電梯技術(shù)與空中城市的可能

文│沈浩浩

1000米的摩天大樓不是夢。在通過建筑城市密度與建筑高度解決城市用地緊張成為趨勢的今天，摩天大樓的高度能否繼續(xù)向上，很大程度上取決于電梯的技術(shù)。最新的技術(shù)已經(jīng)能支撐1600米的摩天大樓。

“超級繩”

芬蘭電梯制造商通力（Kone）剛剛與迪拜一家建筑商達(dá)成意向協(xié)議，將為該建筑商計(jì)劃中的超過千米的摩天大樓提供電梯產(chǎn)品。一個(gè)多月前，通力電梯公司研制出超級堅(jiān)固的碳纖維繩索，被稱之為“超級繩”，能夠讓建造1600米高的摩天樓的夢想成為現(xiàn)實(shí)，這幾乎是當(dāng)前最高建筑828米的迪拜哈利法塔高度的一倍。這項(xiàng)具有革命性的技術(shù)突破，被譽(yù)為“摩天樓工程學(xué)領(lǐng)域的圣杯”。

通力公司宣稱，這種繩索有望改變?nèi)蛱祀H線，通過建造更高的大樓，為全球增長迅速的城市人口創(chuàng)造更多生活空間，緩解地球不堪重負(fù)的人口壓力。

通力采用的技術(shù)是將目前吊轎廂用的鋼索換成碳纖維繩。使用鋼索的問題在于重量太重。每一特定部分的繩子不單要拉起轎廂、攜帶電力和通訊設(shè)備的柔性移動(dòng)纜索，還要承受下方所有繩子的重量。目前500米的電梯豎井已經(jīng)是被認(rèn)為有效的最大值了，光是鋼繩就占據(jù)了這臺移動(dòng)的機(jī)器3/4的質(zhì)量。移動(dòng)這個(gè)大塊頭需要能量，因而電梯越高，運(yùn)營成本也就越高。如果不斷增加繩子的長度，總質(zhì)量也會相應(yīng)提升，鋼索很快就會接近那個(gè)令人不安的極限，因不堪重負(fù)而折斷。

通力電梯稱如果使用其號稱“超級繩”的碳纖維繩，就能減輕電梯吊繩90%的重量。通力的大型項(xiàng)目技術(shù)主管De Jong稱，400米高的電梯所用的鋼繩重達(dá)18650公斤。換做“超級繩”只有1170公斤。與鋼相比，碳纖維力量更強(qiáng)、重量更輕。尤其要強(qiáng)調(diào)的是，碳纖維繩拉伸強(qiáng)度較高，拉伸兩端，很難折斷。這種強(qiáng)度來源于碳原子間的化學(xué)鍵：同樣的化學(xué)鍵使鉆石堅(jiān)硬無比。通力把碳纖維管放入環(huán)氧基樹脂中，然后用堅(jiān)韌表層覆蓋以防磨損。

耗電問題也是電梯技術(shù)需要突破的部分。在一個(gè)500米的電梯井內(nèi)，升降電梯所需的電量中有多達(dá)3/4被繩索消耗，如果希望突破這一極限，必須降低繩索的重量。

使用“超級繩”會減少電耗，以一座安裝10部電梯的建筑為例，640米的鋼索重量達(dá)到186.5公噸，運(yùn)營電梯的能耗將達(dá)到1180兆瓦每小時(shí)。相比之下，同等條件下的超級繩索重量僅為11.7公噸，耗能只有1.05兆瓦每小時(shí)。德喬格指出超級繩索由4個(gè)碳纖維帶構(gòu)成，外面包裹著定制的環(huán)氧基樹脂涂層，用以提高摩擦力和減少滑動(dòng)。

一旦發(fā)生意外，制動(dòng)轎廂也會變得更容易。De Jong說，使用碳纖維繩還能減少維修費(fèi)用，因?yàn)樗鼈兊氖褂脡勖卿摾K的兩倍。另外，碳纖維與其他建筑材料的震動(dòng)頻率不同，也就是說強(qiáng)風(fēng)條件下，碳纖維繩比摩天樓震動(dòng)的次數(shù)更少，而這一點(diǎn)正符合高層建筑的設(shè)計(jì)原則。目前，強(qiáng)風(fēng)可導(dǎo)致一棟建筑的電梯關(guān)閉。如果碳纖維繩投入應(yīng)用，這種情況會更少出現(xiàn)。

