行人踩踏樓梯踏步位置的人體工學(xué)調(diào)查與分析

金益成，孟凡林

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

樓梯是房屋建筑中用于樓層間的垂直交通設(shè)施，即使以電梯為垂直交通工具的房屋建筑也需要設(shè)置樓梯.住宅建設(shè)項(xiàng)目的樓梯，由于自身特點(diǎn)適合采用標(biāo)準(zhǔn)化方式建造，在國家大力發(fā)展裝配式建筑的背景下，采用標(biāo)準(zhǔn)化的裝配式建造方式建造住宅建設(shè)項(xiàng)目的樓梯，與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建造方式相比，具有質(zhì)量好，效率高及成本低的顯著優(yōu)勢(shì)，極具市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?為了充分發(fā)揮裝配式混凝土樓梯的建造優(yōu)勢(shì)，減少預(yù)制混凝土樓梯段的混凝土體積，開展樓梯輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)省原材料消耗、提高吊運(yùn)效率，進(jìn)而降低裝配式混凝土樓梯的建造成本具有重要意義.

樓梯踏面和踢面交匯處的陰角位置，屬于樓梯使用功能的閑置區(qū)域，換而言之，這個(gè)區(qū)域是正常行人通常情況踩踏不到的位置，如果將此區(qū)域一定范圍內(nèi)做成坡角，有效增加了樓梯段的板厚，使得在保持樓梯段混凝土板厚度不變的前提下，可以減少樓梯段混凝土的用量.但是，能做成坡角區(qū)域的具體尺寸多少為宜，目前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)文獻(xiàn)均未檢索到具有參考價(jià)值的資料.人體工程學(xué)是研究人與系統(tǒng)中其他因素之間的相互作用，以及應(yīng)用相關(guān)理論、原理、數(shù)據(jù)和方法來設(shè)計(jì)以達(dá)到優(yōu)化人類和系統(tǒng)效能[1-3].為此，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查方式，對(duì)行人踩踏樓梯踏步位置分類測(cè)量統(tǒng)計(jì)，收集人體工程學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，為樓梯輕量化設(shè)計(jì)提供參考.

1 研究方法

1.1 研究方法

由于數(shù)理統(tǒng)計(jì)中研究對(duì)象是隨機(jī)的[4]，為了得到行人踩踏樓梯踏步位置的分布規(guī)律，調(diào)研對(duì)象包括不同性別，以及不同年齡居民，樓梯踏步的高寬為270 mm×170 mm，樓梯段寬度為1 200 mm.將上下樓梯時(shí)踩踏樓梯踏面的位置作為測(cè)量統(tǒng)計(jì)樣本，收集行人鞋子側(cè)面與樓梯踢面，踏面長度方向兩端距離的測(cè)量數(shù)據(jù).對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而得到行人踩踏樓梯踏步位置的分布規(guī)律.選擇采樣的樓梯符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[5]和《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[6]的規(guī)定要求.調(diào)研對(duì)象的樣本，盡可能在年齡分布上覆蓋周全且男女性別和身高、體重兼顧.

無論是現(xiàn)實(shí)生活中還是試驗(yàn)采樣過程中，人的行為可能是有意識(shí)的行為，也可能是無意識(shí)的行為.無意識(shí)行為是人的一大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭梢岳脽o意識(shí)行為發(fā)現(xiàn)事物發(fā)展的趨勢(shì)，并能通過少數(shù)事例推斷出一般規(guī)律[7].為了減少采樣過程中，人的主觀意識(shí)對(duì)踩踏行為的影響，使采樣數(shù)據(jù)更加趨近于實(shí)際狀況，在采樣前對(duì)人員進(jìn)行培訓(xùn)，確保在樓梯上行走時(shí)處于自然狀態(tài)，并且采樣不計(jì)入行走初始時(shí)段的數(shù)據(jù)，采樣時(shí)隨機(jī)叫停后測(cè)量數(shù)據(jù).采集單人上、下行走和雙人上下交錯(cuò)行走共3類數(shù)據(jù),并對(duì)3類數(shù)據(jù)分別進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析.

