多功能脚架在绳索技术救援中的应用探析

汪军庆 娄志

0 前言

近年来，随着职业化、专业化改革不断加速，消防救援队伍处置特种灾害事故的能力水平显著提高，参与处置高空、山岳、深井、孤岛等绳索技术救援日益增多，在此类救援行动中如果能够有效应用多功能脚架，能进一步优化技术操作、提高救援效率[1]。

然而，通过相关调研以及对全国多个消防救援总队、森林消防总队、机动支队发放填写的调查问卷统计结果表明（如图1），当前国内消防救援队伍普遍对于多功能脚架认知较为片面，仅对三脚架这一种应用模式较为了解；尤其是对于多功能脚架功能原理、受力分析、配置形式等基本知识掌握不够，对操作使用过程中的风险评估、架设方法、注意事项等知识技能不具备；各总队（支队）建设的绳索救援技术（山岳救援、高空救援等）专业队均配备了多功能脚架系统，但相关人员缺乏系统的学习培训，对于各类复杂环境的脚架系统不同应用形式不甚了解，不能有效地结合实战需求匹配应用场景，灵活制定系统架设方案的能力水平不足。因此，本文以典型多功能脚架（Arizona Vortex）为例，分析了脚架系统的应用原理、功能配置、受力情况，并结合三脚架、两脚架、独脚架的架设特点归纳出对应适用场景，总结了系统架设的方法步骤，针对性提出了实战应用建议。

图1 调查问卷部分题目结果统计

1 多功能脚架概述

多功能脚架（Multipod）是一种泛指的通用称呼，一般指可根据不同场景需要或任务需求以多种方式灵活组装应用的成套脚架装备。

1.1 功能用途

多功能脚架的基本原理是提供高处的锚结构点改变荷载运动路径，可以实现两个功能：

一是使荷载移动到更高位置，增大技术操作有效净空，更便捷地翻越边缘或越过障碍，简化技术操作。比如开展竖井类受限空间救援时，架设脚架系统能够极大地降低出入口通行难度。

二是避开岩角、锋利边缘等风险点、摩擦点，增加提拉效率，提高系统安全性。相关研究表明，当绳索在岩石或混凝土边缘转折90°时，摩擦可能导致提拉牵引力增至约荷载重力的两倍，不仅影响行动效率，也会产生安全风险[2]。

1.2 应用类型

多功能脚架主要有两种应用类型：

一是用作便携式锚定装置（Portable Anchor System），即锚框架，直接使用脚架设置锚，比如直接将绳索固定在脚架顶部的锚结构点建立绳索行进通道，或使用固定于脚架支腿的绞盘通过脚架顶部锚结构点（滑轮）进行下放或提拉。锚框架的特征是连接荷载的绳索终止（锚定）于脚架系统上[3]。

二是用作人工高位定向装置（Artificial High Directional），即定向框架，荷载绳索通过脚架顶部的锚结构点重新定向（改变绳索位置），比如在边缘提拉时将荷载绳索穿过脚架顶部的滑轮改变绳索运行路径。定向框架的特征是连接荷载的绳索终止（锚定）于脚架系统外的锚。

1.3 基本配置

不同型号的多功能脚架配置有所差异，但通常包含支杆、连接头、底脚、固定带、安全插销以及配套装备包等部件。

支杆是组装成脚架支腿的主体部分，通常配备多根外支杆与内支杆，一般为可拆卸拼接的套管结构，轻便牢固、组装便捷、长度易调，既便于携带、运输，也能根据需要灵活选择应用方式。

连接头安装于支腿顶部，既可用于连接组合多条支腿，也可单独使用，常见的连接头包括A 型框架连接头、独脚架（极柱）连接头、圆盘式连接头和组合式连接头等。

底脚安装于支腿底部，用于不同地形条件下脚架支腿底部的稳固，通常配备有平头底脚（用于较平整的硬地面，如混凝土、沥青路面等）、尖头底脚（用于软地面或不规整的硬地面，如土地、沙地、凹凸不平的岩石）和半包围底脚（用于柱状物、边角等特殊结构处，如梁、柱、树木）等。

