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乘电梯到太空

世界有超过100亿的人口,但到现在为止曾经上过太空的人应该不超过100人,首先因为太空船的燃料费惊人,而且当太空船离开地球时,太空人虽然承受3-5倍的地深吸力,并且当太空船穿过大气层时,人体会受到很大的震动,所以能够上太空的人实在少之有少。

不过,近年有很多人研究太空旅行团,当中最有名的就是维珍集团的主席─Richard Branson,他的理念都是设计一些低廉的太空船,让普通人都可以一尝太空旅游的滋味。另外,日本亦出现了一个名为「Japan Space Elevator Association」(宇宙太空电梯协会) ,它们锐意建造一部可以通往太空的电梯,这样旅客便可以简单地乘坐这部电梯到达太空,而且由于电梯已是室内密封的空间,旅客便不需要穿上太空衣到达太空,并且不需要承受穿过大气层的压力,亦不用需要承受超过3-5倍地深吸力的压力,所以一般体质的人仕都可以上太空。

但是如何建造一座22,000里的电梯呢? 结构又如何承担呢?

现在世界最高的大楼─哈拉法塔都只是840m高,结构部件已是异常巨大,而且做价惊人。如果要做22,000里高的建筑物又谈何容易呢? 甚至可以说是不可能。

 

 

但是日本的一众工程师想出一个绝妙的方法,就是利用超级钢缆把电梯的基坐来连接人造卫星,这样结构部件便会成拉力(extension) 而不是受压(compression) 。简单一点来说,就好像一个链球运动员一样,他用力把链球不断地根据自己的重心而旋转,这样连结的钢缆便成拉力,这便是物理学上所说的Circular motion (圆周运动) 。

在这样的情况,人造卫星就是重量(比喻作链球) ,基坐就比喻作运动员的重心。只要当人造卫星以均速围绕地球旋转,即是旋转的速度与地球自转的速度相同,这样人造卫星便可以以同一角度来与地球连接,而钢缆都不会因此而变得弯曲,无论地球发生海啸、台风都不会影响钢缆的角度,因为它的角度是在乎人造卫星与地球之间的角度,除非地球出现大地震/地壳移动,否则钢缆的角度是不变的。电梯便可以根据这角度来运送旅客至太空。

现在的挑战是如何制造一条比钢强180的纳米炭纤维的钢管,现在这电梯需要的纳米炭纤维钢管都要比现存的强4倍。所以现在由日本大学的教授来研究这物料,而整个研究项目可达至600亿港元,现在整个研究项目不是由日本政府全资研究,反而是由多个财团合资发展。

不过,奇怪的是就算可以带来大量的旅客都未必可以收回600多亿的投资成本,这项目到底为何可以吸引如此多的财团来参与投资呢?

这电梯不单可以把人送到太空,还可以把垃圾/高污染的废物送至外太空,这样便可以解决地球过多垃圾的问题。

另外,如果要把人造卫星的转速调至与地球自转相同的话,人造卫星的就必须要在地球赤道之上,所以赤道之上的空间同样是地球资源的一部分,但是由于现在联合国没有权力控制/管理太空的资源,因此各国都不断尽快放出人造卫星来霸占赤道之上的空间,而这部电梯将可以有助已占领太空的国家进一步统战太空。

最重要的一点,现在月球上其中一种的矿石拥有helium-3,这是高效能的能源,现在研究发现只要25吨的矿石(一艘穿梭机的份量)便足以整个美国使用一年。如果这部电梯可以连接到月球的话,便可以定时派人/机械人到月球开采矿石,不用使用穿梭机这般高风险和高成本的方法来开采,这电梯的出现便可以为自身的国家/地球带来源源不绝的能源和无限的财富,甚至可以控制未来的世界。

 

关于Japan Space Elevator Association

http://jsea.jp/en/

关于月球能源:

http://www.abc.net.au/news/newsitems/200411/s1252715.htm




世界第一高楼─哈利法塔 (Burj Khalifa)

