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        電梯,讓地球增高N米

        2015-08-21 18:28:06羅元婕
        中國新聞周刊 2015年30期
        關鍵詞:電梯太空

        羅元婕

        埃及吉薩金字塔群是世界七大奇跡之一,其中最大、保存最完好的胡夫金字塔,高146.6米,底邊長230.5米,由200多萬塊巨石堆砌而成,每塊石頭重2.5噸至15噸不等。據(jù)多方推論,要將體量如此巨大的石塊向頂層運送,并在幾十年內建好,需要10萬人力。他們將石塊沿著地面斜坡往上托運,在金字塔周圍以腳手架的方式層層堆砌,直至竣工。這是發(fā)生在公元前2600年至公元前2500年的故事。

        從金字塔到迪拜塔

        顯然,人類社會很早就有了垂直運輸?shù)男枨?。古希臘時期,阿基米德改進了以滑輪和繩索為主要組成部分的起重裝置,設計了一種由人力驅動的卷筒式卷揚機,它被視為現(xiàn)代電梯的鼻祖。公元前100年左右的中國出現(xiàn)了轆轤與桔槔,它們是由杠桿演變而來的汲水工具,并流行于春秋時期。公元前80年,角斗士和動物們乘坐非常原始的升降設備從地下上升至斗獸場。在中世紀的手稿里,就有人描繪了貨物被吊起并運到各個地方的場景,以及許多操作升降裝置的人。

        到了1203年,位于法國海岸邊的一座修道院的升降平臺做了一個巨大的踏輪,通過把繩子纏繞在結實的柱子上,由毛驢提供提升的動力,提起負重。這段時期,升舉重物的器具主要用于農業(yè)生產和生活。這些裝置基本上相類似,均由卷筒、支架、杠桿、繩索、容器(取物裝置)組成。情況到了18世紀逐漸有所改觀,機械動力被運用到了升降梯上。風流的路易十五賦予了它新的功能:他在凡爾賽宮搭建了一個私人“飛梯”,方便其與情婦在較高的樓層相見。

        但至此,升降梯還有一個根本的安全隱患:一旦纜繩斷裂,負載平臺就必然會發(fā)生墜毀事故。幸而1852年,美國人伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯解決了這個問題。他在升降平臺頂部安裝一個特制彈簧緩沖器,使之與牽引繩相連,并在牽引軌道的每一面都裝上一個棘尺條作為安全裝置。當電梯突然下落,或彈簧緩沖器受到撞擊后,安全裝置被彈簧的反作用力觸動,夾住導軌,使轎廂和對重(電梯曳引系統(tǒng)的組成部分,其作用是平衡轎廂的重量)減速。這是世界上第一部以蒸汽機為動力、配有安全裝置的載人升降機,這臺載人升降機于1854年在紐約水晶宮世博會上展出。

        經過一代代人的研究與創(chuàng)新,現(xiàn)代電梯的安全系統(tǒng)已相當完善。目前廣泛使用的轎廂式電梯可分為兩大類,一種是曳引電動機直接驅動的曳引電梯,即那種被六條或八條鋼絲繩吊在半空中的電梯,它靠鋼絲繩與曳引輪槽之間產生的摩擦力驅動來實現(xiàn)升降;另一種是液壓傳動的液壓電梯,它基于液壓原理運行,因其載重量大、運行平穩(wěn)、節(jié)能低噪、故障率低、井道利用率高等優(yōu)點,近來在商場、辦公樓、停車場、車站與機場等公共場合被廣泛使用。

        無論是哪種形式,現(xiàn)代電梯的安全裝置均包括了制動器、調速器、剎車器和緩沖器,更高級的電梯還可能帶有地震感知裝置等。這些安全設施都經過多角度考量測試而得,形式多變,不斷向智能化發(fā)展,旨在確保電梯的下墜速度能被控制,以保護乘梯人的安全。

