裝配式螺旋樓梯技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

賀 赟

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 江蘇蘇州215163）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展并推廣裝配式建筑，促進(jìn)建筑工業(yè)化，特別是2016 年國(guó)務(wù)院明確提出要大力發(fā)展裝配式建筑，力爭(zhēng)用10 年左右的時(shí)間，使國(guó)內(nèi)裝配式房屋的比例達(dá)到30%［1］。而裝配式樓梯是裝配式建筑的主要分支之一［2］。

隨著人們生活質(zhì)量和審美的提高，樓梯在建筑中不僅僅扮演著上下交通的構(gòu)件，同時(shí)還不斷成為建筑中一道亮麗的風(fēng)景線［3］。螺旋樓梯憑借其優(yōu)美的曲線深受人們的喜愛(ài)，在家裝和工裝中廣泛應(yīng)用［4］。裝配式螺旋樓梯相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆螺旋樓梯具有質(zhì)量可靠，裝配方便，施工過(guò)程中節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)［5］。

本文對(duì)裝配式螺旋樓梯的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了全面梳理，分析了其技術(shù)現(xiàn)狀，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展作了展望，以期對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 裝配式螺旋樓梯的技術(shù)分類

裝配式螺旋樓梯主要分為懸臂式螺旋樓梯和梁板式螺旋樓梯兩個(gè)技術(shù)分支。其中，懸臂式螺旋樓梯為帶有中柱，踏板安裝在中柱上的懸挑式樓梯（見(jiàn)圖1a），此種螺旋樓梯設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于中柱的偏心承載力和踏板的受力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠。梁板式螺旋樓梯為不帶中柱靠樓梯本身旋轉(zhuǎn)成型，踏板由自身梁板或周邊墻體支撐的旋轉(zhuǎn)樓梯（見(jiàn)圖1b），此種螺旋樓梯曲線優(yōu)美，但施工放樣較為困難，受力相對(duì)復(fù)雜。

圖1 裝配式螺旋樓梯的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structures of Assembled Spiral Staircase

2 裝配式螺旋樓梯技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

2.1 懸臂式

懸臂式裝配螺旋樓梯中的中柱一般采用軸向承載力較大的鋼柱，鋼柱底部與地面剛接。其主要技術(shù)點(diǎn)在于踏板及其與中柱的連接，最常見(jiàn)的踏板為木質(zhì)踏板和鋼質(zhì)踏板。

2.1.1 木質(zhì)踏板

木質(zhì)踏板是市場(chǎng)上較為流行的一種，木質(zhì)材料接近于地板，貼近自然，便于整體家居裝修，踩感舒適。木質(zhì)踏板的技術(shù)發(fā)展主要包括3 個(gè)方向：

⑴插接式：插接又叫榫槽卡接（見(jiàn)圖2a），在20世紀(jì)40 年代，文獻(xiàn)［6］在對(duì)木質(zhì)踏板的螺旋樓梯進(jìn)行研究時(shí)提出利用木質(zhì)中柱作為承載構(gòu)件，并在其側(cè)面沿著踏步和踢板的方向設(shè)置槽口，將踏步和踢板通過(guò)凸榫與木質(zhì)中柱上的槽口卡接。之后對(duì)其作進(jìn)一步研究，提出在木質(zhì)踏板底部靠近中柱一端設(shè)置豎向板作為木質(zhì)踏板的加強(qiáng)支撐肋，并將加強(qiáng)支撐肋設(shè)置為凸榫狀并與中柱上腰形孔卡接，木質(zhì)踏板通過(guò)螺釘連接在加強(qiáng)支撐肋上，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在插接處的剪力較大，連接強(qiáng)度不夠，只適用于普通家庭或人流較少的公共場(chǎng)所使用。

