安全人机工程课程设计

上海海事大学

《安全人机工程》课程设计基于安全人机工程学的楼梯设计

摘要:结合安全人机工程学、房屋建筑学等相关知识,在考虑人的生理和心理特

,对建筑的楼梯设计中楼梯类型、踏步宽度、踢面高度、楼梯宽度、踏步防滑、休息台、楼梯坡度、扶手以及楼梯颜色等进行了安全人机工程分析,并提出了楼梯设计的具体要求和建议。

关键词:安全人机工程学;楼梯设计;安全度;宜人性

Abstract:In combination with the relevant knowledge of safety ergonomics and house architecture,and taking into consideration the physiological and psychological characteristics of inhabitants and the man-stairs-environment serviceability, this paper discusses the stairs design from the perspective of safety ergonomics,and puts forward specific requirements and suggestions. Keywords: safety ergonomics;stairs design;safety degree;serviceability

目录

第一章研究对象概况 (4)

1.1研究意义 (4)

1.2楼梯组成 (4)

1.3楼梯形式 (4)

1.4楼梯分类 (5)

第二章楼梯各部分的设计要求 (5)

2.1踏步宽度和踢面高度 (6)

2.2楼梯的宽度 (7)

2.3踏步的防滑 (7)

2.4休息台(正平台和半平台)的设计 (8)

2.5楼梯坡度和扶手 (8)

第三章色彩在楼梯设计中的应用 (9)

3.1色彩在梯级上的应用 (9)

3.2色彩在楼梯墙面上的应用 (10)

第四章结论 (11)

4.1设计要求 (11)

4.2备注 (11)

1研究对象概况

1.1研究意义

建筑物中作为楼层间垂直交通用的构件。用于楼层之间和高差较大时的交通联系。在设有电梯、自动梯作为主要垂直交通手段的多层和高层建筑中也要设置楼梯。高层建筑尽管采用电梯作为主要垂直交通工具，但仍然要保留楼梯供火灾时逃生之用。楼梯由连续梯级的梯段（又称梯跑）、平台（休息平台）和围护构件等组成。楼梯的最低和最高一级踏步间的水平投影距离为梯长，梯级的总高为梯高。

近年来关于学校教学楼踩踏事件的报导屡见不鲜,虽然这些事故很大程度上是由人的不安全行为所引起,但客观因素却不能忽视。楼梯是联系不同楼层的交通枢纽,设计符合人的生理特征、心理特性的楼梯,不仅能使其功能得到充分的发挥,而且也能确保楼梯的安全度,提高其宜人性。因此,对楼梯进行安全人机工程的分析具有必要性,也有其实际意义。

1.2楼梯组成

1.2.1楼梯段

每个楼梯段上的踏步数目不得超过18级，不得少于3级。

1.2.2楼梯平台

楼梯平台按其所处位置分为楼层平台和中间平台。

1.2.3栏杆（栏板）和扶手

栏杆（扶手）是设置在楼梯段和平台临空侧的围护构件，应有一定的强度和刚度，并应在上部设置供人们手扶持用的扶手。扶手是设在栏杆顶部供人们上下楼梯倚扶的连续配件。

1.3楼梯形式

楼梯按梯段可分为单跑楼梯、双跑楼梯和多跑楼梯。梯段的平面形状有直线的、折线的和曲线的。

单跑楼梯最为简单，适合于层高较低的建筑；双跑楼梯最为常见，有双跑直

上、双跑曲折、双跑对折（平行）等，适用于一般民用建筑和工业建筑；三跑楼梯有三折式、丁字式、分合式等，多用于公共建筑；剪刀楼梯系由一对方向相反的双跑平行梯组成，或由一对互相重叠而又不连通的单跑直上梯构成，剖面呈交叉的剪刀形，能同时通过较多的人流并节省空间；螺旋转梯是以扇形踏步支承在中立柱上，虽行走欠舒适，但节省空间，适用于人流较少，使用不频繁的场所；圆形、半圆形、弧形楼梯，由曲梁或曲板支承，踏步略呈扇形，花式多样，造型活泼，富于装饰性，适用于公共建筑。

