郵輪乘客樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張志佳，張 衛(wèi)

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言

相較于一般的船用樓梯，郵輪乘客樓梯對(duì)舒適度和美觀度的要求更高。然而，對(duì)于郵輪乘客樓梯的設(shè)計(jì)形式和參數(shù)，各船級(jí)社規(guī)范，國(guó)際公約，船用法規(guī)等缺乏全面和統(tǒng)一的要求。此外，考慮到空間限制，樓梯傾角可能無(wú)法滿足相關(guān)要求，進(jìn)而導(dǎo)致樓梯安全性或舒適性不足。

我國(guó)在豪華郵輪的設(shè)計(jì)和制造方面尚處于起步階段，我國(guó)首艘極地探險(xiǎn)郵輪在乘客樓梯的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中反映出一些典型的設(shè)計(jì)問(wèn)題，比如凈高不足、傾角設(shè)計(jì)不當(dāng)、選型不合理、踏步設(shè)計(jì)不舒適等。其中一些問(wèn)題在設(shè)計(jì)過(guò)程中難以發(fā)現(xiàn)，往往在樓梯建造完成后才會(huì)暴露。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的相關(guān)要求，結(jié)合我國(guó)首艘極地探險(xiǎn)郵輪的設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)樓梯傾角、凈高、梯架選型、制作方法、扶手設(shè)計(jì)、踏步選型及布置方法等給出具體參數(shù)建議。

1 樓梯傾角和凈空高度設(shè)計(jì)

傾角是樓梯設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，選擇合適的樓梯傾角非常關(guān)鍵。美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS）和中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）建議的斜梯傾角范圍為38°～45°。根據(jù)探險(xiǎn)郵輪的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一旦乘客樓梯的傾角超過(guò) 40°，后續(xù)的踏步布置很難滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，38°～45°的傾角范圍對(duì)于郵輪乘客樓梯來(lái)說(shuō)是不合理的。美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)（United States Coast Guard，USCG）要求室內(nèi)乘客樓梯及公共區(qū)域樓梯的傾斜角應(yīng)不大于 40°；室外乘客樓梯及登乘梯的傾斜角應(yīng)不大于 45°，該要求相較ABS和CCS更為合理。此外，豪華郵輪寸土寸金，若樓梯傾角過(guò)小，則會(huì)占用較多空間。綜合考慮上述因素，建議郵輪乘客樓梯的傾角為30°～40°，可兼顧空間占有及行走舒適性的要求。

各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)乘客樓梯凈空高度的要求不同，在設(shè)計(jì)時(shí)，建議按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）規(guī)定的2.3 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，可最大程度保證設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明：即使凈空高度受限，最小凈空高度也不應(yīng)小于國(guó)際建筑規(guī)范（International Building Code，ICC）規(guī)定的2.032 m。測(cè)量?jī)艨崭叨葧r(shí)應(yīng)注意以下2點(diǎn)：1）在測(cè)量下端時(shí)，必須以每級(jí)踏步的最前端（含裝飾材料）為測(cè)量點(diǎn)，垂直向上量??；2）在測(cè)量上端時(shí)，除船體結(jié)構(gòu)外，還必須考慮裝飾板的厚度。

2 梯架設(shè)計(jì)

2.1 梯架選型

傳統(tǒng)船用梯多采用角鋼或槽鋼作為梯架。由于郵輪乘客樓梯的傾角比較平緩，為減小踏步間隙，通常會(huì)加大踏步深度，進(jìn)而會(huì)增大腹板高度。我國(guó)首艘極地探險(xiǎn)郵輪的乘客樓梯的側(cè)面寬度達(dá)到了270 mm，若選擇如此大尺寸的成品角鋼或槽鋼，則會(huì)非常不經(jīng)濟(jì)。與此同時(shí)，過(guò)寬的面板寬度還會(huì)占據(jù)過(guò)多的空間。即便是采取鋼板壓彎或者拼接的方式，也會(huì)增加額外的加工成本。此外，對(duì)于室內(nèi)主樓梯，還需要包裹裝飾材料和安裝玻璃扶手。由于角鋼和槽鋼梯架的形狀不規(guī)則，較難滿足相應(yīng)要求。為解決上述問(wèn)題，探險(xiǎn)郵輪的乘客樓梯采用平板型和矩形等2種梯架型式。

室外乘客樓梯使用平板型梯架，采用平直的鋼板制作，加工方便，特別適用于一些環(huán)形樓梯。在建造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，平板型梯架存在抗振性能和抗彎性能較差的特點(diǎn)。對(duì)于一部2.5 m高、250 mm×8 mm規(guī)格的平板型斜梯，在人員快速上下樓梯的過(guò)程中該斜梯會(huì)產(chǎn)生明顯的震顫。因此，建議平板型梯架的凈板厚應(yīng)不小于10 mm。