        盡管如此,致命電梯事故仍會發(fā)生,但這往往是在最極端的情況下——例如,所有曳引繩同時斷裂。1945年就發(fā)生了這樣的事故。一架B-25轟炸機由于在濃霧中迷失了方向,撞上紐約帝國大廈79層,燒斷了兩部電梯的曳引繩,使之從75層急速墜落。但由于當時電梯巷道內空氣已被壓縮,電梯上的減震彈簧尚未完全失效,加之梯底的緩沖器同時起作用,電梯中的一名女操作員雖受重傷,卻幸而保命。

        這位電梯操作員的幸運,一部分來自其身處的城市——紐約是電梯的故鄉(xiāng),行業(yè)技術水平、律法條令的規(guī)范化為世界前列。今日的紐約擁有約58000部電梯,每年電梯運行次數(shù)超過110億,每天平均運行次數(shù)約3000萬,而因電梯事故死傷的人數(shù)很少。根據(jù)美國勞工統(tǒng)計局和美國消費者產品安全委員會的數(shù)據(jù),2011年美國因電梯事故而死亡的人數(shù)約為27人,換言之,乘坐一次電梯發(fā)生致命意外的可能為0.00000015% 。與之對比,2011年美國因交通意外而身亡的人數(shù)為32479人。也就是說,只要保養(yǎng)得宜,在所有交通工具中,電梯算得上是最安全的一種。

        正在清潔北京國家大劇院內自動扶梯的工人。攝影/Ng Han Guan

        事實上,讓公眾對電梯的安全性有了信心,正是美國人奧的斯的另一個重要貢獻。1857年,紐約百老匯的一個百貨商場第一次使用了奧的斯發(fā)明的電梯,該商場只有5層樓高,電梯運行速度為每分鐘40英尺(約12.2米)。而今天,世界最高建筑迪拜的哈利法塔(也稱迪拜塔),高828米,連同地下共有169層,大樓內共有56部電梯穿梭其間,平均速度能達到每秒10米 。安全問題的解決解放了升降梯行業(yè),也為那些想建造更高層建筑物的設計者們打開了通途。

        電梯與城市

        18世紀起步的工業(yè)革命宣告了城市化的開始。到了19世紀,日益增長的人口密度與原有的土地面積不相匹配,城市化的飛速發(fā)展從客觀上要求建筑界在密集度方面有所創(chuàng)新。在1852年奧的斯發(fā)明安全升降裝置之前,超過6層的建筑物較為罕見,人們不愿爬太多階梯,而水壓式垂直升降機能提升的高度只有15米。

        1871年芝加哥發(fā)生了一場大火,災后高效的城市重建被視為第一要務,節(jié)約城市商業(yè)用地,增加更多營業(yè)面積是主導思路之一。在這樣的社會背景下,芝加哥家庭保險大樓落成。這一建筑被視作現(xiàn)代摩天大樓的起源。該大樓設計使用金屬制的柱與梁取代石與磚以支持上一層的樓面,減輕了建筑物的重量,為修建更高的結構提供了可能。這也是對芝加哥地價昂貴、用地不足問題的應對。顯然,電梯的普遍使用是建造此類摩天大樓的前提。很快,電梯開始在紐約公寓住宅中出現(xiàn),并擴展到華爾街、白宮、政府大樓。

        電梯出現(xiàn)前,閣樓與頂部樓層被視為雜貨間、洗衣房,或供仆役和窮人居住。電梯運用初期,其安全性還不被完全接受,它僅僅滿足了人們在辦公區(qū)高樓層中物理移動的需要。直到1920年,紐約開發(fā)商推出了“頂層公寓”(Penthouse)的概念,使居住頂層或帶有露臺的樓層成為有錢人的專利,他們甚至能夠建造屬于自己的私人電梯,阻隔外人。

        一方面,電梯空間為完全陌生的人提供了交集的可能,另一方面,它進一步定位了社會階級。就像精準描繪了20世紀五六十年代紐約的《廣告狂人》,劇中與電梯相關的場景多達59個,它們上上下下地帶動劇情發(fā)展,其象征意義不言而喻。

