装配式螺旋楼梯技术发展现状与展望

2019-12-11贺赟

广东土木与建筑 2019年11期

贺赟

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心江苏苏州215163）

0 引言

近年来，国家大力发展并推广装配式建筑，促进建筑工业化，特别是2016 年国务院明确提出要大力发展装配式建筑，力争用10 年左右的时间，使国内装配式房屋的比例达到30%［1］。而装配式楼梯是装配式建筑的主要分支之一［2］。

随着人们生活质量和审美的提高，楼梯在建筑中不仅仅扮演着上下交通的构件，同时还不断成为建筑中一道亮丽的风景线［3］。螺旋楼梯凭借其优美的曲线深受人们的喜爱，在家装和工装中广泛应用［4］。装配式螺旋楼梯相比传统现浇螺旋楼梯具有质量可靠，装配方便，施工过程中节能减排等优点［5］。

本文对装配式螺旋楼梯的技术发展进行了全面梳理，分析了其技术现状，并对该领域的发展作了展望，以期对该领域的技术研发提供参考。

1 装配式螺旋楼梯的技术分类

装配式螺旋楼梯主要分为悬臂式螺旋楼梯和梁板式螺旋楼梯两个技术分支。其中，悬臂式螺旋楼梯为带有中柱，踏板安装在中柱上的悬挑式楼梯（见图1a），此种螺旋楼梯设计关键在于中柱的偏心承载力和踏板的受力，结构简单，安全可靠。梁板式螺旋楼梯为不带中柱靠楼梯本身旋转成型，踏板由自身梁板或周边墙体支撑的旋转楼梯（见图1b），此种螺旋楼梯曲线优美，但施工放样较为困难，受力相对复杂。

图1 装配式螺旋楼梯的结构形式Fig.1 Structures of Assembled Spiral Staircase

2 装配式螺旋楼梯技术发展脉络

2.1 悬臂式

悬臂式装配螺旋楼梯中的中柱一般采用轴向承载力较大的钢柱，钢柱底部与地面刚接。其主要技术点在于踏板及其与中柱的连接，最常见的踏板为木质踏板和钢质踏板。

2.1.1 木质踏板

木质踏板是市场上较为流行的一种，木质材料接近于地板，贴近自然，便于整体家居装修，踩感舒适。木质踏板的技术发展主要包括3 个方向：

⑴插接式：插接又叫榫槽卡接（见图2a），在20世纪40 年代，文献［6］在对木质踏板的螺旋楼梯进行研究时提出利用木质中柱作为承载构件，并在其侧面沿着踏步和踢板的方向设置槽口，将踏步和踢板通过凸榫与木质中柱上的槽口卡接。之后对其作进一步研究，提出在木质踏板底部靠近中柱一端设置竖向板作为木质踏板的加强支撑肋，并将加强支撑肋设置为凸榫状并与中柱上腰形孔卡接，木质踏板通过螺钉连接在加强支撑肋上，其结构简单，但在插接处的剪力较大，连接强度不够，只适用于普通家庭或人流较少的公共场所使用。

⑵套接式：套接即将木质踏板套设在中柱上并围绕其旋转成型（见图2b），为了解决插接式木质踏板连接强度不够的技术问题，套接式采用空心钢管柱作为支撑结构，在木质踏板的一端设置圆环形槽口并套设在空心钢管柱上，另一端搁置在焊接于钢板上的角钢上，并与角钢通过螺钉连接。此种设计可以大大提升支柱的支撑强度，但木质踏板与空心中柱为套接，为了保证承载力，还需要增加额外的用于搁置木质踏板另一端的钢板作为支撑构件，其施工工艺比较复杂，成本相对较高。之后对套接式提出改进，摒弃了用于搁置木质踏板另一端的钢板支撑构件，通过采用锁紧限位块搁置在木质踏板与空心钢柱接触的上下面以对连接处进行加强，从而简化了施工工艺并保证了承载强度［7］。与此同时，另一种改进方式也提出采用钢管中柱作为支撑构件，并将木质踏板套接在钢管中柱上，但在木质踏板的悬臂段上下相邻端部设置支撑杆作为上下木质踏板的间距支撑部件，一方面替代了踢板，另一方面也增加了木质踏板的承载力［8］。2000 年，采用多节藕状中轴螺纹连接成中柱，并在藕节处套接木质踏板，其为可拆卸中柱的研发打开了思路［9］。

⑶螺接式：螺接为螺栓或螺钉连接（见图2c），对于木质结构，螺栓或螺钉可有效固定相邻构件，连接强度较高，其中，螺栓连接研究较早［10］，在中柱上预埋多个带螺栓的钢板，采用螺栓连接楼梯的各个部件，将竖向踢板设置在木质踏板底部靠近中柱一端，木质踏板通过螺栓连接到中柱上，并在踏板上螺旋连接木质扶手和栏杆。螺接式现场安装效率高，也便于拆卸，其一度成为木质踏板螺旋楼梯的常用连接方式，深受人们的青睐。

图2 木质踏板Fig.2 Wooden Pedal

2.1.2 钢质踏板

由于钢结构的强度和承载能力的优势，钢结构产品逐渐步入生活，当然，钢材也很快作为装配式螺旋楼梯的踏板材质，其技术发展可以分为如下4 个方向：

⑴焊接：焊接是钢结构常用的连接方式，其连接强度高，如图3a 所示。早在1902 年，就出现了钢质踏板围绕钢柱旋转形成螺旋楼梯［11］，其能实现工业化的加工和标准化的现场安装，但随着可拆卸螺旋楼梯的出现，焊接的钢制踏板因施工复杂，不易拆装和重复利用，在该方向的研发越来越少，并逐渐淡出市场，人们研究的热点转向了可拆卸的连接方式。

