地铁车内扶握系统设计现状与优化研究

姜亮　鲁晓涛　何思俊　安静

摘要：地铁车内扶握系统是利用率最高的服务设施，为了提升立席乘客的舒适性和分布均匀性，改善车内空间利用和乘客体验。对车内扶握系统进行分类，分析了横杆、立杆、吊环和扶手的现有设计形式、CMF及安装工艺，归纳了扶握系统的3个主要作用，通过建立符合中国成年人体尺寸的人机设计约束，和开展乘客对扶握系统的偏好调查。总结出车厢两侧和车门区是乘客最爱站立的位置，倚靠墙板和抓握立杆的人数多于其他4类使用方式。提出了扶握系统人机尺寸、布局方式和美学设计的优化建议，并在实际案例中进行了应用。

关键词：地铁列车 扶握系统 人机优化 功能布局 CMF设计

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 05-0110-03

引言

地铁是城市轨道交通的重要组成，承担着城市绝大部分的公共交通运量。截至2019年，全球有75个国家开通城市轨道交通，其中有59个国家运营地铁，在地铁、轻轨和有轨电车三大制式中，地铁占550玷，中国的地铁里程占到了全世界的37.78%，排名世界第一[1]。国内新增城轨运营线路中，地铁占85.96%，从客流规模看，北京、上海、广州和深圳在世界城轨客流负荷强度中分别位居第1、3、5、7、8位[2-3]。《交通强国建设纲要》更明确地提出城市应优先发展公共交通，提高轨道交通通勤化水平…。可以说我国正处在地铁发展的黄金时期。

随着地铁使用需求的增加，必然带来拥挤的车内环境，地铁的车内座席不足定员的1/4[5]，绝大多数人靠车内的扶握设施保持站立姿势，在高峰时段，车内长久站立会引发人体肌肉疲劳、心率和血氧饱和度下降，带给人强烈的不适感[6]，而多项研究表明[7-9]，车内不适与车内设施设计息息相关。随着人们生活水平的提高，对出行的需求早已从功能型转向了舒适性[10]。在大运量地铁系统中，通过优化车内扶握设施来改善乘客的乘车体验将比优化座椅更具普适价值。

一、扶握系统构成现状及作用

（一）扶握系统的构成现状

我国的绝大部分地铁车辆的扶握系统都由横杆、立杆、吊环和扶手4类组成，横杆、立杆和扶手又统称为扶杆。

1.设计形式：横杆是指由紧固件直接固定在车顶型材上的扶握件，一般为长直线纵向排列，部分车型为增加扶握点位，横杆两端用弧形连接，形成一个椭圆的闭环，或者在中央门区车顶增加正圆型横杆，不同的车型横杆设计形式有细微变化，但有两项主要的特征：①安装在车顶，为乘客提供高扶握位的管具统称横杆;②横杆布置在座前区车顶、中轴线车顶和门前区车顶其中的位置。

立杆是连接地板和车顶的扶握件，立杆只被布置在车厢中轴线上。通常以中央门区中心线为基准，确定一根中央立杆，其余立杆按一定间隔呈“一”字排开。立杆的形式以单根式、二分式和三分式最为常见，立杆适用于所有身高的旅客。

吊环是安装在横杆上的辅助抓握装置，可为乘客提供少量的低扶握位，吊环的形式分为无把手和有把手两类，无把手可称作吊带。吊环造型多样，由于人体手部关节较多，构造精密，吊环是人机工程学和美学设计的重点。

扶手是指固定在车体侧墙的辅助扶握设施，又称侧墙版扶手，一般布置在车门或纵向座椅的两侧以及无障碍座席区。车门两侧扶手设计形式较为单一，绝大多数半嵌入门框上，座椅两侧扶手根据有无座椅侧挡板形式不同，有侧挡板时，侧挡板外包扶手，无侧挡板时扶手从座椅底板连接到车顶板上，扶手在非高峰期只作为上下车乘客的过渡，不是主要的扶握设施。