        頻繁地與陌生人在這么狹小的空間里相遇,不免會有尷尬的事情發(fā)生。于是,電梯空間的設計要同時考慮舒適與安全。19世紀,電梯門還不能自動打開,需要人自行開關。老電影里??吹降囊轮碌碾娞輪T,其實是一種安全保障。1887年,能自動開關的電梯門出現(xiàn),該發(fā)明讓乘梯人不再會因為忘記關門而意外掉入梯井中,也讓乘坐電梯的過程多了一份私密性與安全感。

        經過多年的探索和演變,現(xiàn)代標準的電梯空間設計建議,每人所占面積至少為0.19平方米。按照這個標準,站在滿員的電梯里會被擠得不像樣,但電梯是一個能讓陌生人之間接受這種“親密接觸”的公共空間。這種設計同時能最大限度地杜絕超重,確保安全。文化對電梯設計也有影響,實際上,亞洲人對擁擠的梯內空間接受度更大。

        隨著技術的發(fā)展,建筑的高度相對來說更容易被達成,而競賽的重點轉移到了電梯的速度、舒適度、安全性與創(chuàng)意度上。異軍突起的亞洲國家,比西方甚至更加熱衷于此。1930年建造的紐約克萊斯勒大樓高318.9米,擁有77層,電梯運行速度僅為4.5米/秒。到了2004年,臺北101大樓高509米,共106層,電梯運行速度為16.8米/秒,從5樓直達89樓的室內觀景臺只需37秒。東芝出品的能調節(jié)艙壓的壓力控制系統(tǒng)幫了大忙,它解決了電梯超高速行駛過程中的氣壓變化問題,能夠減緩乘客耳膜的不適,同時減少艙體與空氣摩擦時產生的噪音。

        正在建設的廣州CFT周大福財富中心的電梯由日立承包。據(jù)稱,日立將把花費4年時間開發(fā)出的高輸出功率的永磁電機運用于此,在加強繩索強度的同時減輕其重量。該電梯還配有檢測風壓導致的橫向振動的零部件,負責減輕振動,使得乘坐體驗更加舒適。預計財富中心落成后,電梯運行的速度能達到20米/秒。

        發(fā)展中國家面臨的城市化挑戰(zhàn)比任何時候都多,幾乎每年都有6000萬左右的人口向城市轉移。根據(jù)奧的斯公司的調查,每5天,鑲有奧的斯標志的電梯運送的總人數(shù)就與世界人口總數(shù)相當。盡管這個數(shù)據(jù)只是一個形象的類比,但它充分說明了電梯在人類生活中越來越重要的事實。

        在人流量大、人口密集的開放式場所,電動扶梯能有效舒緩擁堵。與升降機相比,電動扶梯所占空間較多,而且行走的垂直速度相對緩慢,但是因其連續(xù)運作,無需等待,使得其總載客量反而高很多。

        電動扶梯原理簡單,核心部件是兩根鏈條,它們繞著兩對齒輪進行循環(huán)轉動。扶梯頂部的電動機驅動傳動齒輪,以轉動鏈圈。但也正是由于結構簡單,使之在機械和電氣方面風險較大。電網失壓等造成電動機反轉或驅動力不足,驅動裝置與梯級鏈輪之間的驅動鏈斷鏈;超載等原因都會導致扶梯故障。扶梯運營方應該定時檢修并正確提示安全的乘梯方式,而乘客也應盡量遵守安全提示,以避免意外發(fā)生。

        150年來,電梯在材質、樣式、操縱控制系統(tǒng)方面不斷推陳出新,電梯種類繁多,但各種電梯被接受的前提條件仍在其安全性能的不斷提高,在此基礎上電梯的趣味性也有所發(fā)展,有的電梯并因而成為人文景觀。比如,張家界的百龍?zhí)焯?,垂直高?35米,運行高度326米,由154米的山體內豎井和172米的貼山鋼結構井架組成,采用三臺雙層全暴露觀光并列分體運行。乘客身在其中完全能感受到自然盛景的氣勢恢弘。再比如,香港長達800米的半山扶梯,連接了中環(huán)街市、沿閣麟街、荷李活道、些利街、摩羅廟交加街、羅便臣道等中心區(qū)域,在方便了行人的同時,也完整地展現(xiàn)了東方之珠的風情。