(1) 單人上,下樓梯踩踏樓梯踏面位置數(shù)據(jù)采樣. 請(qǐng)被采樣人員按自然狀態(tài)下在樓梯梯段上行走，行走過程中隨機(jī)叫停，測(cè)量并記錄被采樣人員的鞋尖(上樓)或鞋跟(下樓)與踢面之間的距離.這兩類數(shù)據(jù)用于分析樓梯踏步踏面和踢面交匯處陰角位置閑置區(qū)域的分布規(guī)律.

(2) 雙人交錯(cuò)上下樓踩踏樓梯踏面位置數(shù)據(jù)采樣. 請(qǐng)兩名被采樣人員按自然狀態(tài)下在樓梯梯段上分別上行和下行，當(dāng)兩名被采樣人員踩踏在同一踏面時(shí)叫停，按照就近原則，測(cè)量墻面一側(cè)被采樣人員離墻面近側(cè)的鞋側(cè)面與墻面之間的距離,以及扶手一側(cè)被采樣人員離扶手中心近側(cè)的鞋側(cè)面與扶手中心的距離.

(3) 網(wǎng)格紙踩踏痕跡采樣. 選擇兩個(gè)樓梯踏步的高寬為270 mm×170 mm，樓梯段寬度為1 200 mm的樓梯間，其中各取一部分為A,B組,將網(wǎng)格紙裁成與樓梯踏面一樣大小，粘貼在樓梯下梯段，每日拍照取樣，觀察網(wǎng)格紙上踩踏痕跡.

1.2 參與調(diào)查的被采樣人員概況

選擇延邊朝鮮族自治州琿春市30名住戶居民的采樣調(diào)查，人員個(gè)體情況見表1.

表1 被采樣人員個(gè)體情況Table 1 Individual situation of sampled persons

2 調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

收集單人上、下樓梯和雙人交錯(cuò)上下樓梯踩踏樓梯踏面位置的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的圖表總匯，從而認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)的表面規(guī)律和內(nèi)在本質(zhì)[8].

為便于閱讀將單人上樓時(shí)采集的數(shù)據(jù)稱為VAR 00001、 單人下樓時(shí)采集的數(shù)據(jù)稱為VAR 00002、雙人交錯(cuò)上下樓梯時(shí)，鞋側(cè)面離墻面的數(shù)據(jù)稱為VAR 00003、雙人交錯(cuò)上下樓梯時(shí)，鞋側(cè)面離扶手中心的數(shù)據(jù)稱為VAR 00004，并作出正態(tài)分布曲線圖、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、百分位數(shù)等，以上是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理的幾個(gè)主要參數(shù)[9].

2.1 單人上,下樓梯時(shí)鞋尖,鞋跟與踢面距離的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

得到單人上下樓時(shí)鞋尖鞋跟與踢面距離的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到了平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值，20 mm以外分位值等數(shù)據(jù)參數(shù)和正態(tài)分布曲線圖見表2和圖1，圖2.

表2 單人上,下樓梯時(shí)鞋尖,鞋跟與踢面距離的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2 Statistical analysis of the distances between toe cap, heel and kick face when single person goes up and down stairs

(1) 表2統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，單人上樓時(shí)，鞋尖離踢面距離的平均值為61.22 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為23.72 mm，最大值為142 mm，最小值為4 mm；

圖1和表2中的2.5 %和97.5 %的分位數(shù)中，有95 %的數(shù)據(jù)屬于18.00 mm～107.00 mm區(qū)間；

表2顯示， 20mm以外的百分?jǐn)?shù)是96.16 %，95 %分位值數(shù)值是25 mm[10].

(2) 表2統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，單人下樓時(shí)，鞋跟離踢面距離的平均值為49.04 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為20.70 mm，最大值為128 mm，最小值為4 mm；

圖2和表2中的2.5 %和97.5 %分位數(shù)中，有95 %的數(shù)據(jù)屬于16.00 mm～91.00 mm區(qū)間；

表2顯示，20 mm以外的百分?jǐn)?shù)是93.37 %，95 %分位值數(shù)值是18 mm.

