随着科技和经济快速发展，中国城市化进程加快，超高层建筑迅猛增加。超高层建筑运输和消防要求必须应用高速或超高速电梯。电梯轿厢在狭长的井道内高速运行，必将带来一系列空气动力学问题，包括气动阻力、气动噪声和低频振动，由此带来电梯轿厢振动、乘客安全性和舒适性等问题。目前，我国习惯上把电梯速度>5.00m/s的电梯称为超高速电梯 ^[1]。依据现行国家技术标准 ^[2]，超高速电梯运行时轿厢内噪声≤55dB (A) ，垂直方向和水平方向振动加速度分别不大于25cm/s²和15cm/s²。

　　 本文结合上海国际金融中心项目，针对塔楼核心筒高低通井道结构建立二维几何模型，结合工程实际确定各边界条件展开计算，对超高速电梯运行气流组织进行仿真分析。借此发现可能存在的气场问题，为电梯井道钢结构优化提供合理依据。现场施工完成后电梯调试测试数据与模拟结果较为一致，可为类似高低通井道工程提供参考。

　　 上海国际金融中心为超高建筑群塔综合体，工程总用地面积55 290m²，总建筑面积513 123m²，其中地上建筑面积269 117m²，地下建筑面积244 006m²。地上为3幢无裙房超高层建筑;在3幢建筑的7～9层设有3层高度的呈T形布置的空中连廊，高度为40m，总长度达到158m，净跨达到75m (见图1) 。

　　 本工程共设置垂直电梯90部，自动扶梯20部。上交所地块内共设置垂直电梯45部，自动扶梯14部;中金所地块内共设置垂直电梯29部，自动扶梯6部;中国结算地块内共设置垂直电梯16部。

　　 中金所地块内部分电梯为通井道布局，因相邻电梯运行高度不同，电梯轿厢运行时将产生隧道效应并引起振动及噪声。由于安防需要，进入电梯的人员动线分流，上述电梯已无法安排井道互换，即将同样高度的井道设计为通井道布局。

　　 以CF-O-9与CF-L-3电梯为例，如图2所示，高区电梯CF-O-9轿厢全行程井道高度为164.5m，中区电梯CF-L-3轿厢全行程井道高度为108.0m，即CF-O-9单井道行程56.5m。在单井道行程内，超高速电梯轿厢突然转变为在狭长井道内运行，轿厢将带动周围空气并引起附近流场产生强烈扰动，形成一种特定的非定常流场。周围的非定常流场将作用于轿厢造成较大的冲击波，井道内的高速气流会对轿厢产生风阻噪声和横向振动等2个不利因素，严重影响轿厢乘坐舒适度及运行安全性，同时也会降低产品的使用寿命。

　　 参考美国芝加哥的特朗普大厦项目，在通井道轿厢间设置渐变墙是一种有效缓解隧道效应的方式。理论上当电梯轿厢由通井道进入单一井道时，相邻表面越平滑，所产生的空气湍流就越少，从而降低电梯轿厢的振动。

　　 除渐变墙外，参考新加坡大华银行2号楼项目，提出在井道墙上设置卸压孔。渐变墙能缓解基本的问题，而一旦电梯处于单一轿厢井道并以高速运行时，就会产生一定程度的“活塞”和湍流现象。如要排除这种现象，只能通过增加井道的尺寸或采取降压措施。增加井道尺寸目前应已不可行，而降压措施是在井道墙上设置卸压孔。卸压孔可设在靠电梯厅一侧的井道墙体上，标高位于电梯厅吊顶之上。卸压孔朝电梯厅的一侧安装防火阀，由火灾报警系统进行启动 (包括烟感探测器) 。

　　 随着计算机技术的发展，CFD技术普遍应用于各行业有关流体流动的模拟。当前常用的商业数值模拟软件包括PHOENICS, CFX, Fluent, STAR-CD, FIDAP等，这些软件界面良好，具有强大的前处理和后处理功能，可分析从层流到紊流、定常到非定常、不可压到可压、无黏到有黏的几乎所有的流动现象 ^[3]。

