Вертикальные транспортные системы: лифты и эскалаторы в высотных зданиях
Введение: Основы современных небоскребов
Вертикальные транспортные системы — лифты, эскалаторы и связанные с ними технологии — это системы кровообращения высоких зданий. Без них плотные вертикальные города сегодня были бы непрактичными. Эти системы эффективно перемещают людей и товары через десятки или даже сотни этажей, обеспечивая функциональную плотность, которая определяет небоскребы. В здании, таком как Бурдж-Халифа (828 метров, 163 этажа), лифты движутся со скоростью до 10 метров в секунду, сокращая время в пути от лобби до вершины до менее минуты. Эскалаторы дополняют этот поток в нижних этажах и зонах смешанного использования, обрабатывая большие объемы в розничных и транзитных зонах. В этой статье исследуются инженерные, проектные и будущие эти критические системы, от их происхождения 19-го века до интеллектуальных, оптимизированных для энергии машин завтрашнего дня.
Историческая эволюция лифтов
От древних подъемников до лифта безопасности
Концепция вертикального подъема древняя. Греческие и римские строители использовали простые подъемники, приводимые в действие людьми или животными, для перемещения тяжелых камней. Однако эти ранние системы были опасны — если веревка сломалась, нагрузка упала. Прорыв произошел в 1852 году, когда Элиша Отис продемонстрировал свой лифт безопасности в Нью-Йоркском Кристаллическом дворце. Его изобретение использовало пружинный механизм, который включал в себя рэтчеты на направляющих рельсах, если подъемная веревка не удалась, предотвращая свободное падение. Эта функция безопасности сделала высотную конструкцию жизнеспособной: пассажиры могли доверять машине. К 1857 году первый лифт безопасности пассажиров был установлен в нью-йоркском универмаге, и гонка началась вверх.
Восход электрического тяги
Ранние лифты были гидравлическими или паровыми. Гидравлические лифты использовали плунжер и давление воды, ограничивая проезд примерно до 20 этажей из-за глубины, необходимой для поршневого цилиндра. Электрические тяговые лифты, разработанные в 1880-х годах, изменили все. Электродвигатель приводит в движение шинель (рифленое колесо), который перемещает стальные кабели, прикрепленные к вагону лифта. Противовес уравновешивает вес автомобиля и около 40-50% номинальной нагрузки, снижая потребление энергии. К 1920-м годам тяговые лифты доминировали в высотных зданиях. Сегодня бесступенчатые тяговые приводы могут достигать скорости более 20 м/с, хотя на практике скорости ограничены комфортом пассажиров и высотой здания.
Эскалаторы: непрерывная движущаяся лестница
Эскалаторы прибыли позже. Первая движущаяся лестница была запатентована в 1859 году Натаном Эймсом, но она не была коммерчески успешной. В 1891 году Джесси Рено спроектировал движущуюся пандус для парка развлечений Кони-Айленда. Чарльз Зеебергер сотрудничал с компанией Otis Elevator, чтобы усовершенствовать дизайн, и первый современный эскалатор появился на Парижской выставке 1900 года. Эскалаторы преуспели в перемещении большого количества людей на короткие и умеренные вертикальные расстояния (до 18 метров) эффективно. Их непрерывный поток - не ожидая автомобиля - делает их идеальными для транзитных станций, аэропортов и универмагов.
Виды лифтов в высоких зданиях
Электрические тяговые лифты
Это рабочие лошадки небоскребов. Мотор и коробка передач (или без передач для высокой скорости) приводят в движение шинель, которая перемещает несколько стальных кабелей. Автомобиль едет по направляющим рельсам, а противовес перемещается по отдельным рельсам. Тяговые лифты могут достигать любой высоты и эффективны для применения в средних и высотных приложениях. В сверхвысоких башнях двухэтажные версии стекают два автомобиля в один вал для увеличения мощности без увеличения количества валов.
Гидравлические лифты
Гидравлические лифты используют поршень, приводимый в движение насосом и резервуаром с жидкостью. Они ограничены примерно 6 этажами из-за длины поршня и ограничений давления. В высотных зданиях их иногда используют для малоэтажных зон обслуживания или грузовых применений. Их преимущество: простая конструкция и более низкая начальная стоимость. Но они потребляют больше энергии, потому что нет противовеса, и они не могут достичь высоких скоростей.
Машинно-комнатные (MRL) лифты
В последние десятилетия наблюдается подъем лифтов MRL. Двигатель и контроллер установлены внутри подъемной полосы, что устраняет необходимость в отдельном машинном помещении на крыше. Это экономит ценную площадь и позволяет архитекторам более гибко использовать синхронные двигатели с постоянным магнитом (PMSM) и распространены в зданиях до 20–30 этажей. Однако они менее подходят для очень быстрых или очень длинных подъемов из-за требований к охлаждению и ограничений мощности двигателя.