固定带主要用于辅助固定脚架底脚，通常为可调节的扎（扁）带或辅绳（带抓结）。

此外，其他部件还包括用于连接固定的安全插销，用于收纳、存储、携行装备的包囊，某些型号的多功能脚架可能还会配备配套使用的滑轮和绞盘等部件。

2 脚架受力特点

从评估系统稳定性的角度分析系统与部件的受力特点是脚架应用的基础。

2.1 系统受力特点

系统受力是指脚架整体受到外部作用的合力，通常按照脚架应用类型分为两种：

一是在锚框架中，系统受力为荷载绳索的拉力（不考虑其他摩擦），方向沿着荷载绳索，位置在挂接荷载端绳索与框架直接相连处，如图2。需注意的是在使用固定于脚架支腿的绞盘时，由于绞盘固定于支腿上，成为了脚架系统的一部分共同受到外部作用力，故此情形下系统合力并非两条绳索合力（两条绳索受力的矢量和，位于两绳之间），而是脚架整体受到的外部作用力，即荷载绳索拉力，方向由荷载绳索与脚架的最后（直接）连接处指向荷载[4]。

图2 锚框架系统受力

二是在定向框架中，系统受力为荷载绳索拉力与牵拉绳索拉力的合力，这种合力不是直观可见的，而是脚架系统受到外部承载连接共同作用形成的力，其方向为滑轮中轴线方向，大小为荷载绳索拉力与牵拉绳索拉力在滑轮中轴线方向的分力之和（可通过三角函数计算得出），位置在顶部滑轮与框架连接处，如图3。

图3 定向框架系统受力

3 典型救援场景架设方式

2.2 部件受力特点

影响脚架系统稳定性的部件主要是支腿（支杆）以及辅助固定的绳索、扎带。

支腿（支杆）为刚性部件，既可以沿着支腿（长轴）方向承受较大的压力（压缩）或拉力（拉伸），还能在一端固定时承受一定的剪切力（与支腿长轴垂直），剪切力会产生使支腿围绕固定端旋转的力矩，即扭矩，如图4。

图4 支腿受力分析

在实际使用中（尤其是独脚架形式），支腿大多处于底脚固定的倾斜状态，此时可将系统受到的合力分解为沿支腿方向的压力与垂直于支腿方向的剪切力，按照刚性部件的受力特点应尽量使支腿承受的压力较大、剪切力较小，因此，应使支腿方向尽量与系统合力方向平行。此外，为了使扭矩减小，也应尽可能缩短支腿长度（力臂）。

绳索、扎带属于柔性部件，在脚架系统中主要用于牵拉，沿其承载方向承受拉力（无法承受压力），因此，主要用于辅助固定脚架系统以保持稳定。

多功能脚架可以应用于各类城市工业环境与山岳户外环境，在实战救援中应根据不同的环境特点合理选择最优架设方式。下文结合实际环境架设测试分析常用架设方式的主要特点、受力情况、适用场景及注意点。

3.1 等长三脚架

等长三脚架也称为标准三脚架，使用三条支腿且支腿长度相同，三条支腿形成的脚周线（底脚两两连接围成的三角形）形状近似等边三角形，如图5。

图5 等长三脚架实际应用

等长三脚架三条支腿相互支撑，在系统受到的合力在脚周线以内时，无论是作为锚框架还是定向框架，均相对稳定，只需对支腿底脚进行连接固定，这种应用方式操作简单，系统不易倾覆，安全性相对较高；而在某些情况下，如果系统受到的合力在脚周线以外时（比如附近无法设置适合的锚点只能在较远处设置时），则需要在系统受到的合力相对应的另一侧（框架移动趋势相对的另一侧）使用绳索等辅助器材对脚架系统顶端（连接头）进行辅助固定。

等长三脚架是最基础的使用形式，通常应用于相对开阔、宽敞，周围无障碍物、具备充足操作空间的场景或环境中，如周边开阔的有限空间入口（井口、洞穴、坑道、密闭设备出入口等）。使用时需注意，尽量使系统合力靠近脚架系统中心位置（脚周线三角形的中心）。

3.2 画架式三脚架

画架式三脚架是在等长三脚架的基础上将一条支腿延长，使脚架系统顶端偏向一侧，脚周线形状近似为等腰三角形，使用时荷载通常靠近两条等长支腿一侧或在两条等长支腿外侧，如图6。

图6 画架式三脚架实际应用

虽然与等长三脚架类似均使用了三条支腿，但画架式三脚架只有作为锚框架使用且系统受到的合力在脚周线以内时才比较稳定，此时可以只固定支腿底脚；若作为锚框架使用但系统受到的合力在脚周线以外，则需要在荷载相对应的另一侧（框架移动趋势相对的另一侧）使用绳索等辅助器材对脚架系统顶端（连接头）进行辅助固定；而如果用作定向框架，系统受到的合力几乎均在脚周线以内且指向长支腿一侧，并存在使框架向长支腿一侧移动（倾覆）的趋势，此时不能只使用捆扎带固定底脚或在脚架系统顶端（连接头）进行固定，而应使用螺栓等器材将支腿底脚固定。