1.4楼梯分类

建筑物中作为楼层间交通用的构件。由连续梯级的梯段、平台和围护结构等组成。在设电梯的高层建筑中也同样必须设置楼梯。楼梯分普通楼梯和特种楼梯两大类。普通楼梯包括钢筋混凝土楼梯、钢楼梯和木楼梯等，其中钢筋混凝土楼梯在结构刚度、耐火、造价、施工、造型等方面具有较多的优点，应用最为普遍。特种楼梯主要有安全梯、消防梯和自动梯3种。

按照空间可划分为室内楼梯和室外楼梯。室内楼梯，字面已经解释清楚，应用与各种住宅内部，因追求室内美观舒适，室内楼梯多以实木楼梯，钢木楼梯，钢与玻璃，钢筋混凝土等或多种混合材质为主，其中实木楼梯是高档住宅内应用最广泛的楼梯，钢与玻璃混合结构楼梯在现代办公区，写字楼，商场，展厅等应用居多，钢筋混凝土楼梯广泛应用于各种复式建筑中。室外楼梯因为考虑到风吹雨晒等自然因素，一般外形美观的实木楼梯，钢木楼梯，金属楼梯等就不太适宜，钢筋混凝土楼梯，各种石材楼梯最为常见。

2楼梯各部分的设计要求

楼梯是解决不同楼层之间垂直联系的交通枢纽,其应该有足够的疏散能力,满足安全、防火等的要求。同时,根据安全人机工程学分析,楼梯的设计还要满足宜人性,即符合人的生理、心理特征。

人的动觉是对身体运动及其位置状态的感觉,它与肌肉组织、肌腱和关节活动有关。人的动觉的改变破坏了原有的身体位置、运动方向、速度大小等的平衡,人就要重新建立新的平衡,在建立新的平衡过程中人的运动速度必然变缓。因此,

建筑的楼梯应尽可能避免破坏人的动觉平衡,其类型宜采用直行形式,如直跑楼梯、对折的双跑楼梯或成直角折行的楼梯等,而不宜采用弧形梯段或在半平台上设置扇步。根据安全人机工程学的原理,楼梯各部分的设计要求如下:

2.1踏步宽度和踢面高度

确定楼梯踏步宽度(设为L)、踢面高度时要综合考虑人的行为习惯和人体相关尺寸。踏步太宽时,踢面过低会使人踏大步,易产生疲劳,造成人体能量的浪费;踏步过窄时,踢面过低会增加梯级的级数,一方面增加了脚的移动次数使人容易产生疲劳,另一方面亦会使人形成一步踏多级的习惯甚至下楼时踏空跌倒。

踏步宽度主要与人的足长有关,设计时足长取中国成年人人体尺寸(GB1000 1988)公布的男性足长分布的第95百分位数。该标准公布的人体数据是在裸体或单薄内衣的条件下测得的,测量时不穿鞋,因此有公式S=Sa+Sb[其中:S为最小功能尺寸(mm);Sa为第a百分位人体尺寸数据(mm);Sb为尺寸修正量(mm)。在取足长修正量时,基于人足全部在踏面上,此时脚可按照人的日常行为活动,只需考虑鞋前端或后端的修正量。由于鞋前端和后端的总的修正量为30~38mm,所以足的修正量Sb取值为15~19mm,由于S95=260~270mm,因此S=275~289mm。因为踏步宽度为人足的最小功能尺寸,所以L=S,即踏步宽度最佳为275~289mm。

梯级的高度(踢面高度)一般为127~200mm,最佳为165~178mm。

常见的民用建筑楼梯适宜踏步尺寸

名称住宅学校、办公楼剧院、食堂医院幼儿园

踢面高r/mm 156～175 140～160 120～150 150 120～150 踏面宽g/mm 250～300 280～340 300～350 300 260～300

