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开合屋盖结构与技术标准的新进展

日期:2020-06-19




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开合屋盖结构的发展 

可开合结构源于人类世代积累的生存智慧。早在两千多年前,我国古代北方游牧民族日常游牧和行军打仗中就已经开始使用移动帐篷,搭拆简洁,携带轻便,大可容纳数百人。带有折叠顶棚的敞蓬汽车,既能满足恶劣天气的驾驶要求,也能最大限度享受阳光和清新空气。在天文台建筑中开合屋盖得到广泛应用,半球形屋顶设有条带状的可开启天窗,便于天文望远镜在使用时观测辽阔的太空。此外,可开合屋盖在活动式隐蔽机库、简易车库等很多方面均得到应用。迄今,带有可开合屋盖的建筑在全球范围内得到了很大发展。




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屋盖开合方式

2.1 屋盖移动形式分类

2.1.1 沿平行轨道移动

沿平行轨道移动是一种相对简单、技术成熟的开合方式,包括水平移动、空间移动和竖直移动。实际应用中多为活动屋盖向两侧开启,每侧可采用单个或多个结构单元。多个结构单元在屋盖全开状态时能够叠放,从而实现较大的开启率,如图1所示的美国梅赛德斯奔驰体育场。

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屋盖关闭                                    屋盖打开

图1  亚特兰大梅赛德斯奔驰体育场


2.1.2 绕枢轴转动方式

绕竖向枢轴转动也称水平旋转方式,指活动屋盖在水平的圆弧形轨道上绕竖直方向的枢轴转动,包括绕竖向枢轴转动和绕水平枢轴转动。枢轴数量与布置方式根据旋转单元数量与旋转方向确定,工程中通常采用绕单一中心枢轴旋转、绕双枢轴旋转和绕多个枢轴旋转的方式。图2为扇形屋盖,五片活动屋盖绕各自枢轴旋转,可叠放在两侧固定屋盖的上方。图3屋盖由 8片花瓣状单元组成,分别设置一个固定转轴与三同心旋转轨道,可水平旋转 45°。 

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全闭状态                                    全开状态

图2  米勒运动场

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闭合状态                            开启状态

图3  上海旗忠网球中心

2.1.3 折叠移动方式

折叠移动通常包括水平折叠、空间折叠和放射状折叠等形式。水平折叠与空间折叠方式的活动屋盖多采用单跨桁架,屋盖开合通过各榀桁架之间的相对运动实现,如图4所示。

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日本丰田体育场                           温布尔顿中心球场

图4  刚性折叠结构

在工程应用上,索网收纳是柔性折叠收纳的主流形式,屋盖结构由钢索与织物薄膜构成,中心范围内采取可伸缩式的索膜结构,展开后可覆盖于整个赛场上空,闭合后收纳于球场上空的巢中,如图5所示。

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闭合状态                                   开启状态

图5  放射形折叠结构

2.1.4 组合移动方式

随着时代发展,建筑的开合方式不断取得新的突破。组合移动方式的屋盖开始被广泛采用,如图6~图7所示。

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                                                                              覆盖全部观众席                                           覆盖部分观众席                                                       全部开启

图6  温布利足球场活动屋盖开合模式

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                                                                                                                   平 面                                                                              剖 面

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                                                                                                              活动屋盖1的开合方式                                             活动屋盖2、3的开合方式

图7  亚特兰大梅赛德斯奔驰体育场

2.2 屋盖开启率

开启率指开合屋盖结构的活动屋盖处于全开状态时,开口投影面积与整个屋面投影面积比值的百分率??袈适强衔莞堑闹匾副?,可按下式计算:

                                                                                                 α=A0/A                                                                                             

式中:α为开启率;A0为整体屋面的投影面积;A为活动屋盖覆盖开口的投影面积。


开合屋盖工程建造费用较高,早期可开合结构的开启率较大,导致工程造价和占用土地面积增加??袈视牖疃莞侵亓恳约扒低秤泄?,较小的开口面积可以有效减小活动屋盖尺寸与重量,降低对驱动力的需求,减小结构地震响应,降低设计施工难度,缩短工期,节约造价,方便后期使用以及维护。

