铰接式索道：天空地铁

作者 Fritz King、Mats Lundström、Sirpa Salovaara 和 Peter Severin

随着建筑高度的增加，电梯数量、电梯井道、相关能源使用以及乘客等待和旅行时间也会增加。 可出租/可销售面积的损失和不断攀升的能源成本对高层建筑的生存能力提出了挑战。 本文探讨了垂直运输的一种新的创新解决方案，即铰接式索道器。 铰接索道是一个连续的、相互连接的“火车”系统，可以移动人们 集体 ——“空中地铁”。 列车水平放置在指定为“车站”的特定楼层，并在车站之间从水平对齐过渡到垂直对齐，尽管列车车厢和乘客保持水平站立。 铰接式索道从列车制动中获取能量并将其储存起来。 然后使用储存的能量来加速铰接式索道器。 铰接式缆车只需要两个垂直轴，减少了传统电梯的数量，增加了可出租/可出售的占地面积百分比，减少了等待和旅行时间，并且是可持续的。

垂直生活：生活的一个事实

在过去的 30 年里，高层建筑的数量增加了两倍。 1982年，建成高层建筑2,091座； 1992 年为 3,048； 2002 年为 4,306； 7,409 年有 2012 个。这个数字在世界范围内迅速增加。^[1]

近几十年来，世界经历了前所未有的城市增长。 2008 年，世界人口首次在城市和农村地区平均分配。 400万以上的城市有1多个，19万以上的城市有10个。 发达国家约有 74% 的城市化率，而欠发达国家 44% 的居民居住在城市地区。 然而，在许多欠发达国家，城市化正在迅速发生。 预计到 70 年，2050% 的世界人口将实现城市化，而大部分城市增长将发生在欠发达国家。^[2]

1950 年，英国 79% 的人口居住在城市——这已经是一个很大的数字，但到 92.2 年这个数字将上升到 2030%。在其他地方，中国的百分比在 13 年至 40.4 年间从 1950% 上升到 2005%，并且预计到 60.3 年将上升到 2030%。但博茨瓦纳的流入量最大。 明年，预计其 61.2% 的人口将居住在城市地区，但在 1950 年，只有 2.7% 的博茨瓦纳人居住在城市。^[3]

在中国和东南亚，许多特大城市正在建设中，摩天大楼的数量也在不断增加：垂直生活已经并将继续成为生活的事实。 节省能源和空间的高效高层建筑的需求比以往任何时候都多。 铰接式索道器和管状巨型框架提供了一种解决方案来满足这种不断增长的需求。

重新思考垂直运输

摩天大楼诞生于 1850 年代电梯和 1880 年代电动电梯的发明。 在楼层之间运输人和货物的概念是创新的，推动了摩天大楼的发展。 随着建筑物高度的增加，电梯的数量也在增加，并且引入了将电梯分组到一个中央大厅的概念。

银行业务提升了效率并减少了等待时间。 提升速度随着时间的推移而增加，但垂直井内单个盒子的原始概念保持不变。 在高层和超高层建筑中，这种垂直运输的概念需要许多电梯和竖井，而这种需求减少了剩余的可出租/可出售地面空间的数量。 更长的等待/旅行时间和更高的能源消耗加剧了这个缺点。 随着建筑物高度的增加，目前的垂直交通概念似乎需要重新思考。

很明显，高层和超高层建筑类似于垂直城市。 在一个横向的城市里，住宅、办公室、酒店、商场、电影院、医院等很常见，使用公共汽车和地铁作为交通工具是很常见的，也是合乎逻辑的。 同样的逻辑和常识也适用于垂直城市，如果电梯是公共汽车，铰接式索道就是地铁。

铰接式缆车概念

铰接索道（图 1）是一系列相隔一定距离的列车——例如，每 250 m。 火车水平放置在指定为“车站”的特定楼层。 列车从车站的水平路线过渡到车站之间的垂直路线，尽管乘客保持站立姿势。 火车在从建筑物一侧蜿蜒到另一侧的轨道上上升和下降。 如图1所示，随着上行轨道向右、向上和向左遍历； 下行轨道向左、向下和向右移动。 轨道在建筑物的底部和顶部一起过渡，并形成一个连续的循环。 铰接式索道车同时停在所有上、下车站，上下客，上下车站。 车站之间的中间楼层由传统电梯提供服务。

火车概念

铰接索道是一系列由火车车厢制成的火车，用于容纳客车和车厢框架。 铰接式索道设计使乘客保持站立，即使列车路线从水平过渡到垂直。 这意味着托架需要在托架框架内倾斜。 此外，铰接式索道需要以允许建筑物顶部和底部的过渡对齐的方式移动。

