电梯技术与空中城市的可能

文│沈浩浩

1000米的摩天大楼不是梦。在通过建筑城市密度与建筑高度解决城市用地紧张成为趋势的今天，摩天大楼的高度能否继续向上，很大程度上取决于电梯的技术。最新的技术已经能支撑1600米的摩天大楼。

“超级绳”

芬兰电梯制造商通力（Kone）刚刚与迪拜一家建筑商达成意向协议，将为该建筑商计划中的超过千米的摩天大楼提供电梯产品。一个多月前，通力电梯公司研制出超级坚固的碳纤维绳索，被称之为“超级绳”，能够让建造1600米高的摩天楼的梦想成为现实，这几乎是当前最高建筑828米的迪拜哈利法塔高度的一倍。这项具有革命性的技术突破，被誉为“摩天楼工程学领域的圣杯”。

通力公司宣称，这种绳索有望改变全球天际线，通过建造更高的大楼，为全球增长迅速的城市人口创造更多生活空间，缓解地球不堪重负的人口压力。

通力采用的技术是将目前吊轿厢用的钢索换成碳纤维绳。使用钢索的问题在于重量太重。每一特定部分的绳子不单要拉起轿厢、携带电力和通讯设备的柔性移动缆索，还要承受下方所有绳子的重量。目前500米的电梯竖井已经是被认为有效的最大值了，光是钢绳就占据了这台移动的机器3/4的质量。移动这个大块头需要能量，因而电梯越高，运营成本也就越高。如果不断增加绳子的长度，总质量也会相应提升，钢索很快就会接近那个令人不安的极限，因不堪重负而折断。

通力电梯称如果使用其号称“超级绳”的碳纤维绳，就能减轻电梯吊绳90%的重量。通力的大型项目技术主管De Jong称，400米高的电梯所用的钢绳重达18650公斤。换做“超级绳”只有1170公斤。与钢相比，碳纤维力量更强、重量更轻。尤其要强调的是，碳纤维绳拉伸强度较高，拉伸两端，很难折断。这种强度来源于碳原子间的化学键：同样的化学键使钻石坚硬无比。通力把碳纤维管放入环氧基树脂中，然后用坚韧表层覆盖以防磨损。

耗电问题也是电梯技术需要突破的部分。在一个500米的电梯井内，升降电梯所需的电量中有多达3/4被绳索消耗，如果希望突破这一极限，必须降低绳索的重量。

使用“超级绳”会减少电耗，以一座安装10部电梯的建筑为例，640米的钢索重量达到186.5公吨，运营电梯的能耗将达到1180兆瓦每小时。相比之下，同等条件下的超级绳索重量仅为11.7公吨，耗能只有1.05兆瓦每小时。德乔格指出超级绳索由4个碳纤维带构成，外面包裹着定制的环氧基树脂涂层，用以提高摩擦力和减少滑动。

一旦发生意外，制动轿厢也会变得更容易。De Jong说，使用碳纤维绳还能减少维修费用，因为它们的使用寿命是钢绳的两倍。另外，碳纤维与其他建筑材料的震动频率不同，也就是说强风条件下，碳纤维绳比摩天楼震动的次数更少，而这一点正符合高层建筑的设计原则。目前，强风可导致一栋建筑的电梯关闭。如果碳纤维绳投入应用，这种情况会更少出现。

天空才是极限

碳纤维电梯缆索不只适用于建筑。最终，它们有可能使科幻小说中的想法成为现实。太空电梯是20世纪50年代的构想，乘着它，不用火箭就能进入绕地轨道。要建成这种电梯，需要从地球赤道上空的对地同步轨道卫星上放下一缆索，同时在太空中配置一平衡缆索。连接地球到卫星的缆索算不上传统的电梯吊绳，因为它本身不能移动。其功能类似于提供一个支撑物，机械轿厢沿着爬上爬下，运送人和器械往返于卫星，并由此进入宇宙。

看起来，摩天大楼的高度极限在天空。超级绳这项技术，在通力位于罗荷亚的实验室已研发了10年。该实验室坐落在一个333米深的矿井内，在设计上具有很强的抗磨损和抗腐蚀能力，降低维护成本和减少维修时间。通力公司首席执行官马蒂·阿拉胡塔指出：“我们正处在大变革的边缘。能够研发出这一富有革新性的技术，我们都感到非常骄傲。我们相信这种绳索将给全球电梯业和世界各地的摩天楼带来革命性变化。超级绳索拥有传统钢索无法比拟的优势，这一点毋庸置疑。”

1854年，于纽约举办的世界博览会上，艾利莎·奥的斯站在一个平台上，让人拿斧子砍断了吊起平台的绳子，城市自此改变了容颜。奥的斯新发明的安全起重机只下落了两米就被自动制动系统控制住，这令在场的人们感到不可思议。人们从此才有信心使用美国人执意称作“elevator”的电梯，这种信心后来一再拔升建筑的高度。