        未來電梯

        未來電梯的發(fā)展不僅是在速度、長度等方面的比拼,而且已經涌現(xiàn)出更多超乎人們想象的“概念電梯”。

        2013年,芬蘭公司Kone研制出了超輕質碳纖維的“超級繩索”(ultrarope),長度遠遠超過現(xiàn)有電梯曳引繩,可達1000米。該繩的研制花費了9年時間,成品會比傳統(tǒng)鋼絲繩輕7倍,能耗少,且使用壽命是前者的兩倍。“超級繩索”的出現(xiàn),是對電梯工業(yè)的又一次解放。它將被用在沙特阿拉伯城市吉大的王國塔,該塔預計2019年完工,樓高約1600米。倘若這幢摩天高樓成功落成,未來2000米以上的人類建筑就不再是幻想。

        意圖顛覆電梯技術的公司不僅這一家,德國的蒂森克虜伯公司于2014年宣布,其未來的新型電梯技術“MULTI”已處在開發(fā)階段,2016年將公布測試結果。他們借鑒磁懸浮列車設計原理,意欲擺脫傳統(tǒng)的曳引繩,用升降機井讓電梯快速升降。該公司還聲稱,磁懸浮系統(tǒng)將使電梯實現(xiàn)“水平輸送”,多個輸送艙形成復雜回路,更適合運用于人口密度高的大型城市建筑。

        的確,地球上最理想的電梯應該是在水平與垂直方向都能隨意移動的。這樣一來,建筑物的形式將不再受限,公共空間的使用與設計將物盡其用,人們也能在等待、乘梯的過程上花更少的時間。那么地球外呢?由美國航空航天局(NASA)前工程師邁克爾·萊恩創(chuàng)辦的電梯港集團公司宣稱,由于在月球上建太空電梯比在地球上建更容易,所以該公司可用現(xiàn)有技術在月球上建造一座太空電梯,并表示這一想法能在2020年成為現(xiàn)實。

        最早從技術角度討論了“太空電梯”這個概念的是科幻作家阿瑟·克拉克。他于1978年出版的《天堂之泉》曾構想:人們可乘電梯去太空觀光,并實現(xiàn)外太空和地球之間更便捷的物資交換。太空電梯與普通電梯的不同在于它的作用。它的主體是一條永久性連接太空站和地球表面的纜繩,用于貨物運送。此外,被地球帶動旋轉的太空電梯可以被做成一個發(fā)射系統(tǒng),如此,飛船從地面運送到大氣層外足夠高的地方,只需一點加速度,就可以起航。

        2005年3月23日,美國宇航局正式宣布太空天梯已成為世紀挑戰(zhàn)的首選項目。俄國和日本也不甘示弱。比如,日本建筑公司大林組,其太空電梯初步計劃里,安裝在軌道站上的太陽能電池板負責為太空電梯提供能量,升降艙可容納30名游客,速度約為201公里/小時,只需一周左右便可進入距離地面約3.6萬公里的太空。當然,太空電梯的研制面臨著很多困難,比如,引繩所需的納米碳管還只是毫米級制品,距實際運用水平差距甚遠;電梯會因太陽風、月球和太陽的重力影響而搖擺不定;太空垃圾可能會撞裂曳引繩,造成無法預估的損失。

        從某種意義上說,電梯之于城市,就如紙張之于閱讀。而對于地球而言,沒有電梯,人口的分布將平鋪在地球表面上,人類將受限于有限、單一的空間;沒有電梯,城市將沒有垂直空間,沒有密集的人口,沒有更高效的資源利用;沒有電梯,就沒有不斷升起的高樓大廈,那樣,人類就不可能創(chuàng)造出現(xiàn)代意義的城市和文明。

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