2.1.2 繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)方式

繞豎向樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)也稱水平旋轉(zhuǎn)方式，指活動(dòng)屋蓋在水平的圓弧形軌道上繞豎直方向的樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，包括繞豎向樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞水平樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。樞軸數(shù)量與布置方式根據(jù)旋轉(zhuǎn)單元數(shù)量與旋轉(zhuǎn)方向確定，工程中通常采用繞單一中心樞軸旋轉(zhuǎn)、繞雙樞軸旋轉(zhuǎn)和繞多個(gè)樞軸旋轉(zhuǎn)的方式。圖2為扇形屋蓋，五片活動(dòng)屋蓋繞各自樞軸旋轉(zhuǎn)，可疊放在兩側(cè)固定屋蓋的上方。圖3屋蓋由 8片花瓣?duì)顔卧M成，分別設(shè)置一個(gè)固定轉(zhuǎn)軸與三同心旋轉(zhuǎn)軌道，可水平旋轉(zhuǎn) 45°。 

圖2  米勒運(yùn)動(dòng)場(chǎng)

圖3  上海旗忠網(wǎng)球中心

2.1.3 折疊移動(dòng)方式

折疊移動(dòng)通常包括水平折疊、空間折疊和放射狀折疊等形式。水平折疊與空間折疊方式的活動(dòng)屋蓋多采用單跨桁架，屋蓋開(kāi)合通過(guò)各榀桁架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4  剛性折疊結(jié)構(gòu)

在工程應(yīng)用上，索網(wǎng)收納是柔性折疊收納的主流形式，屋蓋結(jié)構(gòu)由鋼索與織物薄膜構(gòu)成，中心范圍內(nèi)采取可伸縮式的索膜結(jié)構(gòu)，展開(kāi)后可覆蓋于整個(gè)賽場(chǎng)上空，閉合后收納于球場(chǎng)上空的巢中，如圖5所示。

圖5  放射形折疊結(jié)構(gòu)

2.1.4 組合移動(dòng)方式

隨著時(shí)代發(fā)展，建筑的開(kāi)合方式不斷取得新的突破。組合移動(dòng)方式的屋蓋開(kāi)始被廣泛采用，如圖6~圖7所示。

圖6  溫布利足球場(chǎng)活動(dòng)屋蓋開(kāi)合模式

                                                                                                                   平 面                                                                              剖 面

                                                                                                              活動(dòng)屋蓋1的開(kāi)合方式                                             活動(dòng)屋蓋2、3的開(kāi)合方式

圖7  亞特蘭大梅賽德斯奔馳體育場(chǎng)

2.2 屋蓋開(kāi)啟率

開(kāi)啟率指開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)的活動(dòng)屋蓋處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，開(kāi)口投影面積與整個(gè)屋面投影面積比值的百分率。開(kāi)啟率是開(kāi)合屋蓋的重要指標(biāo)，可按下式計(jì)算:

                                                                                                 α=A0/A                                                                                             

式中：α為開(kāi)啟率；A0為整體屋面的投影面積；A為活動(dòng)屋蓋覆蓋開(kāi)口的投影面積。

開(kāi)合屋蓋工程建造費(fèi)用較高,早期可開(kāi)合結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟率較大，導(dǎo)致工程造價(jià)和占用土地面積增加。開(kāi)啟率與活動(dòng)屋蓋重量以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)，較小的開(kāi)口面積可以有效減小活動(dòng)屋蓋尺寸與重量，降低對(duì)驅(qū)動(dòng)力的需求，減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，降低設(shè)計(jì)施工難度，縮短工期，節(jié)約造價(jià)，方便后期使用以及維護(hù)。

2.3 開(kāi)合運(yùn)行時(shí)間

活動(dòng)屋蓋開(kāi)合運(yùn)行時(shí)間是開(kāi)合屋蓋的重要指標(biāo),對(duì)于小型活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟時(shí)間一般控制在10min以內(nèi),對(duì)大、中型活動(dòng)屋蓋，其開(kāi)啟時(shí)間一般控制在30min 以內(nèi)。

