现代超高层建筑广泛采用核心筒结构体系，核心筒通常布置在建筑中央，汇集数量众多的高大垂直井道，如电梯井、通风井、管道井。当建筑室内外存在温差时，空气密度差导致的浮力作用驱动空气通过门窗幕墙等外围护结构缝隙，渗入建筑内部或从建筑内部渗出，并在井道汇聚，形成一种非受控空气运动现象——“烟囱效应”，其强度和室内外温差、井道高度、建筑构件的渗透特性等因素有关。

建筑越高、温差越大、围护结构气密性能越差，烟囱效应越强。冬季由于室内外温差较大，导致的“烟囱效应”（室外冷空气从建筑底层渗入、顶部渗出，图1）强度远大于夏季“逆烟囱效应”。

据作者实地调查，我国近年多栋耗费巨资建成的现代化摩天大楼，建成后出现意想不到的强烟囱效应。这些地标性建筑（图2）几乎都是国内外知名建筑设计单位严格按照现行技术规范设计的代表性作品，所采用的电梯设备也都是高质量产品。

强烟囱效应会导致如下主要问题：

1） 电梯故障。 强烟囱效应造成电梯厅门内、外表面承受的空气压差过大，导致电梯厅门闭合过程的摩擦力超过电梯轿门提供的闭合力，电梯门出现关闭故障，以致整个电梯系统无法正常运行（图3）。

2） 气动噪声问题。 所有出现强烟囱效应的建筑均由于强烈的渗透气流，引发电梯井道空气啸叫，产生高分贝气动噪声，造成整座大楼室内声环境污染。如广州东塔现场实测显示（图4），底层电梯渗透风速约7.6 m/s；长沙国金中心T1主塔底层电梯的实测渗透风速接近10 m/s，电梯井道气动噪声高达98 dB(A)（图5），电梯前室噪声达到80 dB(A)，远超我国室内噪声标准限值。

3） 建筑能耗问题。 超高层建筑单位面积能耗相当于一般公建的3~10倍，其中采暖、空调能耗约占70%。调研发现，冬季出现强烟囱效应的超高层建筑，往往不得不停运并敞开1~2部电梯作为泄压通道。烟囱效应造成的渗透气流带走大量的室内能量，造成了能源的巨大浪费。

4） 污染扩散和火灾隐患。 通过空气传播的病菌和室外空气污染物由烟囱效应驱动，通过围护结构缝隙吸入室内，经垂直井道在整栋大楼内迅速扩散。建筑发生火灾时内部各种竖向井道成为火灾烟气的快速蔓延通道。火灾造成室内空气温度急剧上升，烟囱效应形成的强烈空气对流又将进一步加剧火灾的发展。

在超高层建筑烟囱效应的研究中，由于实测的复杂性和操作困难，目前针对100 m以上的住宅和300 m以上的商业建筑的实测数据非常稀少。有鉴于此，作者在国家自然科学基金项目的支持下，于2017年至2019年冬季对我国东北、华东、华中和华南5座城市（哈尔滨、无锡、上海、长沙和广州）的13栋超高层住宅建筑和商业建筑开展冬季烟囱效应的现场调研和实测研究 ^[1] ，这些建筑都是冬季发生强烟囱效应的“问题建筑”。图6给出实测的13栋超高层住宅建筑和商业建筑的地理分布。

本文报道了实测的一些主要结果，以及在此基础上建议的一种修正的烟囱效应极值压差估算模型，以尝试将超高层建筑的整体气密性这一较难衡量的特性加以量化。

实测的7栋（超）高层住宅建筑楼层在24～50层之间、梯井高度在72～150 m，室内外温差21.2~26.5℃；6栋超高层商业建筑楼层在28～111层之间、高度在100～530 m范围，温差2.4~14.0℃。

现场实测参数包括室内外温度、渗透风速、气动噪声、电梯井道烟囱效应压差（即电梯厅门内外两侧承受的压差）等多物理量，其中烟囱效应压差是衡量烟囱效应强度的关键参数。在研究前期开展的高层住宅现场实测中，采用商用手持式压差测量仪实测电梯井道内外压差，但手持式压差计存在只能单通道测量、不能连续记录读数、以及难以准确定位等缺点；而实验室使用的高精度压力采集系统又难以用到现场环境。为此作者研发了一种烟囱效应实测专用装置“便携式多通道压差采集系统”，具有体积小巧、无损快捷安装、实验室级精度等特点，其适用性在后期开展的超高层商业建筑实测中（图7）得到了验证。

实测方案根据建筑特性和现场条件分为两类：

1）对现场试验条件较好的住宅建筑，沿层高对整栋楼的电梯井道压差开展重点实测。在实测的整个过程中，室外气象条件稳定，风速接近静风条件，而且室内电梯井道较少受干扰，压差分布稳定，具有较好的理论参考价值。

2）对现场试验条件不完全具备的住宅建筑和商业建筑，选择出现强烈烟囱效应的通高电梯、发生烟囱效应问题最严重的建筑底层和顶层开展实测。虽然无法获得整栋楼沿层高分布的烟囱效应压差特性，但底层和顶层实测结果可以代表整栋建筑烟囱效应的最不利状况，因此同样具有重要的实用参考价值。

