王 歡，鄭迎東，張彥峰，江崇民

1 前言

上下樓梯是日常生活中常見的身體活動(dòng)方式。爬樓梯既可以健身，也可以成為一種有用的檢測(cè)心肺功能的手段或方式。本研究對(duì)公共高層建筑內(nèi)上下樓梯的能耗進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，為掌握登樓梯耗能狀況以及能耗測(cè)量和計(jì)算方法積累了經(jīng)驗(yàn)，為今后能耗測(cè)量的深入研究提供一些有益的啟示[1]。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

20～25歲大學(xué)男生9名，20～25歲大學(xué)女生10名， 50～55歲老年男性11名，樣本量共計(jì)30人。研究對(duì)象身高的范圍：女性：152～170 cm，男性：164～190 cm。體重的范圍：女性：44～66 kg，男性：50～87 kg。

表1 本研究對(duì)象的數(shù)量與分類情況一覽表

2.2 樓梯的選擇

本研究選用12層高樓，每級(jí)臺(tái)階高度16 cm，共204級(jí)臺(tái)階，垂直距離32.6 m。每個(gè)樓層間有一個(gè)平臺(tái)（約3 m2)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

受試者爬樓時(shí)要求步伐輕快而平穩(wěn)，節(jié)奏連續(xù)，每步一級(jí)臺(tái)階，不允許跑步或者停止。通過節(jié)拍器控制受試者登樓梯的速度，每位受試者完成兩次（兩個(gè)來回)登樓梯測(cè)試，第一次為90步/min，第二次為100步/min，前一個(gè)頻率代表較慢的登樓梯速度，后一個(gè)代表普遍習(xí)慣的登樓梯速度。每完成一次上樓梯或者下樓梯休息3～5 min，待心率恢復(fù)安靜水平，再進(jìn)行下一次上下樓運(yùn)動(dòng)。

2.4 測(cè)量儀器與指標(biāo)

通過便攜式肺功能儀（德國 CORTEX MetaMax 3B)測(cè)量受試者的耗氧量、通氣量、能耗、心率、呼吸商、氧脈搏等指標(biāo)。

2.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的一般狀況進(jìn)行描述；采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)均值間差異。采用多項(xiàng)式回歸模型建立登樓梯能耗預(yù)測(cè)方程。

3 結(jié)果與分析

3.1 登樓梯能量消耗的特征

在登12層樓的過程中，耗氧量隨時(shí)間的變化特征如下圖所示。耗氧量的時(shí)間變化曲線先是急劇上升，在爬到5～6層時(shí)（70 s)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，呈現(xiàn)平臺(tái)狀，進(jìn)入穩(wěn)定階段。

從12層樓下來的過程中，耗氧量的變化幅度明顯小于上樓梯，在下樓梯20 s左右耗氧量和心率趨于穩(wěn)定水平。

國外相關(guān)研究表明，上下樓梯的能量消耗比是3∶1[5，8]，也就是說，下臺(tái)階所需的能量是上臺(tái)階的 1/3。本研究所測(cè)得的上下樓梯的能量消耗比是2.7∶1，與文獻(xiàn)報(bào)道接近。

圖1 登12層樓耗氧量的時(shí)間變化曲線圖

3.2 登樓頻率與能耗

氧耗值進(jìn)入穩(wěn)定階段的測(cè)量值見表2，以步頻100步/ min上下樓和的氧耗值顯著大于90步/min（P＜0.05)，表明運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越大耗氧量越大。在本研究前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，分別測(cè)量了80步/min、90步/min和100步/min登樓梯步頻的氧耗值，測(cè)量結(jié)果表明，隨著步頻的提高，耗氧量相應(yīng)增加，兩者呈線性關(guān)系。經(jīng)過實(shí)際觀察和相關(guān)文獻(xiàn)研究[6]，90步/min和100步/min的登樓梯步頻更能代表日常生活的典型負(fù)荷，故以其作為正式實(shí)驗(yàn)的登樓梯速度。

表2 登12層樓穩(wěn)態(tài)期的氧耗值一覽表 （ml/kg/min)