 上一会介绍了一座840m高的垂直都市,今会便是为大家介绍现时世界上最高的大厦─哈利法塔,它的总高度是828m,总共160层高,并拥有以下的世界纪录。

世界最高的大厦

世界最高的结构

世界最高的单一结构

世界最多层数的大厦

世界最高的电梯

世界最快的电梯

世界最高的燎望台

世界最高的游泳池

世界最高的清真寺

混凝土泵至最高层数的世界纪录

 

哈利法塔虽然都达到了800m以上,但是基本的设计如普通大厦没有很大的分别,只是一座超巨型的综合性大楼,人类都需要不时离开这座大厦才可以生活。不像Millennium Tower一样,锐意改变人类生活的模式,让一个城市必需的部分都放在一座大厦之内,让人类只需在一座大厦之内便可以生活。话虽如此,哈利法塔确实为垂直都市作了重要的一步。

结构

 在哈利法塔建造之前,很少人都会研究中东800m以上的风力,更何况世界第二高的结构─Warsaw radio mast都只是646m,加拿大的CN tower 都只是553m,因此在兴建时曾放出汽球来搜集数据,而这实验对整个设计作了重要的改变。

一般的大厦是只会进行5次以内的风洞测试,但哈利法塔的情况实在太特殊,工程师作了40次风洞测试来了解风力对结构的影响,才能进一步确认结构上的安全。为了稳定整个结构,整座大楼上细、下大,这样可以令大厦在强风吹袭之下,摆动情况可以减少。但其实这是最不合受乎经济效益的做法,因为大厦的层数是愈高愈贵。而且无论层数的高低,都需要一它数目的消防梯、电梯、机房和洗手间,所以如果高层的空间太少的话,实用率会很低,而很难收回成本,因此香港的摩天大厦的顶层只会比低层略为细少一点,极少数的例子如中银大厦一样,高层只是低层的4分之1的面积。

平面

一般的多层商业大厦都会把电梯放在中央,办公空间则尽量四四方方,只有少数的例子如中环广场、中银大厦(三角形平面)和合和中心(圆形平面)。再者,务求使室内空间变得实用,四边的空间都会尽量连接,这使每层办公室有更大的灵活度来调整的大少。

但是在哈利法塔的例子中则是Y型的平面,Y型平面的多层大厦在香港是很常见的类型,但都只限于政府房屋,因为在政府每层单位的大少已决定了,单位是不会组合或分隔,所以Y型的平面是完全没有问题。

这大厦建筑师─SOM选择的Y型的平面的原因是希望这大厦的单位可以尽览波斯湾的景色,每个单位都有自己的景观,而且在结构上亦相对地稳定。不过对哈利法塔的情况来说,就好像不太适合,因为这大厦除了包括酒店、豪宅之外,还在高层设有办公室、健身室、会议室、清真寺等,所以Y型的平面好像未能满足横向空间的需求和应有的灵活度。

而且可能这大厦在结构上有很大的要求,在每一个房间之间由很粗的结构墙来分隔,这代表每个单位的间格已经定下来,如果将来由住宅改变作商业用途的可能性很低。

但是,哈利法塔有12层是酒店、70层是住宅、其余大部分是办公室。从这样的比例来说,很令人怀疑此项目的招租和销售情况,何时才能在杜拜消化这样大的一级豪宅供应呢?

消防/电梯

万一发生火警,根本不可能要求住客跑160层楼梯才逃至地下,所以在每隔25层便有一个逃生层让住客逃至该层来等待消防的救援。

由于这大厦都是采用一般处理手法,所以当火警时,电梯会自动回到首层,务求不会再有新增的人仕进入大厦,而且亦避免火头可以通过电梯糟漫延至其他层数,情况就有如香港最惨烈的火灾─嘉利大厦一样。

至于消防员则是从首层进入消防梯(通常是用作送货梯) ,然后通往各层。而消防梯的要求多数是需要1分钟之内能够通往各层,所以哈利法塔的消防梯是全世界最高速─时速64km/hr。其实时速64km/hr是一个很低的速度,一般在街上的车都能够达到这个速度,但是要在1分钟内由静止加速至64km/hr,然后再急速地减速至0km/hr。在短时间有如此急速的改变,对人体的压力其实一点也不小。