5.1 高层住宅

图8给出了具有代表性的H1号楼（33层99 m）电梯井道内外压差分布。实测结果显示：

1）在前室门和防火门敞开情况下，电梯压差实测值与井道-室外的理论压差的线性分布规律非常接近，烟囱效应极值压力出现在建筑低层和顶层，最大达到71.4 Pa，中性面处于建筑1/2高度偏上的18、19层附近，说明实测结果的合理性。

2）将前室门和防火门关闭，能减小约30%的电梯井道压差。表明室内空间隔断构件可以起到阻隔室内外空间气流、降低电梯井道压差作用。

在实测的所有建筑中，H3号楼（50层150 m）负1层在防火门开启的工况下，电梯井道最大压差达到171.0 Pa（换算成风速约16.5 m/s，相当于7级风），远超该楼电梯厅门承压阈值，这也是造成电梯故障的根本原因。

图8  H1号楼电梯井道内外压差分布

5.2  超高层商业建筑

表1给出了现场实测获得的6栋超高层商业建筑底层和顶层直达电梯厅门烟囱效应平均压差和渗透风速。

实测结果显示，在6栋商业建筑中长沙国金中心T1主塔烟囱效应相对最强。首层在电梯前室门开启的情况下，直达电梯井道的烟囱效应压差可达113.6 Pa（电梯前室门关闭，压差也高达91.3 Pa）；顶层电梯井道烟囱效应压差可达－117.3 Pa。现场调研发现，这和该商业建筑综合体的底层空间连通设计、围护结构气密性等有关。

6.1 数学模型

研究发现，基于简单“竖井模型”的理论计算式，不能直接用来准确估算复杂超高层建筑的烟囱效应压差分布规律。一方面是因为真实建筑中电梯竖井被不同渗风特性的建筑构件所包围；另一方面由于超高层商业建筑往往设计有多个避难层与室外直接相通，存在多个中性面。

为此，研究对经典的烟囱效应压差理论估算公式进行修正，引入 电梯烟囱效应压差系数 β 以考虑真实建筑渗风特性的影响，得到修正的烟囱效应极值压差估算模型如式（1）所示。

其中：电梯烟囱效应压差系数 β 定义为建筑底层和顶部电梯井道烟囱效应压差绝对值之和与烟囱效应最大理论压差之比，即

根据以上定义， β 可以反映气压从建筑外围护结构到电梯井道的沿程变化程度，即可以反映高层建筑的整体气密性能。电梯烟囱效应压差系数 β 越大，表示建筑构件的气密性越低，则电梯承受的压差越大，反之亦然。

6.2 模型意义

建议的烟囱效应差压模型（式（2））数学表达形式简洁，其中 电梯烟囱效应压差系数 β 相对 ASHRAE 定义的热压差系数 γ （建筑外墙的压差绝对值与理论热压差比值） ， 虽形式相似， 但针对超高层建筑的烟囱效应评估更简单适用。它把 超高层建筑整体（包括外围护结构和建筑内部隔断）的气密性能这一以往较难评价的特性加以量化，物理意义明确，通过实测便于获得，因此可作为表征和评价超高层建筑烟囱效应强度的一个重要定量指标。

7.1 本文总结

1）高层住宅建筑电梯井道的烟囱效应压差整体上符合线性规律，极值压差出现在建筑底层和顶层，烟囱效应最大压差超过电梯系统的抗压阈值是导致电梯故障的直接原因。

2）基于经典热压差模型，引入电梯烟囱效应压差分布系数 β ，建议了修正烟囱效应极值压差估算模型；结合现场实测，给出其中“问题建筑”的系数取值。该模型和参数取值物理意义明确，将建筑整体气密性能这一物理量模式化，可用来估算超高层建筑可能遭遇的烟囱效应极值压差，为超高层建筑及电梯产品设计提供参考。未来随着研究的深入将进一步细化。

7.2  问题探讨

通过对我国不同地域高层住宅和超高层商业建筑冬季烟囱效应的实测研究发现，由于烟囱效应的特殊性（只在建成投入使用的建筑中、特定季节发生，且试验较难模拟）、以及目前国内外建筑和电梯产品设计规范不完善，是导致超高层建筑强烟囱效应问题频发的主要原因。这一问题事实上是“超高层建筑设计-电梯系统设计”的跨学科问题，其中建筑设计是主因。

例如有的商业综合体超高层建筑，设计中没有适当考虑底层围护结构气密性和建筑空间的合理布局，导致烟囱效应问题异常严重，且建成后很难通过局部改建加以改善。不同于风荷载的短期作用，问题严重的建筑一年中有大约1/3时间出现强烟囱效应问题。如同建筑患上季节性流感，虽不至影响结构安全，但严重影响建筑的正常使用功能和绿色节能。

我国是世界上建成和在建超高层建筑最多的国家，这一问题尤显突出。在国家自然科学基金的支持下，作者近年来针对这一问题除了开展现场实测外，还进行了一些风洞试验（图9）和数值模拟 ^[2-3] 等工作，文献[4]（图10）为阶段性工作总结，希望促进这一建筑科学领域交叉学科问题的研究与技术进步。