Câu chuyện con gà hay quả trứng

Điều gì có trước: Những tòa nhà chọc trời hay thang máy với tốc độ cao? Lịch sử của những tòa nhà chọc trời đưa chúng ta đến một câu hỏi hóc búa về con gà và quả trứng. Không có cách nào để trả lời câu hỏi này, nhưng chúng ta có thể xem lịch sử của thang máy để hiểu được hai yếu tố này đã phụ thuộc lẫn nhau như thế nào.

Chúng ta có thể khẳng định chắc chắn rằng có một mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau giữa chiều cao tòa nhà và tốc độ thang máy, và chúng cùng nhau giúp các thành phố phát triển đi lên, thu hút nhiều người và doanh nghiệp hơn. Trớ trêu thay, lịch sử tốc độ thang máy xuất hiện từ một nghịch lý kỳ lạ. Mọi người sẵn sàng dành một giờ hoặc nhiều hơn để đi lại mỗi ngày. Nhưng khi đến một tòa nhà, họ mong muốn đi từ tầng trệt đến tầng đích trong vòng chưa đầy hai phút. Chính việc tìm kiếm sự tiện lợi cũng như tốc độ đã thúc đẩy công nghệ phát triển.

Sự ra đời của vận tải dọc

Thang máy hiện đại là sản phẩm của cuộc Cách mạng Công nghiệp và lần đầu tiên được lắp đặt trong các nhà máy, hầm mỏ và nhà kho. Ví dụ, vào những năm 1830, chúng đã có mặt ở nhiều nhà máy dệt của Anh. Đến những năm 1840, chúng được sử dụng cho hành khách. Đài tưởng niệm Đồi Bunker ở Boston, được dựng lên vào năm 1842, có thang máy chạy bằng hơi nước để đưa du khách lên đài quan sát. Những người giàu có bắt đầu đưa thang máy vào những ngôi nhà của họ vào những năm 1850. Thang máy thương mại đầu tiên dường như đã được lắp đặt ở Thành phố New York trước Nội chiến. Hai ví dụ sớm nhất là Tòa nhà Haughwout 5 tầng (1857) ở Soho và Khách sạn Fifth Avenue (1859) tại Công viên Quảng trường Madison (New York, Mỹ). Trong những thập kỷ tiếp theo, các nhà phát minh và doanh nhân tiếp tục phát triển nghệ thuật và khoa học thang máy để làm cho thang máy chạy nhanh hơn và an toàn hơn.

Phanh an toàn

Câu chuyện thường xuyên được kể về cuộc cách mạng thang máy bắt đầu vào năm 1854. Vào năm đó, tại Công viên Bryant của New York, Triển lãm Công nghiệp được tổ chức trong một “Cung điện Pha lê”. Một người bán hàng tên là Elisha Otis có mặt tại triển lãm này. Anh ấy trưng bày nguyên mẫu thang máy của mình. Trước đám đông lớn, anh ấy leo lên sàn thang máy và đột ngột cắt đứt sợi dây treo sàn thang máy. Tuy nhiên, thang đã không rơi xuống. Thang máy hầu như không di chuyển. Phanh an toàn mới của anh ấy đã phát huy tác dụng và đã bảo vệ anh ta khỏi một tai nạn khủng khiếp. Kể từ màn trình diễn kịch tính đó, câu chuyện kể lại, giờ đây nỗi sợ rơi tự do đã biến mất. Câu chuyện này đã được lặp đi lặp lại vô tận như là thời điểm quan trọng đối với thang máy và tòa nhà chọc trời.

Chuyện hoang đường

Tuy nhiên, theo Andreas Bernard, tác giả của cuốn sách năm 2014, Nâng lên: Câu chuyện lịch sử văn hóa của thang máy cho biết câu chuyện không đơn giản như vậy. Ông đã tìm kiếm báo cáo hiện đại về thời điểm “chấn động” ra phát minh và phanh an toàn của Elish Otis nhưng đã không thành công. Trên thực tế, ông ấy cho rằng thời điểm này không được nhắc đến trên báo chí. Ông chia sẻ rằng một thời điểm dường như quan trọng như vậy trong lịch sử mà hầu như không ai quan tâm. Trong cuốn sách của mình, ông có viết:

Trên các nhật báo và tạp chí lớn của Mỹ, sự kiện năm 1854 chỉ xuất hiện trong hai bài báo bên lề. Ngoài bài báo Khoa học Mỹ, một báo cáo ngắn đã xuất hiện vào ngày 30 tháng 5 năm 1854, trên tờ New York Daily Tribune, trong đó đề cập đến sự táo bạo của nhà phát minh. Không thể tìm thấy thêm bất kỳ thông tin gì ở thời điểm hiện tại, cũng như không có cáo phó nào của Elisha Otis vào năm 1861. Do đó, không quá lời khi nói rằng cuộc biểu tình ở Cung điện Pha lê, “thời khắc trọng đại đích thực trong lịch sử kiến ​​trúc,” hầu như không được công chúng chú ý.

