在地铁中保留桁架，模块化嵌入式更新自动扶梯的研究和实践
摘要：地铁中老旧自动扶梯的更新，工程繁杂、施工周期长、环境影响大，造价高，是扶梯更新的难点和痛点。针对如何以最小环境影响、最短施工周期，满足众多的扶梯型号、最大运行性能和功能要求、最为经济的扶梯更新需求，本文对嵌入式更新型自动扶梯EME（Enbedded Modernization Escalator）的设计思想、核心技术以及施工方案进行了深入探讨，并结合样梯试制，完成了一项以模块化嵌入，“在扶梯中安装扶梯”，进一步验证其可行性的有效实践，并总结出为地铁中的扶梯更新带来的重大价值。
关键字：地铁 轨道交通 自动扶梯  嵌入式  更新 方案
一、扶梯在地铁中的历史、寿命和更新的痛点。
世界上真正进入商业应用的自动扶梯诞生于1900年的巴黎万国博览会，而大规模的应用却是伴随着地铁在城市中的不断扩张。目前全球在用自动扶梯约140万台，而地铁中的自动扶梯占据了相当大的比例，保守的估算至少在10万台以上。 
世界上很多城市的自动扶梯都近百年历史，伦敦、巴黎、慕尼黑、莫斯科、纽约等大城市的
地铁扶梯最早建于上世纪初至30年代，至今仍是城市的主要交通工具和必备设施。
中国自上世纪80年代开始进入了地铁建设时代，公共交通重载型自动扶梯也开始逐渐进入公众的生活。特别在2000年后，随着中国大规模城市化进程，除北京、上海等大城市外，二、三线城市也陆续开始兴建地铁，地铁建设已成为了国内近20年自动扶梯拥有量的主要增长点。至2020年底，我国在44个城市（不含港澳台）共拥有轨道交通线路233条，车站近4660个①。以平均每个车站6台扶梯的保守估计，我国轨道交通的自动扶梯数量近3万台，并将以每年22%左右的复合增长率增长②。
自动扶梯的设计寿命一般都在30年左右，根据GB16899-2011和EN115-1:2017+A1等安全规范要求，自动扶梯一般在使用5至6年后须进行一次大修，而大修都以更换扶手带、梯级、梯级链条等可拆卸部件为主。对于使用了20至30年以上的扶梯，即使经过数次大修，也并不意味着能“焕发青春”，因为扶梯的导轨系统、主机、驱动主轴、紧急制动器等部件的生命周期已进入“晚年”，这些重要部件的老龄退化和最终失效意味着自动扶梯寿命的终结。
这些“年迈”的自动扶梯极易发生故障和安全事故，已经成为城市轨道交通中的安全隐患。因
此对这些老旧自动扶梯的更新已成为城市交通运行管理部门的重要课题和任务，也是面临的重大挑战。
二、影响地铁站扶梯更新的几大因素
传统的扶梯更新方案都是将旧扶梯吊离原位，整体拆除或现场解体。更换一台全新的扶梯，它不仅涉及采购和安装新扶梯本身，而是一个涉及更多方面的系统工程，其包含着巨大的隐形成本和安全问题。
A.对原有建筑的结构、装饰和环境的影响
1)扶梯整机进场，其驳运和吊装极易对建筑装潢和楼层地板造成破坏，有时还会涉及地铁站内的照明、暖通和消防系统，如果将其拆除和恢复，成本会更高。
2)扶梯进入时有可能破坏其它的建筑结构，这在地铁车站一般是不允许的。
B.对地铁运行和商业的影响
1)由于整机扶梯进场，需要封锁地铁站内的入口通道，影响交通流量，造成高峰时段地铁站
内的人流拥堵以及由此产生的安全隐患。
2)站内的广告停运、商店停业，其商业损失也是显而易见的。
C.安全风险和成本
1)如果扶梯的整体吊装和安装在边营业边施工的状态下进行，对周边的乘客和行人造成潜在的安全威胁。
2)施工期间的安全管控必定会产生人力成本和管理成本，不可预见的意外事故也会带来额外的赔偿责任。
