鉸接細索列車的制作方法
【專利摘要】鉸接細索列車是“列車”的一個連續(xù)且連接的系統(tǒng)，用于移動大批人群，也就是“垂直的地鐵”。列車水平置于在高層建筑物中特定的樓層（被指定為車站）或在采礦作業(yè)中的地下層（被指定為車站）以及地下鐵車站。鉸接細索列車從車站的水平隊列變換到車站之間的垂直隊列、傾斜或弧形隊列，但是乘客保持水平處于站立姿勢。鉸接細索列車從列車的制動，即是動態(tài)制動，捕獲能量并存儲。存儲的能量用于加速鉸接細索列車。能量的再次使用使得鉸接細索列車是可持續(xù)發(fā)展的。在高層建筑物、地下礦山以及地下鐵車站中，鉸接細索列車是傳統(tǒng)升降機的一種替代方案，并且理想地適用于需要向上或向下移動大批人群或貨物的任何情形。鉸接細索列車減少了傳統(tǒng)升降機的數(shù)量，減少了傳統(tǒng)升降機豎井的數(shù)量，減少了等待和循環(huán)次數(shù)，增加乘客和貨物的傳輸速度，由于能量的捕獲和再使用，減少與垂直運輸相關(guān)的能量消耗以及增加高層建筑物中可租/可售的占地面積。
【專利說明】鉸接細索列車
[0001]發(fā)明描述
關(guān)鍵詞:鉸接細索列車，垂直運輸，可持續(xù)的，動態(tài)制動，管道巨型框架。
[0002]垂直式生活:無法改變的事實
高層建筑物的數(shù)量在過去的30年中增加了兩倍。在1982年，竣工的高層建筑物的數(shù)量為2091，在1992年為3048，在2002年為4306，而在今年，也就是2012年，我們有7409個，并且在世界各地，這個數(shù)量正在快速增長。(摩天大樓城市(Skyscrapercity), 2012)
在最近的幾十年中，世界經(jīng)歷了前所未有的城市增長。在2008年，世界人口第一次地平均分布在城市和農(nóng)村地區(qū)。世界上多于400個城市擁有超過100萬居民，19個城市超過1000萬居民。發(fā)達國家的城市化率大約74%，而欠發(fā)達國家44%的居民居住在城市地區(qū)。然而在許多欠發(fā)達國家，城市化的發(fā)展迅速。預(yù)期到2050年，世界人口的70%將會城市化，并且大部分城市增長將產(chǎn)生在欠發(fā)達國家。(人口資料局(Populat1n Reference Bureau),2012)
在1950年，英國79%的人口住在城市，已經(jīng)是一個很大的數(shù)字，但是該數(shù)字到2030年，將增加到92.2%。在其他地方，在1950至2005年之間，中國的比例從13%增加到40.4%，并且預(yù)期到2030年將增加到60.3%。但是，博茨瓦納經(jīng)歷了巨大的流入。明年，預(yù)期將有61.2%的人口居住在城市區(qū)域，而回到1950年，僅有2.7%的博茨瓦納人居住在城市。(衛(wèi)報(Guardian),2012)
在中國和東南亞，許多巨型城市正在建立，并且摩天大樓的數(shù)量不斷地增加:垂直式生活正在并且將要繼續(xù)成為無法改變的事實。對高效的高層建筑物的節(jié)約能源和空間的需求比以往任何時候都多。鉸接細索列車和管道巨型框架是一種滿足持續(xù)增長需求的解決方案。圖1詳細說明了 10個高層建筑物的基本資料。
[0003]重新思考垂直交通
摩天大樓是隨著18世紀(jì)50年代的升降機和18世紀(jì)80年代的電動升降機的發(fā)明而誕生的。在樓層間運輸人和貨物的概念是創(chuàng)新性的并推動摩天大樓的發(fā)展。隨著建筑物的高度發(fā)展，于是提及到升降機的數(shù)量和聚集升降機到中央大廳的概念。銀行升降機提高效率和減少等待時間。升降機的速度隨著時間而增加，但是單獨的箱子置于垂直的豎井中的原始概念始終相同。在高和超高建筑物中，這種垂直運輸?shù)母拍钚枰芏嗌禉C和豎井，并且這種需求減少剩余可租/可售樓層空間的數(shù)量。這個缺點加劇了更長的等待/行進時間和更高的能源消耗?？梢钥匆姷氖?，隨著建筑物的高度的增加，垂直運輸目前的概念需要重新思考。很明顯的是，高和超高建筑物就類似于垂直的城市。在一個水平的城市，擁有住宅、辦公室、酒店、大型購物中心、電影院、醫(yī)院等是很常見的，并且使用公共汽車和地鐵作為一種交通工具是很常見且合乎邏輯的。相同的邏輯和常識可以應(yīng)用于垂直的城市，并且如果升降機是公共汽車，那么鉸接細索列車就是地鐵。