　　 本文使用的Fluent软件是我国的主流CFD软件，针对流体物理特点，采用适合的数值解法在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳。在Fluent中，采用Gambit作为前处理软件，使网格可以有多种形状，可预测大部分所测对象的变化趋势，但并不十分精确。利用Fluent软件能缩短设计论证过程和试验时间。基于此，利用CFD软件开展电梯井道气流组织模拟分析。

　　 首先采用Fluent公司的Gambit软件建立二维几何模型。为简化结构，方便构建模拟结构图，只显示影响分析结果的图形局部位置，包括轿厢与轿厢壁、井道与井道壁、井道渐变墙。在使用Fluent软件进行分析时，采用目前应用最广泛的标准k-ε模型方程 ^[4]:

　　 式中:k为湍动能;ε为湍流耗散率;P_t为湍动能生成项;μ_t为湍流粘性系数。模型常数分别为:C_ξ1=1.44, C_ξ2=1.92，σ_ξ=1.3，σ_k=1.0, C_μ=0.09。

　　 由于轿厢是移动的，井道中空气介质的网格在轿厢移动过程中要发生变化，网格随着轿厢移动不断被拉伸、压缩、重构。因此，没有对轿厢周围网格进行局部加密。在Gambit中划分网格，采用铺层方式将网格形状设置为三角形。

　　 在Gambit软件中预设置边界条件，在Fluent软件中导入网格文件后按下述内容设置计算所需的边界条件和参数 ^[5]: (1) 参考的环境压力为101.325kPa; (2) 入口边界条件中，选取压力入口、压力大小与环境压力一致; (3) 出口边界条件中，选取压力出口、压力大小与环境压力一致; (4) 轿厢底、轿厢顶边界类型为移动刚体; (5) 轿厢侧壁边界类型为变形刚体; (6) 设置井道内的气体材料为理想气体; (7) 井道其他部分默认为固体边界类型。

　　 以高区电梯CF-O-9额定速度6.0m/s为例模拟分析轿厢在井道中运行。在模型中，电梯轿厢按以下设置运行模式:忽略电梯加速、减速过程，电梯从轿厢底与井道底的距离为3m的位置，以6.0m/s的速度匀速运行3.5s，当电梯运行到的轿厢顶与井道顶部距离为3m时电梯停止。

　　 轿厢运动从双井道进入单井道，由轿厢周围、渐变墙附近及井道中气流速度的分布云图可知，此时井道中最大气流速度发生在轿厢顶部和底部位置，主要是由于轿厢底气流流线发生急剧变化产生的噪声和轿厢顶出现负压后涡流、紊流产生的气流噪声。从速度分布上看，轿厢顶的区域的气流紊乱发生相对集中，可以判定气流噪声主要来自轿厢顶。据此可推测，由于井道面积的骤变，引起轿厢外气流速度瞬变，轿厢将产生晃动。该骤变导致噪声值瞬间变大，耳膜感应敏捷，将引起乘客不适感。

　　 为有效控制高速电梯的噪声，应根据其产生机理有针对性地采取措施，即在噪声产生前采取措施防止噪声产生;噪声产生后在声源处降低噪声。依据技术作用原理，降噪技术有消声、吸声和隔声3种类型。在电梯轿厢设计中吸声和隔声2种技术已有详细考虑，本文不再赘述。

　　 消声是采取一些构件或结构来降低空气动力性噪声，通常根据空气动力学原理和建模研究分析。一方面采用迷宫型结构设计，例如渐变墙可有效减缓空气噪声传播;另一方面为有效改善高速气流对电梯运行的影响，在轿厢顶部和底部加装RC3型弧形导流罩，可起到良好的降噪作用。

　　 以CF-O-9井道为例，该超高速电梯全行程为164.5m，高区单井道行程为46.5m，单井道全速距离为37.0m。渐变墙高度为19, 18, 17层及16层的部分高度，即渐变墙高度=5+5+5+3=18m (见图3) ，因此，超高速电梯轿厢全速经过渐变墙所需时间是3s。

