电梯,让地球增高N米

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  埃及吉萨金字塔群是世界七大奇迹之一,其中最大、保存最完好的胡夫金字塔,高146.6米,底边长230.5米,由200多万块巨石堆砌而成,每块石头重2.5吨至15吨不等。据多方推论,要将体量如此巨大的石块向顶层运送,并在几十年内建好,需要10万人力。他们将石块沿着地面斜坡往上托运,在金字塔周围以脚手架的方式层层堆砌,直至竣工。这是发生在公元前2600年至公元前2500年的故事。

从金字塔到迪拜塔


  显然,人类社会很早就有了垂直运输的需求。古希腊时期,阿基米德改进了以滑轮和绳索为主要组成部分的起重装置,设计了一种由人力驱动的卷筒式卷扬机,它被视为现代电梯的鼻祖。公元前100年左右的中国出现了辘轳与桔槔,它们是由杠杆演变而来的汲水工具,并流行于春秋时期。公元前80年,角斗士和动物们乘坐非常原始的升降设备从地下上升至斗兽场。在中世纪的手稿里,就有人描绘了货物被吊起并运到各个地方的场景,以及许多操作升降装置的人。
  到了1203年,位于法国海岸边的一座修道院的升降平台做了一个巨大的踏轮,通过把绳子缠绕在结实的柱子上,由毛驴提供提升的动力,提起负重。这段时期,升举重物的器具主要用于农业生产和生活。这些装置基本上相类似,均由卷筒、支架、杠杆、绳索、容器(取物装置)组成。情况到了18世纪逐渐有所改观,机械动力被运用到了升降梯上。风流的路易十五赋予了它新的功能:他在凡尔赛宫搭建了一个私人“飞梯”,方便其与情妇在较高的楼层相见。
  但至此,升降梯还有一个根本的安全隐患:一旦缆绳断裂,负载平台就必然会发生坠毁事故。幸而1852年,美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯解决了这个问题。他在升降平台顶部安装一个特制弹簧缓冲器,使之与牵引绳相连,并在牵引轨道的每一面都装上一个棘尺条作为安全装置。当电梯突然下落,或弹簧缓冲器受到撞击后,安全装置被弹簧的反作用力触动,夹住导轨,使轿厢和对重(电梯曳引系统的组成部分,其作用是平衡轿厢的重量)减速。这是世界上第一部以蒸汽机为动力、配有安全装置的载人升降机,这台载人升降机于1854年在纽约水晶宫世博会上展出。
  经过一代代人的研究与创新,现代电梯的安全系统已相当完善。目前广泛使用的轿厢式电梯可分为两大类,一种是曳引电动机直接驱动的曳引电梯,即那种被六条或八条钢丝绳吊在半空中的电梯,它靠钢丝绳与曳引轮槽之间产生的摩擦力驱动来实现升降;另一种是液压传动的液压电梯,它基于液压原理运行,因其载重量大、运行平稳、节能低噪、故障率低、井道利用率高等优点,近来在商场、办公楼、停车场、车站与机场等公共场合被广泛使用。
  无论是哪种形式,现代电梯的安全装置均包括了制动器、调速器、刹车器和缓冲器,更高级的电梯还可能带有地震感知装置等。这些安全设施都经过多角度考量测试而得,形式多变,不断向智能化发展,旨在确保电梯的下坠速度能被控制,以保护乘梯人的安全。
  尽管如此,致命电梯事故仍会发生,但这往往是在最极端的情况下——例如,所有曳引绳同时断裂。1945年就发生了这样的事故。一架B-25轰炸机由于在浓雾中迷失了方向,撞上纽约帝国大厦79层,烧断了两部电梯的曳引绳,使之从75层急速坠落。但由于当时电梯巷道内空气已被压缩,电梯上的减震弹簧尚未完全失效,加之梯底的缓冲器同时起作用,电梯中的一名女操作员虽受重伤,却幸而保命。
  这位电梯操作员的幸运,一部分来自其身处的城市——纽约是电梯的故乡,行业技术水平、律法条令的规范化为世界前列。今日的纽约拥有约58000部电梯,每年电梯运行次数超过110亿,每天平均运行次数约3000万,而因电梯事故死伤的人数很少。根据美国劳工统计局和美国消费者产品安全委员会的数据,2011年美国因电梯事故而死亡的人数约为27人,换言之,乘坐一次电梯发生致命意外的可能为0.00000015% 。与之对比,2011年美国因交通意外而身亡的人数为32479人。也就是说,只要保养得宜,在所有交通工具中,电梯算得上是最安全的一种。
正在清洁北京国家大剧院内自动扶梯的工人。摄影/Ng Han Guan