開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)體系

3.1 活動(dòng)屋蓋

3.1.1 剛性結(jié)構(gòu)

剛性結(jié)構(gòu)通過(guò)活動(dòng)屋蓋單元的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)屋蓋開(kāi)合，受力性能可靠，對(duì)建筑造型適應(yīng)性強(qiáng)。活動(dòng)屋蓋多采用沿跨度方向受力為主的單跨結(jié)構(gòu)，少量工程采用多跨連續(xù)形式。桁架作為傳力最簡(jiǎn)明的單向受力體系，是活動(dòng)屋蓋最常用的結(jié)構(gòu)體系。門式桁架用于軌道置于混凝土支承結(jié)構(gòu)或直接置于地面的情況?；顒?dòng)屋蓋作用于臺(tái)車頂部的水平推力對(duì)臺(tái)車、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和支承結(jié)構(gòu)均有顯著影響，故此應(yīng)盡量消除或減小活動(dòng)屋蓋在自重作用下的水平推力。邊桁架既是活動(dòng)屋蓋的邊緣構(gòu)件，也是各臺(tái)車之間的聯(lián)系構(gòu)件，減小邊桁架剛度可有效降低運(yùn)行過(guò)程中各臺(tái)車的差異變形引起邊桁架內(nèi)力的變化。

3.1.2 剛性折疊結(jié)構(gòu)

剛性折疊結(jié)構(gòu)通過(guò)自身各組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，屋面以折疊/展開(kāi)的方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟與關(guān)閉。剛性折疊結(jié)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鉸頁(yè)部件與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特殊需求。剛性折疊活動(dòng)屋蓋可采用多榀桁架的形式，通過(guò)鉸頁(yè)進(jìn)行連接折疊鉸頁(yè)機(jī)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，防止出現(xiàn)較大的彎曲變形，保證連接部件在折疊/展開(kāi)過(guò)程中平穩(wěn)自如。折疊結(jié)構(gòu)在折疊與展開(kāi)過(guò)程中為可變體系，在折疊或展開(kāi)完成后，應(yīng)通過(guò)鎖定裝置形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

3.1.3 柔性折疊結(jié)構(gòu)

柔性折疊結(jié)構(gòu)依靠膜材的展開(kāi)與折疊收納實(shí)現(xiàn)活動(dòng)屋蓋的開(kāi)合，在開(kāi)合建筑中應(yīng)用較早。膜材材質(zhì)與膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是柔性折疊結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)。選用可折疊性優(yōu)良的膜材，膜面折疊與展開(kāi)運(yùn)動(dòng)自如，保證高頻度使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安全可靠。柔性折疊結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)應(yīng)保證屋蓋關(guān)閉時(shí)能夠形成所需的曲面形態(tài)，與支承結(jié)構(gòu)緊密貼合。索系和膜材預(yù)應(yīng)力形成的幾何剛度是構(gòu)成柔性折疊結(jié)構(gòu)剛度的主要部分，索系或膜材松弛將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，在風(fēng)荷載作用下容易出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，甚至導(dǎo)致膜材撕裂。此外，膜材松弛會(huì)導(dǎo)致膜材褶皺，影響建筑美觀和排水。所以，需要通過(guò)對(duì)邊界索系與膜材施加適當(dāng)?shù)念A(yù)張力，避免在不利荷載作用下膜面松弛。

在固定屋蓋洞口邊緣應(yīng)設(shè)置剛性環(huán)梁，以平衡索膜的預(yù)張力。根據(jù)建筑造型及邊界條件等因素，活動(dòng)屋蓋的膜材一般收納于屋蓋的中央，如圖8所示。

 圖8  波蘭華沙新國(guó)家體育場(chǎng)

3.2 支承結(jié)構(gòu)

3.2.1 剛性支承結(jié)構(gòu)

活動(dòng)屋蓋的支承條件主要取決于建筑的功能與造型，直接支承活動(dòng)屋蓋的混凝土結(jié)構(gòu)、專用軌道支架或地面軌道系統(tǒng)，稱為剛性支承結(jié)構(gòu)；當(dāng)活動(dòng)屋蓋支承于大跨度屋蓋時(shí)，將固定屋蓋稱為柔性支承結(jié)構(gòu)。