Rõ ràng, câu chuyện là một trường hợp khác của lịch sử được viết bởi người chiến thắng. Nhờ sự cần mẫn của Otis và các con của ông, công ty của ông đã trở thành một trong những nhà sản xuất thang máy lớn nhất thế giới. Vào năm 1911, Charles, con trai của Elisha, đã bắt đầu “sửa chữa kỷ lục” về lịch sử thang máy bằng cách viết phiên bản của mình về các sự kiện, và ghi lại tỉ mỉ màn trình diễn trong Cung điện Pha lê. Như Bernard viết,

Ảnh hưởng của những ghi chép của Charles Otis đối với lịch sử của thang máy là rõ ràng vì sau năm 1911, hầu như không có đề cập nào về nguồn gốc của thang máy mà không bắt đầu bằng câu chuyện về sự kiện ở Cung điện Pha lê.

Sự ra đời của chi phí thuê nhà phát sinh

Tuy nhiên, khi vận chuyển thẳng đứng là một giải pháp thực tế thì đã xảy ra một thời điểm mang tính cách mạng khác. Lần đầu tiên trong lịch sử loài người, xảy ra sự đảo ngược về giá trị kinh tế và xã hội của các tầng nhà cao hơn. Trước đó, khi thang bộ là con đường duy nhất để đi lên thì những tầng cao nhất đương nhiên là khó khăn cho người sử dụng nhất. Không ai muốn leo bộ lên những tầng trên. Do đó, những tầng cao nhất được dành cho những người có thu nhập thấp thuê, mua với chi phí thấp hơn. Ở các văn phòng thì đây là nơi dùng để lưu trữ hoặc nơi làm việc của các nhân viên cấp thấp.

Chi phí thuê phát sinh năm 1900 so với năm 2019. Khi không có thang máy, các tầng cao hơn ít có giá trị hơn đối với người thuê. Nguồn: Building the Skyline.

Theo một cách nào đó, thang máy đã tạo ra kho báu trên bầu trời. Bởi vì chuyển động thẳng đứng nhanh và rẻ nên nó cơ hội cho các tầng cao hơn. Điều đó có nghĩa là, số tiền thuê phải trả trên mỗi mét vuông sẽ cao hơn khi người ta lên tầng cao hơn. Ngày nay, phí đó ở Thành phố New York là từ 0,5 đến 1% mỗi tầng khi thuê ở các tầng cao hơn. Nói cách khác, giá thuê trên tầng 30 của một tòa nhà chọc trời có thể cao hơn tới 20% trên mỗi foot vuông so với cùng một diện tích ở tầng 10. Các nhà phát triển nhận ra rằng nếu họ có thể đưa cư dân của tòa nhà lên đó, họ có thể thu được nhiều lợi nhuận hơn. Và cuộc đua về chiều cao đã bắt đầu.

Sự cố thang máy và cách khắc phục

Những thang máy đầu tiên được điều khiển bằng hơi nước hoặc thủy lực. Phải đến khi điện được sử dụng rộng rãi vào những năm 1880 thì tốc độ hiệu quả mới đạt được. Tuy nhiên, khi rào cản này được dỡ bỏ, một loạt vấn đề mới lại nảy sinh. Tốc độ nhanh hơn cho phép xây dựng các tòa nhà cao hơn, đồng nghĩa với việc có nhiều người hơn. Điều này tạo ra nhiều vấn đề. Ví dụ như vấn đề về thời gian chờ đợi khi bạn nhấn nút ở sảnh đợi. Sau đó, có giới hạn về số lượng người trong một cabin. Khi cabin đầy hành khách, người dùng thang máy cảm thấy dường như thang máy dừng lại ở một triệu tầng trước khi có thể đến với tầng của mình. Chưa kể thực tế là rất khó xử khi đứng trong một cabin chật chội với những người lạ mình không quen biết.