天空才是極限

碳纖維電梯纜索不只適用于建筑。最終，它們有可能使科幻小說中的想法成為現(xiàn)實(shí)。太空電梯是20世紀(jì)50年代的構(gòu)想，乘著它，不用火箭就能進(jìn)入繞地軌道。要建成這種電梯，需要從地球赤道上空的對地同步軌道衛(wèi)星上放下一纜索，同時(shí)在太空中配置一平衡纜索。連接地球到衛(wèi)星的纜索算不上傳統(tǒng)的電梯吊繩，因?yàn)樗旧聿荒芤苿?dòng)。其功能類似于提供一個(gè)支撐物，機(jī)械轎廂沿著爬上爬下，運(yùn)送人和器械往返于衛(wèi)星，并由此進(jìn)入宇宙。

看起來，摩天大樓的高度極限在天空。超級繩這項(xiàng)技術(shù)，在通力位于羅荷亞的實(shí)驗(yàn)室已研發(fā)了10年。該實(shí)驗(yàn)室坐落在一個(gè)333米深的礦井內(nèi)，在設(shè)計(jì)上具有很強(qiáng)的抗磨損和抗腐蝕能力，降低維護(hù)成本和減少維修時(shí)間。通力公司首席執(zhí)行官馬蒂·阿拉胡塔指出：“我們正處在大變革的邊緣。能夠研發(fā)出這一富有革新性的技術(shù)，我們都感到非常驕傲。我們相信這種繩索將給全球電梯業(yè)和世界各地的摩天樓帶來革命性變化。超級繩索擁有傳統(tǒng)鋼索無法比擬的優(yōu)勢，這一點(diǎn)毋庸置疑。”

1854年，于紐約舉辦的世界博覽會上，艾利莎·奧的斯站在一個(gè)平臺上，讓人拿斧子砍斷了吊起平臺的繩子，城市自此改變了容顏。奧的斯新發(fā)明的安全起重機(jī)只下落了兩米就被自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)控制住，這令在場的人們感到不可思議。人們從此才有信心使用美國人執(zhí)意稱作“elevator”的電梯，這種信心后來一再拔升建筑的高度。

在建筑歷史中，人類一直保持著對高度的不懈追求。成千上萬的工人通過艱苦的工作建造了埃及金字塔、歐洲大教堂和不計(jì)其數(shù)的其他城堡，人們一直都在努力建造激動(dòng)人心的建筑物。人類建造摩天大樓主要是因?yàn)槠浞奖銓?shí)用——可以在相對較小的地面上建造許多房屋，目前建設(shè)中的世界10大摩天大樓的平均高度比10年前建成的那些大樓平均高出100多米。

據(jù)聯(lián)合國估計(jì)，2050年，全球?qū)⒂?/10的人口生活在城市，建造高層建筑是應(yīng)對城市土地稀缺和住房辦公空間需求增長的一個(gè)有效途徑。所以在當(dāng)前，很多人認(rèn)為，高密度是城市的未來已經(jīng)成為共識。

如果沒有同時(shí)出現(xiàn)的電梯技術(shù)，摩天大樓將永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)。自從1857年紐約的Haughwout百貨公司安裝第一臺客運(yùn)電梯以來，電梯井就已經(jīng)成為摩天大樓設(shè)計(jì)中的主要部分。在大多數(shù)摩天大樓中，電梯井構(gòu)成了建筑物的核心軸。

理論上只要我們有質(zhì)量更輕且更堅(jiān)固的材料、速度更快更高的電梯和更高級的搖擺阻尼器，可容納上百萬或更多的居民到達(dá)千米以上的摩天大樓不是夢。

在通力的千米電梯問世之前，如果要造1000米的摩天大樓，用當(dāng)前的材料和技術(shù)，經(jīng)過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和算法，解決抗風(fēng)荷和抗震都不是難題。芝加哥伊利諾伊理工學(xué)院建筑師安東尼·伍德稱，重量更輕、強(qiáng)度更大的繩子研發(fā)成功意味著建造更高層的摩天大樓的主要限制因素就只剩下成本了。伍德博士還擔(dān)任高層建筑和城市居住理事會執(zhí)行干事一職，該理事會的職責(zé)之一是列出得到官方認(rèn)可的摩天樓高度。

