木质楼梯的模块化结构设计

李研熙 李 鹏*

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

木质楼梯的模块化结构设计

李研熙 李 鹏*

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

将木质楼梯按照结构拆分进行了模块化设计，探究了木质楼梯中材料与功能关系，并对各个模块之间的连接方式进行了研究，为木质楼梯的设计生产提供参考。

木质楼梯，结构设计，模块化

在国外，家具模块化设计的理念最早出现于欧洲。模块化设计是由不同功能的模块经过标准化连接和组成的设计方法。经过了一百多年的发展，模块化设计已在国外的家具设计中得到了广泛的应用[1]。随着我国人民生活水平的提高，居民对居住环境的要求也逐步提高，我国的木制品市场也迎来了新的局面，而木质楼梯则逐渐成为其中的一个重要方面。将模块化设计应用于木质楼梯的结构设计可以使木质楼梯的设计生产更加标准化、参数化，产品规格趋于规范。

1 模块化的结构组成

本研究的木质楼梯模块化结构组成包括踏板、扶手、立柱、侧板、中心圆柱、风格特征装饰件及连接件七类模块，其主要模块如图1所示。

1.1 踏板

踏板通常是指在楼梯的行走路线中被踩踏的部分。踏板作为楼梯的重要组成部分，其基本要求是防滑、稳固，因此在结构设计上必须遵循安全原则。在住宅中，踏板可以是水平的踏板(见图2)，也可以是水平的板和立板共同组成的(见图3)。因此可以简化设计为两组模块。踏板作为承重和经常被脚踩的模块，在选材上就要选择强度高并且具有耐磨性的木质材料，可以选择实木，因为其强度可以保证踏板的功能得以实现，在其表面进行透明的涂饰不仅可以提高耐磨程度，同时能显示出木材天然的纹理美感；可以选择水平粘合的实木板、白蜡木三合板或者是应用较为普遍的复合板，但是要注意的是如果踏板是贴面粘合，其粘合厚度是有要求的，硬质木材的粘合厚度必须达到2.5 mm，软质木材的粘合厚度需达到5 mm，接头处的粘合厚度必须达到6 mm。目前市场上最为便宜的贴面粘合木制材料就是碎木压合板，但是必须是符合强度的标准要求；也可以选择指接材，指接材有较高的力学强度，其平面抗拉强度、抗弯强度以及抗冲击强度要优于人造板材，并且具有易装饰处理的特点，可以满足模块化木质楼梯多种配色方案的需要。

1.2 扶手

扶手，顾名思义为上下楼梯过程中用以手扶以保持身体稳定。由于扶手的主要功能是辅助行走，那么在设计其形状时需要考虑到手感的舒适程度。扶手模块可按照其横截面形状的不同分为圆形截面扶手模块(见图4)、方形截面扶手模块(如图5所示)以及蘑菇形截面扶手模块(如图6所示)等。在L形和U形楼梯中[2]，还需要转角模块来起到转变扶手方向的作用，可根据不同类型的楼梯来选择转角模块。扶手作为辅助行走的模块，在选材上除了符合基本的强度要求还应考虑到手感和视觉效果。在木质楼梯中，扶手的材料大多采用实木，如橡木、山毛榉、柚木、樟子松等，橡木质地坚硬，榉木在蒸汽下易弯曲，可根据不同材料的特点进行加工。实木的触摸手感是其他材料所不能比拟的。在视觉上也可以给人以坚固牢靠，温暖舒适的享受。另外，木质复合材料也是很好的选择，可以根据不同的需求进行涂饰成多种色彩，比如现代风格的木质楼梯中可以涂饰成白色，以达到纯净简单的外观风格。尤其在有老人和小孩的住宅中，扶手应该选择木质材料，因为木质材料可以给予使用者更多的安全感。

1.3 立柱

立柱是衔接木质楼梯级面和扶手的支承柱，在木质楼梯护栏中起到非常重要的作用。立柱的模块化设计主要可从其横截面的形状入手，可分为圆形截面立柱模块和方形截面立柱模块。造型较为复杂的立柱还可以将立柱分解为子模块，选择不同形式的子模块利用圆榫结合等方式进行拼接即可形成新的立柱模块(见图7)，图7中的立柱是由四个子模块组成，使用者可根据自己的需要进行组装和拼接成为新的立柱。在木质楼梯中，立柱的材质选择比较多样化，可以是木制、铁质、不锈钢、铝合金等。通常根据楼梯的整体设计风格选择合适的材质，在欧式木质楼梯中，金属作为材质的立柱较为常见，因为金属可以做出较为复杂的花纹和图案，色彩也可以根据需求进行加工成仿古的颜色或者铜和铁本身的颜色。以金属为材质的立柱不仅可以完成其功能，也可以作为楼梯中的重要装饰，同时价格相对不高，易加工。