3.3 受試者生物性因素與能耗

受試者的年齡、性別、體重、身高、鍛煉水平等生物學(xué)特征是影響能耗大小的主要因素。本研究結(jié)果表明，在90步/min和100步/min的上樓梯活動(dòng)耗氧量有明顯的年齡和性別差異。20歲組男性的耗氧量顯著高于50歲組男性和20歲組女性，在100步/min上樓頻率上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05)。下樓梯耗氧量年齡、性別間差異小于上樓梯，仍表現(xiàn)為男性大于女性、年輕人大于老年人的特點(diǎn)。

完成相同負(fù)荷的登樓梯運(yùn)動(dòng)時(shí)，性別和不同年齡之間的單位體重耗氧量存在明顯差異，可能與人群間的下肢肌肉力量、動(dòng)作幅度差異有關(guān)。同女性和老年人相比，青年男性下肢肌肉力量大，動(dòng)作幅度大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度要高于老年人和婦女，所以氧耗要高于老年人和婦女[6]。

3.4 登樓時(shí)間的考量

在樓梯能耗測(cè)量時(shí)選擇多高的建筑，或者說讓受試者爬多長時(shí)間的樓梯也是測(cè)量方法學(xué)研究的一項(xiàng)任務(wù)。適合的樓層可以讓受試者在爬樓梯過程中生理機(jī)能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)量這個(gè)時(shí)期的能耗數(shù)據(jù)能夠反映該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的代謝水平。

本研究受試者以90步/min爬上12層樓用了2 min 40 s，以100步/min爬上12層樓用了2 min 24 s，在2 min多時(shí)間內(nèi)，一些受試者的耗氧量和心率趨向于平穩(wěn)，大約發(fā)生在90～120 s，但不是所有的參與者的生理指標(biāo)都可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。我們知道，公認(rèn)的是至少需要3 min時(shí)間，一項(xiàng)活動(dòng)才考慮主要是有氧運(yùn)動(dòng)。本研究爬樓測(cè)試的時(shí)間（2 min 20 s～2 min 40 s)可能因?yàn)闇y(cè)試持續(xù)時(shí)間短而影響生理指標(biāo)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，解決的方法有二，一是增加樓層高度，讓受試者爬很長的樓梯，直到代謝水平達(dá)到穩(wěn)態(tài)水平。但是樓層過高受試者不能耐受，尤其是老年人群，到底多高的樓層適合登樓梯能量消耗測(cè)試還需要進(jìn)一步研究。二是在上樓梯之前進(jìn)行幾分鐘的熱身活動(dòng)[6，7]，可以減少到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。

3.5 登樓梯能耗預(yù)測(cè)方程的建立

從圖1可以看到，登樓梯的能耗變化主要分為兩個(gè)階段，第一階段為急劇上升期（6層以下)，第二階段為穩(wěn)定階段（6層以上)。兩個(gè)階段能耗變化速率不同，需要建立不同的計(jì)算方法。目前國外的登樓梯能耗估算方法——能耗速率常數(shù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間[4]，只適用于穩(wěn)定階段的能耗估算，用這種方法估算6層以下的登樓梯能耗必將造成很大誤差。而第一階段（6層以下)的能耗測(cè)算特別具有現(xiàn)實(shí)意義，在實(shí)際生活中，多數(shù)人登樓梯運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短不會(huì)超過6層。

本研究正是根據(jù)登樓梯能耗的時(shí)間變化特征采用多項(xiàng)式回歸建立預(yù)測(cè)方程?？梢怨浪銖?層到12層登不同樓層的能耗值，并通過引入出身高、性別、年齡因子提高了預(yù)測(cè)方程的準(zhǔn)確性。

當(dāng)?shù)菢穷l率為90/min，氧耗速率（ml/Kg/min)y（90)的擬合函數(shù)為：

其中，當(dāng)組別為男20歲組，G1=1，G2=0；當(dāng)組別為女20歲組，G1=0，G2=1；當(dāng)組別為男50歲組，G1=0，G2=0； H為身高（cm)，t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間（min)。

當(dāng)?shù)菢穷l率為 100/min，氧耗速率（ml/Kg/min)y （100)的擬合函數(shù)為：

其中，當(dāng)組別為男20歲組，g1=1，g2=0；當(dāng)組別為女20歲組，g1=0，g2=1；當(dāng)組別為男50歲組，g1=0，g2=0；H和t的涵義同上。