  事实上,让公众对电梯的安全性有了信心,正是美国人奥的斯的另一个重要贡献。1857年,纽约百老汇的一个百货商场第一次使用了奥的斯发明的电梯,该商场只有5层楼高,电梯运行速度为每分钟40英尺(约12.2米)。而今天,世界最高建筑迪拜的哈利法塔(也称迪拜塔),高828米,连同地下共有169层,大楼内共有56部电梯穿梭其间,平均速度能达到每秒10米 。安全问题的解决解放了升降梯行业,也为那些想建造更高层建筑物的设计者们打开了通途。

电梯与城市


  18世纪起步的工业革命宣告了城市化的开始。到了19世纪,日益增长的人口密度与原有的土地面积不相匹配,城市化的飞速发展从客观上要求建筑界在密集度方面有所创新。在1852年奥的斯发明安全升降装置之前,超过6层的建筑物较为罕见,人们不愿爬太多阶梯,而水压式垂直升降机能提升的高度只有15米。
  1871年芝加哥发生了一场大火,灾后高效的城市重建被视为第一要务,节约城市商业用地,增加更多营业面积是主导思路之一。在这样的社会背景下,芝加哥家庭保险大楼落成。这一建筑被视作现代摩天大楼的起源。该大楼设计使用金属制的柱与梁取代石与砖以支持上一层的楼面,减轻了建筑物的重量,为修建更高的结构提供了可能。这也是对芝加哥地价昂贵、用地不足问题的应对。显然,电梯的普遍使用是建造此类摩天大楼的前提。很快,电梯开始在纽约公寓住宅中出现,并扩展到华尔街、白宫、政府大楼。
  电梯出现前,阁楼与顶部楼层被视为杂货间、洗衣房,或供仆役和穷人居住。电梯运用初期,其安全性还不被完全接受,它仅仅满足了人们在办公区高楼层中物理移动的需要。直到1920年,纽约开发商推出了“顶层公寓”(Penthouse)的概念,使居住顶层或带有露台的楼层成为有钱人的专利,他们甚至能够建造属于自己的私人电梯,阻隔外人。   一方面,电梯空间为完全陌生的人提供了交集的可能,另一方面,它进一步定位了社会阶级。就像精准描绘了20世纪五六十年代纽约的《广告狂人》,剧中与电梯相关的场景多达59个,它们上上下下地带动剧情发展,其象征意义不言而喻。
  频繁地与陌生人在这么狭小的空间里相遇,不免会有尴尬的事情发生。于是,电梯空间的设计要同时考虑舒适与安全。19世纪,电梯门还不能自动打开,需要人自行开关。老电影里常看到的衣着精致的电梯员,其实是一种安全保障。1887年,能自动开关的电梯门出现,该发明让乘梯人不再会因为忘记关门而意外掉入梯井中,也让乘坐电梯的过程多了一份私密性与安全感。
  经过多年的探索和演变,现代标准的电梯空间设计建议,每人所占面积至少为0.19平方米。按照这个标准,站在满员的电梯里会被挤得不像样,但电梯是一个能让陌生人之间接受这种“亲密接触”的公共空间。这种设计同时能最大限度地杜绝超重,确保安全。文化对电梯设计也有影响,实际上,亚洲人对拥挤的梯内空间接受度更大。
  随着技术的发展,建筑的高度相对来说更容易被达成,而竞赛的重点转移到了电梯的速度、舒适度、安全性与创意度上。异军突起的亚洲国家,比西方甚至更加热衷于此。1930年建造的纽约克莱斯勒大楼高318.9米,拥有77层,电梯运行速度仅为4.5米/秒。到了2004年,台北101大楼高509米,共106层,电梯运行速度为16.8米/秒,从5楼直达89楼的室内观景台只需37秒。东芝出品的能调节舱压的压力控制系统帮了大忙,它解决了电梯超高速行驶过程中的气压变化问题,能够减缓乘客耳膜的不适,同时减少舱体与空气摩擦时产生的噪音。
  正在建设的广州CFT周大福财富中心的电梯由日立承包。据称,日立将把花费4年时间开发出的高输出功率的永磁电机运用于此,在加强绳索强度的同时减轻其重量。该电梯还配有检测风压导致的横向振动的零部件,负责减轻振动,使得乘坐体验更加舒适。预计财富中心落成后,电梯运行的速度能达到20米/秒。
  发展中国家面临的城市化挑战比任何时候都多,几乎每年都有6000万左右的人口向城市转移。根据奥的斯公司的调查,每5天,镶有奥的斯标志的电梯运送的总人数就与世界人口总数相当。尽管这个数据只是一个形象的类比,但它充分说明了电梯在人类生活中越来越重要的事实。
  在人流量大、人口密集的开放式场所,电动扶梯能有效舒缓拥堵。与升降机相比,电动扶梯所占空间较多,而且行走的垂直速度相对缓慢,但是因其连续运作,无需等待,使得其总载客量反而高很多。
  电动扶梯原理简单,核心部件是两根链条,它们绕着两对齿轮进行循环转动。扶梯顶部的电动机驱动传动齿轮,以转动链圈。但也正是由于结构简单,使之在机械和电气方面风险较大。电网失压等造成电动机反转或驱动力不足,驱动装置与梯级链轮之间的驱动链断链;超载等原因都会导致扶梯故障。扶梯运营方应该定时检修并正确提示安全的乘梯方式,而乘客也应尽量遵守安全提示,以避免意外发生。
  150年来,电梯在材质、样式、操纵控制系统方面不断推陈出新,电梯种类繁多,但各种电梯被接受的前提条件仍在其安全性能的不断提高,在此基础上电梯的趣味性也有所发展,有的电梯并因而成为人文景观。比如,张家界的百龙天梯,垂直高差335米,运行高度326米,由154米的山体内竖井和172米的贴山钢结构井架组成,采用三台双层全暴露观光并列分体运行。乘客身在其中完全能感受到自然盛景的气势恢弘。再比如,香港长达800米的半山扶梯,连接了中环街市、沿阁麟街、荷李活道、些利街、摩罗庙交加街、罗便臣道等中心区域,在方便了行人的同时,也完整地展现了东方之珠的风情。