2.CMF及安装工艺：用色方面，扶杆通常为金属裸色，洁净感好，且易于清理，立杆和扶手的中部可外包PVC材料增加握感，PVC材料在乘客的视觉中心，一般与车内主题色调保持一致，而吊带与吊环的用色空间较大，因其视觉面积较小，可合理选用饱和度稍高的明亮色，与车内环境色形成对比，给人醒目感。

材料运用上，车内扶杆多为不锈钢或铝合金管，如北京地铁16号线扶杆采用06Cr19Nil0（ 304）不锈钢管材，哈尔滨地铁1号线为铝合金管材。扶杆表面采用拉丝、电泳、喷砂或抛光处理，在立杆和扶手的中部扶握区进行喷砂，或用PVC材料包面。吊带则以聚碳酸酯（PC或防弹胶）为主，材料稳定性好，抗冲击能力强，不会断裂;吊环由TPU阻燃织带和工程塑料（不透明）或有机塑料（透明）组成，TPU织带具有良好的阻燃防火性和牢固性，工程塑料重量轻，成型方便，易于实现各种造型，成本低，可经常更换。国外地铁中也常见皮革的表面加工方式，但费效比高，不适合我国国情。

安装工艺方面，立杆底部插入管座中，管座内的安装座通过M10螺钉固定在车厢地板上，立杆顶部通过连接板固定在车体吊梁。横杆直接通过连接板安装在车体吊梁上，横杆间通过连接座拼接，M10螺钉紧固。扶手一般采用现车钻眼、攻丝、紧固的方式安装在门区、贯通道或无障碍区。吊环装置由安装座、连接件和吊環三部分组成，只安装在横杆上。

（二）扶握系统的作用

地铁车辆在运行的过程中，整体较为平稳，但在过弯、加速和制动时，由于离心力和正负加速度作用，站姿乘客人体质心会被扰乱，在一定程度上失去平衡。我国地铁的运营速度在80-120Km/h，运营速度越高失衡作用越明显。因此，为身体提供支撑，维系平衡是扶握系统的最重要作用。其次，缓解长时间站立乘客的肌肉疲劳和提升车内空间设计质量、营造不同文化主题和审美风格的车内环境也是扶握系统的主要功能。

1.维持平衡：纵向加速带来的身体不适主要是失衡引发的，人体在失去平衡的时候通过扶握件能快速恢复到正常状态，不同类型、高度和尺寸的扶握件提供的抓握力有显著差别。在列车紧急制动时，握住立杆和靠在靠背上都能帮助身体保持平衡，但一经失衡，立杆能帮助乘客快速恢复，靠背则不能[11]。而在车辆加速时，高抓握位的横杆抓握力最低，低于肩膀位置扶手和立杆[12]。因此整体而言，扶握系统中对人体平衡的维持能力：立杆>扶手>横杆>吊环。设计的重点是横杆和吊环高度。

2.缓解疲劳：乘客在长时、振动的情况下保持同一种站立姿势极易产生疲劳感。这种疲劳的作用机理是：车辆的加减速、转弯和颠簸是不固定的，具有周期性和随机性，上背部和手臂肌肉会处在间歇紧张的状态，而扶握件可通过手部施力对姿势进行动态调整，缓解局部肌肉不适。因此何种造型和尺度提供的抓握力最优是扶握系统设计中必须考虑的问题。

3.提升美感：扶握系统虽然是功能型设施，但协调优美的扶握件设计可以对车内视觉环境起到画龙点睛的作用。在线条运用方面，吊环常见圆形、方形、椭圆及三角形态，给人的视觉意象不同，圆形较为柔美、趣味，如香港迪士尼地铁的圆形米老鼠吊环，与列车线路主题遥相呼应，显得温暖有趣。而方形能突出英朗的设计风格，三角形则更简约、稳定。使用何种造型语言要根据线路人文特征和车内整体风格确定，优秀的设计让扶握件更像是点缀车内的艺术品。

二、人机约束与使用偏好

（一）设施人机约束

《中国成年人人体尺寸》 （GB 10000-88）是我国运用最為广泛的人体尺寸参考标准。在扶握系统设计中，横杆高度、吊环高度、吊环间隔、吊环内径和扶杆直径是关键的几项人机参数。结合《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》（GB/T12985-1991）提出各关键参数临界值的计算方法如下，单位为mm。

