賀 赟

（國家知識產權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，國家大力發(fā)展并推廣裝配式建筑，促進建筑工業(yè)化，特別是2016 年國務院明確提出要大力發(fā)展裝配式建筑，力爭用10 年左右的時間，使國內裝配式房屋的比例達到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件，同時還不斷成為建筑中一道亮麗的風景線［3］。螺旋樓梯憑借其優(yōu)美的曲線深受人們的喜愛，在家裝和工裝中廣泛應用［4］。裝配式螺旋樓梯相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆螺旋樓梯具有質量可靠，裝配方便，施工過程中節(jié)能減排等優(yōu)點［5］。

本文對裝配式螺旋樓梯的技術發(fā)展進行了全面梳理，分析了其技術現(xiàn)狀，并對該領域的發(fā)展作了展望，以期對該領域的技術研發(fā)提供參考。

1 裝配式螺旋樓梯的技術分類

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技術分支。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（見圖1a），此種螺旋樓梯設計關鍵在于中柱的偏心承載力和踏板的受力，結構簡單，安全可靠。梁板式螺旋樓梯為不帶中柱靠樓梯本身旋轉成型，踏板由自身梁板或周邊墻體支撐的旋轉樓梯（見圖1b），此種螺旋樓梯曲線優(yōu)美，但施工放樣較為困難，受力相對復雜。

圖1 裝配式螺旋樓梯的結構形式Fig.1 Structures of Assembled Spiral Staircase

2 裝配式螺旋樓梯技術發(fā)展脈絡

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。其主要技術點在于踏板及其與中柱的連接，最常見的踏板為木質踏板和鋼質踏板。

2.1.1 木質踏板

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

⑴插接式：插接又叫榫槽卡接（見圖2a），在20世紀40 年代，文獻［6］在對木質踏板的螺旋樓梯進行研究時提出利用木質中柱作為承載構件，并在其側面沿著踏步和踢板的方向設置槽口，將踏步和踢板通過凸榫與木質中柱上的槽口卡接。之后對其作進一步研究，提出在木質踏板底部靠近中柱一端設置豎向板作為木質踏板的加強支撐肋，并將加強支撐肋設置為凸榫狀并與中柱上腰形孔卡接，木質踏板通過螺釘連接在加強支撐肋上，其結構簡單，但在插接處的剪力較大，連接強度不夠，只適用于普通家庭或人流較少的公共場所使用。

⑵套接式：套接即將木質踏板套設在中柱上并圍繞其旋轉成型（見圖2b），為了解決插接式木質踏板連接強度不夠的技術問題，套接式采用空心鋼管柱作為支撐結構，在木質踏板的一端設置圓環(huán)形槽口并套設在空心鋼管柱上，另一端擱置在焊接于鋼板上的角鋼上，并與角鋼通過螺釘連接。此種設計可以大大提升支柱的支撐強度，但木質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踏板另一端的鋼板作為支撐構件，其施工工藝比較復雜，成本相對較高。之后對套接式提出改進，摒棄了用于擱置木質踏板另一端的鋼板支撐構件，通過采用鎖緊限位塊擱置在木質踏板與空心鋼柱接觸的上下面以對連接處進行加強，從而簡化了施工工藝并保證了承載強度［7］。與此同時，另一種改進方式也提出采用鋼管中柱作為支撐構件，并將木質踏板套接在鋼管中柱上，但在木質踏板的懸臂段上下相鄰端部設置支撐桿作為上下木質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)處套接木質踏板，其為可拆卸中柱的研發(fā)打開了思路［9］。

⑶螺接式：螺接為螺栓或螺釘連接（見圖2c），對于木質結構，螺栓或螺釘可有效固定相鄰構件，連接強度較高，其中，螺栓連接研究較早［10］，在中柱上預埋多個帶螺栓的鋼板，采用螺栓連接樓梯的各個部件，將豎向踢板設置在木質踏板底部靠近中柱一端，木質踏板通過螺栓連接到中柱上，并在踏板上螺旋連接木質扶手和欄桿。螺接式現(xiàn)場安裝效率高，也便于拆卸，其一度成為木質踏板螺旋樓梯的常用連接方式，深受人們的青睞。

圖2 木質踏板Fig.2 Wooden Pedal

2.1.2 鋼質踏板

由于鋼結構的強度和承載能力的優(yōu)勢，鋼結構產品逐漸步入生活，當然，鋼材也很快作為裝配式螺旋樓梯的踏板材質，其技術發(fā)展可以分為如下4 個方向：

⑴焊接：焊接是鋼結構常用的連接方式，其連接強度高，如圖3a 所示。早在1902 年，就出現(xiàn)了鋼質踏板圍繞鋼柱旋轉形成螺旋樓梯［11］，其能實現(xiàn)工業(yè)化的加工和標準化的現(xiàn)場安裝，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雜，不易拆裝和重復利用，在該方向的研發(fā)越來越少，并逐漸淡出市場，人們研究的熱點轉向了可拆卸的連接方式。

