行人踩踏楼梯踏步位置的人体工学调查与分析

金益成，孟凡林

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

楼梯是房屋建筑中用于楼层间的垂直交通设施，即使以电梯为垂直交通工具的房屋建筑也需要设置楼梯.住宅建设项目的楼梯，由于自身特点适合采用标准化方式建造，在国家大力发展装配式建筑的背景下，采用标准化的装配式建造方式建造住宅建设项目的楼梯，与传统的现浇建造方式相比，具有质量好，效率高及成本低的显著优势，极具市场发展潜力.为了充分发挥装配式混凝土楼梯的建造优势，减少预制混凝土楼梯段的混凝土体积，开展楼梯轻量化设计对于节省原材料消耗、提高吊运效率，进而降低装配式混凝土楼梯的建造成本具有重要意义.

楼梯踏面和踢面交汇处的阴角位置，属于楼梯使用功能的闲置区域，换而言之，这个区域是正常行人通常情况踩踏不到的位置，如果将此区域一定范围内做成坡角，有效增加了楼梯段的板厚，使得在保持楼梯段混凝土板厚度不变的前提下，可以减少楼梯段混凝土的用量.但是，能做成坡角区域的具体尺寸多少为宜，目前现有的标准规范和技术文献均未检索到具有参考价值的资料.人体工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能[1-3].为此，采用现场实地调查方式，对行人踩踏楼梯踏步位置分类测量统计，收集人体工程学数据，对数据进行分析研究，为楼梯轻量化设计提供参考.

1 研究方法

1.1 研究方法

由于数理统计中研究对象是随机的[4]，为了得到行人踩踏楼梯踏步位置的分布规律，调研对象包括不同性别，以及不同年龄居民，楼梯踏步的高宽为270 mm×170 mm，楼梯段宽度为1 200 mm.将上下楼梯时踩踏楼梯踏面的位置作为测量统计样本，收集行人鞋子侧面与楼梯踢面，踏面长度方向两端距离的测量数据.对这些数据进行数理统计分析，进而得到行人踩踏楼梯踏步位置的分布规律.选择采样的楼梯符合现行国家标准《建筑设计防火规范》[5]和《民用建筑设计统一标准》[6]的规定要求.调研对象的样本，尽可能在年龄分布上覆盖周全且男女性别和身高、体重兼顾.

无论是现实生活中还是试验采样过程中，人的行为可能是有意识的行为，也可能是无意识的行为.无意识行为是人的一大优点，因为可以利用无意识行为发现事物发展的趋势，并能通过少数事例推断出一般规律[7].为了减少采样过程中，人的主观意识对踩踏行为的影响，使采样数据更加趋近于实际状况，在采样前对人员进行培训，确保在楼梯上行走时处于自然状态，并且采样不计入行走初始时段的数据，采样时随机叫停后测量数据.采集单人上、下行走和双人上下交错行走共3类数据,并对3类数据分别进行数理统计分析.

(1) 单人上,下楼梯踩踏楼梯踏面位置数据采样. 请被采样人员按自然状态下在楼梯梯段上行走，行走过程中随机叫停，测量并记录被采样人员的鞋尖(上楼)或鞋跟(下楼)与踢面之间的距离.这两类数据用于分析楼梯踏步踏面和踢面交汇处阴角位置闲置区域的分布规律.

(2) 双人交错上下楼踩踏楼梯踏面位置数据采样. 请两名被采样人员按自然状态下在楼梯梯段上分别上行和下行，当两名被采样人员踩踏在同一踏面时叫停，按照就近原则，测量墙面一侧被采样人员离墙面近侧的鞋侧面与墙面之间的距离,以及扶手一侧被采样人员离扶手中心近侧的鞋侧面与扶手中心的距离.

(3) 网格纸踩踏痕迹采样. 选择两个楼梯踏步的高宽为270 mm×170 mm，楼梯段宽度为1 200 mm的楼梯间，其中各取一部分为A,B组,将网格纸裁成与楼梯踏面一样大小，粘贴在楼梯下梯段，每日拍照取样，观察网格纸上踩踏痕迹.

1.2 参与调查的被采样人员概况

选择延边朝鲜族自治州珲春市30名住户居民的采样调查，人员个体情况见表1.

表1 被采样人员个体情况Table 1 Individual situation of sampled persons

2 调查结果的统计分析

收集单人上、下楼梯和双人交错上下楼梯踩踏楼梯踏面位置的数据后，通过数据分析软件对调查结果进行相应的图表总汇，从而认识数据的表面规律和内在本质[8].

为便于阅读将单人上楼时采集的数据称为VAR 00001、 单人下楼时采集的数据称为VAR 00002、双人交错上下楼梯时，鞋侧面离墙面的数据称为VAR 00003、双人交错上下楼梯时，鞋侧面离扶手中心的数据称为VAR 00004，并作出正态分布曲线图、平均值、标准差、方差、百分位数等，以上是数据统计处理的几个主要参数[9].