伍德博士稱，如果預(yù)算資金充足的話，現(xiàn)在有能力建起1600米的摩天樓。摩天大樓將需要極其堅(jiān)固的材料和深入加固的地基。施工人員需要精心制作升降設(shè)備和抽水系統(tǒng)，以便將原料和混凝土傳送到頂端。總體算來，建造這樣的一個(gè)高層建筑可以輕而易舉地花掉幾百億美元。

技術(shù)改變城市

即便使用了“超級繩”，也很少有建筑的電梯能從前廳直達(dá)觀景臺。大多數(shù)都會終止于中轉(zhuǎn)性質(zhì)的天空大堂，乘客可以在這里換乘電梯。“主要是因?yàn)槿藗兪遣粫矚g每隔一層停一次的1600英里高的電梯的；乘坐過程的沉悶難以言表，而且這些可憐的乘客或許還得彼此對視?！蔽榈虏┦糠Q。

帝國大廈73層的電梯能以每分鐘183～427米的速度移動(dòng)。如果以最大速度行進(jìn)，從一層大廳到達(dá)80層需要45秒。未來1000米的摩天大樓，需要說服人們在狹小封閉的空間里用2分鐘抵達(dá)頂層。

電梯換乘的設(shè)計(jì)已經(jīng)很普遍。許多摩天樓更像三級火箭，不同建筑層層堆疊在辦公大樓、酒店及公寓樓上。但決定建筑物高度的極限是一個(gè)很復(fù)雜的問題，特別是建筑物高寬比大的建筑物。建筑物越高，自身重量越大，加上抗風(fēng)荷和抗震的要求，支撐建筑物的構(gòu)架，特別是底層的構(gòu)架截面越大，將占用大量建筑面積。而為了有效地運(yùn)輸人員上下，樓越高，安裝的電梯數(shù)量也會增加，也將占用大量建筑面積，內(nèi)部通勤采用電梯換乘方式更是如此，這會使有效使用面積更小，也就失去了節(jié)省城市用地的意義。

235米高的金絲雀碼頭塔是英國最高的建筑，很多人無法理解，為什么英國擁有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力，但不愿推廣摩天大樓。

英國赫爾大學(xué)的城市建筑學(xué)研究學(xué)者弗雷澤解釋說，英國對摩天大樓的限量和限高有著復(fù)雜的原因，倫敦是國際航空港，樓層太高無疑會對航線安全帶來威脅。而對于英國其它城市來說，城市安全因素更是限制高層建筑存在的重要原因。

“9·11”事件后，高樓災(zāi)難也成為英國探討的議題。在業(yè)內(nèi)，高層建筑被稱為“災(zāi)害放大器”。由于高層建筑內(nèi)各專業(yè)豎井林立，火災(zāi)時(shí)這些豎井就像高聳的煙囪，構(gòu)成火勢蔓延的主要途徑，火勢將比低層建筑猛烈百倍。

在英國，摩天大樓還被認(rèn)為會影響鄰近的居民，大樓引起的城市旋風(fēng)會破壞附近的居民，綠色植物也缺乏日照。許多商業(yè)高層建筑使用玻璃幕墻以節(jié)省日間照明，但這會給附近居民帶來光污染，增加冬季供暖能耗并加劇熱島效應(yīng)。

弗雷澤說，建造摩天大樓也需要評估所帶來的交通問題、地盤位移或地層下陷、電波障礙等問題，過去摩天大樓可以緩解緊張的城市用地，風(fēng)荷、抗震、電梯等技術(shù)也隨之得到空前發(fā)展，現(xiàn)在這些領(lǐng)域的技術(shù)甚至走到了前面，但我們需要思考的是，高度再往上的時(shí)候，我們需要用更多的技術(shù)去解決空間浪費(fèi)和居住舒適的問題。

萬通控股的董事長馮侖是高密度建筑的擁護(hù)者，他在西安的立體城市已經(jīng)開工，雖然高度上還稱不上“摩天大樓”。但他說，人類對于未來的預(yù)期永遠(yuǎn)都過于悲觀，技術(shù)改變建筑、改變未來有著難以估量的可能。