно по архитектурно-планировочным или конструктивным соображениям, в лифтовой шахте делаются отводы воздуха с перетоками, позволяющие если не исключить, то хотя бы минимизировать вредные аэродинамические воздействия.

Начиная со скоростей 6 м/с применяются лифтовые кабины, которым придается специальная аэродинамическая форма. Обычно в верхней и нижней части кабин устанавливаются обтекатели, позволяющие если не исключить, то хотя бы минимизировать влияние сопротивления воздуха.

В высотных зданиях в лифтах применяются специальные усиленные направляющие, кронштейны и даже специальные усиленные двери, которые при прохождении мимо них лифтовой кабины выдерживают довольно сильную аэродинамическую ударную нагрузку и гасят шум. Должны использоваться специальные клипсы – это один из тех элементов, который в высотных зданиях достаточно сильно отличается по конструкции от аналогичного элемента зданий многоэтажных. Любое здание после постройки некоторое время подвержено усадке, и если в обычных многоэтажных зданиях она не оказывает особого влияния на конструкцию лифта, то в высотных зданиях ею уже невозможно пренебречь (поэтому, например, примерно через год после установки лифта переустанавливаются все кронштейны). Если в обычном здании можно жестко зафиксировать клипсы, которыми направляющие прижимаются к кронштейну (иногда клипсы даже фиксируются сваркой – это один из признаков некачественного монтажа), то в высотных зданиях клипсы специальной конструкции должны обеспечивать, с одной стороны, надежную фиксацию направляющих, а с другой – давать возможность некоторого вертикального перемещения направляющих относительно кронштейна для компенсации усадки здания. Эти клипсы так и называются – скользящие.

Известная проблема – невозможность закрытия дверей лифта при работе приточной аварийной вентиляции. Этот эффект возникает из-за того, что приточные вентиляторы обеспечивают такой подпор воздуха, вследствие которого из-за повышенного давления сопротивление при закрывании дверей лифта превышает так называемое «детское усилие». Похожая проблема возникает, если в здании конструктивно плохо выполнены или вообще не предусмотрены тамбуры. В этом случае в шахте лифта возникают сильные восходящие воздушные потоки, из-за которых сопротивление при закрытии дверей лифта опять же превышает то самое «детское усилие». Для предупреждения этих явлений необходимо не просто предусмотреть тамбуры, но и выполнить их по шлюзовой схеме – двойные двери, причем дверь можно открыть только тогда, когда закрыта вторая.

Кабина лифта аэродинамической формы

Пожарная безопасность лифтов

Известны случаи, когда лифты выходили из строя из-за попадания влаги в шахту. Небольшое количество воды, попавшей в шахту, не представляет особой опасности, однако, например, при срыве пожарных гидрантов (случай, имевший место на одном из московских зданий) экономические потери из-за аварии были достаточно значительными. Лифт может быть защищен от воздействия влаги, однако это существенно удорожает проект и обычно заказчики на это не идут. Лифты во влагозащищенном исполнении применяются в том случае, если они установлены на улице, во влагонезащищенных местах, где возможно образование конденсата. Кроме того, такие лифты используются для перевозки пожарных подразделений и они могут эксплуатироваться и в ходе тушения возгорания.

Пожарные лифты – лифты для перевозки пожарных подразделений – обычно проходят все здание по высоте. Их обычно предусматривают из расчета 2 или 3 на все здание. Требования к исполнению таких лифтов ранее регламентировались нормативами по пожарной безопасности НПБ 250-97 «Лифты для транспортирования пожарных подразделений в зданиях и сооружениях. Общие технические требования». В настоящее время эти нормативы утратили юридическую силу, и требования к пожарным лифтам содержатся в ГОСТ Р 52382-2005 «Лифты пассажирские. Лифты для пожарных» и ГОСТ Р 53296-2009 «Установка лифтов для пожарных в зданиях и сооружениях. Требования пожарной безопасности». Для высотных зданий количество пожарных лифтов и все требования к ним практически всегда регламентируются СТУ – специальными техническими условиями, которые составляются на каждый такой объект.