在建筑历史中，人类一直保持着对高度的不懈追求。成千上万的工人通过艰苦的工作建造了埃及金字塔、欧洲大教堂和不计其数的其他城堡，人们一直都在努力建造激动人心的建筑物。人类建造摩天大楼主要是因为其方便实用——可以在相对较小的地面上建造许多房屋，目前建设中的世界10大摩天大楼的平均高度比10年前建成的那些大楼平均高出100多米。

据联合国估计，2050年，全球将有7/10的人口生活在城市，建造高层建筑是应对城市土地稀缺和住房办公空间需求增长的一个有效途径。所以在当前，很多人认为，高密度是城市的未来已经成为共识。

如果没有同时出现的电梯技术，摩天大楼将永远无法实现。自从1857年纽约的Haughwout百货公司安装第一台客运电梯以来，电梯井就已经成为摩天大楼设计中的主要部分。在大多数摩天大楼中，电梯井构成了建筑物的核心轴。

理论上只要我们有质量更轻且更坚固的材料、速度更快更高的电梯和更高级的摇摆阻尼器，可容纳上百万或更多的居民到达千米以上的摩天大楼不是梦。

在通力的千米电梯问世之前，如果要造1000米的摩天大楼，用当前的材料和技术，经过复杂的结构和算法，解决抗风荷和抗震都不是难题。芝加哥伊利诺伊理工学院建筑师安东尼·伍德称，重量更轻、强度更大的绳子研发成功意味着建造更高层的摩天大楼的主要限制因素就只剩下成本了。伍德博士还担任高层建筑和城市居住理事会执行干事一职，该理事会的职责之一是列出得到官方认可的摩天楼高度。

伍德博士称，如果预算资金充足的话，现在有能力建起1600米的摩天楼。摩天大楼将需要极其坚固的材料和深入加固的地基。施工人员需要精心制作升降设备和抽水系统，以便将原料和混凝土传送到顶端。总体算来，建造这样的一个高层建筑可以轻而易举地花掉几百亿美元。

技术改变城市

即便使用了“超级绳”，也很少有建筑的电梯能从前厅直达观景台。大多数都会终止于中转性质的天空大堂，乘客可以在这里换乘电梯。“主要是因为人们是不会喜欢每隔一层停一次的1600英里高的电梯的；乘坐过程的沉闷难以言表，而且这些可怜的乘客或许还得彼此对视。”伍德博士称。

帝国大厦73层的电梯能以每分钟183～427米的速度移动。如果以最大速度行进，从一层大厅到达80层需要45秒。未来1000米的摩天大楼，需要说服人们在狭小封闭的空间里用2分钟抵达顶层。

电梯换乘的设计已经很普遍。许多摩天楼更像三级火箭，不同建筑层层堆叠在办公大楼、酒店及公寓楼上。但决定建筑物高度的极限是一个很复杂的问题，特别是建筑物高宽比大的建筑物。建筑物越高，自身重量越大，加上抗风荷和抗震的要求，支撑建筑物的构架，特别是底层的构架截面越大，将占用大量建筑面积。而为了有效地运输人员上下，楼越高，安装的电梯数量也会增加，也将占用大量建筑面积，内部通勤采用电梯换乘方式更是如此，这会使有效使用面积更小，也就失去了节省城市用地的意义。

235米高的金丝雀码头塔是英国最高的建筑，很多人无法理解，为什么英国拥有经济和技术实力，但不愿推广摩天大楼。

英国赫尔大学的城市建筑学研究学者弗雷泽解释说，英国对摩天大楼的限量和限高有着复杂的原因，伦敦是国际航空港，楼层太高无疑会对航线安全带来威胁。而对于英国其它城市来说，城市安全因素更是限制高层建筑存在的重要原因。

“9·11”事件后，高楼灾难也成为英国探讨的议题。在业内，高层建筑被称为“灾害放大器”。由于高层建筑内各专业竖井林立，火灾时这些竖井就像高耸的烟囱，构成火势蔓延的主要途径，火势将比低层建筑猛烈百倍。

在英国，摩天大楼还被认为会影响邻近的居民，大楼引起的城市旋风会破坏附近的居民，绿色植物也缺乏日照。许多商业高层建筑使用玻璃幕墙以节省日间照明，但这会给附近居民带来光污染，增加冬季供暖能耗并加剧热岛效应。

弗雷泽说，建造摩天大楼也需要评估所带来的交通问题、地盘位移或地层下陷、电波障碍等问题，过去摩天大楼可以缓解紧张的城市用地，风荷、抗震、电梯等技术也随之得到空前发展，现在这些领域的技术甚至走到了前面，但我们需要思考的是，高度再往上的时候，我们需要用更多的技术去解决空间浪费和居住舒适的问题。

万通控股的董事长冯仑是高密度建筑的拥护者，他在西安的立体城市已经开工，虽然高度上还称不上“摩天大楼”。但他说，人类对于未来的预期永远都过于悲观，技术改变建筑、改变未来有着难以估量的可能。