室內(nèi)乘客樓梯的梯架周?chē)枰b飾板，梯架上表面需要安裝玻璃扶手底座。因此，梯架上表面需要具有一定的寬度。綜合考慮，矩形截面的梯架無(wú)疑是很好的選擇。

2.2 矩形梯架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作

矩形梯架的尺寸設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于兼顧外觀和功能需求，主要體現(xiàn)在上表面寬度和側(cè)面寬度這兩個(gè)參數(shù)的選擇上。尺寸過(guò)大會(huì)占用較多空間，同時(shí)也會(huì)增加梯架重量。其中，若上表面寬度過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致外觀臃腫；若上表面寬度過(guò)小，則無(wú)法滿足踏步及扶手等的安裝要求。為避免上述問(wèn)題，以滿足欄桿底座的最小安裝尺寸要求對(duì)探險(xiǎn)郵輪的矩形梯架上表面寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)梯架的側(cè)面寬度時(shí)，除考慮踏步的安裝和焊接空間外，還需要考慮踏步包裹的裝飾材料占用的空間。同理，對(duì)于需要安裝扶手的樓梯，也需要考慮底座的空間需求。

在 40°傾角的情況下，矩形梯架截面的長(zhǎng)寬比超過(guò)5∶1?？紤]到重量控制的要求，梯架的壁厚一般為4～5 mm。滿足上述要求的成品矩形管很難采購(gòu)，為解決這一問(wèn)題，采用如下方法進(jìn)行自制：

1）折彎法。先將板材彎折成2塊槽型板，再拼接成矩形管。由于矩形梯架會(huì)包裹硬質(zhì)裝飾板，故折角處正常彎折即可，一般不需要刻意加大倒角圓弧的尺寸。

2）拼接法。將小規(guī)格成品矩形管拼接為大規(guī)格的矩形管。若需要截面為300 mm×50 mm的矩形管，可使用2塊150 mm×50 mm的矩形管進(jìn)行拼接。

在焊接方面，由于板厚較薄，矩形梯架很容易產(chǎn)生變形。因此，在焊接時(shí)建議采用間斷焊。

3 踏步設(shè)計(jì)

3.1 踏步選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通船舶上層建筑的生活區(qū)多采用封閉式樓梯，不僅采光性能較差，還會(huì)造成壓抑的空間感。為解決這一問(wèn)題，探險(xiǎn)郵輪的室內(nèi)乘客樓梯采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)。每層踏步是獨(dú)立的，踏步之間具有較大的垂向間隙。開(kāi)放式設(shè)計(jì)保證了透光性，視覺(jué)上也更加輕便。為滿足包裹地毯的需求，采用矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以保證有效的接觸面積。矩形踏步的高度不超過(guò)50 mm，以免在包裹地毯后，踏步顯得臃腫。矩形踏步的制作方法可參考矩形梯架。需注意的是，由于地毯采用膠粘方式固定，矩形截面4個(gè)角的倒圓半徑應(yīng)不小于20 mm，折角過(guò)于尖銳易使地毯在折角處產(chǎn)生鼓包。

對(duì)于室外踏步，可根據(jù)實(shí)際的敷料類(lèi)型進(jìn)行選擇。若采用目前流行的自流平敷料作為踏步，應(yīng)當(dāng)采用半封閉托盤(pán)式踏步設(shè)計(jì)以保證敷料在固化前不會(huì)外流。建議采用4 mm厚的鋼板彎制，凹槽深度為35 mm，這有助于在保證踏步結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)減少填充敷料的用量。

3.2 踏步布置設(shè)計(jì)

在進(jìn)行踏步布置時(shí)，要考慮踏步進(jìn)深、踏步高度、重疊距離和踏步間隙等參數(shù)（見(jiàn)圖1）。不同國(guó)家、機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的要求有所不同，這里選取ISO、ABS、CCS、USCG、ICC、英國(guó)住房和計(jì)劃部（Department for Levelling Up, Housing and Communities，DLUHC）、澳洲建筑規(guī)范委員會(huì)（Australian Building Codes Board，ABCB）、中國(guó)民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB 50352—2019）、美國(guó)司法部（Department of Justice，DOJ）、美國(guó)常用建筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)踏步布置的要求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 踏步設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)定義

表1 部分國(guó)家船用及建筑樓梯踏步設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

劉聰發(fā)等研究表明：成年人的樓梯舒適步距為620 mm，即2+=620 mm，這與主流標(biāo)準(zhǔn)的要求基本相符。以此為基準(zhǔn)，結(jié)合中國(guó)民用建筑標(biāo)準(zhǔn)最小260 mm的踏深要求，可計(jì)算出滿足此條件的踏步高度的最大值為180 mm，樓梯傾角為35°。對(duì)照主流標(biāo)準(zhǔn)要求，該設(shè)計(jì)尺寸較為合理。