因此，老旧扶梯所在的地段越繁华、站台内搬运进出的通道越长、拐弯越多、转弯半径越小、楼层越多、地下埋设越深、原装潢越复杂、涉及的广告墙面越多，其产生的直接和隐形成本就越高，付出的代价就越大。
三、 解决扶梯更新难点的新方案——EME扶梯
我们即将进入“后自动扶梯”时代，扶梯更新将成为自动扶梯产业的主流。
本文探讨的扶梯更新方案的核心理念是：对环境的影响最小，在扶梯中安装扶梯，利用电梯搬运扶梯；适用性强，创造最小的嵌入宽度和长度，最大范围地适用于更新任何一种扶梯型号和规格，创新出一种针对老旧扶梯实施快捷、经济，消除用户痛点的“微创手术”。我们把这种嵌入式更新型自动扶梯（Enbedded Modernization Escalator）产品或方案,简称为EME扶梯（方案）。
为了实现上述核心理念和目标，EME扶梯的设计方案集中研究以下几个核心技术的可行性：
A．完整保留桁架的可行性
老旧扶梯的桁架在经历了20年以上的运行后，其寿命并不会有很大的影响，因为自动扶梯是以静载荷为主，即使是动态载荷，乘客载荷对扶梯的冲击也较小，而且地铁内的扶梯一般在室内，环境温湿度都以人的舒适度来调节，因此扶梯桁架的性能和寿命不会有很大的下降。
其次，如嵌入安装的模块避开原桁架的横向杆件，嵌入过程不需切割和改动原桁架的弦杆、腹杆和横向杆，桁架的所有受力杆件都不会受损，桁架的安全性则不会降低。
但我们也不能掉以轻心，如果严重桁架锈蚀或受到结构性损伤，必定会带来巨大的安全隐患，
所以，对保留下来的桁架进行安全性评估或修缮是必要的。
如嵌入后的模块框架之间能够牢固连接，形成一个新的整体结构，具有足够的机械强度和刚度，同时与原桁架多点立体连接后形成网状结构，则其整体强度将得到极大的提高。
因此采用EME方案，完整保留桁架是可行的。
B．模块化嵌入的技术可行性
以往扶梯的模块化设计，是指对于各种扶梯的型号，尽可能采用通用的零部件，实现各种配置组合，以方便进行生产管理和成本控制。但本文第一次从扶梯的结构上提出了分段的模块化结构概念，这对120年的扶梯历史而言是革命性的。
分段模块首先应具有一个坚固的金属框架，框架上可设置与相邻模块以及与原桁架的连接装置，框架内集成诸多的零件，如曳引机、梳齿板部件、导轨部件、扶手支撑架、扶手带托轮等。框架内部的零件均可在扶梯工厂组装，在工厂的集成度越高，现场的安装工作量就越少，安装周期就越短，人工成本就越低，安装的质量也愈加稳定可靠。
更新模块是否能以更小的外形尺寸嵌入原桁架，这里包括单个模块的宽度、高度和长度，这就需要模块框架采用特殊的结构形式，内部安装的部分零件也可做适应性的局部改变，将传统扶梯内部多余的结构空间腾挪出来，可使嵌入模块更窄、更浅、更短。同时嵌入模块和梯级运行轨迹可巧妙避开原桁架的横向杆件，使嵌入模块和原桁架的各个杆件相互交融。
      因此，只要将嵌入模块的外形尺寸设计得足够小，又巧妙的避让原桁架的所有受力杆件，模块化嵌入在技术上是可行的。
C．嵌入模块的现场安装可行性
模块化嵌入安装的优点显而易见，因为与传统的扶梯整机安装相比，不需要将扶梯整体搬运和起吊，而只需将数量有限的嵌入式模块依次搬运至现场，如采用手推车、电梯、爬楼机等小型设备即可搬运，对建筑几乎没有损害；而与一般更换部件的扶梯大修方案相比，可最大限度地减少安装零件的数量，避免安装时对各个零件现场定位的高难度操作，极大的提高扶梯的安装精度和效率，模块嵌入安装只需保证模块的相互位置而不必考虑模块内部的零件。
在嵌入模块的方案设计时，应充分考虑模块进入原桁架的置入方式和工具，目前已设计有“移动式龙门架”和“侧置式摇臂吊”两种方案，并取得了试验成功。