耗氧速率y（m l/Kg/min)可視為耗氧量 ˙VO2（ml/Kg)對(duì)時(shí)間t的微分，有

y=d˙VO2/dt=〉d˙VO2=ydt

因?yàn)閥為時(shí)間t的函數(shù)（式1，式2)，記y=f（t)，對(duì)于給定運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的耗氧量˙VO2（T)，有

分別將（式1)、（式2)代替（式3)中的 f（t)，即可計(jì)算各人群在不同的運(yùn)動(dòng)速率下，不同運(yùn)動(dòng)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的耗氧量。假定登樓梯是一勻速過程，可將時(shí)間t換算成樓層數(shù)，從而計(jì)算從1層到12層不同樓層耗氧量。表3為依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)制作了耗能查詢表（以20歲男性為例)，使用者只需根據(jù)自己的年齡、性別、身高、體重情況查表可以知道自己登不同樓層時(shí)消耗的能量值。例如，一位20歲男性，身高170 cm，體重70 kg，登6層樓消耗的氧耗值為26.8470=1 878.8 ml，根據(jù)氧熱價(jià)估算其能耗約9.3 kcal。

表3 20歲男性登樓梯氧耗查詢一覽表（步頻：90步/m in) （ml/kg)

4 小結(jié)

上下樓梯的頻率[7]、臺(tái)階的高度[4，7]、樓層的高度、受試者的年齡、性別、身高生物性因素[2]都是影響登樓梯能耗測(cè)量結(jié)果的主要因素。在實(shí)施測(cè)試工作時(shí)，根據(jù)不同的研究目的，控制好這些影響因素，以求測(cè)試過程的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

本研究顯示，為掌握一般人群日常登樓梯的能量消耗狀況，在高層建筑物內(nèi)實(shí)際測(cè)量時(shí)，樓層的選擇至少不低于12層（每個(gè)臺(tái)階16 cm)，這樣受試者爬樓時(shí)生理指標(biāo)才能逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。上下樓梯的頻率90～100步/min可以代表日常登樓速度。此外，受試人群的選取上要保證性別、年齡段（青年、中年、老年)之間的均衡，以求樣本的代表性好。

本研究根據(jù)登樓梯能耗的時(shí)間變化特征建立了能耗預(yù)測(cè)方法，能準(zhǔn)確反映日常爬不同樓層的能量消耗值。此外，依據(jù)擬合函數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)繪制了不同樓層的能耗預(yù)測(cè)表，以方便人們根據(jù)自身情況直接查詢實(shí)際消耗能量。

[1]吸組耀.人體能量消耗的測(cè)定[J].生物學(xué)通報(bào)，1958，（9)：51-53.

[2]李潔輝，丸山仁司.不同上下臺(tái)階方式的能量消耗分析[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2003，9（10)：42-47.

[3]趙文華，叢琳.體力活動(dòng)劃分：不同類型體力活動(dòng)的代謝當(dāng)量及體力活動(dòng)的分級(jí)[J].衛(wèi)生研究，2004，33（2)：15-18.

[4]周永平，沈國琴.不同高度臺(tái)階試驗(yàn)后心率反應(yīng)、心率下降斜率與˙VO2max、12 min跑、臺(tái)階指數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[J].體育科學(xué)，2005，25（1)：21-27.

[5]ABDUL RASH ID AZIZ，KONG CHUAN TEH.Physiological responses to single versus double stepping pattern of ascending the stairs[J].Physiol Anthropol Appl Human Sci 2005.24（4)： 253-257.

[6]BASSETT DAV ID R，VACHON JOHN A，KIRKLAND ARISTOTLE O，et al.Energy cost of stair climbing and descending on the college alumnus questionnaire[J].Physical Fitness Performance，1997，29（9)：1250-1254.

[7]E ROVELL I，P AFHEMO.Physiological characteristics of the“Step”exercise[J].Int Z angew Physiol einschl A rbeitsphysiol， 1963，20：190-194.

[8]KONG CHUAN THE，ABDUL RASH ID AZIZ.Heart rate，oxygen up take，and energy cost of ascending and descending the stairs[J].Med Sci Sports Exe，2002，34（4)：695-699.