電梯，讓地球增高N米

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的需求。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，它被視為現代電梯的鼻祖。公元前100年左右的中國出現了轆轤與桔槔，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新，現代電梯的安全系統已相當完善。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、節能低噪、故障率低、井道利用率高等優點，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，行業技術水平、律法條令的規范化為世界前列。今日的紐約擁有約58000部電梯，每年電梯運行次數超過110億，每天平均運行次數約3000萬，而因電梯事故死傷的人數很少。根據美國勞工統計局和美國消費者產品安全委員會的數據，2011年美國因電梯事故而死亡的人數約為27人，換言之，乘坐一次電梯發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為32479人。也就是說，只要保養得宜，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，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，城市化的飛速發展從客觀上要求建筑界在密集度方面有所創新。在1852年奧的斯發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年芝加哥發生了一場大火，災后高效的城市重建被視為第一要務，節約城市商業用地，增加更多營業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，并擴展到華爾街、白宮、政府大樓。

電梯出現前，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高樓層中物理移動的需要。直到1920年，紐約開發商推出了“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。老電影里常看到的衣著精致的電梯員，其實是一種安全保障。1887年，能自動開關的電梯門出現，該發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。東芝出品的能調節艙壓的壓力控制系統幫了大忙，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。據稱，日立將把花費4年時間開發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。

發展中國家面臨的城市化挑戰比任何時候都多，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就與世界人口總數相當。盡管這個數據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，以避免意外發生。

150年來，電梯在材質、樣式、操縱控制系統方面不斷推陳出新，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展，有的電梯并因而成為人文景觀。比如，張家界的百龍天梯，垂直高差335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、羅便臣道等中心區域，在方便了行人的同時，也完整地展現了東方之珠的風情。

未來電梯

未來電梯的發展不僅是在速度、長度等方面的比拼，而且已經涌現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，是對電梯工業的又一次解放。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，磁懸浮系統將使電梯實現“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射系統，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，人類就不可能創造出現代意義的城市和文明。