由于受到布置限制，將所有樓梯的傾角均布置為35°非常困難。然而，當(dāng)樓梯傾角超過(guò)35°時(shí)，踏步布置很難滿足所有標(biāo)準(zhǔn)的要求。下面以 40°傾角樓梯為例，對(duì)樓梯設(shè)計(jì)和布置過(guò)程進(jìn)行介紹。

在梯架傾角固定的情況下，踏步高度和踏步進(jìn)深由踏步級(jí)數(shù)控制。在進(jìn)行樓梯設(shè)計(jì)時(shí)，先從踏步級(jí)數(shù)著手，根據(jù)級(jí)數(shù)計(jì)算出踏步高度和踏步進(jìn)深，再與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，即可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。探險(xiǎn)郵輪乘客樓梯的設(shè)計(jì)過(guò)程就采用了以踏步級(jí)數(shù)為切入點(diǎn)的布置方法。

假設(shè)樓梯垂直高度為1.5 m，梯架傾角為40°。根據(jù)踏步級(jí)數(shù)的不同，分別設(shè)置6級(jí)、7級(jí)和8級(jí)等3種方案，并計(jì)算出相應(yīng)的踏步進(jìn)深和踏步高度。不同方案滿足規(guī)范的情況見(jiàn)表2，6級(jí)踏步方案的踏步進(jìn)深滿足7項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但踏步高度不滿足任何標(biāo)準(zhǔn)的要求；7級(jí)踏步方案的踏步進(jìn)深滿足5項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，踏步高度滿足3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求；8級(jí)踏步方案的踏步進(jìn)深滿足2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，踏步高度滿足6項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 部分國(guó)家船用及建筑樓梯踏步設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

由于6級(jí)踏步方案的踏步高度不滿足要求，故先將其排除。針對(duì)其他2種方案，分別制作樣梯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在其他條件一致的情況下，8級(jí)踏步方案更加省力，而7級(jí)踏步方案的安全性更好。金益成等的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：距踢面20 mm范圍是踩踏盲區(qū)。因此，在下行過(guò)程中，8級(jí)踏步與鞋底的實(shí)際接觸長(zhǎng)度只有203 mm，約有75 mm的足部超出踏步表面，這會(huì)導(dǎo)致行人在快速下行過(guò)程中摔倒的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

綜上所述，當(dāng)樓梯傾角超過(guò) 35°時(shí)，無(wú)法同時(shí)滿足踏步進(jìn)深和踏步高度的標(biāo)準(zhǔn)要求。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先滿足踏步進(jìn)深的要求以保證安全性。在計(jì)算踏步高度時(shí)，所有的尺寸的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)均為踏步表面裝飾物。

4 樓梯扶手設(shè)計(jì)

樓梯扶手的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于扶手高度和橫檔間隔。扶手高度并非越高越好，過(guò)高的扶手設(shè)計(jì)會(huì)影響抓握的舒適度。不同國(guó)家、機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樓梯扶手的設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表3。由表3可知，扶手高度應(yīng)在865～1 000 mm范圍內(nèi)，推薦選擇915 mm作為扶手設(shè)計(jì)高度，該高度幾乎可以滿足所有主流標(biāo)準(zhǔn)的要求。值得注意的是，扶手高度應(yīng)從每級(jí)踏步的最前端量取。扶手和艙壁或其他固定物之間的距離不小于75 mm。橫檔間距建議取為100 mm左右，由于郵輪上會(huì)有兒童乘客, 過(guò)大的間距存在安全隱患。

表3 不同國(guó)家、機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樓梯扶手的設(shè)計(jì)要求

5 結(jié)論

郵輪乘客樓梯對(duì)舒適度和美觀度的要求較高，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的相關(guān)要求，結(jié)合我國(guó)首艘極地探險(xiǎn)郵輪的設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)樓梯傾角、凈高、梯架選型、制作方法、扶手設(shè)計(jì)、踏步選型及布置方法等給出如下建議：

1）樓梯傾角建議范圍為 30°～40°，樓梯凈高建議范圍為2 032～2 300 mm。

2）梯架建議選用平板型梯架和矩形梯架。

3）室內(nèi)踏步建議選用矩形踏步，室外踏步采用自流平敷料時(shí)，建議采用U形半封閉式踏步。

4）若樓梯傾角超過(guò)35°，應(yīng)按照優(yōu)先滿足踏步進(jìn)深尺寸的原則進(jìn)行布置。

5）扶手高度建議選用915 mm。