2.3 开合运行时间

活动屋盖开合运行时间是开合屋盖的重要指标,对于小型活动屋盖开启时间一般控制在10min以内,对大、中型活动屋盖,其开启时间一般控制在30min 以内。




3

开合屋盖结构体系

3.1 活动屋盖

3.1.1 刚性结构

刚性结构通过活动屋盖单元的平动与转动实现屋盖开合,受力性能可靠,对建筑造型适应性强?;疃莞嵌嗖捎醚乜缍确较蚴芰ξ鞯牡タ缃峁?,少量工程采用多跨连续形式。桁架作为传力最简明的单向受力体系,是活动屋盖最常用的结构体系。门式桁架用于轨道置于混凝土支承结构或直接置于地面的情况?;疃莞亲饔糜谔ǔ刀ゲ康乃酵屏Χ蕴ǔ?、驱动系统和支承结构均有显著影响,故此应尽量消除或减小活动屋盖在自重作用下的水平推力。边桁架既是活动屋盖的边缘构件,也是各台车之间的联系构件,减小边桁架刚度可有效降低运行过程中各台车的差异变形引起边桁架内力的变化。

3.1.2 刚性折叠结构

刚性折叠结构通过自身各组件的相对运动,屋面以折叠/展开的方式实现开启与关闭。刚性折叠结构应重点关注铰页部件与围护结构的特殊需求。刚性折叠活动屋盖可采用多榀桁架的形式,通过铰页进行连接折叠铰页机构应具有足够的强度和刚度,防止出现较大的弯曲变形,保证连接部件在折叠/展开过程中平稳自如。折叠结构在折叠与展开过程中为可变体系,在折叠或展开完成后,应通过锁定装置形成稳定的结构体系。

3.1.3 柔性折叠结构

柔性折叠结构依靠膜材的展开与折叠收纳实现活动屋盖的开合,在开合建筑中应用较早。膜材材质与膜结构设计是柔性折叠结构的重点。选用可折叠性优良的膜材,膜面折叠与展开运动自如,保证高频度使用状态下结构安全可靠。柔性折叠结构的几何形态应保证屋盖关闭时能够形成所需的曲面形态,与支承结构紧密贴合。索系和膜材预应力形成的几何刚度是构成柔性折叠结构刚度的主要部分,索系或膜材松弛将导致结构刚度下降,在风荷载作用下容易出现剧烈振动,甚至导致膜材撕裂。此外,膜材松弛会导致膜材褶皱,影响建筑美观和排水。所以,需要通过对边界索系与膜材施加适当的预张力,避免在不利荷载作用下膜面松弛。


在固定屋盖洞口边缘应设置刚性环梁,以平衡索膜的预张力。根据建筑造型及边界条件等因素,活动屋盖的膜材一般收纳于屋盖的中央,如图8所示。

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                                                                              工程日景                                                          屋盖全闭状态                                                           屋盖开启过程

 图8  波兰华沙新国家体育场

3.2 支承结构

3.2.1 刚性支承结构

活动屋盖的支承条件主要取决于建筑的功能与造型,直接支承活动屋盖的混凝土结构、专用轨道支架或地面轨道系统,称为刚性支承结构;当活动屋盖支承于大跨度屋盖时,将固定屋盖称为柔性支承结构。


出于使用功能与经济性的考虑,体育场馆的主体结构多采用混凝土结构体系,除可支承上部大跨度结构外,还作为观众看台,具有结构刚度大、经济性好等优点。当活动屋盖直接支承于地面轨道时,通常在地面标高以下设置专用的轨道沟槽。为了避免对场地使用的影响,可将活动屋盖的驱动系统设置在轨道沟槽内,并在沟槽顶面设置可移动盖板,在活动屋盖非运行状态用盖板封闭沟槽,保证人流和车辆正常通行。

3.2.2 柔性支承结构

活动屋盖直接支承于固定屋盖之上,是近年开合屋盖最常见的形式。固定屋盖的几何形态应与活动屋盖的运行需求相一致,优先采用竖向刚度大的结构形式,固定屋盖可采用桁架、双层或多层网架等多种结构形式?;疃莞呛稍赝ü斓来潭ㄎ莞?,在沿轨道受力集中的部位布置主桁架或采用相应的加强措施。


固定屋盖设计时,除需考虑结构自重、建筑屋面做法、天沟马道、照明音响等吊挂荷载及检修荷载外,还需要考虑活动屋盖的移动荷载。固定屋盖充足的刚度是确?;疃莞撬吵┰诵械闹匾疤?,应严格控制支承轨道主桁架与轨道梁的刚度,保证活动屋盖行走过程中的变形不超过限值要求。此外,固定屋盖需要通过预起拱等措施保证施工精度,为轨道安装精度与活动屋盖单元运行调试提供前提条件。