⑵螺接：螺栓连接是钢结构中常见的可拆卸连接方式，如图3b 所示。针对焊接钢质踏板无法重复利用，不利拆装的技术问题，提出采用高强螺栓将踏板连接在中柱上［12］。之后，在钢质踏板与踢板一体化成型技术的引导下，“L”形踏板的短边端部开槽设置预制孔，并在中柱对应踏步位置设置螺栓孔，将两者通过螺栓连接，此时的钢质踏板螺接楼梯的安全性和可操作性得到了极大提升［13］。进入20 世纪，螺栓连接需要高强度的抗剪构件，踏板的承载力都集中在踏板与中柱的连接处，为了提高其节点承载力，在踏板与中柱螺栓连接的同时，在踏板的另一端加设延伸至地面的竖直支撑杆［14］，从而使得结构更加牢固，也可在钢质踏板的另一端加设加固件［15］，使得加固件从踏板中部穿过并与中柱连接，同样也提高了承载强度。

⑶套接：套接的出现使得钢质踏板的连接更为简单，无需焊接和打孔螺接，只需采用环状物体套设在中柱上，钢质踏板与钢环连接，如图3c 所示。但钢环与中柱之间靠拧紧力支撑钢质踏板的荷载，其强度有待提升。之后，为了满足双螺旋上下交通，在较厚的钢板中部设置孔洞套在中柱上，利用厚度使得上下踏板相互间隔支撑，此种双螺旋楼梯的出现，不仅使得螺旋楼梯的安装工艺更为高效、造型更为美观，而且为间隔套管的出现作下了铺垫。两年后，采用间隔套管在中柱上进行堆砌，同时在套管上焊接踏板框架，一方面留足了上下相邻踏板的间隔，另一方面也杜绝了套接支撑力不够的问题。紧接着，在该领域出现了将套环与相互垂直的踏板和踢板一体成型，现场直接在中柱上套设，大大简化了螺旋楼梯的安装，但上下套接的踏板不能锁定角度，于是在上下一体成型的踏板套设在中柱上时通过螺杆进行上下紧固［16］，这样可根据舒适性调节踏板的分布角度。随着一体成型的钢质踏板的发展，人们不断进行创新，可以在钢质踏板端部设立栏杆和扶手，增加安全性，也有在踏板端部设置板式包边，包边围绕螺旋的踏板旋转向上［17］。在包边上需要设置对应踏板的位置，踏板与板式包边的安装较为复杂，定位要求较高。此时，人们对成型方法进行了改进，将踏板与板式包边一体成型［18］，在踏板安装的时候相邻包边采用榫舌插接，实现了工业化批量预制。2007 年，有人提出可以将套接在中柱上的踏板做成宽度和长度可调的踏板［19］，满足踏板对不同场合的要求，通过在相邻踏板间增设调节元件并将中柱做成伸缩可调结构。

⑷卡接：卡接是21 世纪出现的钢结构的新型连接方式，是将带有钩部的踏板卡入中柱的槽口中，如图3d 所示，以此获得踏板的承载力［20］。之后通过改变中柱侧边的形状来满足卡接要求，即将中柱设置成带燕尾槽的花型外壁，踏板与燕尾槽卡接［21］。卡接承载力有限，因此，卡接仅适用于小型的装配式螺旋楼梯。

2.2 梁板式

梁板式螺旋楼梯不带中柱，其靠自身旋转向上形成螺旋楼梯，踏板制成在两侧的梁板上，因此，对于梁板式螺旋楼梯，其主要技术点在于两侧梁板，最常见的梁板是在踏板两侧设置类似墙板作为支撑构件。以下将分别从预制混凝土结构和钢结构两个方向进行梳理。

2.2.1 预制混凝土结构

图3 钢质踏板Fig.3 Steel Pedal

预制混凝土构件是梁板式螺旋楼梯常见的结构形式，螺旋楼梯的各个部件，如踏板、踏板两侧的墙板构件等均在工厂预制，运输到现场进行装配，而国内的大部分预制混凝土结构的梁板式螺旋楼梯，都是将踏板在现场与两侧墙体进行装配，此工艺要求两侧螺旋墙体的放样精准，两侧墙体从底层延伸到顶层，属于封闭式螺旋楼梯。欧美国家则将两侧墙体设置成开放式，即采用螺旋板式预制混凝土结构作为踏板的包边，其盘旋设置，踏板和踢板装配在两侧包边的预制槽口处，同时可在踏板端部设置预留孔用于今后的扶手栏杆的安装［22］，此螺旋楼梯的承载力由底部梁板承担，因此，其螺旋高度有所限制。为了提高其螺旋高度，该方向又进一步提出在踏板两侧用通长的槽钢构成格栅状墙板［23］，将踏板连接在格栅状墙板上，其满足高度的要求，但耗材大、成本高。

2.2.2 钢结构

钢结构的梁板式螺旋楼梯是采用钢结构构件作为踏板两侧的支撑构件，较预制混凝土构件的现场安装更为高效。早在1965 年，美国对钢管拼接螺旋楼梯进行了研究［24］，提出采用杆件式构件作为踏板两侧的梁板和围栏扶手，踏板与围栏杆件连接，耗材少，但各个构件的连接较多，现场安装耗时较长。随着踏板两边类似包边的板式结构的出现，人们用钢结构板式包边代替预制混凝土板式包边，在钢结构板式包边上设置搁置踏板的槽口，为了提高其螺旋高度，在受力较大的平台处设置短柱作为支撑，从而提高了其承载安全性。此类钢结构的梁板式螺旋楼梯适用于办公商场，造型漂亮。