摩天輪的“身高競(jìng)賽”確實(shí)反映了人類在工程技術(shù)和材料科學(xué)上的不斷突破。建造超大型摩天輪（通常指高度超過(guò)150米）遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單地放大傳統(tǒng)摩天輪設(shè)計(jì)，它涉及一系列復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的解決方案：
核心挑戰(zhàn)
巨大的結(jié)構(gòu)自重與風(fēng)荷載： 超大型結(jié)構(gòu)自身重量極大，同時(shí)暴露在空中的巨大迎風(fēng)面積使其承受巨大的風(fēng)荷載（尤其是側(cè)風(fēng)和陣風(fēng)），這要求結(jié)構(gòu)具有極高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還要控制重量和成本。
旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與精度： 確保直徑數(shù)百米的輪子在各種天氣條件下平穩(wěn)、精確地旋轉(zhuǎn)，避免抖動(dòng)或傾斜，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)是嚴(yán)峻考驗(yàn)。
安全冗余： 作為載人設(shè)施，必須設(shè)計(jì)多重安全保障系統(tǒng)，確保在任何單一部件失效的情況下都不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性事故。
建造與安裝： 在有限的城市空間或特殊場(chǎng)地（如橋梁、河岸）安全、精確地建造和安裝如此巨大的結(jié)構(gòu)物，本身就是一項(xiàng)重大工程。
乘客體驗(yàn)與安全： 在極高位置，乘客對(duì)晃動(dòng)更敏感，需要確保輪艙的穩(wěn)定性、舒適性和極端情況下的疏散能力。
關(guān)鍵建造技術(shù)突破
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)革命：從剛性輪輻到柔性索網(wǎng)
- 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)瓶頸： 傳統(tǒng)摩天輪采用剛性輪輻（如桁架或鋼管）將輪緣連接到中心輪轂。當(dāng)直徑增大時(shí)，輪輻長(zhǎng)度和自重急劇增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)效率低下，輪轂和支撐結(jié)構(gòu)承受巨大壓力。
- 突破：索網(wǎng)輪輻系統(tǒng)： 現(xiàn)代超大型摩天輪（如倫敦眼、新加坡飛行者、大多數(shù)中國(guó)新建大型摩天輪）普遍采用斜拉索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
- 原理： 類似于斜拉橋。輪緣不再是依靠中心輪轂支撐，而是由多組高強(qiáng)度鋼索從外側(cè)的傾斜支撐塔（A字形或倒Y形） 直接斜拉固定。中心輪轂（如果存在）主要起連接索網(wǎng)和驅(qū)動(dòng)作用，而非主要承重。
- 優(yōu)勢(shì)：
- 大幅減輕重量： 鋼索比剛性桁架輕得多，顯著降低結(jié)構(gòu)自重。
- 提高剛度與穩(wěn)定性： 斜拉索網(wǎng)形成高度穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，能有效抵抗風(fēng)荷載引起的變形和扭轉(zhuǎn)。
- 分散荷載： 荷載通過(guò)鋼索直接傳遞到支撐塔和地基，路徑更直接高效。
- 允許更大跨度： 突破了傳統(tǒng)輪輻結(jié)構(gòu)的尺寸限制。
驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)創(chuàng)新：從中心驅(qū)動(dòng)到輪緣驅(qū)動(dòng)
- 傳統(tǒng)中心驅(qū)動(dòng)瓶頸： 傳統(tǒng)摩天輪通過(guò)巨大的中心主軸驅(qū)動(dòng)。對(duì)于超大型摩天輪，這根主軸需要承受巨大的扭矩和彎矩，制造、安裝和維護(hù)成本極高，且是單點(diǎn)故障源。
- 突破：分布式輪緣驅(qū)動(dòng)：
- 原理： 在巨大的輪緣上安裝多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（通常是電機(jī)+摩擦輪或齒輪）。這些電機(jī)沿輪緣分布，共同作用推動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)。中心通常沒(méi)有實(shí)心主軸，或者主軸不承擔(dān)主要驅(qū)動(dòng)扭矩。
- 優(yōu)勢(shì)：
- 消除超大主軸： 不需要制造和安裝超重、超大的中心驅(qū)動(dòng)軸。
- 冗余性： 多個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)互為備份，即使個(gè)別電機(jī)故障，其余電機(jī)也能維持運(yùn)轉(zhuǎn)或安全停止。
- 更平穩(wěn)控制： 分布式驅(qū)動(dòng)可以更精細(xì)地控制旋轉(zhuǎn)速度和同步性。
- 減輕重量： 進(jìn)一步減輕了中心結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)和整體重量。
材料科學(xué)的進(jìn)步
- 高強(qiáng)度鋼材： 支撐塔、輪緣桁架等主要承重結(jié)構(gòu)廣泛使用屈服強(qiáng)度更高的特種鋼材（如Q345, Q420, Q460甚至更高等級(jí)），在保證強(qiáng)度的同時(shí)減輕重量。
- 超高強(qiáng)度鋼纜： 索網(wǎng)系統(tǒng)依賴鍍鋅超高強(qiáng)度鋼絲繩，其破斷拉力極高（如1770MPa, 1860MPa甚至更高等級(jí)），直徑雖小但承載力巨大。
- 輕量化輪艙： 輪艙采用高強(qiáng)度鋁合金框架和復(fù)合材料（如聚碳酸酯、玻璃鋼）面板，在保證安全性和舒適性的前提下最大限度地減輕重量。
- 先進(jìn)焊接與連接技術(shù)： 確保大型鋼結(jié)構(gòu)件連接處的強(qiáng)度和可靠性。
先進(jìn)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)