3.3 围护结构

开合屋盖的围护结构除应满足抗风、抗震、防水、密闭及遮阳等基本功能外,还应具备对变形的适应能力。建筑内部应尽量利用日光照明,优先采用透光性好的材料,可显著降低照明能耗。常闭状态的开合屋盖应考虑保温隔热等热工性能的要求,预防结露与冷凝水,必要时还应考虑场地的声学效果。屋面围护通常采用膜材、聚碳酸酯板或金属板等轻质材料,小型开合屋盖也可采用玻璃。




4

驱动与控制系统


4.1 驱动系统

驱动系统与控制系统分别属于机械工程与自动控制领域,是开合屋盖结构的重要组成部分。驱动系统为活动屋盖运行提供动力,控制系统负责发出指令,随时发现并处理运行中的各种问题。


驱动系统主要由行走机构(轨道、台车等)与驱动机构(电动机、减速器、联轴器、制动装置等)两部分组成。通常将活动屋盖安装在行走机构之上,通过动力装置驱动行走机构在轨道上移动。迄今,在开合屋盖结构中应用较多、可靠性较高的有轮驱动、钢丝绳牵引驱动、齿轮齿条驱动、链轮链条驱动与液压驱动等五种形式。

 4.2 控制系统

开合屋盖结构的控制系统是实现活动屋盖开启与闭合动作的精密管控体系,具有监测、反馈及调节功能,向驱动系统发出各种运行指令,及时消除屋盖运行中出现的卡轨、干涉、蛇行等隐患?;疃莞强刂葡低车目蚣芡既缤?所示。

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图9 活动屋盖控制系统的框架

主要控制内容包括同步控制、台车均在载控制和运行纠偏控制。同步控制的对象主要为电动机与液压马达。对电机的控制多利用变频技术实现调速,液压马达则通过伺服系统对流量的控制实现调速。大型开合屋盖结构可通过在台车上安装压力传感器和位移传感器,对台车的行程和压力随时进行监测。主控设备在对台车压力传感器和位移传感器数据进行分析的基础上,使用编码器进行纠偏,可及时调整台车动作和驱动力,随时纠正活动屋盖的运行姿态。

4.3 驱动控制系统要点

驱动控制系统要点涵盖驱动系统的工作级别、设计使用年限与设计方法、运行速度与加速度、运行噪声、安全应急保障和运行管理与维修保养等。



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开合屋盖技术标准

开合屋盖工程涵盖建筑结构、机械、自动控制等多个技术领域,是当前科技含量最高的建筑形式之一。在开合结构设计理论方面,国内外系统性的研究成果和专著均较少,关键技术主要来源于具体的工程案例。


国外有关开合屋盖技术标准的资料有《空气支承结构设计建议》《開閉式屋根構造設計指针·同解说及设计资料集》《開閉式膜構造設計指針》《Structural Design of Retractable Roof Structure》等。


我国近年来在陆续完成多个大型开合屋盖工程的基础上,不断探索开合结构设计方法,总结工程技术与施工经验。于2015正式发布我国首部开合屋盖结构技术标准——CECS 417:2015《开合屋盖结构技术规程》。为了适应开合屋盖结构快速发展的情况,满足重大工程设计、施工与验收的要求,行业标准JGJ442-2019《开合屋盖结构技术标准》于2019年正式发布。


展 望

1)开合屋盖可以实现“场”与“馆”的快速转换,极大改善使用环境,充分利用日光照明,减少空调使用,提高建筑的利用率,节能环保。


2)以近年来我国经济高速发展、人民物质文化需求不断提高为契机,作为新型体育文化建筑的开合屋盖结构具有很大的市场潜力。


3)开合屋盖涉及机械与控制系统,技术难度、建造成本和维护保养要求均高于传统的结构形式。随着工程经验不断积累,相关技术标准不断完善,开合屋盖技术日趋成熟。


4)中、小型开合屋盖结构发展潜力很大,通过向小型化、标准化发展普及,不断降低建造成本,充分发挥其良好的社会效益。


5)老旧场馆改造时增设开合屋盖,可显著改善场馆使用功能,既可以作为体育活动场地,又可以举办各种活动和作为临时避难场所等多功能使用。


6)活动屋盖与消防报警联动等新功能的开拓,为开合屋盖应用注入了新的活力。