【结构学习室】楼梯的世界

楼梯结构形式巧妙，同时节点也透着工业化的精细。中部不锈钢网形成的钢柱犹如一个漩涡，四周发亮的玻璃踏步仿佛自然的被漩涡“卷”到了高空。楼梯是建筑物中用于楼层之间垂直交通联系的构件，主要由梯段（又称梯跑）、平台（休息平台）和围护构件等组成。它的出现使人类对于空间的概念有了进一步的认识，只有产生了楼梯，才使建筑有了如此丰富多彩的空间组合和鬼斧神工的外观造型。如果没有楼梯，也许人们至今还在单层空间内活动，我们也只能生活在“二维”的世界中。

楼梯的前世今生
楼梯的历史反应了人类的发明创造史。楼梯最早的一个具体表现形式是爬竿，是在树干上刻出一些凹痕形成踏步。此时，楼梯材料多为原木，结构形式与简支梁类似。虽然外形粗糙受力简单，但也正是从这个原点开始，人类的建筑空间由“二维”走向了“三维”。

而后楼梯被用于宗教建筑中，由于宗教建筑总是建于地面上一定高度，而古人总希望有一条通往天国之路，因而宏伟的阶梯营运而生。由于当时的技术条件限制，宏伟建筑多采用抗压性能良好的石块，因此作为建筑重要表现部分的台阶，也采用石材。尽管此时人类已能够利用拱结构完成较大的跨度，但在楼梯技术上还没有明显的突破。

中世纪后，螺旋楼梯开始出现。在工艺上，螺旋楼梯相比于单跑楼梯更为先进。受力上，螺旋楼梯作为空间受力体系也更为复杂。起初螺旋楼梯被嵌入墙壁内部，陡峭而昏暗，而后人们试着将外墙拆除使其完全暴露出来，楼梯被赋予了一定的美观要求。继而又试着将实心中柱变成中空的框架，于是光被引入楼梯中间，梯井出现了。

文艺复兴时期，单跑楼梯和螺旋楼梯逐渐被双跑楼梯取代。楼梯变得更加简洁高效。最终被公认为建筑中有意义的一部分，同时在一些公共建筑中也成为建筑表达的主角。此时的楼梯已与我们今天熟知的板式楼梯和梁式楼梯类似，是今天楼梯最常用的结构形式。

从工业革命一直到现代，随着混凝土、铸铁、钢材等新材料的诞生，人们对于楼梯的创新也达到了惊人的高度，各种轻盈、精致、巧妙的楼梯也随之出现。工程师也试着把悬吊结构、空间网格结构、张拉结构等各种结构形式应用于楼梯，使之完成各种奇异、复杂的形状。下面就请大家随小i一起走进楼梯的世界。

平面受力体系楼梯
索杆结构楼梯，伦敦，1989
伊娃.伊瑞卡娜

该楼梯由不锈钢与玻璃组成，与以往梁式楼梯不同，这个楼梯承重结构采用索杆体系，厚重的钢梁被离散为了小而多的细杆，显得轻盈通透。而踏步采用玻璃更强化了楼梯整体通透的观感，同时玻璃踏步在结构中也作为受压构件。楼梯悬吊于顶层楼面，每层在楼板标高与楼板侧向拉接，增加楼梯侧向稳定。


将索杆体系用于玻璃幕墙比较常见，而将其用于楼梯结构实属少见。通常情况下索杆体系刚度较差，小i在实际生活中也没有碰到过类似的楼梯，不知走在上面是否会有振动的问题。


“梁”式楼梯，纽约，1999
ARO事务所

楼梯位于纽约的一处改造LOFT内。结构体系看似是由一堵玻璃墙上悬挑出箱形构件作为梯梁，再将踏步板及栏杆安装于梯梁上。但一块玻璃为什么能够承担梯梁传来的固端弯矩？再仔细阅读了楼梯的介绍，原来这不是一个梁式楼梯，而是由箱形构件与踏步板组成的折板楼梯。而将箱形构件嵌入玻璃中也是设计者刻意为之，让人产生错觉。

小i感觉这座楼梯可能也不完全如介绍中所说为板式楼梯，一侧的玻璃与另一侧扶手的拉索都可以承担部分楼梯的重量。在视觉观感上，玻璃墙的出现还是增加了楼梯整体轻盈的效果，是一个很好的设计。

隐藏的桁架，东京，1993
理查德.罗杰斯

楼梯坐落于东京，是一座室外防火梯，从远处看除了特别轻盈外，与我们常见室外防火梯无异。楼梯一端支承于主体结构，另一端由吊索悬吊，吊索将拉力传至顶层，再由撑杆传至主体结构。巧妙之处在于，踏步板为薄钢板，每一段踏步看起来像是折叠的纸张，可是梯梁却不见踪影，梯梁消失了！

我们常见的钢楼梯梯梁通常采用槽钢、工字钢或钢板，而这座楼梯设计师将两侧的梯梁做成了平面桁架形式，而会遮挡视线的桁架腹杆则根据踏步板的轮廓布置，远处看只能看到踏步板的轮廓，而梯梁仿佛消失了一般。这也给小i以后做梁式楼梯提供了多一种选择，梯梁除了图集中的形式，也可以做成桁架。