Lưu lượng hành khách và điểm dừng tối ưu

Một trong những vấn đề chính là thời gian cao điểm. Ví dụ, tại các văn phòng lúc 8:30 sáng, khi mọi nhân viên đều muốn sử dụng thang máy cùng một lúc. Với hệ thống gọi thang kiểu cũ, khi nhiều người nhấn nút gọi cùng lúc, thang máy sẽ di chuyển đến nơi thang được gọi đầu tiên. Nhưng khi nhiều nút được nhấn cùng lúc, hệ thống sẽ bị tắc nghẽn. Điều này làm tăng thời gian chờ đợi.

Công nghệ điện toán và lập trình phần mềm đã giúp giảm thiểu vấn đề làm thế nào để phân bổ hiệu quả không gian cabin trong ngày và dựa trên các loại hình giao thông khác nhau. Ngày nay, hầu hết các hệ thống thang máy hiện đại đều sử dụng các thuật toán máy tính để giảm thiểu thời gian di chuyển, sử dụng hệ thống điều phối điểm đến (DDS – Destination Dispatching System). Trong thời gian thực, hệ thống sẽ phân tích dữ liệu đầu vào và lập danh sách những người nào sẽ vào cabin nào và cabin sẽ dừng ở đâu. Nếu như với thang máy thông thường, thời gian chờ đợi mất hơn một phút thì DDS có thể giảm thời gian đó xuống còn một nửa.

Thời gian chờ thang máy so với mật độ giao thông. Đường màu đỏ là thời gian chờ theo phương pháp nút gọi truyền thống. Đường màu xanh lá cây là hệ thống DDS tiêu chuẩn. Nguồn: De Jong (2008).

Phân vùng và thang máy hai tầng

Đối với một giếng thang thang máy nhất định, các không gian có thể được sử dụng hợp lý hơn bằng cách sử dụng công nghệ phân vùng và thang máy đôi. Phân vùng là quá trình giới hạn các thang máy cụ thể chỉ hoạt động trong các khu vực được xác định trước. Một thang máy có thể dừng để phục vụ các tầng trệt, nhưng một thang máy khác chỉ đi từ sảnh đến các tầng cao hơn. Các khu vực thường được giữ trong khoảng 10-20 tầng. Điều này làm giảm số lần dừng cho những chiếc cabin được khoanh vùng và tăng tốc độ quay trở lại sảnh đợi. Để đạt độ cao cao hơn nữa, các tòa nhà siêu cao thường có các hành lang trên không. Thang máy tốc hành đưa bạn đến đó và sau đó bạn chuyển sang một thang máy riêng biệt chỉ hoạt động ở trên cao. Đối với các tòa nhà rất cao, một cách khác để sử dụng không gian giếng thang hiệu quả hơn là có hai thang máy hoạt động trong cùng một giếng thang. Một cabin thang máy có thể nằm trên một cabin khác, tạo ra thang máy hai tầng. Hành khách ở tầng lẻ sẽ lên cabin dưới, trong khi hành khách ở tầng chẵn lên cabin bên trên.

Chiều cao cáp

Khi các tòa nhà cao hơn, số lượng cáp cần thiết để kết nối cabin thang máy với động cơ ngày càng dài hơn. Đây là một bế tắc đối với cáp thông thường làm bằng sợi thép. Trong các tòa nhà rất cao, gần 70% trọng lượng của thang máy đến từ chính dây cáp thép và khi quá dài, nó không thể chịu được trọng lượng của chính nó. Do đó, các công ty sản xuất hệ thống thang máy đang chạy đua để phát triển các loại dây cáp mới vừa bền hơn lại vừa nhẹ hơn. Với những sợi dây cáp thông thường, độ cao cao nhất mà một thang máy có thể di chuyển là 500 mét (khoảng 140 tầng), nếu tòa nhà cao hơn thì cần lắp đặt thêm một thang máy khác để di chuyển tiếp.

Cơ thể sinh lý con người

Trích lời James Fortune, một đối tác tại FS2 Consulting, chuyên thiết kế thang máy cho các tòa tháp siêu cao, “Cơ thể con người rất nhạy cảm với lực chuyển động bên ngoài, tiếng ồn và rung động. Những giác quan này cung cấp phản hồi liên tục đến não và khá nhạy với bất kỳ rung động hoặc tiếng ồn bất thường nào của thang máy.”