Двухэтажные и многоавтомобильные системы
Для максимального увеличения пассажирооборота в чрезвычайно высоких башнях двухэтажные лифты перевозят пассажиров одновременно на двух уровнях. Нижняя палуба обслуживает нечетные этажи, верхняя палуба четные этажи (или наоборот). Примерами являются Центр Джона Хэнкока в Чикаго и здание Тайбэя 101. Многовагонные системы, все еще экспериментальные, позволят использовать несколько независимых автомобилей в одном валу с использованием линейных двигателей или других технологий, потенциально удвоя или утроя вал вместимости.
Эскалаторы: дизайн, мощность и безопасность
Механическое строительство
Эскалатор состоит из петли шагов, приводимых в движение цепной системой. На каждой ступени есть колеса, которые ездят по дорожкам, поддерживая плоскую поверхность по мере движения шага вверх или вниз. Поручни представляют собой отдельный резиновый пояс, синхронизированный со ступенями. Современные эскалаторы построены из прочных материалов - нержавеющей стали, алюминия и высокопрочных полимеров - чтобы выдерживать непрерывный износ. Они обычно наклонены на 30 градусов для стандартных установок, хотя 27,3 градуса иногда используются для более мягких склонов.
Вместимость и поток
Эскалаторы могут перемещать от 4000 до 10 000 человек в час в зависимости от ширины (обычно от 0,6 до 1,0 метра) и скорости (от 0,5 до 0,75 м/с). В оживленных транзитных узлах несколько эскалаторов размещаются параллельно для обработки пиковых скоплений. В отличие от лифтов, эскалаторы предлагают непрерывный поток, но они потребляют энергию даже при простое время, поэтому некоторые современные агрегаты используют приводы с переменной скоростью или режимы ожидания для экономии энергии.
Особенности безопасности
Безопасность эскалатора резко улучшилась. Датчики обнаруживают недостающие шаги, обратное направление или чрезмерную скорость и вызывают аварийные остановки. Расчесывающие пластины при входе и выходе препятствуют поимке объектов (или пальцев). Системы торможения избыточны. Несмотря на эти меры, аварии все еще происходят, часто из-за неправильного использования (например, езда с тяжелым багажом или не держа поручни). Регулярное техническое обслуживание и проверки по стандартам, таким как ASME A17.1/CSA B44 в Северной Америке являются обязательными.
Дизайнерские соображения для высоких зданий
Анализ пропускной способности и трафика
Проектирование вертикального транспорта начинается с прогнозирования движения. Инженеры моделируют ожидаемое население пассажиров, использование пола (офис, жилой, отель) и пиковые периоды движения (утренний приезд, обед, вечерний отъезд). Цель состоит в том, чтобы сохранить среднее время ожидания менее 30 секунд и среднее время в пути разумным. В сверхвысокой башне простое добавление большего количества лифтов не является вариантом, потому что каждый вал потребляет драгоценную площадь. Таким образом, дизайнеры используют зонирование, двухэтажные автомобили и отправку назначения для оптимизации.
Зондирование и небесные лобби
Высокие здания разделены на вертикальные зоны. Небо-лобби, скажем, на 40 этаже принимает пассажиров от экспресс-лифтов, которые обходят нижние этажи. Затем пассажиры пересаживаются на местные шаттлы, обслуживающие верхнюю зону. Это уменьшает количество необходимых валов, потому что экспресс-автомобили могут быть меньше и быстрее. Бурдж-Халифа использует несколько небесных лобби; Шанхайская башня имеет три. Эскалаторы часто соединяют разные зоны в небесном лобби для обработки межэтажного движения.
Системы управления направлением
Традиционные лифты используют кнопку вызова в холле для подъема/спуска. Оказавшись внутри, пассажиры нажимают на пол назначения. В диспетчерской отправке назначения (также называемой интеллектуальной диспетчерской), пассажиры вводят свой пол на клавиатуре в вестибюле. Алгоритм группирует пассажиров по месту назначения и присваивает им конкретный автомобиль. Это уменьшает количество остановок и улучшает пропускную способность на 20-30% по сравнению с обычными системами. Ведущие производители, такие как Otis, Schindler и Kone, предлагают эти системы, часто интегрированные с управлением зданием и контролем доступа.
Доступность и универсальный дизайн
Требования кодекса (например, ADA в США) предписывают, чтобы лифты вмещали инвалидные коляски, с широкими дверями, тактильными индикаторами пола, звуковыми сигналами и низким уровнем контроля. Эскалаторы, как правило, не считаются доступными для людей, использующих инвалидные коляски или с нарушениями зрения; таким образом, лифт должен быть обеспечен рядом с каждым эскалаторным банком. В высоких зданиях критически важно, чтобы по крайней мере один лифт в каждой зоне соответствовал стандартам полной доступности.
Структурный и основной дизайн
Лифтовые шахты и машинные помещения накладывают структурные нагрузки. Ядро высокого здания обычно содержит все вертикальные перевозки, лестничные клетки и механические подъемники. Размещение лифтов в центральном ядре обеспечивает стабильность и уменьшает препятствия плана этажа. Однако в некоторых конструкциях живописные лифты на внешней стороне здания предлагают драматический вид, но вводят дополнительные проблемы с подтяжкой ветра и тепловым движением.