哈利法塔预计同一时间会有35,000人同一时间使用,所以工程师早期是希望是使用3层电梯,但最后都只是使用双层电梯。双层电梯就是两层的电梯在同一时间行走,住客可以同时在1楼和2楼进入电梯,并通往其他层数。(香港新鸿基大厦便是使用双层电梯。)

哈利法塔为了减少电梯占用的面积,都自然有转电梯的需要,但是为了满足载客量,这大厦都需要设备57部电梯。




Sears tower (电梯篇)

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今日来到Sears tower的最后一篇,之前讲过电梯槽设计可以说是摩天大厦设计中用最多时间的一部份,为何?

原因是电梯的配合并不是一件容易的事情,当设计大厦早期时,机电工程师/屋宇设备工程师会设算这大厦大约需要多少部电梯。电梯的多少便当然取决于大厦的层数和面积,另一点便是电梯的速度,工程师会计算一部电梯需要停顿的层数,并假设电梯会停顿的次数,需要多少时间来跑完这座大厦。

在一般情况下,工程师都希望把等电梯的时间控制在1分钟之内,有时会设定在2分钟之内。因此有部份电梯就只跑高层,有一些就只跑低层,目的就是希望减少停顿的层数来控制等电梯的时间。因为万一停顿层数大多的话,便需要更多的电梯来满足需求,但大多电梯除了减少实用面积之外,当然还增加了成本。请不要少看一部电梯的成本,一部普通的电梯都需要过100万元,如果是高速电梯或观光电梯就更不止这个数目。

所以,建筑师和工程师便尽量把电梯的数目调整至合理的水平,亦尽量安排电梯的排法,如果设计出来同一区电梯是需要4部电梯平排的话,便很容易对用家错失电梯,又或者是3部,3部对排的话,亦会对用家做成困扰。所以,近年开始流行用电脑派梯的按制系统,就好像太古坊一带的商厦都是用这系统,为的是希望集中同一层的用家在同一部电梯来减少停顿的层数,借此减少电梯的数目,在理论上好像可行但好像不太受用家欢迎。

万一在设计后期收到大租户的要求,希望在大厦加设独立的电梯大堂并要求部份电梯为私用电梯的话,就更是大灾难。听起来好像很简单,但如果有关布局并未附合大租户的要求,就差不多要重新排过所有的电梯并重新计算有关的时间,虽然工程部万不愿意,但租务部的一句话有钱的人是最大的便令所有人都投降。

讲到电梯就必须要讲消防梯, 消防梯的要求是需要在1分鐘之內能夠把消防員送至大廈所有層數之中的其中一層,尽管如西尔斯大厦或上海国金的超级摩天大厦都有同样的要求,所以大关的电梯都很快。在台北101大楼的电梯是每一分钟行540米,所以时速可达60公里/小时。大家可能以为60公里/小时不是一个很大的速度,普通在街上的汽车都不止这个速度,不过大家要考虑一部电梯是在静止的状态下,短时间加速至60公里/小时,亦在短时间之内减速至静止状态,这并不是一件简单的事情。

要做到这样除了要强劲的马达和减速器之外,还需要人类能够承受的压力。

F(力力)= M(质量 – 质量)×A(加速 – 加速度)

力量和加速度(或减速度)成一个正比。情况有如一个人在车上,短时间之内加速至一个高速,亦在短时间之内停车。他便会在加速时先弹后至椅背,然后再在停车时向前弹。

讲完上升还未讲下降,如果急速下降的话,就很可能坐跳楼机般下降,现实情况下当然可以做到很高速的电梯,汽车的引擎都可以在几十秒之内由零加速至100公里/小时,电梯当然可以,只是人体的舒适度。

所以,建筑师很多工作的时间都用在安排电梯,走火梯和电线管道的位置,当然是尽量用最少的地方便最好,因为可以增加销售面积。

讲到底,消防梯在那里?消防梯就是大厦的送货梯,所以通常安排在消防门之后,目的是让消防员在地达火场前还有一个安全的空间准备救人,亦避免火焰沿电梯槽漫延至其他层数。