⑵套接式：套接即將木質(zhì)踏板套設(shè)在中柱上并圍繞其旋轉(zhuǎn)成型（見(jiàn)圖2b），為了解決插接式木質(zhì)踏板連接強(qiáng)度不夠的技術(shù)問(wèn)題，套接式采用空心鋼管柱作為支撐結(jié)構(gòu)，在木質(zhì)踏板的一端設(shè)置圓環(huán)形槽口并套設(shè)在空心鋼管柱上，另一端擱置在焊接于鋼板上的角鋼上，并與角鋼通過(guò)螺釘連接。此種設(shè)計(jì)可以大大提升支柱的支撐強(qiáng)度，但木質(zhì)踏板與空心中柱為套接，為了保證承載力，還需要增加額外的用于擱置木質(zhì)踏板另一端的鋼板作為支撐構(gòu)件，其施工工藝比較復(fù)雜，成本相對(duì)較高。之后對(duì)套接式提出改進(jìn)，摒棄了用于擱置木質(zhì)踏板另一端的鋼板支撐構(gòu)件，通過(guò)采用鎖緊限位塊擱置在木質(zhì)踏板與空心鋼柱接觸的上下面以對(duì)連接處進(jìn)行加強(qiáng)，從而簡(jiǎn)化了施工工藝并保證了承載強(qiáng)度［7］。與此同時(shí)，另一種改進(jìn)方式也提出采用鋼管中柱作為支撐構(gòu)件，并將木質(zhì)踏板套接在鋼管中柱上，但在木質(zhì)踏板的懸臂段上下相鄰端部設(shè)置支撐桿作為上下木質(zhì)踏板的間距支撐部件，一方面替代了踢板，另一方面也增加了木質(zhì)踏板的承載力［8］。2000 年，采用多節(jié)藕狀中軸螺紋連接成中柱，并在藕節(jié)處套接木質(zhì)踏板，其為可拆卸中柱的研發(fā)打開(kāi)了思路［9］。

⑶螺接式：螺接為螺栓或螺釘連接（見(jiàn)圖2c），對(duì)于木質(zhì)結(jié)構(gòu)，螺栓或螺釘可有效固定相鄰構(gòu)件，連接強(qiáng)度較高，其中，螺栓連接研究較早［10］，在中柱上預(yù)埋多個(gè)帶螺栓的鋼板，采用螺栓連接樓梯的各個(gè)部件，將豎向踢板設(shè)置在木質(zhì)踏板底部靠近中柱一端，木質(zhì)踏板通過(guò)螺栓連接到中柱上，并在踏板上螺旋連接木質(zhì)扶手和欄桿。螺接式現(xiàn)場(chǎng)安裝效率高，也便于拆卸，其一度成為木質(zhì)踏板螺旋樓梯的常用連接方式，深受人們的青睞。

圖2 木質(zhì)踏板Fig.2 Wooden Pedal

2.1.2 鋼質(zhì)踏板

由于鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力的優(yōu)勢(shì)，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品逐漸步入生活，當(dāng)然，鋼材也很快作為裝配式螺旋樓梯的踏板材質(zhì)，其技術(shù)發(fā)展可以分為如下4 個(gè)方向：

⑴焊接：焊接是鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方式，其連接強(qiáng)度高，如圖3a 所示。早在1902 年，就出現(xiàn)了鋼質(zhì)踏板圍繞鋼柱旋轉(zhuǎn)形成螺旋樓梯［11］，其能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的加工和標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)安裝，但隨著可拆卸螺旋樓梯的出現(xiàn)，焊接的鋼制踏板因施工復(fù)雜，不易拆裝和重復(fù)利用，在該方向的研發(fā)越來(lái)越少，并逐漸淡出市場(chǎng)，人們研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向了可拆卸的連接方式。

⑵螺接：螺栓連接是鋼結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的可拆卸連接方式，如圖3b 所示。針對(duì)焊接鋼質(zhì)踏板無(wú)法重復(fù)利用，不利拆裝的技術(shù)問(wèn)題，提出采用高強(qiáng)螺栓將踏板連接在中柱上［12］。之后，在鋼質(zhì)踏板與踢板一體化成型技術(shù)的引導(dǎo)下，“L”形踏板的短邊端部開(kāi)槽設(shè)置預(yù)制孔，并在中柱對(duì)應(yīng)踏步位置設(shè)置螺栓孔，將兩者通過(guò)螺栓連接，此時(shí)的鋼質(zhì)踏板螺接樓梯的安全性和可操作性得到了極大提升［13］。進(jìn)入20 世紀(jì)，螺栓連接需要高強(qiáng)度的抗剪構(gòu)件，踏板的承載力都集中在踏板與中柱的連接處，為了提高其節(jié)點(diǎn)承載力，在踏板與中柱螺栓連接的同時(shí)，在踏板的另一端加設(shè)延伸至地面的豎直支撐桿［14］，從而使得結(jié)構(gòu)更加牢固，也可在鋼質(zhì)踏板的另一端加設(shè)加固件［15］，使得加固件從踏板中部穿過(guò)并與中柱連接，同樣也提高了承載強(qiáng)度。