1.4 侧板

在木质楼梯中，侧板是与踏板呈90°垂直的位于踏板两侧的板件(见图8)，并不是所有的木质楼梯都具有侧板，即图8中深灰色部分。侧板的模块相对比较简单，主要需要考虑的就是其长度规格。在使用的过程中，楼梯的高度和坡度与侧板模块息息相关，比如在挑高5 m左右的LOFT式住宅中，按照每级台阶的高度为160 mm，楼梯的长度则在4 m左右，而侧板模块则因为受限于人造板的负幅面规格最大长度为2.4 m左右，因此需要裁锯和拼接才能达到要求。

1.5 中心圆柱

中心圆柱是螺旋形楼梯中重要的结构模块(见图9，图10)，在螺旋形楼梯中，楼梯的踏板围绕着中心圆柱铺设，中心圆柱模块的规格和尺寸与楼梯的高度以及空间的大小息息相关。

1.6 风格特征装饰件

风格特征装饰件是木质楼梯结构中非常重要的模块，因为装饰件对楼梯的整体风格和外观影响较大。装饰件可以按照材料分为金属装饰件模块、塑料装饰件模块和石膏装饰件模块等等，根据每种材质的特点来打造不同的楼梯形态；还可以根据风格分为现代风格装饰件模块以及具有浓郁欧式风情的欧式风格装饰件等。装饰件模块见图11。风格装饰件可以根据需要选择木质材料、金属、玻璃、塑料以及石膏等材质。木质装饰件具有天然纹理，自然美观；金属装饰件造型多样，可搭配出或时尚或复古的风格；玻璃装饰件则胜在给人以洁净感，创造灵动的装饰风格；塑料作为新兴的装饰材料在颜色上可有多种选择，价格低廉；石膏可塑性强，耐磨性高，同时作为一种防火材料，适宜应用在木质楼梯中。

2 模块间的连接形式

2.1 踏板与侧板的连接

在木质楼梯中，踏板与侧板的连接通常采用偏心轮连接件，由于踏板是主要承重的部分，所以要采用重型偏心轮连接件，在强度上要符合承重的安全要求(见图12，图13)。

2.2 踏板与立板的连接

踏板与立板的连接因为强度要求不高，所以可以根据材料特点采用圆榫进行连接，在立板上开出榫头，然后与踏板连接在一起(见图14)。

2.3 侧板与上层楼板的连接

在木质楼梯的连接中，侧板与上层楼板的连接是很重要的一个环节，因为不仅涉及到楼梯的美观性，更是关系到楼梯的安全性。侧板与上层楼板的连接可以采用一种类似角钢的金属连接件，在上层楼板上钻孔，放入金属膨胀螺栓，然后将金属连接件与上层楼板采用螺栓的方式连接在一起，将侧板裁成合适的形状放入金属连接件中，先钻孔然后再将侧板与金属连接件连接在一起，这样就达到了与上层楼板连接的目的(见图15，图16)。

值得注意的是在侧板简化为金属柱的楼梯中(见图17)，金属柱与上层楼板的连接至关重要，因为整体楼梯的承重点都在最上面一级的金属柱与上层楼板之间的连接处，所以通常在上层楼板上钻孔，然后埋入金属膨胀销，再将金属柱与上层楼板采用连接件的方式连接在一起(见图18，图19)，不仅稳定且可以满足安全强度要求。在实际生活中，也有很多的旋转楼梯采用每隔五级的金属柱落地的方式来承重，这样就减少了最上一级金属柱的承重压力，是一种很好的方式。

2.4 踏板与中心圆柱的连接

中心圆柱作为螺旋形楼梯中的关键部件，踏板与中心圆柱的连接方式具有较高的强度需求。由于强度要求高，因此采用金属连接件作为连接，图20，图21中所示的金属连接件采用螺栓与中心圆柱和踏板连接在一起，与传统的连接方式比起来更加美观安全。另外，有一些中心圆柱是采用钢架焊接结构，外附弯曲胶合板包成柱状制成。在这类中心圆柱中，可以在钢架焊接时即计算好高度和角度直接焊接出上述形式的金属连接件进行与踏板的连接，不仅满足了楼梯的安全性，还简化了工序，节约了成本。

3 结语

本文将木质楼梯按照结构拆分进行模块化设计，可分解成踏板模块、扶手模块、立柱模块、侧板模块、中心圆柱模块和装饰件模块，可分别根据其定义和功能进行模块化设计构想。木质楼梯中的材质是根据每个结构模块的功能需要进行应用，踏板多采用木质材料，立柱和装饰件可选择木质材料也可以选择金属、玻璃、石膏等材料。木质楼梯中的连接方式可以根据部件的功能要求分为偏心连接件、金属连接件和螺栓连接等。

[1] 徐 硕.模块化柜类家具的设计研究[D].哈尔滨：东北林业大学,2012.

[2] 刘天杰.室内楼梯设计资料集[M].天津：中国电力出版社,2006.

The modular design of the wooden stairs

Li Yanxi Li Peng*

(CollegeofMaterialScienceandEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

This article will follow the structure of the split wood staircase modular design, explores the connection between the wooden staircase function relationships in materials and modules for the design and production of wooden stairs provides a new concept.

wooden stairs, structural design, modular

1009-6825(2015)16-0025-03

2015-03-28

李研熙(1990- )，女，在读硕士

李 鹏(1973- )，男，硕士生导师，教授

TU318

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