[0004]以上針對于需要在地面以上的建筑中的垂直交通的討論也適用于需要垂直交通的地面以下的情形，例如，地下采礦作業(yè)和地下的地鐵站。
[0005]鉸接細索列車的概念鉸接細索列車(如圖2所示)是一系列隔開一段距離的列車，例如，每隔250米。列車水平置于特定被指定為“車站”的樓層，并且這些車站相互隔開，例如，垂直建筑物或地下豎井高度的每隔250米。列車在車站之間的水平隊列變換到車站之間的垂直隊列，保持乘客處于水平站立姿勢。列車在軌道上上升和下降，從建筑物或者地下豎井的一端迂回前進到另一端。如圖2所示，當(dāng)上行軌道向右穿行，向上和向左，下行軌道向左穿行，向下和向右。軌道在建筑物的底部和頂部一起過渡，并形成一個循環(huán)。鉸接細索列車同時在所有的上行和下行車站停止，卸下和裝載乘客，然后向上和向下繼續(xù)行進到下一個車站。車站之間的中間樓層配有傳統(tǒng)升降機。循環(huán)結(jié)構(gòu)可以變化(圖3、4和5)并且取決于建筑物和地下豎井的幾何結(jié)構(gòu)。
[0006]列車的概念
鉸接細索列車是由列車車廂組成的一系列的列車，并且列車車廂包括乘客車廂和車廂框架。鉸接細索列車按照如下設(shè)計，即使列車隊列從水平變換到垂直，乘客始終保持站立。這意味著車廂需要在車廂框架中傾斜。進一步地，為了使得在建筑物的頂部和底部以及地下豎井的列車隊列的變換，鉸接細索列車需要按照如此方式行進。
[0007]在建筑物頂部和底部的過渡的運動研究表明，乘客車廂可能圍繞三個軸經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)，傾斜、轉(zhuǎn)動和偏航(圖6)。動作研究包括:1.)為了使得乘客保持站立，車廂需要傾斜，2.)為了促使在隊列的彎曲部分的變換，車廂需要轉(zhuǎn)動和偏航，以及3.)為了促使在隊列的垂直部分的變換，車廂(僅)需要轉(zhuǎn)動。促進這些動作的概念即是在球形車廂框架中裝載一個立方的(長方體的)形狀的乘客車廂。長方體車廂可以在球形框架中傾斜、轉(zhuǎn)動以及偏航。
[0008]在隊列的垂直部分實施過渡動作要比彎曲部分看似簡單些。這消除了車廂偏航的需要。在列車車廂之間而不是在車廂中的轉(zhuǎn)動動作變得有意義?？梢酝ㄟ^旋轉(zhuǎn)列車車廂之間的連接機構(gòu)來實現(xiàn)。從而產(chǎn)生擁有長方體車廂、桶形車廂框架的列車(圖7)。通過空氣動力學(xué)來減少阻力來組成和塑造列車是自然發(fā)展(圖8)。每個車廂有8套輪子并在四個軌道上滾動。
[0009]高度和寬度均為2.2米的列車框架產(chǎn)生基于幾何機構(gòu)的直徑為3.11米的列車框架，并且展示了總體車廂框架的外直徑為3.5米。也展示了總體框架長度為3.5米，并產(chǎn)生一個方形的列車橫截面。最終的車廂尺寸要匹配建筑物和地下豎井的結(jié)構(gòu)以及需考慮的乘客/貨物的流量。
[0010]運動的策略
如圖9所示，顯示了單個、偶數(shù)和基數(shù)循環(huán)結(jié)構(gòu)的傾斜和轉(zhuǎn)動要求。
[0011]加速度和速度的策略
在垂直邊推薦的最快的加速度為lg。這將會導(dǎo)致在自由落體加速度和上升減速度中出現(xiàn)Og的環(huán)境以及在自由落體減速度和上升加速度中出現(xiàn)2g的環(huán)境(圖10)。加速度大于Ig將會把乘客或貨物從地板上分離，必須要加以限制。當(dāng)采用Ig的加速度和減速度時，將需要10.1秒來穿過我們例子中間隔250米的車站，并且列車將達到最高速度為178千米/時。圖10描述了一系列上升/下降長度對應(yīng)的最短時間和最大速度。很明顯的是，Ig的環(huán)境將會超出一些乘客的舒適水平，因此，需要引導(dǎo)研究來確定最大可用加速度。