⑵螺接：螺栓連接是鋼結構中常見的可拆卸連接方式，如圖3b 所示。針對焊接鋼質踏板無法重復利用，不利拆裝的技術問題，提出采用高強螺栓將踏板連接在中柱上［12］。之后，在鋼質踏板與踢板一體化成型技術的引導下，“L”形踏板的短邊端部開槽設置預制孔，并在中柱對應踏步位置設置螺栓孔，將兩者通過螺栓連接，此時的鋼質踏板螺接樓梯的安全性和可操作性得到了極大提升［13］。進入20 世紀，螺栓連接需要高強度的抗剪構件，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)點承載力，在踏板與中柱螺栓連接的同時，在踏板的另一端加設延伸至地面的豎直支撐桿［14］，從而使得結構更加牢固，也可在鋼質踏板的另一端加設加固件［15］，使得加固件從踏板中部穿過并與中柱連接，同樣也提高了承載強度。

⑶套接：套接的出現(xiàn)使得鋼質踏板的連接更為簡單，無需焊接和打孔螺接，只需采用環(huán)狀物體套設在中柱上，鋼質踏板與鋼環(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踏板的荷載，其強度有待提升。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行堆砌，同時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題。緊接著，在該領域出現(xiàn)了將套環(huán)與相互垂直的踏板和踢板一體成型，現(xiàn)場直接在中柱上套設，大大簡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在中柱上時通過螺桿進行上下緊固［16］，這樣可根據舒適性調節(jié)踏板的分布角度。隨著一體成型的鋼質踏板的發(fā)展，人們不斷進行創(chuàng)新，可以在鋼質踏板端部設立欄桿和扶手，增加安全性，也有在踏板端部設置板式包邊，包邊圍繞螺旋的踏板旋轉向上［17］。在包邊上需要設置對應踏板的位置，踏板與板式包邊的安裝較為復雜，定位要求較高。此時，人們對成型方法進行了改進，將踏板與板式包邊一體成型［18］，在踏板安裝的時候相鄰包邊采用榫舌插接，實現(xiàn)了工業(yè)化批量預制。2007 年，有人提出可以將套接在中柱上的踏板做成寬度和長度可調的踏板［19］，滿足踏板對不同場合的要求，通過在相鄰踏板間增設調節(jié)元件并將中柱做成伸縮可調結構。

⑷卡接：卡接是21 世紀出現(xiàn)的鋼結構的新型連接方式，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］。之后通過改變中柱側邊的形狀來滿足卡接要求，即將中柱設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，其靠自身旋轉向上形成螺旋樓梯，踏板制成在兩側的梁板上，因此，對于梁板式螺旋樓梯，其主要技術點在于兩側梁板，最常見的梁板是在踏板兩側設置類似墻板作為支撐構件。以下將分別從預制混凝土結構和鋼結構兩個方向進行梳理。

2.2.1 預制混凝土結構

圖3 鋼質踏板Fig.3 Steel Pedal

預制混凝土構件是梁板式螺旋樓梯常見的結構形式，螺旋樓梯的各個部件，如踏板、踏板兩側的墻板構件等均在工廠預制，運輸?shù)浆F(xiàn)場進行裝配，而國內的大部分預制混凝土結構的梁板式螺旋樓梯，都是將踏板在現(xiàn)場與兩側墻體進行裝配，此工藝要求兩側螺旋墻體的放樣精準，兩側墻體從底層延伸到頂層，屬于封閉式螺旋樓梯。歐美國家則將兩側墻體設置成開放式，即采用螺旋板式預制混凝土結構作為踏板的包邊，其盤旋設置，踏板和踢板裝配在兩側包邊的預制槽口處，同時可在踏板端部設置預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，因此，其螺旋高度有所限制。為了提高其螺旋高度，該方向又進一步提出在踏板兩側用通長的槽鋼構成格柵狀墻板［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 鋼結構

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

3 結論與展望

3.1 結論

懸臂式螺旋樓梯當今應用較廣，梁板式螺旋樓梯因施工工藝復雜，應用相對較少。懸臂式螺旋樓梯的技術發(fā)展脈絡為：

早期研究主要集中在中柱上，中柱從木質進入鋼質、從整體式進入分體式、從固定式進入可調式。

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

進入21 世紀，踏板與中柱的連接節(jié)點的研究成為主線，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部件均可在工廠加工預制，運輸?shù)浆F(xiàn)場后進行安裝，其加工、運輸、安裝的效能均得到提升，同時多種規(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下，裝配式螺旋樓梯將迎來新一輪發(fā)展，研究熱點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件也將會成為重要的研究方向。裝配式螺旋樓梯的具體發(fā)展傾向為：

⑴技術化傾向：隨著新工藝的出現(xiàn)，裝配式螺旋樓梯的結構會具有更多的選擇，其必然會導致裝配式螺旋樓梯設計的技術化。

⑵藝術化傾向：人們把樓梯的外形作為藝術品來塑造，把螺旋樓梯的上升姿態(tài)作為無限攀巖的藝術化。通過將藝術化的樓梯設置在特定的環(huán)境中，不僅使其具有使用功能，而且還具有一定的藝術價值。

⑶復合化傾向：隨著新材料的出現(xiàn)，各種材料的結合必將產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合化。