未来电梯


  未来电梯的发展不仅是在速度、长度等方面的比拼,而且已经涌现出更多超乎人们想象的“概念电梯”。
  2013年,芬兰公司Kone研制出了超轻质碳纤维的“超级绳索”(ultrarope),长度远远超过现有电梯曳引绳,可达1000米。该绳的研制花费了9年时间,成品会比传统钢丝绳轻7倍,能耗少,且使用寿命是前者的两倍。“超级绳索”的出现,是对电梯工业的又一次解放。它将被用在沙特阿拉伯城市吉大的王国塔,该塔预计2019年完工,楼高约1600米。倘若这幢摩天高楼成功落成,未来2000米以上的人类建筑就不再是幻想。
  意图颠覆电梯技术的公司不仅这一家,德国的蒂森克虏伯公司于2014年宣布,其未来的新型电梯技术“MULTI”已处在开发阶段,2016年将公布测试结果。他们借鉴磁悬浮列车设计原理,意欲摆脱传统的曳引绳,用升降机井让电梯快速升降。该公司还声称,磁悬浮系统将使电梯实现“水平输送”,多个输送舱形成复杂回路,更适合运用于人口密度高的大型城市建筑。
  的确,地球上最理想的电梯应该是在水平与垂直方向都能随意移动的。这样一来,建筑物的形式将不再受限,公共空间的使用与设计将物尽其用,人们也能在等待、乘梯的过程上花更少的时间。那么地球外呢?由美国航空航天局(NASA)前工程师迈克尔·莱恩创办的电梯港集团公司宣称,由于在月球上建太空电梯比在地球上建更容易,所以该公司可用现有技术在月球上建造一座太空电梯,并表示这一想法能在2020年成为现实。
  最早从技术角度讨论了“太空电梯”这个概念的是科幻作家阿瑟·克拉克。他于1978年出版的《天堂之泉》曾构想:人们可乘电梯去太空观光,并实现外太空和地球之间更便捷的物资交换。太空电梯与普通电梯的不同在于它的作用。它的主体是一条永久性连接太空站和地球表面的缆绳,用于货物运送。此外,被地球带动旋转的太空电梯可以被做成一个发射系统,如此,飞船从地面运送到大气层外足够高的地方,只需一点加速度,就可以起航。
  2005年3月23日,美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。俄国和日本也不甘示弱。比如,日本建筑公司大林组,其太空电梯初步计划里,安装在轨道站上的太阳能电池板负责为太空电梯提供能量,升降舱可容纳30名游客,速度约为201公里/小时,只需一周左右便可进入距离地面约3.6万公里的太空。当然,太空电梯的研制面临着很多困难,比如,引绳所需的纳米碳管还只是毫米级制品,距实际运用水平差距甚远;电梯会因太阳风、月球和太阳的重力影响而摇摆不定;太空垃圾可能会撞裂曳引绳,造成无法预估的损失。
  从某种意义上说,电梯之于城市,就如纸张之于阅读。而对于地球而言,没有电梯,人口的分布将平铺在地球表面上,人类将受限于有限、单一的空间;没有电梯,城市将没有垂直空间,没有密集的人口,没有更高效的资源利用;没有电梯,就没有不断升起的高楼大厦,那样,人类就不可能创造出现代意义的城市和文明。
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