梯梁与滑动支座，伦敦，1991
约翰.杨

这是一座泰晤士河旁顶层公寓内的楼梯。这座楼梯的结构特点是，两侧梯梁的结构形式采用类似张弦梁。张弦梁大家都比较熟悉，被大量应用于大跨度屋面结构。而将其应用于楼梯结构，也并非大材小用，从照片中可以看出整体效果很好，完美的将张弦梁轻盈的优点与楼梯追求通透体型相融合。

这座楼梯的还有一个特点是其精巧的节点，由于配合室内整体风格，楼梯的所有节点都被设计为具有航海工业风格的节点，尤其是底部滑动节点。按照现在规范要求，我们很多时候需把楼梯底部连接节点设计为滑动，通常做法是做聚四氟乙烯板或长圆孔螺栓。而这座楼梯的滑动节点，设计师“简单粗暴”的做了个轮子，符合结构假定，建筑效果也很精巧。

空间受力体系楼梯
“张力网”楼梯，芝加哥，1996
詹姆斯.卡本特

这个楼梯位于芝加哥一座改造公寓内。原有公寓加建一层，楼梯位于原结构屋面板上，而原结构屋面无富余荷载，无法承担楼梯重量。因而，楼梯被整体吊在加建屋面上。楼梯内侧是由不锈钢网组成的变截面筒壳，构件直径3mm，并在高度方向由环箍加强，环箍间隔185mm布置，建造时在环箍内施加预应力。外侧栏杆由钢索悬吊于屋面板，同时栏杆也起到外环梯梁的作用。踏步板为玻璃，支承于内侧筒与外侧栏杆之间。

楼梯结构形式巧妙，同时节点也透着工业化的精细。中部不锈钢网形成的钢柱犹如一个漩涡，四周发亮的玻璃踏步仿佛自然的被漩涡“卷”到了高空。

悬浮的螺旋梯，巴黎卢浮宫，1989
贝聿铭

这座大名鼎鼎的楼梯位于巴黎卢浮宫“金字塔”下，在新拿破仑大厅上空的空间中是一个关键性元素。楼梯给人的第一印象是薄，按道理这座旋转楼梯只有上部和下部有支点，中间和圆筒形电梯是脱开的，怎么可以做到这么薄？
其实是一个感官错觉，楼梯内弧梁采用箱形截面，截面做得很大，在空间上像是一个“弹簧”。外弧梁由内弧箱梁悬挑而出，因此截面很小。同时，设计师将踏步板置于梯梁上部，并采用玻璃栏杆，显得外侧更加薄。最终通过吊顶，让楼梯底部形成一个完整的弧面，整个楼梯就犹如悬浮起来了。


采用同样原理的楼梯还有很多，在视觉上都达到了很好的效果。



APPLE STORE

说到玻璃楼梯就不得不提遍布于世界各地APPLE STORE内的玻璃旋转楼梯。这个楼梯其实结构上没有什么花哨的地方，简单暴力，就是用玻璃承受竖向荷载。但是充分利用了人们对玻璃这种材料易碎的固有印象营造了一个酷炫的入口空间，形成一个极致通透的效果。

结构形式是中心一个玻璃筒体作为竖向承重结构。由筒体伸出若干挑梁，外圈扶手作为梯梁连接于挑梁上。踏步板一端与筒体相连，一端与外圈梯梁相连，结构传力清晰明了。

其他有趣的楼梯
由于篇幅有限，小i无法一一介绍收集的有趣楼梯，下面就罗列一下楼梯的图片，与大家一起欣赏。








小i感悟
小i记得刚进设计院时就是分配画钢楼梯，一跑楼梯、两跑楼梯、弧形楼梯、旋转楼梯，各式各样的楼梯。当时不明白为什么新人进来都要画楼梯，现在经过几年的设计经验的积累有所感悟。楼梯麻雀虽小五脏俱全，既可以加深对结构传力途径的认识，又可以锻炼空间感悟能力，同时还可以让新人了解图纸表达的内容与深度，可谓是快速入门的指南。
但是做了这么多楼梯，大多数都是比较成熟的图集中已存在的样式。并没有深入思考过还可以有什么变化，可以将什么新奇的结构形式应用于小小的楼梯。通过对这篇小文资料的收集，无疑是给我固有的思想打开了一扇窗。想想要把喷涌而出的各种想法应用于而后的各种实际项目，还有点小激动。
本文所列项目与图片很大一部分来自于参考文献1，是一本关于楼梯很好的资料，小i也在这里为大家做一下推荐，读者如果有兴趣可以买一本来看看。
参考资料
1 《当代楼梯设计典例》 凯瑟琳.斯莱瑟著
2 《楼梯的文化》 芮乙轩著
3 香港 Apple Store 内的玻璃旋转楼梯是如何建造出来的？ 知乎用户：2333Raindragon
部分图片来源于百度图片、必应图片
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