图一为我校宿舍楼楼梯，经测量，踢面高为158mm，踏面宽为265mm。

图1 宿舍楼梯

2.2楼梯的宽度

楼梯的宽度主要取决于人的肩宽和人流量的大小。在设计楼梯的梯段宽时人肩宽取中国成年人人体尺寸(GB1000 1988)公布的肩宽分布的第95百分位数,在此称一人的肩宽修正的尺寸为1股人流的距离。在设计楼梯的宽度时不仅要考虑人能轻松通过,还要考虑安全功能距离,即预留的应急宽度(如为了在发生火灾时方便人能进行各种救火操作而设置的宽度)。因此,楼梯的宽度可按以下公式计算:

H=nH1+H2

H2式中:H1为人的肩宽的第95百分位所对应的尺寸(mm);H2为安全功能距离(mm);n为人流的股数。

此外,不同使用性质的建筑需要不同的梯段宽度,如:公共建筑的楼梯应设置不少于2股人流的距离,其楼梯梯段宽度应不小于1500mm;居住建筑的楼梯梯段宽度应不小于1200mm。

2.3踏步的防滑

对于踏步表面较光滑的楼梯,在设计时需注意踏步的防滑。踏步防滑设计一般采用条纹防滑,有内凹条纹和外凸条纹两种,从防滑的角度来看,内凹条纹根本起不到防滑的作用,只是具有一定的美学效果,所以既经济又有明显防滑效果的

防滑设计是设置外凸条纹。但设置外凸条纹会使人产生强烈的凸感,感觉不适,因此设置的条纹要宜人,必须保证条纹凸起高度设置为刚好使人没有明显凸感的高度。

2.4休息台(正平台和半平台)的设计

休息台是在考虑人体生物力学特征的基础上为缓解人上下楼梯疲劳而设计的。设立休息台必须保证其不阻碍人上下楼梯,这就要求休息台的宽度不得小于楼梯宽度。正平台设计应避免从楼层出入的人和上下楼梯的人发生碰撞,因此正平台的宽度应大于半平台。假设正平台和半平台的宽度分别为L1、L2,则两平台的宽度之差d=L1-L2。

通过研究人的日常行为可知,人在穿过某空间时表现出捷径效应。所谓捷径效应就是人在穿过某空间时总是采取最简洁的路线,即使有别的因素影响也

是如此。人在从楼梯入口进入楼梯时捷径效应表现在人有靠楼梯两侧行走的趋势,人行走的路线大致如图1中的箭头所示。人在进入楼梯时其行走方向与楼梯中行走在正平台的人流方向垂直,刚进入正平台的人要随人流一同行走就必须使身体旋转90°来改变行走方向,由此可知两平台的宽度之差d应大于或等于人的肩宽的功能尺寸(此处的肩宽应取男性第95百分位所对应的尺寸),才能确保进出楼梯的人不与楼梯中的人碰撞、拥挤,保证楼梯的畅通。

图2

2.5

由房屋建筑学的相关理论可知,楼梯的坡度宜为20°~50°,超过50°则应建成爬梯,坡度小于20°应建成台阶或坡道。结合安全人机工程学原理,楼梯的

坡度在30°~35°为最佳。

扶手的高度和宽度要符合人的生理特征,即扶手的高度要与人的肘高相近,扶手宽度以手能握为宜。此外,扶手的表面还要光滑。

3色彩在楼梯设计中的应用

3.1色彩在梯级上的应用

图2为两个梯极颜色不同设计的楼梯。从图2可以看出,楼梯梯段的每一级踏步的颜色均为同色,从安全人机工程学的角度上来说,这种设计不符合人的视觉特性,不便于人区分每一个梯级,易使人在下楼梯时一步踏多级而出现踏空引发事故,这在晚上或者光照强度较弱时更加明显。同时,在晚上或光照较弱的情况发生火灾等突发性事件、需及时疏散人流时,更加突显梯段一色设计在安全方面的不足。因此,使梯段的梯级间区分开,能在很大程度上提高楼梯的安全度和宜人性。