Đặc biệt, con người khá nhạy cảm với tốc độ tăng giảm tốc, điều có thể gây khó chịu cho tai do áp suất không khí thay đổi nhanh chóng. Fortune nói rằng, “Tuy nhiên, sự thoải mái của tai và sự thay đổi áp suất thường không ảnh hưởng đến những người đi thang máy khỏe mạnh trừ khi tốc độ đi xuống vượt quá 10 m/s và hành trình thẳng đứng vượt quá 500 mét. Vì lý do này, hầu như tất cả các thang máy siêu cao tốc độ cao mới nhất, với tốc độ di chuyển lên từ 10 đến 20,5 m/s, đều có tốc độ xuống tối đa là 10 m/s. Một số thang máy tiên tiến, chẳng hạn như những thang máy được lắp đặt tại One WTC (New York, Mỹ), bổ sung thêm áp suất không khí trên đường đi lên để giúp ngăn cảm giác ù tai khó chịu.

Lịch sử của tốc độ thang

Sự thật là các thang máy nhanh nhất trên thế giới chủ yếu được sử dụng cho các tầng quan sát và để các công ty lắp đặt thang máy phô trương về khả năng của họ. Đối với hầu hết các tòa nhà văn phòng, tốc độ tối đa trung bình chỉ khoảng 21 feet/giây (5,8 m/s). Tuy nhiên, khi công nghệ về tốc độ và sự thoải mái phát triển, có khả năng lợi ích của tốc độ cao sẽ được công nhận hơn. Năm 1913, ở tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới là Tòa nhà Woolworth (New York, Mỹ), thang máy có tốc độ tối đa là 11,6 feet/giây (3,6 m/s). Năm 1931, ở Tòa nhà Empire State, thang máy có tốc độ tối đa là 20 feet/giây (6,1 m/s). Vì vậy, tốc độ thang máy cho các tòa nhà không thay đổi nhiều. Điều đã thay đổi là hành khách có thể được di chuyển nhanh hơn nhiều dựa trên các thuật toán, phân vùng và thang máy hai tầng. Việc phân bổ hành khách hiệu quả thực sự là điều cho phép các tòa nhà ngày càng cao hơn.

Kỷ lục thế giới

Hình dưới đây minh họa lịch sử tốc độ thang máy tối đa trong thế kỷ qua. Hình bên trái cho thấy tốc độ (feet/giây) của các tòa nhà chọc trời phá kỷ lục trên thế giới. (Tháp Thượng Hải cũng được thêm vào biểu đồ. Nó không có chiều cao kỷ lục nhưng có tốc độ thang máy kỷ lục). Con số này rất rõ ràng: tốc độ thang máy tối đa đã tăng lên theo thời gian. Một phép tính ngược cho thấy rằng từ Singer (1908) đến Shanghai (2015), tốc độ tối đa tăng với tốc độ trung bình hàng năm là 1,78%.

Thang máy của Burj Khalifa (Dubai, Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất) có thể di chuyển với tốc độ 33 feet/giây (10 m/s) và Tháp Jeddah (Jeddah, Ả Rập Xê Út), đang được xây dựng, dự kiến ​​cũng sẽ như vậy. Các thang này chậm hơn nhiều so với Tòa Taipei 101 và Tháp Thượng Hải. Nói cách khác, bản thân tốc độ không phải là yếu tố quan trọng nhất. Có khả năng chi phí vận hành thang máy siêu nhanh quá lớn và các yếu tố khác tạo sự thoải mái cho hành khách cũng ngày càng trở nên quan trọng, do đó yếu tố tốc độ đã không còn hấp dẫn.

Sự phát triển của tốc độ thang máy tối đa trong thế kỷ qua. Trái: Tốc độ thang máy tối đa của các tòa nhà cao nhất thế giới so với năm hoàn thành. Biểu đồ cho thấy tốc độ đã tăng đều kể từ đầu những năm 1900. Phải: Tốc độ thang máy so với chiều cao tòa nhà. Lưu ý thang máy nhanh nhất thế giới hiện đang ở Tháp Thượng Hải, không phải Burj Khalifa. Nguồn: The Skyscraper Center

Tương lai của vận chuyển thẳng đứng

Chắc chắn, chúng ta có thể nói rằng các nhà sản xuất lớn sẽ tiếp tục đầu tư vào R&D để thúc đẩy giới hạn thang máy, từ đó khuyến khích các nhà phát triển xây dựng cao hơn. Nhưng công nghệ mang tính cách mạng nào sẽ đến tiếp theo? Các tòa nhà tương lai có khả năng sẽ có thang máy từ trường lưu thông theo phương ngang. Năm 1957, thiết kế của Frank Lloyd Wright cho tòa nhà cao một dặm là thang máy chạy bằng năng lượng hạt nhân. Nhưng chúng tôi sẽ để lại một cuộc thảo luận về các công nghệ vĩ đại này ở một bài viết trong tương lai./.