建筑物顶部和底部过渡的运动研究（图 2）显示，客车可能会围绕三​​个轴旋转：俯仰、滚动和偏航（图 ​​3）。 运动研究得出结论：1) 车厢需要俯仰，以便乘客保持站立，2.) 车厢需要滚动和偏航，以促进路线弯曲部分的过渡，以及 3.) 车厢将需要（仅）滚动以促进路线垂直部分的过渡。 促进这些运动的概念是在球形车厢框架内放置一个立方体形状（长方体）的乘客车厢。 长方体托架可以在球形框架内俯仰、滚动和偏航。

在路线的垂直部分而不是在曲线中实现过渡运动似乎更简单。 这消除了托架偏航的需要。 在火车车厢之间而不是在车厢中进行滚动运动也是有意义的。 这可以通过旋转的火车车厢之间的耦合机构来完成。 结果是一列带有长方体车厢的桶形车厢框架（图 3）。 自然的过程是形成和塑造空气动力学的列车以减少阻力（图 4）。 每节车厢有八组车轮，在四个轨道上滚动。

2.2 m 的托架框架高度和宽度导致基于几何形状的托架框架直径为 3.11 m，并且显示了 3.5 m 的总托架框架外径。 还显示了 3.5 m 的总框架长度，并导致列车横截面为方形。

运动策略

单、双和三回路配置的俯仰和滚动要求如图 5 所示。

加速度和速度策略

垂直腿上推荐的最快加速度为 1 g。 这将导致下降加速和上升减速的 0-g 环境，以及下降减速和上升加速的 2-g 环境（图 6）。 大于 1 g 的加速度会将乘客与地板“分开”，并需要约束。 对于 1-g 的加速和减速，需要 10.1 秒。 在我们的示例中，在车站之间穿越 250 m，火车将达到 178 kph 的最大速度。 图 6 显示了一系列上升/下降长度的最小时间和最大速度。 很明显，1-g 环境会超过一些乘客的舒适度，因此需要进行研究以确定最大可用加速度。

对于 250 米示例，列车之间的循环时间可以近似。 据估计，列车在车站的卸货和装货可能需要 20-30 秒。 它也需要大约 5 秒。 使列车在上升/下降加速度之前从车站移动并垂直定位。 这，加上10-s。 上升/下降，加起来估计周期时间为 1 分钟。 在高峰使用时间的火车之间。 可以减少非高峰时间的列车运行和周期时间。

动力/制动齿轮

铰接索道是一系列用电缆连接的列车。 电缆跨在列车之间并环绕在齿轮上，其中的路线从车站的水平线过渡到垂直的上升/下降（图 7）。 齿轮连接到电缆上，用于制动和为系统供电。 齿轮连接到发电机/电动机，这些发电机/电动机将在制动时捕获能量并在驾驶时为系统供电。

动态制动、能量存储和电力提取

当下行负载比上行负载重时，铰接式索道从列车制动（动态制动）中获取能量并将其存储。 当上行有效载荷比下行有效载荷重时，储存的能量将用于加速铰接式索道。 能量的捕获和再利用使铰接式索道具有可持续性。 例如，随着午餐时间的临近，大多数乘客将沿着建筑物向下行驶，制动铰接式索道所需的能量将被储存起来，并用于在午餐后为乘客提供动力返回建筑物。

原型建筑

为了进一步解释铰接索道，展示了一个原型建筑及其上部结构（图 8）。 该建筑的平面尺寸为 40 X 45 m，高度为 620 m（约 120 层）。 此配置的细长系数在短方向为 1/15.5，在长方向为 1/13.8。 该建筑有四个铰接式索道站，一个在地面，一个在168 m的高程，一个在353 m的高程，一个在538 m的高程。

车站概念

铰接索道的站点宽 10 m（墙中心线到墙中心线），三层深（图 9）。 乘客从中间层进出火车。 从那里，乘客可以使用自动扶梯将他们带到一层（他们可以到达电梯将他们带上）或下一层（他们可以到达电梯将他们带下）。 穿过上层和下层车站的门可通往建筑物的另一侧。 齿轮和发电机/电动机将安装在车站内。

结构兼容性

铰接索道适用于高效的结构系统，非常适合高而薄的摩天大楼和高强度混凝土。 使用容纳铰接索道的垂直走廊作为上部结构是有意义的，这在中央核心中很常见。 垂直腿宽 6 m（墙中心线到墙中心线）和 10 m 长。 这给出了 8.5 X 4.5 m 的内部净尺寸（1.5 米厚的墙），适合 3.5 x 3.5 米的火车横截面。 使用水平站作为上部结构也很有意义，这在支腿中很常见。 垂直和水平管的组合形成了管状巨型框架。 巨型横管被放置在车站之间的中间高度和建筑物的顶部，以提高结构性能。 这些中间横管位于以下高度：78、264、449 和 615 m。 在垂直方向使用相同的结构系统，对称性产生了 3D 管状巨型框架（图 8）。 所有地板荷载都转移到站台和支腿水平的四个垂直支腿，并带有对角线。