画架式三脚架中荷载可设置于靠近脚架系统的一侧或外侧，因此，画架式三脚架常用于操作空间相对受限，等长三脚架无法应用的场景或环境中，比如平台边缘、悬崖边缘或周边存在障碍物的有限空间入口（墙边的坑道、洞口）等。使用时需注意脚架应用类型以及荷载位置不同时应采取相对应的辅助固定措施。

3.3 A 型两脚架（A 型框架）

A 型两脚架也称为标准A 型框架，由两条等长支腿配合辅助固定器材组合架设而成，通常情况下，荷载绳索位于两条支腿之间，如图7。

图7 A 型框架实际应用

两脚架自身不具有稳定性，必须配合绳索等辅助固定器材架设，无论是作为锚框架还是定向框架，都应尽量使系统合力保持在两条支腿形成的平面内。此外，与三脚架系统类似，A 型框架支腿底脚也应使用捆扎带连接固定或利用地形限制、使用螺栓等器材将其限位固定。

A 型框架功能类似于画架式三脚架，区别在于使用绳索替换了画架式三脚架的长支腿并配合其他辅助固定器材架设，通常应用于荷载位于脚架系统外侧或操作空间相对有限的场景，如平台或悬崖边缘等周围地形受限的有限空间入口。由于少使用一条支腿，A 型框架受力情况相对更复杂，但装备携行重量更轻。使用时需注意，由于辅助固定的绳索只能承受拉力而不能承受压力，因此在两脚架两侧均应设置辅助固定，并且由于荷载一侧需要相对更大的操作空间以便担架、人员通过，故荷载一侧通常使用两边斜拉的方式进行固定。

3.4 侧向式A 型两脚架

侧向式A 型框架由两条长度不等的支腿配合辅助固定器材组合架设而成，通常情况下荷载绳索与两条支腿形成的平面大致平行（绳索不穿过两条支腿之间），荷载位于靠近较短支腿一侧，如图8。

图8 侧向式A 型框架实际应用

侧向式A 型框架在前后方向均使用支腿支撑（可承受压力与拉力的刚性部件），因此需要在脚架两侧使用绳索等辅助固定器材，尽量保持支腿处于垂直平面内，避免框架向左右两侧偏移倾覆。此外，架设时尽量使系统合力接近于两条支腿底脚连线中间位置。同样，支腿底脚也需要使用捆扎带连接固定或利用地形限制、使用螺栓等器材将其限位固定。

侧向式A 型框架功能也类似于画架式三脚架，区别在于只使用一条短支腿替代了画架式三脚架的两条短支腿。由于其受力特点（前后侧均为刚性部件）及绳索辅助固定方式（设置于脚架系统靠后的两边），侧向式A 型框架通常可应用于荷载位于脚架系统外侧且前方不便设置绳索等辅助固定的场景，如前方没有合适锚点的平台或悬崖边缘等；此外，不同于A 型框架两条等长支腿向前倾斜的设置形式，侧向式A 型框架前短后长的设置形式可以跨过平台边缘的栏杆、扶手或女儿墙等结构使用，避免障碍物对支腿形成侧向挤压。

3.5 独脚架（塔架）

独脚架也称为塔架或极柱，使用一条支腿配合绳索等辅助固定器材架设，支腿顶端可以使用连接头，也可以使用配套尺寸的圆盘分力板，如图9。

图9 独脚架实际应用

独脚架只使用一条支腿，必须配合绳索等辅助固定器材方可架设。辅助固定时至少应使用三条绳索，绳索之间角度约120 度为宜；也可以使用四条绳索，绳索之间角度约90 度为宜。支腿通常情况下会向荷载一侧倾斜，设置时应尽量保持支腿与系统合力在同一方向，同时应避免支腿向左右两侧偏移。此外，需注意利用地形限制或使用螺栓等器材将支腿限位固定。

独脚架适用场景与画架式三脚架类似，但由于只使用一条支腿，装备携行重量大幅降低，因此在交通不便或需要长距离徒步行进的山岳户外环境救援中优势明显。但独脚架受力情况较为复杂，架设使用的专业技术能力需求较高，且对现场锚结构有相应要求。