通过精心的设计和规划，在现场安装嵌入式模块的方案是方便和可靠的，技术上是可行的。
D．嵌入式更新型扶梯的可靠性和安全性
如果嵌入后的分段模块只是分散地固定在原桁架上，更新后扶梯的乘客载荷和嵌入式模块的自重完全作用在原桁架上，所以原桁架的力学性能至关重要，但保留下来的桁架毕竟已经使用了几十年，对其安全性评估又缺乏完善的科学机制，所以原桁架的安全性不能完全确定。
本文探讨的EME扶梯在嵌入模块后采用高强度螺栓相互连接，在中间空隙部位采用斜向拉杆连接，使所有模块形成一个整体，连接后形成一个新的桁架结构，自身具备足够的机械强度和刚度，可以独立支撑和承载。同时与原桁架多点立体连接后形成网状复合结构，桁架的整体强度和刚度得到极大的增强和提高，可以充分保证扶梯支撑结构的安全。
嵌入式模块的底部设置完整的集油盆，嵌入连接后形成完整的集油系统，这样就完全避免了因原桁架的底部封板缺陷而造成漏油污染。
嵌入式模块内采用的零件除个别因结构空间的要求进行局部尺寸调整外，大部分的零件与传统扶梯完全一样，可以和传统扶梯一样选配所有的安全部件，选用与传统扶梯一样的制作材
料，完工后的EME扶梯的性能指标和安全功能应与传统扶梯完全一致，并符合GB16899-2011和EN115-1:2017+A1自动扶梯标准。
四、从嵌入方案到系列化产品及其特点
    EME方案设计时充分调研了世界范围内，自动扶梯的历史沿革和各种结构形式，研究了嵌入更新的可行性。以其灵活多变的嵌入方式，达到可更新扶梯类型、品牌的最大覆盖，因此设计的过程就是标准化和系列化的过程。
根据不同的应用场景，EME扶梯可沿袭原有扶梯的类型和结构形式，形成完整的产品系列，即公交重载型和商用型两大产品系列。
EME扶梯可覆盖的倾斜角度为3模块化设计家具0度、27.3度、25度、35度；梯级宽度为1m、0.8m和0.6m；适用于室内和室外；最大提升高度可达30m；最大运行速度为0.75m/s；梯级链条有内置轮和外置轮两种结构形式可供选择；扶手结构有不锈钢斜扶手和钢化玻璃直扶手两种形式。
EME的标准化和系列化，使扶梯更新项目不再需要有针对性的产品设计，这将充分保证产品的可靠性，最大限度地缩短扶梯更新项目的实施周期。
    本文探讨的EME扶梯设计归纳具有以下主要特点：
1，完整保留原桁架，不需切割原桁架的横向杆件以及其他所有受力杆件，原桁架的强度得到完整保留，“在扶梯中安装扶梯”，使扶梯更新更便捷，对环境影响最小、隐性成本最低。在最严酷的情形下，多台相邻的扶梯中的任何一台都可以在不影响其它扶梯运行的情况下进行扶梯更新。
2，多段模块化结构分离设计，即上部机房、下部机房、上部转向段、下部转向段、中间多段分离设计，单个模块的最大长度2.4米，重量小于1000公斤，使用小型车辆、手推车、电梯等常用设备就可以轻松搬运，灵活进入地铁站台，避免因为扶梯更新而损坏其他设施，最大限度地减轻对周边环境和人流产生的影响。
3，采用特殊的框架结构布局，实现外形尺寸的最小化，可以适应几乎所有扶梯桁架的宽度。对于梯级宽度1米的扶梯，原扶梯桁架的内侧嵌入宽度仅需1328mm，适用于几乎所有品牌和型号的老旧自动扶梯。
4，嵌入安装EME扶梯模块后，各模块采用高强度螺栓连接，形成一个刚性整体，其自身具备足够的机械强度和刚度，可以独立支撑和承载。当嵌入式模块与原桁架多点机械连接后，形成更为坚固的复合结构，使更新后的扶梯强度和刚度得到更大的增强和提高。这就对保留下来的桁架没有承载依赖，因此对原桁架的安全性评估也就没有严苛的要求。