В случае возникновения пожара все лифты опускаются на главный посадочный этаж, открываются все двери и все лифты блокируются в этом состоянии до тех пор, пока не отключена соответствующая система пожарной безопасности. Пожарный лифт так же, как и обычный, по сигналу пожарной тревоги опускается на главный посадочный этаж, блокирует двери в открытом положении и ждет прибытия пожарных подразделений. Пожарные подразделения, прибывшие для тушения пожара, имеют возможность запустить лифт в работу посредством специального ключа в особом пожарном режиме. Этот режим достаточно существенно отличается от обычного режима эксплуатации лифта, он прописан в соответствующих нормативных документах. Пожарный лифт имеет ряд конструктивных особенностей, например, он не может иметь сенсорную приказную панель и должен быть оборудован кнопками нажимного действия. Это обусловлено механизмом его работы. Пожарный лифт реагирует не только на нажатие, но и на отпускание кнопки. При остановке на этаже двери автоматически не открываются, это происходит только по отдельной команде из кабины. При этом двери будут открываться достаточно медленно для того, чтобы из кабины можно было визуально оценить обстановку на этаже и при необходимости быстро закрыть двери кабины. Подобных нюансов в конструкции и особенностях работы пожарных лифтов достаточно много.

Огнестойкость шахтных дверей пожарных лифтов составляет 60 мин (EI 60). В высотных зданиях также обычно применяются шахтные двери с часовой огнестойкостью, как в пожарных, так и в обычных лифтах, хотя этого и не требуют действующие нормативы.

Пожарная безопасность обычных лифтов, не предназначенных для транспортировки пожарных подразделений и для эвакуации людей в случае пожара, регламентируется ГОСТ Р 52383-2005 «Лифты. Пожарная безопасность».

Регламентирующие документы

Основным регламентирующим документом при проектировании лифтов до настоящего времени являлись ПБ 10-558-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации лифтов» (ПУБЭЛ). Постановлением Правительства РФ № 782 от 02.10.2009 г. утверждается и вводится в действие с 14 октября 2010 года «Технический регламент о безопасности лифтов», который гармонизирован с европейским нормативом EN 81 «Safety Rules for the Construction and Installation of Lifts». Хотя и ПУБЭЛ в значительной степени содержали требования EN 81, были и существенные различия.

Действует еще ГОСТ 22011-95 «Лифты пассажирские и грузовые. Технические условия», но этот документ в значительной степени устарел. ГОСТ 22845-85 «Лифты электрические пассажирские и грузовые. Правила организации, производства и приемки монтажных работ» применяется в процессе монтажа и является основой во взаимодействии производителя лифтов и компании, выполняющей генподрядные работы. Несмотря на то что этот ГОСТ был разработан еще в 1985 году, своей актуальности он еще во многом не потерял.

Существуют ГОСТы на пожарные лифты: ГОСТ Р 52382-2005 «Лифты пассажирские. Лифты для пожарных» и ГОСТ Р 53296-2009 «Установка лифтов для пожарных в зданиях и сооружениях. Требования пожарной безопасности». Пожарная безопасность лифтов, не предназначенных для перевозки пожарных подразделений и эвакуации людей при пожаре, регламентируется ГОСТ Р 52383-2005 «Лифты. Пожарная безопасность».

В части проектирования лифты описывает ряд СНиПов и территориальных строительных норм, содержащих требования к размерам лифтовых холлов, количеству пожарных лифтов для зданий определенной этажности, их размещению и т. д.

Определение требуемого количества лифтов в здании

Механизм расчета количества лифтов, требуемого в здании, описывается пособием к СНиП 2.08.02-85 «Пособие по проектированию общественных зданий и сооружений», а именно приложением 2 «Методические основы расчета пассажирского вертикального транспорта (лифтов)».

Следует отметить, что расчеты требуемого количества лифтов в здании бывают двух типов. Метод расчета на основе теории вероятности был разработан достаточно давно, и он с определенной точностью позволяет для жилых и офисных зданий выполнить оценку необходимого количества лифтов, их грузоподъемности и скорости. Этот метод и изложен в указанном пособии к СНиП. Достоинством метода является его универсальность – по заданным формулам выполнить такой расчет можно в любом случае. Этот расчет дает неплохие результаты, во всяком случае, это лучше, чем вообще отсутствие каких-либо расчетов. Недостаток состоит в том, что данный метод совершенно не учитывает современных разработок в этой отрасли. В связи с этим ведущие мировые производители для определения требуемого количества лифтов в здании используют методы имитационного моделирования.