2.1 单人上,下楼梯时鞋尖,鞋跟与踢面距离的统计分析结果

得到单人上下楼时鞋尖鞋跟与踢面距离的数据后，对数据进行统计分析得到了平均值、标准差、最大值、最小值，20 mm以外分位值等数据参数和正态分布曲线图见表2和图1，图2.

表2 单人上,下楼梯时鞋尖,鞋跟与踢面距离的统计分析结果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统计分析结果表明，单人上楼时，鞋尖离踢面距离的平均值为61.22 mm，标准差为23.72 mm，最大值为142 mm，最小值为4 mm；

图1和表2中的2.5 %和97.5 %的分位数中，有95 %的数据属于18.00 mm～107.00 mm区间；

表2显示， 20mm以外的百分数是96.16 %，95 %分位值数值是25 mm[10].

(2) 表2统计分析结果表明，单人下楼时，鞋跟离踢面距离的平均值为49.04 mm，标准差为20.70 mm，最大值为128 mm，最小值为4 mm；

图2和表2中的2.5 %和97.5 %分位数中，有95 %的数据属于16.00 mm～91.00 mm区间；

表2显示，20 mm以外的百分数是93.37 %，95 %分位值数值是18 mm.

图1 鞋尖与踢面距离数据正态分布图Fig.1 Normal distribution of distancesbetween toe cap and kick face

图2 鞋跟与踢面距离数据正态分布图Fig.2 Normal distribution of distances between heel and kick face

2.2 双人交错上下楼梯时鞋侧面与墙面或扶手中心距离的统计分析结果

得到双人上下楼时鞋侧面与墙面或扶手中心距离的数据后，对数据进行统计分析得到了平均值、标准差、最大值，最小值等数据参数和正态分布曲线图见表3和图3，图4.

表3 双人交错上下楼梯时鞋侧面与墙面或扶手中心距离的统计分析结果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统计分析结果表明，双人交错上、下楼梯时，墙面一侧行人鞋侧面与墙面距离的平均值为141.67 mm、标准差为29.02 mm、最大值为260 mm，最小值为37 mm；

表3和图3说明，2.5 %和97.5 %的分位数中，鞋侧面与墙面的距离分布在81 mm～197.9 mm区间，95 %分位值为97 mm.

(2) 表3统计分析结果表明，双人交错上、下楼梯时，扶手一侧行人鞋侧面与扶手中心距离的平均值为122.97 mm、标准差为33.16 mm、最大值为230 mm、最小值为33 mm；

表3和图4说明， 2.5 %和97.5 %的分位数中，侧面与扶手中心的距离分布在71.64 mm～195.95 mm区间，5 %分位值为74 mm.

图3 鞋侧面与墙面距离数据正态分布图Fig.3 Normal distribution of distances between the side of the shoe and the wall

图4 鞋侧面与扶手中心距离数据正态分布图Fig.4 Normal distribution of distances between the side of the shoe and the center of handrail

2.3 网格纸踩踏痕迹采样结果分析

本实验通过在A,B两组楼梯踏面铺贴网格纸采集行人在上下楼梯时踩踏区域的数据，并拍照分析(见图5～图8).

图5 A组2020-02-20网格纸踩踏痕迹照片Fig.5 Group A 2020-02-20 picture of a trample on a grid paper

图6 A组20020-02-29网格纸踩踏痕迹照片Fig.6 Group A 2020-02-29 picture of a trample on a grid paper

图8 B组2020-02-29网格纸踩踏痕迹照片Fig.8 Group B 2020-02-29 picture of a trample on a grid paper

由图5～图8可以看出，2月20日至2月29日调查期间，A,B两组楼梯踏面上铺贴的网格纸踩踏痕迹图片中，距离踢面20 mm以内区域没有踩踏痕迹，距离扶手中心90 mm以内区域没有踩踏痕迹，距离墙面110 mm以内区域没有踩踏痕迹:踏步阳角处的网格纸损毁严重，踩踏痕迹沿着楼梯段宽度方向主要集中在中间600 mm范围内.

3 结论

通过行人踩踏楼梯踏步位置的人体工学调查及分析研究结果,得如下结论:

(1) 住宅楼梯踏面与踢面阴角处，踏面上距离踢面20 mm范围内是行人踩踏的盲区，属于踏面的闲置区域，能将这区域做成坡角以减少楼梯板厚度，节省大量材料.

(2) 楼梯段宽度方向的两端，与距离扶手中心74 mm和距离墙面97 mm范围内，均是行人踩踏的盲区，属于踏面的闲置区域.

(3) 楼梯设计过程中，可以充分考虑行人踩踏盲区的闲置范围，开展进一步优化工作.