3.6 小结

结合上述几类多功能脚架架设方式的特点及适用场景，三脚架系统技术要求相对较低，架设更简单、稳定性更好，但需要的刚性部件（支腿、底脚等）较多、重量较大，装备携行负担较大，在交通不便、需要远距离徒步前往的救援现场存在一定困难；独脚架系统正好相反，所需的刚性部件最少，重量相对较轻、携行方便，但技术要求高，需要准确分析受力情况、设置辅助固定方式以保证其稳定性，并且由于独脚架系统需要多条绳索辅助固定，因此一定程度上受现场环境条件（如锚设置）限制；两脚架系统则相较于前两者之间。整体来看，脚架系统的应用形式需要结合救援需求与现场情况综合分析确定。

4 应用方法步骤

4.1 架设前

一是确定使用方式（应用场景、应用模式），通过图纸、画稿简单设计。

二是进行受力情况预分析：a.评估脚架系统受力的方向及大小；b.分析脚架系统在整个作业过程（负载前、负载过程中、荷载移除后）的运动趋势或可能发生的情况[5]。

三是确定辅助固定的方式（选用的装备器材、固定的方法等）。

4.2 架设时

脚架系统架设过程中，主要是注意辅助固定的方式，常用绳索、扁带、扎带、螺栓等，这些固定设备通常应具备强度高、重量轻、小直径、低延伸率。支腿固定的常见方式如下：

一是使用配套的捆扎带、绳索等器材在每两根支腿之间进行固定。

二是使用螺栓将支腿固定在坚硬表面。

三是使用扁带、绳索等器材将支腿捆绑固定于坚固的结构构件。

四是利用自然或人工的地形地貌、结构位置楔入支腿（主要为尖脚），注意此固定方式通常只是单方向，比如在支腿因压缩而产生移动的场景中应用时，无法应对拉伸产生的移动。

由于支腿这类刚性部件承受荷载时受到扭矩作用可能产生旋转，因此脚架系统顶端（连接头）必须使用绳索等器材进行辅助固定，在固定时应特别注意辅助绳索角度，若角度不符合要求则辅助绳受力会大幅增加，可能导致绳索断裂、脚架系统崩溃。通常要求符合以下两个原则：

一是辅助绳与垂直方向形成的角度不小于30 度。

二是辅助绳与支腿形成的角度应大于支腿与系统受到合力形成的角度，如图10。在某些场景中会使用多根辅助绳进行固定或者需要固定多条支腿，此时描述的角度是辅助绳平面与支腿的角度或辅助绳与支腿平面的角度。

图10 辅绳角度大于合力角度

4.3 架好后

脚架系统架设完毕应测试强度及稳定性，施加测试负载检查所有组件是否正常运行及是否满足安全要求，可从以下两方面测试：

一是作为锚框架使用时，在受力方向能够承受静态荷载。（不包括安全冗余）。

二是作为定向框架使用时，在受力方向能够承受静态荷载乘以荷载系数（顶端定滑轮角度产生的放大效应）。

此外需注意，对支撑结构或表面进行评估，确保其强度及稳定性。

5 实战应用建议

一是多功能脚架应优先选择经过相关认证（如EN795:2012/B、CEN/TS 16415:2013 等）的成型产品（强度更有保证、应用场景多样、组装固定便捷），在实战中如遇紧急且必要的情况，也可依据多功能脚架的架设原理，利用液压顶杆、拉梯、树木等材料设置，但务必对系统强度及稳定性进行充分评估。

二是工作绳从脚架系统顶部滑轮经过，保护绳可直接在地面设置，或利用脚架系统设置较低位置的定向使其避开地面以减少磨绳风险，但应注意：一是在避免磨绳的情况尽量接近地面，二是要尽量收紧避免松弛。

三是一条支腿最多组装不超过四根支杆（如三条外腿一条内腿），所有支腿必须完全插入或伸出连接头，脚架内支杆（可调节的支杆）应尽量设置于中部，便于调整脚架系统的高度。同时，插销的插入位置和方向需要注意，同时检查确保插销完全插入且球锁正常锁定。

四是在救援现场组装脚架系统时，可以先对部分组件进行预组装，再到使用位置完成全部组装，也可以在远离危险边缘区域组装完毕后，再整体移至使用位置。无论使用何种方法，均需注意使用辅绳连接好相应部件或者整个脚架（辅绳可以连接至后方锚），直到脚架系统完全架设稳妥，以防脚架在安装过程中发生翻滚或者掉落。