圖1 鞋尖與踢面距離數(shù)據(jù)正態(tài)分布圖Fig.1 Normal distribution of distancesbetween toe cap and kick face

圖2 鞋跟與踢面距離數(shù)據(jù)正態(tài)分布圖Fig.2 Normal distribution of distances between heel and kick face

2.2 雙人交錯(cuò)上下樓梯時(shí)鞋側(cè)面與墻面或扶手中心距離的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

得到雙人上下樓時(shí)鞋側(cè)面與墻面或扶手中心距離的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到了平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值，最小值等數(shù)據(jù)參數(shù)和正態(tài)分布曲線圖見表3和圖3，圖4.

表3 雙人交錯(cuò)上下樓梯時(shí)鞋側(cè)面與墻面或扶手中心距離的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 3 Statistical analysis of the distance between the side of the shoe and the wall orthe center of handrail when two people stagger up and down stairs

(1) 表3統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，雙人交錯(cuò)上、下樓梯時(shí)，墻面一側(cè)行人鞋側(cè)面與墻面距離的平均值為141.67 mm、標(biāo)準(zhǔn)差為29.02 mm、最大值為260 mm，最小值為37 mm；

表3和圖3說明，2.5 %和97.5 %的分位數(shù)中，鞋側(cè)面與墻面的距離分布在81 mm～197.9 mm區(qū)間，95 %分位值為97 mm.

(2) 表3統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，雙人交錯(cuò)上、下樓梯時(shí)，扶手一側(cè)行人鞋側(cè)面與扶手中心距離的平均值為122.97 mm、標(biāo)準(zhǔn)差為33.16 mm、最大值為230 mm、最小值為33 mm；

表3和圖4說明， 2.5 %和97.5 %的分位數(shù)中，側(cè)面與扶手中心的距離分布在71.64 mm～195.95 mm區(qū)間，5 %分位值為74 mm.

圖3 鞋側(cè)面與墻面距離數(shù)據(jù)正態(tài)分布圖Fig.3 Normal distribution of distances between the side of the shoe and the wall

圖4 鞋側(cè)面與扶手中心距離數(shù)據(jù)正態(tài)分布圖Fig.4 Normal distribution of distances between the side of the shoe and the center of handrail

2.3 網(wǎng)格紙踩踏痕跡采樣結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)通過在A,B兩組樓梯踏面鋪貼網(wǎng)格紙采集行人在上下樓梯時(shí)踩踏區(qū)域的數(shù)據(jù)，并拍照分析(見圖5～圖8).

圖5 A組2020-02-20網(wǎng)格紙踩踏痕跡照片F(xiàn)ig.5 Group A 2020-02-20 picture of a trample on a grid paper

圖6 A組20020-02-29網(wǎng)格紙踩踏痕跡照片F(xiàn)ig.6 Group A 2020-02-29 picture of a trample on a grid paper

圖8 B組2020-02-29網(wǎng)格紙踩踏痕跡照片F(xiàn)ig.8 Group B 2020-02-29 picture of a trample on a grid paper

由圖5～圖8可以看出，2月20日至2月29日調(diào)查期間，A,B兩組樓梯踏面上鋪貼的網(wǎng)格紙踩踏痕跡圖片中，距離踢面20 mm以內(nèi)區(qū)域沒有踩踏痕跡，距離扶手中心90 mm以內(nèi)區(qū)域沒有踩踏痕跡，距離墻面110 mm以內(nèi)區(qū)域沒有踩踏痕跡:踏步陽角處的網(wǎng)格紙損毀嚴(yán)重，踩踏痕跡沿著樓梯段寬度方向主要集中在中間600 mm范圍內(nèi).

3 結(jié)論

通過行人踩踏樓梯踏步位置的人體工學(xué)調(diào)查及分析研究結(jié)果,得如下結(jié)論:

(1) 住宅樓梯踏面與踢面陰角處，踏面上距離踢面20 mm范圍內(nèi)是行人踩踏的盲區(qū)，屬于踏面的閑置區(qū)域，能將這區(qū)域做成坡角以減少樓梯板厚度，節(jié)省大量材料.

(2) 樓梯段寬度方向的兩端，與距離扶手中心74 mm和距離墻面97 mm范圍內(nèi)，均是行人踩踏的盲區(qū)，屬于踏面的閑置區(qū)域.

(3) 樓梯設(shè)計(jì)過程中，可以充分考慮行人踩踏盲區(qū)的閑置范圍，開展進(jìn)一步優(yōu)化工作.