⑶套接：套接的出現(xiàn)使得鋼質(zhì)踏板的連接更為簡(jiǎn)單，無(wú)需焊接和打孔螺接，只需采用環(huán)狀物體套設(shè)在中柱上，鋼質(zhì)踏板與鋼環(huán)連接，如圖3c 所示。但鋼環(huán)與中柱之間靠擰緊力支撐鋼質(zhì)踏板的荷載，其強(qiáng)度有待提升。之后，為了滿足雙螺旋上下交通，在較厚的鋼板中部設(shè)置孔洞套在中柱上，利用厚度使得上下踏板相互間隔支撐，此種雙螺旋樓梯的出現(xiàn)，不僅使得螺旋樓梯的安裝工藝更為高效、造型更為美觀，而且為間隔套管的出現(xiàn)作下了鋪墊。兩年后，采用間隔套管在中柱上進(jìn)行堆砌，同時(shí)在套管上焊接踏板框架，一方面留足了上下相鄰踏板的間隔，另一方面也杜絕了套接支撐力不夠的問(wèn)題。緊接著，在該領(lǐng)域出現(xiàn)了將套環(huán)與相互垂直的踏板和踢板一體成型，現(xiàn)場(chǎng)直接在中柱上套設(shè)，大大簡(jiǎn)化了螺旋樓梯的安裝，但上下套接的踏板不能鎖定角度，于是在上下一體成型的踏板套設(shè)在中柱上時(shí)通過(guò)螺桿進(jìn)行上下緊固［16］，這樣可根據(jù)舒適性調(diào)節(jié)踏板的分布角度。隨著一體成型的鋼質(zhì)踏板的發(fā)展，人們不斷進(jìn)行創(chuàng)新，可以在鋼質(zhì)踏板端部設(shè)立欄桿和扶手，增加安全性，也有在踏板端部設(shè)置板式包邊，包邊圍繞螺旋的踏板旋轉(zhuǎn)向上［17］。在包邊上需要設(shè)置對(duì)應(yīng)踏板的位置，踏板與板式包邊的安裝較為復(fù)雜，定位要求較高。此時(shí)，人們對(duì)成型方法進(jìn)行了改進(jìn)，將踏板與板式包邊一體成型［18］，在踏板安裝的時(shí)候相鄰包邊采用榫舌插接，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化批量預(yù)制。2007 年，有人提出可以將套接在中柱上的踏板做成寬度和長(zhǎng)度可調(diào)的踏板［19］，滿足踏板對(duì)不同場(chǎng)合的要求，通過(guò)在相鄰踏板間增設(shè)調(diào)節(jié)元件并將中柱做成伸縮可調(diào)結(jié)構(gòu)。

⑷卡接：卡接是21 世紀(jì)出現(xiàn)的鋼結(jié)構(gòu)的新型連接方式，是將帶有鉤部的踏板卡入中柱的槽口中，如圖3d 所示，以此獲得踏板的承載力［20］。之后通過(guò)改變中柱側(cè)邊的形狀來(lái)滿足卡接要求，即將中柱設(shè)置成帶燕尾槽的花型外壁，踏板與燕尾槽卡接［21］?？ń映休d力有限，因此，卡接僅適用于小型的裝配式螺旋樓梯。

2.2 梁板式

梁板式螺旋樓梯不帶中柱，其靠自身旋轉(zhuǎn)向上形成螺旋樓梯，踏板制成在兩側(cè)的梁板上，因此，對(duì)于梁板式螺旋樓梯，其主要技術(shù)點(diǎn)在于兩側(cè)梁板，最常見(jiàn)的梁板是在踏板兩側(cè)設(shè)置類似墻板作為支撐構(gòu)件。以下將分別從預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向進(jìn)行梳理。

2.2.1 預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)

圖3 鋼質(zhì)踏板Fig.3 Steel Pedal

預(yù)制混凝土構(gòu)件是梁板式螺旋樓梯常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，螺旋樓梯的各個(gè)部件，如踏板、踏板兩側(cè)的墻板構(gòu)件等均在工廠預(yù)制，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，而國(guó)內(nèi)的大部分預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的梁板式螺旋樓梯，都是將踏板在現(xiàn)場(chǎng)與兩側(cè)墻體進(jìn)行裝配，此工藝要求兩側(cè)螺旋墻體的放樣精準(zhǔn)，兩側(cè)墻體從底層延伸到頂層，屬于封閉式螺旋樓梯。歐美國(guó)家則將兩側(cè)墻體設(shè)置成開(kāi)放式，即采用螺旋板式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)作為踏板的包邊，其盤(pán)旋設(shè)置，踏板和踢板裝配在兩側(cè)包邊的預(yù)制槽口處，同時(shí)可在踏板端部設(shè)置預(yù)留孔用于今后的扶手欄桿的安裝［22］，此螺旋樓梯的承載力由底部梁板承擔(dān)，因此，其螺旋高度有所限制。為了提高其螺旋高度，該方向又進(jìn)一步提出在踏板兩側(cè)用通長(zhǎng)的槽鋼構(gòu)成格柵狀墻板［23］，將踏板連接在格柵狀墻板上，其滿足高度的要求，但耗材大、成本高。