铰接索道的长度是火车车厢数量的函数。 该长度设置了建筑物在车站方向上的最小宽度，并定位了管状巨型框架的一组垂直腿。

管状巨型框架适用于各种地板形状和尺寸。 图 10 说明了三种通用形状并列出了可用的占地面积比率。 铰接索道占据两条垂直腿的一半面积，预计这些轴的另一半将用作管道空间。 将传统的电梯、楼梯和管道系统安装在剩下的两条腿上是有意义的。 将所有垂直运输和管道系统放置在结构的四个支腿内，使地板的其余部分完全开放，从而产生高可用容积率。

垂直运输计划

垂直运输计划是一个带有三个环路和四个站点的铰接式索道和在站点之间运行的传统升降机的组合（图 11）。 乘客有三种移动选择。 他们可以乘坐铰接式索道到车站并乘坐传统升降机，乘坐铰接式索道到车站并乘坐传统升降机或乘坐传统升降机。 第三种选择可能需要从一个电梯运行转移到另一个。 预计这些多种出行选择将增加客流量并减少拥堵。

可居住楼层35层，机械层160层，站间间距22m。 因此，预计车站之间将需要约 XNUMX 部升降机，最高车站上方将需要 XNUMX 部升降机。 这导致建筑物总共有 XNUMX 部电梯。

结构性能

管状巨型框架是一种高效的结构，因为几乎所有的载荷都由设置在建筑物外表面的四个垂直腿承载。

上部结构有七个垂直区域，壁厚从底部的 1.5 m 到顶部的 0.3 m。 使用 ETABS 集成建筑设计软件进行结构分析，风速为 83 mph (37.1 mps)，表明需要 60-70 MPa 的混凝土强度，并且需要最小的增强比。

前五种模式的形状和周期如图 12 所示。模式 1 在 40 米方向，模式 2 在 45 米方向，模式 3 在 40 米方向，模式 4 在 45 米方向-m 方向，模式 5 是扭曲的。

77.5 mph (34.6 mps) 的风速使用 360 GPa 的弹性模量导致 40 米方向的最大层间漂移比约为 H/540，45 米方向的最大层间漂移比约为 H/50。

建筑项目

中央核心区的拆除为尚未融入高大而纤细的摩天大楼的新的和令人兴奋的项目创造了潜力。 由于楼板是开放的，因此可以将音乐厅、会议室、剧院和游泳池编程到建筑物的主体中。

管状巨型框架提供灵活的建筑配置，可以支持多种形式和形状（图 13）。

结语

垂直生活是并将继续成为城市生活的一个事实； 因此，需要为又高又薄的摩天大楼提供高效且可持续的解决方案。 铰接式索道和管状巨型框架的目标是提高效率和可持续性，并有助于发展又高又薄的摩天大楼。 铰接式起索器和管状巨型框架提供：

• 减少电梯井的数量
• 减少电梯数量
• 提高旅客运输速度
• 由于能量捕获和再利用，降低了垂直运输的能源成本
• 可出租/可销售 FAR 增加
• 由于建筑物底部的地板尺寸较小，因此降低了房地产成本
• 可支持 1/15.5 长细比的高效结构系统

高速、大客流量和可回收能源使铰接式索道架成为未来的发展方向。 是时候让新一代电梯系统向前迈出一步了！

案例
[1] Skyscrapercity, skyscrapercity.com [2012 年 XNUMX 月访问]
[2] 人口资料局，prb.org [2012 年 XNUMX 月访问]
[3] 卫报，www.guardian.co.uk/news/data blog/2009/aug/18/percentage-population-living-cities [2012 年 XNUMX 月访问]
[4] Binder, G. 101 of the World's Tallest Buildings, Images Publishing, 2006。
[5] 高层建筑和城市人居委员会 (CTBUH)，CTBUH 摩天大楼中心。
skyscrapercenter.com [2012 年 XNUMX 月访问]
[6] Sarkisian，M.金茂大厦对中国新型创新高层建筑的影响，CTBUH，2006。
[7] Xia, J., Poon, D. & Mass, DC 案例研究：上海中心。 CTBUH 期刊，第 II 期，2010 年，p。 12-18。

转载自 电梯. 最初于 9 年在上海举行的 CTBUH 第九届世界大会上发表，并首次发表在书中 Asia Ascending – 可持续摩天大楼城市时代 在“铰接式索道架和管状巨型框架”的标题下。