[0012]例如，列車之間的循環(huán)時間可以大約為250米。預(yù)計乘客在車站下車和上車大約使用20秒至30秒。列車也需要大約5秒從車站駛離并在上升/下降加速之前處于垂直位置。這個，加上10秒上升/下降時間，在列車處于高峰使用時段，加起來總共估算的I分鐘循環(huán)時間。在非高峰時段，列車行進和循環(huán)的次數(shù)可以減少。
[0013]驅(qū)動/制動齒輪
鉸接細索列車是一系列通過纜線或一些其他媒介連接在一起的列車。錨索跨越列車，并繞在齒輪上，在齒輪處隊列位置從車站中的水平變換到垂直上升/下降(圖11)。齒輪連接到當(dāng)制動時捕獲能量和駕駛時為系統(tǒng)提供能量的發(fā)電機/發(fā)動機。
[0014]動態(tài)制動、能量存儲和功率提取
當(dāng)下行的有效載荷比上行的有效載荷重時，鉸接細索列車從列車的制動、動態(tài)制動中捕獲能量，并存儲。當(dāng)上行的有效載荷重比下行的有效載荷重時，存儲的能量將用于加速鉸接細索列車。能量的捕獲和再利用使得鉸接細索列車能夠可持續(xù)。例如，當(dāng)午飯時間接近，大部分乘客將沿著建筑物向下轉(zhuǎn)移，用于制動鉸接細索列車的能量將被存儲，并且用于為午飯之后沿著建筑物向上的乘客提供能量。
[0015]原型建筑物
為了進一步解釋鉸接細索列車，展示了原型建筑物。建筑物的尺寸圖為40米乘以45米，高度為620米，有120層。這個結(jié)構(gòu)在短方向上的細長比為1/15.5，在長方向上的細長比為1/13.8。該建筑物有四個鉸接細索列車車站，一個在地面，一個在海拔168米處，一個在海拔353米處以及一個在海拔538米處。(圖12)
車站的概念
鉸接細索列車的車站大約10米寬，墻的中心線對著墻的中心線，并且為3層深度(圖13)。乘客在中間層上下列車。從中間層，乘客可以通過自動扶梯，將他們移動上一層到達向上的傳統(tǒng)升降機或者將他們移動下一層到達向下的傳統(tǒng)升降機。在更高或更低的樓層，有通過車站的門提供通向?qū)γ娼ㄖ锏耐緩?。齒輪和發(fā)電機/發(fā)動機安裝在車站內(nèi)。
[0016]結(jié)構(gòu)的兼容性
鉸接細索列車適用于特別適應(yīng)于高瘦的摩天大樓和高強度的混凝土的高效的結(jié)構(gòu)體系。使用垂直的走廊來涵蓋帶有常見中央核心的超級結(jié)構(gòu)的鉸接細索列車作為是有意義的。垂直邊為6米寬，墻的中心線對著墻的中心線，并且為10米長。在凈尺寸(1.5米厚的墻)內(nèi)提供8.5米乘以4.5米，并且符合3.5米乘以3.5米的列車橫截面。使用帶有常見懸臂梁的超級結(jié)構(gòu)的水平車站也是有意義的。垂直和水平管道組合構(gòu)成了管道巨型框架。為了結(jié)構(gòu)特性，巨型交錯管道布置在車站之間的中間海拔處和建筑物的最高點。這些中間交錯管道在海拔78米、264米、449米以及615米。同樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使用在垂直方向，并且對稱性產(chǎn)生3D管道巨型框架(圖12)。所有的樓層負載轉(zhuǎn)移到四個車站上的垂直邊和傾斜的懸臂梁。
[0017]鉸接細索列車的長度是列車車廂數(shù)目的函數(shù)，該長度設(shè)定建筑物在車站方向上的最小寬度，并且定位了一對管道巨型框架的垂直邊。
[0018]管道巨型框架適用于各種樓面板形狀和尺寸。圖14描述了三種通用形狀并將可用的容積率制成表格?？捎萌莘e率是如下定義的:樓面板面積減去核心面積減去巨型柱。鉸接細索列車占據(jù)了兩個垂直邊面積的一半，并且預(yù)計這些豎井的另外一半將用于管道空間。在剩余的兩個垂直邊中涵蓋傳統(tǒng)升降機、樓梯和管道系統(tǒng)。將所有的垂直交通和管道系統(tǒng)置于結(jié)構(gòu)的四個垂直邊中使得樓面板的其余部分完全空曠，并且產(chǎn)生高可用的容積率。
[0019]垂直交通方案