出于使用功能與經(jīng)濟(jì)性的考慮，體育場(chǎng)館的主體結(jié)構(gòu)多采用混凝土結(jié)構(gòu)體系，除可支承上部大跨度結(jié)構(gòu)外，還作為觀眾看臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)剛度大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)活動(dòng)屋蓋直接支承于地面軌道時(shí)，通常在地面標(biāo)高以下設(shè)置專用的軌道溝槽。為了避免對(duì)場(chǎng)地使用的影響，可將活動(dòng)屋蓋的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置在軌道溝槽內(nèi)，并在溝槽頂面設(shè)置可移動(dòng)蓋板，在活動(dòng)屋蓋非運(yùn)行狀態(tài)用蓋板封閉溝槽，保證人流和車輛正常通行。

3.2.2 柔性支承結(jié)構(gòu)

活動(dòng)屋蓋直接支承于固定屋蓋之上，是近年開(kāi)合屋蓋最常見(jiàn)的形式。固定屋蓋的幾何形態(tài)應(yīng)與活動(dòng)屋蓋的運(yùn)行需求相一致，優(yōu)先采用豎向剛度大的結(jié)構(gòu)形式，固定屋蓋可采用桁架、雙層或多層網(wǎng)架等多種結(jié)構(gòu)形式?；顒?dòng)屋蓋荷載通過(guò)軌道傳給固定屋蓋，在沿軌道受力集中的部位布置主桁架或采用相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

固定屋蓋設(shè)計(jì)時(shí)，除需考慮結(jié)構(gòu)自重、建筑屋面做法、天溝馬道、照明音響等吊掛荷載及檢修荷載外，還需要考慮活動(dòng)屋蓋的移動(dòng)荷載。固定屋蓋充足的剛度是確?；顒?dòng)屋蓋順暢運(yùn)行的重要前提，應(yīng)嚴(yán)格控制支承軌道主桁架與軌道梁的剛度，保證活動(dòng)屋蓋行走過(guò)程中的變形不超過(guò)限值要求。此外，固定屋蓋需要通過(guò)預(yù)起拱等措施保證施工精度，為軌道安裝精度與活動(dòng)屋蓋單元運(yùn)行調(diào)試提供前提條件。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

開(kāi)合屋蓋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足抗風(fēng)、抗震、防水、密閉及遮陽(yáng)等基本功能外，還應(yīng)具備對(duì)變形的適應(yīng)能力。建筑內(nèi)部應(yīng)盡量利用日光照明，優(yōu)先采用透光性好的材料，可顯著降低照明能耗。常閉狀態(tài)的開(kāi)合屋蓋應(yīng)考慮保溫隔熱等熱工性能的要求，預(yù)防結(jié)露與冷凝水，必要時(shí)還應(yīng)考慮場(chǎng)地的聲學(xué)效果。屋面圍護(hù)通常采用膜材、聚碳酸酯板或金屬板等輕質(zhì)材料，小型開(kāi)合屋蓋也可采用玻璃。

驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)

4.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)分別屬于機(jī)械工程與自動(dòng)控制領(lǐng)域，是開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)的重要組成部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為活動(dòng)屋蓋運(yùn)行提供動(dòng)力，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)出指令，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理運(yùn)行中的各種問(wèn)題。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由行走機(jī)構(gòu)（軌道、臺(tái)車等）與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)裝置等）兩部分組成。通常將活動(dòng)屋蓋安裝在行走機(jī)構(gòu)之上，通過(guò)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)在軌道上移動(dòng)。迄今，在開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多、可靠性較高的有輪驅(qū)動(dòng)、鋼絲繩牽引驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條驅(qū)動(dòng)、鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)等五種形式。

 4.2 控制系統(tǒng)

開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟與閉合動(dòng)作的精密管控體系，具有監(jiān)測(cè)、反饋及調(diào)節(jié)功能，向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出各種運(yùn)行指令，及時(shí)消除屋蓋運(yùn)行中出現(xiàn)的卡軌、干涉、蛇行等隱患。活動(dòng)屋蓋控制系統(tǒng)的框架圖如圖9所示。