横杆高度>P95男（身高）+穿鞋修正量=1775+25 =1800;

吊环高度≤P5女（肩高+上臂长+前臂长+1/2手长）+穿鞋修正量=1195+262+193+79.5+20=1750：

吊环间隔>P95男（胸厚）+着衣修正量=245+18=265;

吊环内径>P95男（手宽）=90。

横杆高度从不碰头，不影响逃生的角度出发，应满足高于第95百分位男性身高，即要大于1800mm。吊环高度从满足第5百分位女性的抓握需求出发，最好不高于1750mm。这样车内扶握设施的高、低握位才能满足绝大多数中国乘客的使用需求。吊环间隔假设在拥挤情况下乘客都面向列车行驶方向站立，至少应大于第95百分位的男性胸厚，固不能低于265mm。此外，研究表明老年人的握力只有年轻人的70%左右，老年人更适宜较细的扶手来保证抓握力[13]。考虑目前国内地铁使用φ32mm和φ38mm管材居多，建议扶杆使用φ38mm，而扶手使用φ32mm。

（二）乘客偏好调查

对车内乘客的站立位置选择偏好和扶握设施使用偏好进行调查，有助于解决车内扶握设施的布局问题。以问卷调查的方式设计地铁列车扶握系统使用偏好问卷，包含4项基本信息和2项问题，通过网络平台收回有效问卷226份，剔除在“是否乘坐过地铁”的信息项中回答“否”的样本，实际有效的样本数为220份，男女比例均衡，18-60岁样本占比90.45%，中位身高占比83.lgo玷，如表1所示。整体呈正态分布，说明样本数据有效。

将问卷数据录入SPSS统计软件进行信效度分析，克朗巴哈系数a=0.933，一般当1>α（>0.8时，说明统计数据有较好的信度。按站立位置和设施使用方式的选择频次进行统计，结果如图1所示。在站立位置选择方面，有38%乘客选择车厢两侧的无座席区，车厢两侧端部一般不设扶杆，这一数据与25%的乘客选择倚靠墙板相对应。其次有26%的乘客选择车门区。实际上，车厢两侧和车门区并不是扶握系统最集中的地方，抓握点位最多的座前区反而人数不多。这说明需要调整扶握系统的分布，使车内乘客密度更均匀，才能避免局部拥挤的发生。对扶握设施使用方式的统计结果可以看出，25%的人习惯倚靠墙板，通常是在车厢两侧，其次23%的人习惯抓握立杆，因为立杆可以自由调节抓握高度，以便乘客维持在舒适的姿势，抓握吊环比抓握横杆的人更多，而使用扶手的人是最少的。

三、人机与布局优化建议

通过对车内扶握系统的人机尺度与偏好研究，结合扶握系统的基本功能和CMF设计现状，从物理尺度、功能布局和美学设计三方面归纳了地铁列车扶握系统的设计策略。

（一）人机尺度

以实现“抓得到、不碰头、抓位多”为基本原则，模杆主要满足乘客的高握位需求，吊环需满足乘客的低握位需求，横杆为固定设施，碰头会影响乘降和疏散效率，造成安全隐患[14]。结合前文约束分析和《客车结构安全要求》（GB13094-2007）中给出的横杆最高建议值综合考虑，横杆高度以1800-1900mm为宜。吊环为非固定活动连接，虽然有碰头的可能但一般不会阻碍逃生，吊环应低于1750mm，考虑不遮挡立席乘客视线，应高于人体最大眼高1705mm，因此吊环高度宜为1705-1750mm。吊环间距最极端情况为侧身站立，即大于第95百分位男性胸厚，但从空间利用的角度考虑，最大不应超过第95百分位男性肩宽403mm，取265-403的中间值较为合适。吊环内径可取上文中的极小值90mm。

