垂直运输是超高层建筑施工的生命线, 施工电梯是除塔式起重机外超高层建筑施工最常用的不可或缺的垂直运输设备, 其运输能力和合理配备直接影响整个工程的工期、成本和效益。

目前施工电梯最多只能运行2个梯笼。在超高层建筑施工时, 为满足施工人员及材料运输需求, 需配置数量较多的施工电梯。随着超高层建筑高度和体量进一步发展, 施工电梯相应运力不足及功效低下等问题日益凸显:①多台施工电梯造成平立面布置困难, 影响设备性能发挥且占用大量施工平立面位置, 相应部位的施工预留需待电梯拆除后修补, 延长了总工期;②适用于超高层施工的电梯导轨架有几百米甚至更高, 由于只能运行2部梯笼, 利用率低下;③通道塔的出现缓解了布置多台施工电梯对施工占用的不利影响, 但成本极高, 并带来繁多的设计、安装、拆除等额外工作。

为克服上述问题, 本文提出一种单导轨架多笼循环运行电梯 (下文简称“循环电梯”) , 可成倍增加单台设备运载能力, 简化平立面布置, 提高施工电梯运行效率。

循环电梯是在现有施工电梯基础上演变而来, 除了保留常规导轨架和梯笼等部分, 主要由旋转换轨机构、竖向卸载附墙、分段供电系统、群控调度及安全防撞系统等组成。梯笼通过在导轨架布设的旋转换轨机构变换轨道, 进而实现多部梯笼在单根导轨架上循环运行;竖向卸载附墙作为循环电梯的承力基础, 将整个导轨架分割成荷载相对均匀的数段, 单独传递至建筑物, 改变所有竖向荷载均从顶到底传递的唯一传力路径, 提升了导轨架的承载冗余度;分段供电系统是梯笼的动力来源, 通过采用滑触线分段供电, 满足多部梯笼共用线路;群控调度及安全防撞系统是循环电梯安全高效运行的保障, 通过多级安全防线避免梯笼碰撞, 实现群体控制及智能调度。循环电梯组成如图1所示。

循环电梯整体设计是在满足预想功能的基础上, 适应超高层建筑施工特点, 主要包括循环电梯的使用规划、平立面布置等。

循环电梯突破了传统施工电梯梯笼只能在导轨架一侧上下运行的限制, 类似于城市轨道交通, 其梯笼在导轨架上循环运行。

电梯梯笼在单根导轨架上的一侧轨道 (亦称“上行轨道”) 只向上运行, 在另一侧轨道 (亦称“下行轨道”) 只向下运行, 梯笼在上行轨道向上运行至顶部后, 通过设置在导轨架顶部的旋转换轨机构, 从上行轨道变换到下行轨道向下运行, 到达底部的旋转换轨机构, 变换轨道至上行轨道, 周而复始实现循环运行, 从而在单根导轨架循环运行多部梯笼。

超高层建筑施工的垂直运输主要依靠塔式起重机和施工电梯, 特别是人员和其他塔式起重机无法覆盖的材料、构件完全依赖于施工电梯。超高层建筑施工由于其特殊性, 在垂直运输方面具有以下特点。

1) 超高层建筑施工的运输高度极大, 运输量大, 需停靠楼层多。

2) 当前超高层建筑施工一般采用内筒外框不等高同步攀升工艺, 结构主体、设备安装、幕墙、室内装饰等在立面上分不同楼层同步开展。

3) 根据施工特点, 不同时段的运输任务和运输量有很大区别。如上下班时段, 以满足施工人员为主, 其他时段以运货为主, 同时也穿插施工人员运送。

结合循环电梯运行原理及超高层建筑上述施工特点, 在超高层建筑施工过程中布置2台循环电梯至施工作业面顶部, 1台主要用于运输施工人员, 1台主要用于运输货物;当上下班高峰期时, 2台均投入运送施工人员。根据施工工期、运输任务量、导轨架容纳量等, 合理设计高峰期梯笼总数量, 在施工总体进度的不同阶段及每天不同施工时段, 按需投入不同数量的梯笼。

由于超高层建筑作业空间狭小, 循环电梯除满足运输能力外, 还需在平面、立面合理布置, 满足协同作业、高效运行。

循环电梯平面布置时通常根据建筑结构形式、各施工阶段工作量、现场总平面布置及设备工作性能合理选择平面位置进行集中布置, 避免设备之间及设备对结构施工的干涉。

循环电梯立面布置时, 应根据建筑形态、各专业施工节奏、设备性能及附着形式动态调整, 同时应考虑布置在不同位置时对井道、幕墙或二次结构等施工预留的影响, 正式电梯提前运行也是应该考虑的因素之一。

超高层建筑一般拥有宽敞的地下室空间, 在施工期间将其作为循环电梯储存“车站”及检修“车间” (见图2) , 用于梯笼存放及修理保养, 可与地上正常运行的梯笼隔开, 互不干扰。主体结构施工到一定高度, 精装、幕墙、电梯等单位插入后, 会出现中部楼层垂直运输需求较大, 故在中部每隔一定高度设置旋转换轨机构, 梯笼能在此换轨, 通过大区间循环和小区间循环提高功效。另外每隔一定距离布置紧身卸载附墙, 可将超长导轨架分割成荷载均匀的数段, 单独传递至建筑物, 提高导轨架安全冗余度。