2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)的梁板式螺旋樓梯是采用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為踏板兩側(cè)的支撐構(gòu)件，較預(yù)制混凝土構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)安裝更為高效。早在1965 年，美國(guó)對(duì)鋼管拼接螺旋樓梯進(jìn)行了研究［24］，提出采用桿件式構(gòu)件作為踏板兩側(cè)的梁板和圍欄扶手，踏板與圍欄桿件連接，耗材少，但各個(gè)構(gòu)件的連接較多，現(xiàn)場(chǎng)安裝耗時(shí)較長(zhǎng)。隨著踏板兩邊類似包邊的板式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，人們用鋼結(jié)構(gòu)板式包邊代替預(yù)制混凝土板式包邊，在鋼結(jié)構(gòu)板式包邊上設(shè)置擱置踏板的槽口，為了提高其螺旋高度，在受力較大的平臺(tái)處設(shè)置短柱作為支撐，從而提高了其承載安全性。此類鋼結(jié)構(gòu)的梁板式螺旋樓梯適用于辦公商場(chǎng)，造型漂亮。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

懸臂式螺旋樓梯當(dāng)今應(yīng)用較廣，梁板式螺旋樓梯因施工工藝復(fù)雜，應(yīng)用相對(duì)較少。懸臂式螺旋樓梯的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)為：

早期研究主要集中在中柱上，中柱從木質(zhì)進(jìn)入鋼質(zhì)、從整體式進(jìn)入分體式、從固定式進(jìn)入可調(diào)式。

中期隨著鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，其主要研究方向轉(zhuǎn)向踏板，木質(zhì)踏板腳感較為舒適但承載力不夠，鋼質(zhì)踏板逐漸代替木質(zhì)踏板，為了增強(qiáng)腳感可在鋼質(zhì)踏板框架上設(shè)置大理石、木質(zhì)或者其它需要的材料滿足功能要求。而踏板也可以增設(shè)支撐桿或者加強(qiáng)件以提高承載力，同時(shí)踏板也可以設(shè)置成可調(diào)模式。

進(jìn)入21 世紀(jì)，踏板與中柱的連接節(jié)點(diǎn)的研究成為主線，焊接已不能滿足可拆卸要求，套接、螺接、卡接的出現(xiàn)使得懸臂式螺旋樓梯的各個(gè)部件均可在工廠加工預(yù)制，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行安裝，其加工、運(yùn)輸、安裝的效能均得到提升，同時(shí)多種規(guī)格踏板的出現(xiàn)滿足了空間形狀的要求。

3.2 展望

在裝配式建筑的政策的大力推動(dòng)下，裝配式螺旋樓梯將迎來(lái)新一輪發(fā)展，研究熱點(diǎn)仍將在踏板與中柱的連接上，此外，踏板上的欄桿扶手等螺旋樓梯的附加構(gòu)件也將會(huì)成為重要的研究方向。裝配式螺旋樓梯的具體發(fā)展傾向?yàn)椋?/p>

⑴技術(shù)化傾向：隨著新工藝的出現(xiàn)，裝配式螺旋樓梯的結(jié)構(gòu)會(huì)具有更多的選擇，其必然會(huì)導(dǎo)致裝配式螺旋樓梯設(shè)計(jì)的技術(shù)化。

⑵藝術(shù)化傾向：人們把樓梯的外形作為藝術(shù)品來(lái)塑造，把螺旋樓梯的上升姿態(tài)作為無(wú)限攀巖的藝術(shù)化。通過(guò)將藝術(shù)化的樓梯設(shè)置在特定的環(huán)境中，不僅使其具有使用功能，而且還具有一定的藝術(shù)價(jià)值。

⑶復(fù)合化傾向：隨著新材料的出現(xiàn)，各種材料的結(jié)合必將產(chǎn)生新的螺旋樓梯形式，并賦予螺旋式樓梯更多的功能，這也將把螺旋樓梯推向復(fù)合化。