（二）功能布局

扶握系统布局需考虑对乘客站立位置的引导，合理的乘客分布能使列车乘用效率最大化。车门区是列车乘降的重要区域，应尽量避免乘客在此滞留，因此车门区建议不设横杆，可有过渡用扶手和单根式立柱。从调研的情况来看，车厢两侧乘客较多，但扶握设施不足，可考虑在车厢两侧增设横杆和吊环。为了增加抓握点位，除车门区的其他区域立杆可采用二分式或三分式，具体根据车型而定，B型车考虑单根式和二分式立杆，A型车可使用二分式或三分式立杆，并可在立杆上加装横杆和横杆附属吊环。

（三）美学设计

地铁内饰设计中除了座椅，扶握系统是最具外观表现价值的设施，吊环设计可以抽取地域文化中的代表形态，尽量体现线路的独特性，避免同质化设计。用材上也可以用多种复合材质，如在握面用颗粒状橡胶，提升设计的精致感。立杆造型与乘客流动息息相关，变换设计方式需经过行人运动学仿真验证，看是否阻碍通行。用色上，主要是立杆扶握区外包材料颜色和吊环颜色需符合列车设计主题，建议为同一色系，或因吊环颜色面积小，可在饱和度和明度上比立杆扶握区高一级，以体现车内视觉环境的层次感。

四、扶握系统设计实践

以广州地铁21号线设计任务为例，设计了单根式立杆如图2（a）、图2（b）和二分式立杆如图2（c）、图2（d）所示。立杆直径为38mm，使用不锈钢喷漆避免裸色金属给人的冰冷感，外包PVC有助于提升防滑性。单根式立杆突显广州南竹文化，在色彩和材质上用了竹节元素对抓握处进行分割，引导乘客在扶握时保留手部间距，避免皮肤接触带来的心理不适。二分式立杆可用于非车门区或高峰期编组，扶握范围涵盖了第5百分位至第95百分位人体肘高，小臂可与身体垂直平握，维持较为舒适的姿势。单根式和二分式均搭配了广州地铁21号线的主题色蓝紫色和补色系的淡黄色两种用色方案。蓝紫色与车内环境更为协调，黄色则更为醒目。

吊环设计从人机安全性（抓得牢）和美观性方面考虑，使用安装座、衔接带和抓握环的通用结构组成，吊环内径为90mm，大于第95百分位男性手宽，普通圆形抓握环为工程塑料制的正圆形，表面的防滑性欠佳，因此考虑在圆形的基础上增加造型的曲面转折提升手部接触面，并在手掌贴合处使用硅胶等材质做表面处理，以达到增加握力的目的。如图3所示。不同材质的运用提升了吊环的精致感，使用预制件拼贴不会额外增加成本。

在现有车型扶握系统的基础上，提出了一种改进式布局，如图4所示。取消了座前区横杆上的低握位吊环，将抓握点位集中布置在车辆中轴线上，这样不影响两侧座席乘客入座，车内立杆采用多分式的设计，目的是将乘客都引导在车厢中部站立，避免车门区和座前区的局部拥挤。根据前期研究，车厢两侧是乘客最多的区域，但现有车辆在此区域的扶握设施数量不足，新方案在车厢两侧的无座席区增设了立杆、横杆和扶手，车厢两侧区域对列车乘降的影响最小，可作为立席乘客分布的主要区域。新方案在整体上提升了抓握点位布局的均匀性，对缓解车内拥挤提高用车效率有一定帮助。

结语

地铁列车中的扶握系统是车内设计中较易被忽视的部分，就利用率而言，地铁的扶握件是最为主要的服务设施。首先，从工业设计的角度详述了扶握系统的分类、设计形式、CMF及功能作用，厘清了车内扶握系统与乘客的交互机理。其次，从人机适配和使用偏好层面开展尺度测算和调查分析，提出了具有普适意义的人机设计参数和布局建议，以期对我国标准化地铁的研制工作提供有益参考。最后，将分析结论运用在实际案例中，设计了扶杆、吊环及布局的改进方案。.

基金项目：国家重点研发计划资助项目（ 2017YFB1201103-9，2017YFB1201103—10， 2017YFB1201103-11， 2017YFB1201103-12）.

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