旋转换轨机构是循环电梯最核心的机电一体化装置, 是实现循环运行的基础, 主要由可旋转机械结构、驱动装置及电控系统组成, 如图3所示。

为实现灵活布置, 可旋转机械结构与常规导轨架标准节平面尺寸大小相似, 可通过简单的螺栓连接构成导轨架的一部分, 布置于任意位置。可旋转机械结构可分为中心固定轴和旋转架体, 两者通过旋转轴承连接为一体, 旋转架体可围绕中心固定轴进行圆周运动。中心固定轴作为旋转架体的基础, 主要起结构支撑作用, 旋转架体是梯笼旋转换轨的载体。

由于导轨架平面尺寸限制, 旋转换轨机构的驱动装置采用回转驱动及伺服驱动, 如图4所示。回转驱动同时具有减速和回转支承的作用, 在获得较大减速比的情况下极大限度地降低对空间的占用要求。伺服电机尺寸小, 驱动功率大且驱动平稳, 能实现精确控制。

旋转换轨机构的电控系统采用手动-自动一体控制。由于处于施工现场露天环境, 需要具备适应复杂苛刻施工环境、可靠性高、自动检错纠错、高精度旋转定位检测技术及自动化程度高等特点。通过PLC控制器接收信息处理后, 向驱动装置发出指令信息, 并实时跟踪实现精确旋转定位, 完成梯笼旋转换轨。

竖向卸载附墙主要将导轨架荷载分段传递至建筑物, 分为可调支撑架和弹簧箱, 如图5所示。弹簧箱顶端连接在导轨架上, 底端与可调支撑架连接, 可调支撑架连接在建筑物上。

可调支撑架包括下撑杆、水平主梁和上拉杆, 均锚固在建筑物上。可调支撑架采用承载冗余设计的双传力路径, 上拉杆和水平主梁组成上三角结构, 下撑杆和水平主梁组成下三角结构, 均能承受巨大竖向载荷且互为冗余。

弹簧箱由2个开口的矩形箱体及中间连接弹簧组成 (见图6) , 能较大程度缓解由于光照、环境温差或其他原因影响下导轨架和附着竖向变形不一致产生的附加应力。在弹簧箱上可安装传感器, 通过测量弹簧变形, 实时监测该处竖向卸载附墙的实际受力状况。

为适应超高层施工需要, 在整个导轨架体系上, 每隔50～100m布置1道竖向卸载附墙, 导轨架被分割成均匀的数段, 单独将荷载传递至建筑物, 避免如传统施工电梯将竖向荷载逐步从上到下全部传递至底部基础, 导轨架应力沿高度每50～100m近似为1个循环, 理论上可实现导轨架高度的不受限。

循环电梯供电系统设计时, 为满足梯笼旋转换轨, 采用滑触线代替传统随行电缆, 同时为满足多部梯笼供电需求, 采用分段供电解决单根滑触线容量不足的问题。

分段供电系统主要由变压器、配电箱、树干式配电线路、滑触线及电气滑环等组成, 如图7所示。外部电源通过变压器从380V升压至690V后, 引入总配电箱, 通过树干式配电线路接入各分段滑触线, 干线与各分段之间设置分段配电箱, 分段配电箱具有对分段内2路冗余滑触线组的开关断路保护功能。每个梯笼通过1个取电切换箱分支出2路集电器接入同侧轨道的2路滑触线 (见图8) , 取电切换箱能选择其中1路滑触线形成通路取电。

为满足滑触线在旋转换轨过程中不中断, 在旋转换轨机构处设置电气滑环, 将附着于旋转架体上的滑触线和相邻导轨架标准节上的滑触线导通。在旋转接口处, 断开滑触线, 接头处采用双向锥形设计, 便于取电器顺利通过。

群控调度及安全防撞系统主要由中央监控站、梯笼监控子站、无线通信网络及楼层呼叫系统等组成。

中央监控站 (见图9) 是整个系统的核心, 配备有控制中心、监视器、操作台及报警器等。楼层呼叫系统收集呼叫请求信息, 梯笼监控子站记录梯笼自身的状态信息, 以上信息均通过无线网络传输到中央监控站, 中央监控站通过运算后指派合适的梯笼响应呼叫请求。此外, 中央监控站实时监测各个梯笼的状态, 对梯笼故障做出及时的原因分析及预警。

安全防撞系统设置多道安全防线, 保证梯笼运行安全。

通过中央监控站实时计算两两梯笼间的距离, 达到一定限值后, 进行系统强制减速、停车。

设计识别及自动紧急制动系统作为第1道防线失效后的安全保障, 由测距仪 (见图10) 进行梯笼间的距离测量, 当距离达到限值后自动报警并切断电源, 自动紧急制动。

设计液压缓冲阻尼器 (见图11) , 在上述2道防线均不起作用的极端情况下, 阻止或减缓梯笼碰撞, 保证梯笼不会脱离导轨发生安全事故。此外, 在梯笼顶部和底部配备的视频监视器可以辅助操作人员进行安全判断。

在传统施工电梯基础上, 通过设置旋转换轨机构变换轨道, 实现梯笼在单根导轨架上循环运行, 通过竖向卸载附墙、分段供电系统、群控调度及安全防撞系统实现多部梯笼在超长导轨架上安全、可靠、高效地运行, 改变了1台施工电梯最多只能运行2部梯笼的现状, 对施工电梯行业的发展起到推动作用。目前, 该循环电梯系统已相继在武汉中心及武汉绿地中心完成试验并投入使用, 后期将加强原始数据的收集, 推进后续优化设计, 为行业从业者提供参考借鉴。