- 氣動(dòng)外形優(yōu)化： 輪艙設(shè)計(jì)成流線型，減少風(fēng)阻和風(fēng)引起的晃動(dòng)。支撐塔和輪緣結(jié)構(gòu)也進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試優(yōu)化。
- 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器： 在輪緣或輪艙內(nèi)安裝大型TMD。這些巨大的質(zhì)量塊通過(guò)彈簧和阻尼器系統(tǒng)連接到主體結(jié)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)引起結(jié)構(gòu)擺動(dòng)時(shí)，TMD會(huì)產(chǎn)生相反方向的力來(lái)抵消晃動(dòng)，顯著提高乘坐舒適性。
- 主動(dòng)控制系統(tǒng)（部分項(xiàng)目探索）： 利用傳感器監(jiān)測(cè)風(fēng)力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或阻尼器參數(shù)進(jìn)行主動(dòng)抑制。
精密的建造與安裝技術(shù)
- 模塊化預(yù)制： 大型構(gòu)件（如支撐塔節(jié)段、輪緣分段、輪艙）在工廠預(yù)制，嚴(yán)格控制質(zhì)量，減少現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。
- 大型吊裝設(shè)備： 動(dòng)用超大型履帶吊、塔吊等進(jìn)行精確吊裝。
- 臨時(shí)支撐與同步頂升： 輪緣分段在巨型臨時(shí)支撐架上組裝。中心輪轂（如有）通常在地面組裝，然后使用數(shù)十甚至上百臺(tái)同步液壓千斤頂系統(tǒng)將其精確提升到百米高空就位，并與輪緣連接。這是一個(gè)極其精密和風(fēng)險(xiǎn)極高的過(guò)程。
- 高精度測(cè)量定位： 全程使用高精度GPS、全站儀、激光跟蹤儀等進(jìn)行毫米級(jí)的測(cè)量定位，確保結(jié)構(gòu)幾何精度。
多重冗余的安全系統(tǒng)
- 多重驅(qū)動(dòng)備份： 分布式驅(qū)動(dòng)本身提供冗余。
- 獨(dú)立制動(dòng)系統(tǒng)： 配備多套獨(dú)立工作的機(jī)械制動(dòng)器（如盤式制動(dòng)器、夾軌器），確保在任何位置都能安全剎停。
- 應(yīng)急動(dòng)力： 備用發(fā)電機(jī)確保在斷電時(shí)能完成旋轉(zhuǎn)將乘客送回地面或啟動(dòng)疏散程序。
- 極端天氣應(yīng)對(duì)： 配備風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)，自動(dòng)在強(qiáng)風(fēng)時(shí)減速或停運(yùn)。
- 輪艙安全： 獨(dú)立的穩(wěn)定系統(tǒng)（如艙內(nèi)小陀螺儀）、緊急通訊、應(yīng)急供氧、緩降裝置等。
- 疏散預(yù)案： 設(shè)計(jì)專門的垂直或水平疏散通道和方案。
典型案例體現(xiàn)的技術(shù)特色
- 倫敦眼（135米）： 開創(chuàng)性地應(yīng)用了斜拉索網(wǎng)技術(shù)和輪緣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是現(xiàn)代超大型摩天輪的技術(shù)先驅(qū)。
- 新加坡飛行者（165米）： 進(jìn)一步優(yōu)化了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，輪緣采用三角形桁架截面，剛度更大。
- 南昌之星（160米，曾是世界第一）： 當(dāng)時(shí)世界上最高的摩天輪，采用了傳統(tǒng)的剛性輪輻結(jié)構(gòu)，其巨大的中心輪轂和輪輻展示了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的極限挑戰(zhàn)。
- 拉斯維加斯豪客（167米）： 采用巨型A字形支撐塔和斜拉索網(wǎng)，輪緣驅(qū)動(dòng)。
- 中國(guó)新興超大型摩天輪（如濰坊“渤海之眼”/白浪河大橋摩天輪 145米無(wú)軸， 阜陽(yáng)摩天輪 148米輪緣驅(qū)動(dòng)）：
- “無(wú)軸”設(shè)計(jì)（如濰坊）： 這是對(duì)輪緣驅(qū)動(dòng)的極致演繹。徹底取消了中心輪轂，輪緣本身就是一個(gè)封閉的環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)，完全依靠外側(cè)支撐塔的斜拉索固定和輪緣上的分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的重大突破，視覺效果獨(dú)特。
- 巨型輪緣桁架： 采用非常堅(jiān)固的大型三角形或箱型截面桁架作為輪緣，提供極高的抗扭剛度。
- 巨型輪轂整體鑄造與提升： 對(duì)于有輪轂的設(shè)計(jì)（如部分項(xiàng)目），采用整體鑄造的超大輪轂（重達(dá)數(shù)百噸），并使用數(shù)百臺(tái)液壓千斤頂同步提升到百米高空，技術(shù)難度極大。
總結(jié)
全球摩天輪“身高競(jìng)賽”的背后，是結(jié)構(gòu)工程（索網(wǎng)系統(tǒng)、無(wú)軸/輪緣驅(qū)動(dòng)）、材料科學(xué)（高強(qiáng)度鋼纜、鋼材）、機(jī)械工程（分布式驅(qū)動(dòng)、冗余制動(dòng)）、控制技術(shù)（抗風(fēng)阻尼、同步控制）、施工技術(shù)（模塊化、巨型吊裝、同步頂升）和安全工程（多重冗余）等多領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新的成果。每一次高度的突破，都代表著工程師們克服了更嚴(yán)峻的自重、風(fēng)載、穩(wěn)定性和建造難題，將看似簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)推向了工程技術(shù)的巔峰。未來(lái)，隨著材料（如碳纖維復(fù)合材料）和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，摩天輪的高度極限可能還會(huì)被刷新，但成本效益和實(shí)際需求將成為更重要的考量因素。