Энергоэффективность и устойчивость
Регенеративные приводы
Современные тяговые лифты могут восстанавливать энергию за счет рекуперативного торможения. Когда падает сильно загруженный автомобиль (или поднимается легкозагруженный автомобиль), двигатель действует как генератор, подавая энергию обратно в сетку здания. Это может снизить энергопотребление на 25-40% по сравнению с нерегенеративными системами. В зданиях, которые уже имеют эффективное освещение и HVAC, такая экономия значительна.
Режимы ожидания и управление холостым ходом
Эскалаторы и лифты могут быть запрограммированы для ввода режимов малой мощности, когда они не используются. Эскалаторы могут замедляться до скорости ползания или полностью останавливаться, используя датчики для перезапуска при приближении пассажира. Лифты могут отключать освещение и вентиляцию автомобиля между поездками. В сочетании с эффективными двигателями (например, PMSM в блоках MRL), эти меры способствуют снижению общего углеродного следа здания.
Материал и техническое обслуживание
Прочные материалы продлевают срок службы оборудования и сокращают отходы. Использование светодиодного освещения в автомобилях и коридорах сокращает энергию. Мониторинг на основе условий (вибрационные датчики, анализ масла) позволяет прогнозировать техническое обслуживание, которое минимизирует время простоя и продлевает срок службы компонентов. Некоторые производители теперь предлагают оценки жизненного цикла, чтобы помочь владельцам зданий выбрать наиболее устойчивое вертикальное транспортное решение.
Будущие тенденции в вертикальном транспорте
Высокоскоростные и сверхскоростные лифты
Текущие высокоскоростные лифты достигают скорости около 20 м/с (72 км/ч). Следующий рубеж - сверхвысокие скорости с целями 30 м/с и более. Такие скорости требуют передовой аэродинамики для снижения изменений давления воздуха, которые вызывают дискомфорт в ушах. Такие компании, как Hitachi и Mitsubishi, протестировали прототипы. В сочетании легкие материалы (углеродные волокна вместо стали) уменьшают вес и позволяют более длинные одноместные подъемы. Лифты без петли с использованием линейных двигателей могут еще больше увеличить скорость и емкость, как это демонстрирует система ThyssenKrupp MULTI (хотя все еще находится в разработке).
Умные системы управления и интеграция
Искусственный интеллект и IoT-датчики трансформируют управление лифтами и эскалаторами. Предсказательные алгоритмы изучают закономерности движения и настраивают диспетчеризацию в режиме реального времени. Интеграция с системами доступа к зданиям означает, что человек может вызвать лифт через смартфон во время прогулки по вестибюлю. В аварийных сценариях лифты могут быть запрограммированы на эвакуацию пассажиров или надежное предоставление пожарной службы. Такие системы станут стандартными по мере роста внедрения умного здания.
Персонализированные транзитные контейнеры и AUTO
Такие концепции, как личный быстрый транзит (PRT) для зданий, предлагают небольшие автономные контейнеры, которые перемещаются как вертикально, так и горизонтально. Идея: не ждать, не делиться, прямой маршрут к вашему офису или квартире. Пока еще экспериментальная, она может революционизировать большие комплексы, такие как аэропорты и корпоративные кампусы. На данный момент практические реализации ограничены двухэтажными лифтами и небесными лобби.
Вертикальный транспорт на экстремальных высотах
Поскольку архитекторы предлагают мегаталлы зданий более 1000 метров (например, башня Джидда, запланированная на 1008 метров), вертикальный транспорт сталкивается с новыми проблемами. Несколько лобби неба, многовагонные системы и, возможно, лифты, которые наклоняются или переключаются на горизонтальное движение, будут необходимы. Структурное демпфирование становится важным для предотвращения кабельного колебания. Исследования продолжаются на поясах из углеродного волокна и других нововведениях, чтобы сделать эти мечты осуществимыми.
Эскалатор инноваций
Эскалаторы также развиваются. Спиральные или изогнутые эскалаторы, хотя и редки, существуют в некоторых розничных средах (например, в Лас-Вегасе). Для высоких зданий эскалаторы обычно ограничены нижними этажами, но некоторые конструкции включают наклонные люди, перемещающие для длинных, постепенных подъемов (например, в горах Гонконга). Эскалаторы, собирающие энергию, которые вырабатывают электричество от давления падающих пассажиров, проходят испытания.
Заключение
Вертикальные транспортные системы прошли долгий путь от паровых подъемников до умных, регенеративных машин. Они больше не являются запоздалыми мыслями в дизайне зданий, но являются стратегическими элементами, которые влияют на высоту здания, энергетические характеристики и опыт пассажиров. Следующие десятилетия обещают еще более быстрые, более эффективные и более устойчивые системы, обусловленные материаловедением, цифровым управлением и неустанным спросом на более высокие, плотные города. Архитекторы, инженеры и владельцы зданий должны сотрудничать, чтобы интегрировать эти системы на ранних этапах проектирования, гарантируя, что лифты и эскалаторы завтрашнего дня могут безопасно и комфортно переносить нас вверх - буквально и образно.