　　 空气学风洞实验数据记录如图4所示。118m以上，单井道面积为2 800mm×2 800mm;轿厢面积为2 200mm×1 850mm;电梯的速度为6m/s;从图4计算得出井道风速为12.49m/s。118m以下，高低通井道面积为5 800mm×2 800mm;轿厢面积为2 200mm×1 850mm;电梯的速度为6m/s;从图4计算得出井道风速为9.26 m/s。

　　 典型高速电梯含导流罩噪声数据如图5所示，由图5可知:单井道面积时，轿厢内的噪声值=43+1.5×6m/s=52dB (A) ;高低通井道面积增大时，轿厢内的噪声值=43+0.8×6m/s=47.8dB (A) 。

　　 通过分析得知，当井道风速V_max从9.26m/s变为12.49m/s，轿厢内的噪声值瞬间变大;使用渐变墙后，噪声值将变为在3s内逐渐变大，噪声增加平滑过渡，使得人体听觉感官延迟反应，从而达到消声降噪目的。

　　 由于电梯井道施工已结束，再次施工混凝土渐变墙不具备条件。井道内空间狭小，安装施工作业面有限，且该井道内设置有电梯分隔钢梁和楼层混凝土梁，最终选择钢结构渐变墙方案。

　　 考虑到钢板表面光滑，为避免超高速电梯运行时引发钢结构渐变墙产生啸叫，在钢板上涂覆1层表面不规则的反声材料。在现场分别选择传统无机纤维吸音涂料和进口无机陶瓷类厚型防火涂料制作实体小样，鉴于表面处理材料的吸附性与耐久性尤为重要，决定采用防火涂料作为表面处理材料，兼具钢结构防火性能。

　　 渐变墙采用主体材质为Q345B的钢板，邻近核心筒剪力墙、暗柱、混凝土梁采用两侧植筋的方式，竖向连接板与钢板墙相连接;邻近井道中心位置结合电梯分隔钢梁和楼层混凝土梁在钢板墙上设置双面加筋板。

　　 由2017年12月现场完成渐变墙施工结束后电梯运行时CF-O-9井道噪声的实测数据可知，井道高区噪声略有增加，轿厢在单井道中的轿内噪声小于国家规范要求的55dB (A) 。

　　 设计了3个开设卸压孔设计方案，经多方讨论评估后全部放弃，原因如下。

　　 1) 单井道顶部开设卸压孔因机房内更大的噪声会从顶部卸压孔传入井道，该方案不可行。

　　 2) 高区楼层电梯门楣上方开设卸压孔经计算，高区楼层电梯门区噪声值 (不开卸压孔) 为52.33dB (A) ;高区楼层电梯门区噪声值 (开1.2m×1.0m卸压孔) 为50.58dB (A) 。虽然门楣上方开设卸压孔可以再减少噪声1.75dB (A) ，但电梯井道内大量噪声将传入电梯厅及相邻的员工办公区，该方案不可行。

　　 3) 高区井道相邻弱电机房的侧墙上开设卸压孔通过空气动力学原理和建模研究分析，井道内噪声源集中在门区，侧墙上的卸压孔无法有效降低噪声值，该方案不可行。

　　 通过对超高速电梯高低通井道结构建模，结合工程实际确定边界条件展开计算，在井道内设置渐变墙技术为全国首创，可操作性强，消声降噪效果好，具有很大的应用价值。研究总结实际施工工艺结论如下。

　　 1) 高低通井道轿厢间设置渐变墙是一种有效的缓解隧道效应的方式，高区井道噪声由瞬间变大改变为平滑过渡，使得人体听觉感官延迟反应，从而达到消声降噪目的。

　　 2) 混凝土渐变墙具备最佳的消声效果。若工地现场不具备混凝土结构施工条件，钢结构渐变墙可作为替代方案，为避免啸叫还应在钢板上涂覆一层表面不规则的反声材料。

　　 3) 卸压孔设计方案应结合项目实际情况设置，避免产生新的噪声来源。