圖9 活動(dòng)屋蓋控制系統(tǒng)的框架

主要控制內(nèi)容包括同步控制、臺(tái)車均在載控制和運(yùn)行糾偏控制。同步控制的對(duì)象主要為電動(dòng)機(jī)與液壓馬達(dá)。對(duì)電機(jī)的控制多利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，液壓馬達(dá)則通過(guò)伺服系統(tǒng)對(duì)流量的控制實(shí)現(xiàn)調(diào)速。大型開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)可通過(guò)在臺(tái)車上安裝壓力傳感器和位移傳感器，對(duì)臺(tái)車的行程和壓力隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主控設(shè)備在對(duì)臺(tái)車壓力傳感器和位移傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，使用編碼器進(jìn)行糾偏，可及時(shí)調(diào)整臺(tái)車動(dòng)作和驅(qū)動(dòng)力，隨時(shí)糾正活動(dòng)屋蓋的運(yùn)行姿態(tài)。

4.3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要點(diǎn)涵蓋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作級(jí)別、設(shè)計(jì)使用年限與設(shè)計(jì)方法、運(yùn)行速度與加速度、運(yùn)行噪聲、安全應(yīng)急保障和運(yùn)行管理與維修保養(yǎng)等。

開(kāi)合屋蓋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

開(kāi)合屋蓋工程涵蓋建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械、自動(dòng)控制等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是當(dāng)前科技含量最高的建筑形式之一。在開(kāi)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面，國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)性的研究成果和專著均較少，關(guān)鍵技術(shù)主要來(lái)源于具體的工程案例。

國(guó)外有關(guān)開(kāi)合屋蓋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的資料有《空氣支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議》《開(kāi)閉式屋根構(gòu)造設(shè)計(jì)指針·同解說(shuō)及設(shè)計(jì)資料集》《開(kāi)閉式膜構(gòu)造設(shè)計(jì)指針》《Structural Design of Retractable Roof Structure》等。

我國(guó)近年來(lái)在陸續(xù)完成多個(gè)大型開(kāi)合屋蓋工程的基礎(chǔ)上，不斷探索開(kāi)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，總結(jié)工程技術(shù)與施工經(jīng)驗(yàn)。于2015正式發(fā)布我國(guó)首部開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——CECS 417：2015《開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。為了適應(yīng)開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的情況，滿足重大工程設(shè)計(jì)、施工與驗(yàn)收的要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ442-2019《開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》于2019年正式發(fā)布。

展 望

1）開(kāi)合屋蓋可以實(shí)現(xiàn)“場(chǎng)”與“館”的快速轉(zhuǎn)換，極大改善使用環(huán)境，充分利用日光照明，減少空調(diào)使用，提高建筑的利用率，節(jié)能環(huán)保。

2）以近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人民物質(zhì)文化需求不斷提高為契機(jī)，作為新型體育文化建筑的開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)具有很大的市場(chǎng)潛力。

3）開(kāi)合屋蓋涉及機(jī)械與控制系統(tǒng)，技術(shù)難度、建造成本和維護(hù)保養(yǎng)要求均高于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。隨著工程經(jīng)驗(yàn)不斷積累，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，開(kāi)合屋蓋技術(shù)日趨成熟。

4）中、小型開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)展?jié)摿艽?，通過(guò)向小型化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展普及，不斷降低建造成本，充分發(fā)揮其良好的社會(huì)效益。

5）老舊場(chǎng)館改造時(shí)增設(shè)開(kāi)合屋蓋，可顯著改善場(chǎng)館使用功能，既可以作為體育活動(dòng)場(chǎng)地，又可以舉辦各種活動(dòng)和作為臨時(shí)避難場(chǎng)所等多功能使用。

6）活動(dòng)屋蓋與消防報(bào)警聯(lián)動(dòng)等新功能的開(kāi)拓，為開(kāi)合屋蓋應(yīng)用注入了新的活力。