图3

要使梯段梯级间相互区分开,可以采取在踏面边缘使用与其他部分不同的颜色来实现,但在选取颜色时应注意:①选用的不同颜色的对比感度要适中,即在光照强度较弱的情况下也较易辨别;②不同颜色的过渡要平缓、和谐,这样以避免眼睛频繁调节造成的视觉疲劳,导致观察和判断的失误,同时还要确保其不引入新的不符合安全人机工程原理的因素。此外,对于有条纹设计的楼梯只须在条纹上采用与其他部分对比度要求相符的颜色即可。

3.2色彩在楼梯墙面上的应用

纵观现代建筑,不难发现大多数建筑有一个共同特点,即楼梯墙面从上往下至离地1m左右均使用白色,而下面使用不同的材料和颜色。这说明色彩在现代建筑中已经被运用到了楼梯间,但人们在选取颜色时只从美学效果和经济角度考虑,基本没有从安全人机工程的角度进行思考。

颜色不仅有冷暖之分,也有轻重之别,还能给人远近之感。深色感觉重,浅色感觉轻;暗淡色感觉重,明亮色感觉轻;在明度一样时暖色感觉重,冷色感觉轻。人们喜欢上轻下重的感觉,因此在建房时上面用白色、地面用比较深的颜色。由心理学可知,人们在判断时会有某种倾向性即知觉定势,因此在楼梯墙面下部使用不同的颜色会对人的心理产生不同的影响。明度高的暖色使人感到距离缩小,明度低的冷色使人感到距离增大,而楼梯间的空间相对狭小,所以楼梯墙面下部选用明度较低的冷色较恰当。此外,色彩还能影响人的情绪、情感,如:黄色给人以甜美、丰收、香酥的感觉;绿色给人以自然、安静、安全感、镇静的感觉;红色给人以热情的,积极的感觉。楼梯的主要功能是解决不同楼层之间垂直联系的交通枢纽,能疏散人流。当在建筑物中发生火灾或突发事件时,人的情绪比较慌乱、急噪、冲动,而这样的情绪会使人做出错误的判断和不寻常的举动,这些不正常的举动恰恰是防碍人员快速疏散的主要因素,在这样的情况下使人镇静、安静是关键。因此,在楼梯墙面下部使用绿色较合理,它不仅能暗示和引导人群保持安静和镇静,而且能使楼梯间显得宽敞,有利于疏散人流,从而提高建筑的安全度和宜人性。

4

4.1设计要求

运用安全人机工程学原理,并结合建筑学等相关知识对楼梯的基本组成部分及部分环境进行了分析,并从安全度和宜人性的角度,提出了楼梯设计的具体要求。

4.1.1安全性

楼梯的安全性是放在首位的，楼梯各个部件的接合牢度，楼梯的设计参数是否安全，都需要仔细考虑。

4.1.2拆卸性

楼梯不同于其他装饰产品，它是连接上下层空间的桥梁。有的楼梯产品多是一次安装再次拆卸时都带有破坏性。

4.1.3科学性

楼梯在设计时充分利用了力学和人体工学原理通过对楼梯产品在使用时的力学分析，设计了分散承力、动态受力、柔性支撑的脊锁接式结构方式。这种结构的设计通过各构件之间的互相拉伸，互为承重，当人体踏上踏板时不仅是一块踏板承重而是整部楼梯都在受力。

4.1.4以人为本

护栏的设计体现这一理念，8-12mm护栏间距严格按照国际安全标准来设计以绝对保证老人小孩的使用安全。

除了上述因素还有其他的因素，如美观、符合人机工程学、力学、符合行走舒适的要求等等。

4.2备注

本文对楼梯的安全人机工程分析大多是定性的,定量的分析还有待进一步的研究。

参考文献:

[1]周美玉.工业设计应用人机工程学[M].北京:中国轻工业出版社,2001.

[2]丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[3]罗卫东,李鹏,邱望标.基于人机工程的汽车座椅设计[J].现代机械,2008,(3):59-61.

[4]李霞,宋海堂.基于人机工程学的爬楼梯轮椅的设计[J].机械,2009,36(5):62-63.

[5]黄金凯,杨伯明.房屋建筑学[M].北京:冶金工业出版社,1987.

[6]林玉莲,胡正凡.环境心理学[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.