При имитационном моделировании строится виртуальная модель здания, населенного определенным количеством людей. В модели задается лифтовая группа с конкретными параметрами. После этого группа работает определенный отрезок времени, например, 6 часов. За этот период собирается статистика, при анализе которой можно сделать вывод о процессах, происходящих с лифтами. При достаточно точном описании объекта этот метод дает очень хорошие результаты – можно оценить эффективность различных систем управления и других подобных решений, чего абсолютно невозможно сделать при расчетах на основе теории вероятности (данный метод подразумевает применение лишь собирательной схемы управления). Кроме того, расчет на основе теории вероятности ведется только на «утренний пик» – подразумевается, что в офисном здании люди собираются с утра на главном посадочном этаже и вероятность попадания лифта на тот или иной этаж зависит от количества работающих на данном этаже. Однако такая ситуация возникает далеко не всегда. В здании могут быть сложные параметры траффика, такие, как ланч-тайм, когда люди с разных этажей перемещаются на определенные этажи, либо в здании располагаются на разных этажах помещения одного арендатора, у которого межэтажный траффик может быть очень значительным, и т. д. Имитационные модели позволяют задавать подобные параметры и оценивать решения с их учетом.

С точки зрения напряженности пассажиропотока здания можно разделить по функциональному назначению. Самыми напряженными в этом аспекте являются офисные здания, где пассажиропоток в лифтах обычно очень большой, причем офисы, принадлежащие одному арендатору, в этом плане сложнее офисов, которые сдаются по этажам, из-за большого межэтажного траффика. Достаточно сложным случаем являются учебные здания – здесь возможна ситуация, когда по звонку к лифтам одновременно придет большая часть учащихся. Менее сложными являются гостиницы. Наименее сложные в этом аспекте – жилые здания. В них, по сравнению с аналогичным офисным зданием, находится меньшее количество людей, и требования к необходимой провозной способности и времени ожидания гораздо ниже. В жилом здании человек психологически может ждать лифт дольше. Если нормативом для офисного здания высокого класса является время ожидания 30 с, то для жилого это время может составлять 60–80 с.

Следует отметить, что процесс оценки требуемого количества лифтов начинается при разработке самой концепции здания. Очень часто бывает так, что архитектор предусматривает какое-то место для размещения лифтов, проект уходит к конструкторам, другим смежникам. К инженерам по лифтовому оборудованию попадает уже в достаточной степени проработанный проект, в котором, однако, совершенно недостаточно лифтов. Существенно изменить проект уже невозможно, приходится искать компромиссное решение, которое не может в полной мере удовлетворить потребности здания. Поэтому, как только разработана основная концепция здания, известны объемы и высоты, следует определять требуемое количество шахт лифтов.

Есть очень грубый метод для определения требуемого количества лифтов в офисных зданиях. Он не дает точных результатов, тем не менее, лучше использовать хотя бы его, чем вообще ничего не считать (известны примеры проектов, в которых на 28-этажное офисное здание предусматривалось всего четыре пассажирских лифта). Суть метода состоит в том, что количество человек, находящихся в здании, делится на 250, количество этажей в здании делится на 3 и из двух полученных цифр выбирается наибольшая – это и будет искомое количество лифтов.

Энергосбережение

Энергосберегающие мероприятия систем вертикального транспорта – отдельная большая тема, к которой мы еще планируем вернуться. Здесь отметим два из них. Первое – использование систем управления, за счет которых снижается количество вызовов и количество поездок. Второе – использование массы лифта и массы противовеса для выработки энергии – при движении нагруженной кабины вниз или пустой кабины вверх появляется возможность за счет разбалансирования системы вырабатывать электроэнергию. Эта энергия потребляется самими же лифтами, что позволяет существенно сократить ее затраты.