垂直交通方案是由一個往返于在車站之間的鉸接細索列車和三個循環(huán)、四個車站以及傳統(tǒng)升降機的組合，如圖15所示。乘客對移動有三種選擇。他們可以乘坐鉸接細索列車至車站后乘坐傳統(tǒng)升降機向上，乘坐鉸接細索列車至車站后乘坐傳統(tǒng)升降機向下或者乘坐傳統(tǒng)升降機。第三種選擇可能需要從一個升降機到另一個的轉(zhuǎn)移?？梢灶A(yù)計這些多種移動選擇將會增加客流體積并減少擁擠。
[0020]有35個適于居住的樓層、兩個設(shè)備樓層以及車站之間為160米。因此，可以預(yù)計車站之間將需要6個升降機，在最高車站以上需要4個升降機。這導(dǎo)致建筑物中需要一共22個升降機。
[0021]結(jié)構(gòu)特性
管道巨型框架是有效的結(jié)構(gòu)，是因為幾乎所有的負載由安裝在建筑物外表面的四個垂直邊來承擔(dān)。
[0022]超級結(jié)構(gòu)有七個垂直區(qū)域，墻的厚度從底部的1.5米遞減到頂部的0.3米。用ETABS來計算結(jié)構(gòu)分析，83 mph (37.1 m/s)的風(fēng)速暗示最低加強比率的混凝土強度為60-70MPa。
[0023]第一個五中模式的形狀和周期如圖16所示。模式I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米方向以及模式5是扭轉(zhuǎn)的。
[0024]77.5 mph (34.6 m/s)的風(fēng)速致使應(yīng)用彈性系數(shù)為50.0 GPa，得到在40米方向上的最大層間位移角為H/360，在45米方向上的最大層間位移角為H/540。
[0025]建筑項目
中央核心的去除為未合并到高瘦的摩天大樓中的新的和存在的項目創(chuàng)造了潛力。因為樓面板是空曠的，可以在建筑物的主體中安排音樂廳、會議室、電影院和游泳池如圖17所示，管道巨型框架提供了靈活的建筑機構(gòu)，并支撐許多形式和形狀。
[0026]結(jié)論
垂直式生活是且持續(xù)成為城市生活的一個事實，因此，需要針對于高瘦的摩天大樓的有效且可持續(xù)發(fā)展的方案。鉸接細索列車和管道巨型框架的目標(biāo)是提高效率和可持續(xù)性，并促進高瘦的摩天大樓的發(fā)展。鉸接細索列車和管道巨型框架:
減少傳統(tǒng)升降機的數(shù)目。
[0027]減少傳統(tǒng)升降機的豎井。
[0028]增加乘客運輸?shù)乃俣取?br> [0029]增加貨物運輸?shù)乃俣取?br> [0030]由于能量的捕集和再使用，是可持續(xù)的并減少了垂直交通的能量消耗。
[0031]減少等待和循環(huán)次數(shù)。
[0032]增加高建筑物內(nèi)的可租/可售的容積率。
[0033]閃電般的速度，龐大的乘客/貨物流量以及可再循環(huán)的能量使得鉸接細索列車成為未來的方式。是時候為新一代的升降機系統(tǒng)做出向前的一步。
[0034]參考文獻
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【權(quán)利要求】
1.垂直交通是人類生活的現(xiàn)實并且因此是在高層建筑、地下采礦作業(yè)以及地下地鐵站中的垂直交通需要有效且可持續(xù)的解決方案。鉸接細索列車: 減少傳統(tǒng)升降機的數(shù)目。 減少傳統(tǒng)升降機豎井的數(shù)目。 增加乘客運輸?shù)乃俣取? 增加貨物運輸?shù)乃俣取? 由于能量的捕集和再使用，是可持續(xù)的并減少了垂直交通的能量消耗。 減少等待和循環(huán)次數(shù)。 增加高建筑物內(nèi)的可租/可售的容積率。 閃電般的速度，龐大的乘客/貨物流量以及可再循環(huán)的能量使得鉸接細索列車成為未來的方式。是時候為新一代的升降機系統(tǒng)做出向前的一步。
【文檔編號】B66B9/00GK104379484SQ201280072660
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月26日
【發(fā)明者】弗里茲·金 申請人:弗里茲·金