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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 

雷速体育KEKAIHEJIEGOUYUANYURENLEISHIDAIJILEIDESHENGCUNZHIHUI。ZAOZAILIANGQIANDUONIANQIAN,WOGUOGUDAIBEIFANGYOUMUMINZURICHANGYOUMUHEXINGJUNDAZHANGZHONGJIUYIJINGKAISHISHIYONGYIDONGZHANGPENG,DACHAIJIANJIE,XIEDAIQINGBIAN,DAKERONGNASHUBAIREN。DAIYOUZHEDIEDINGPENGDECHANGPENGQICHE,JINENGMANZUELIETIANQIDEJIASHIYAOQIU,YENENGZUIDAXIANDUXIANGSHOUYANGGUANGHEQINGXINKONGQI。ZAITIANWENTAIJIANZHUZHONGKAIHEWUGAIDEDAOGUANGFANYINGYONG,BANQIUXINGWUDINGSHEYOUTIAODAIZHUANGDEKEKAIQITIANCHUANG,BIANYUTIANWENWANGYUANJINGZAISHIYONGSHIGUANCELIAOKUODETAIKONG。CIWAI,KEKAIHEWUGAIZAIHUODONGSHIYINBIJIKU、JIANYICHEKUDENGHENDUOFANGMIANJUNDEDAOYINGYONG。QIJIN,DAIYOUKEKAIHEWUGAIDEJIANZHUZAIQUANQIUFANWEINEIDEDAOLEHENDAFAZHAN。




2

屋盖开合方式

2.1 屋盖移动形式分类

雷速体育2.1.1 YANPINGXINGGUIDAOYIDONG

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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雷速体育WUGAIGUANBI                                    WUGAIDAKAI

雷速体育TU1  YATELANDAMEISAIDESIBENCHITIYUCHANG


2.1.2 RAOSHUZHOUZHUANDONGFANGSHI

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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QUANBIZHUANGTAI                                    QUANKAIZHUANGTAI

雷速体育TU2  MILEYUNDONGCHANG

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闭合状态                            开启状态

TU3  SHANGHAIQIZHONGWANGQIUZHONGXIN

2.1.3 ZHEDIEYIDONGFANGSHI

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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雷速体育RIBENFENGTIANTIYUCHANG                           WENBUERDUNZHONGXINQIUCHANG

TU4  GANGXINGZHEDIEJIEGOU

ZAIGONGCHENGYINGYONGSHANG,SUOWANGSHOUNASHIROUXINGZHEDIESHOUNADEZHULIUXINGSHI,WUGAIJIEGOUYOUGANGSUOYUZHIWUBOMOGOUCHENG,ZHONGXINFANWEINEICAIQUKESHENSUOSHIDESUOMOJIEGOU,ZHANKAIHOUKEFUGAIYUZHENGGESAICHANGSHANGKONG,BIHEHOUSHOUNAYUQIUCHANGSHANGKONGDECHAOZHONG,RUTU5SUOSHI。

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雷速体育BIHEZHUANGTAI                                   KAIQIZHUANGTAI

TU5  FANGSHEXINGZHEDIEJIEGOU

2.1.4 ZUHEYIDONGFANGSHI

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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雷速体育                                                                              FUGAIQUANBUGUANZHONGXI                                           FUGAIBUFENGUANZHONGXI                                                       QUANBUKAIQI

TU6  WENBULIZUQIUCHANGHUODONGWUGAIKAIHEMOSHI

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                                                                                                                   PING MIAN                                                                              POU MIAN

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                                                                                                              HUODONGWUGAI1DEKAIHEFANGSHI                                             HUODONGWUGAI2、3DEKAIHEFANGSHI

TU7  YATELANDAMEISAIDESIBENCHITIYUCHANG

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。开启率是开合屋盖的重要指标,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。开启率与活动屋盖重量以及驱动系统有关,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 GANGXINGJIEGOU

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。活动屋盖多采用沿跨度方向受力为主的单跨结构,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。活动屋盖作用于台车顶部的水平推力对台车、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 GANGXINGZHEDIEJIEGOU

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。

雷速体育3.1.3 ROUXINGZHEDIEJIEGOU

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。


ZAIGUDINGWUGAIDONGKOUBIANYUANYINGSHEZHIGANGXINGHUANLIANG,YIPINGHENGSUOMODEYUZHANGLI。GENJUJIANZHUZAOXINGJIBIANJIETIAOJIANDENGYINSU,HUODONGWUGAIDEMOCAIYIBANSHOUNAYUWUGAIDEZHONGYANG,RUTU8SUOSHI。

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雷速体育                                                                              GONGCHENGRIJING                                                          WUGAIQUANBIZHUANGTAI                                                           WUGAIKAIQIGUOCHENG

 TU8  BOLANHUASHAXINGUOJIATIYUCHANG

3.2 支承结构

3.2.1 GANGXINGZHICHENGJIEGOU

HUODONGWUGAIDEZHICHENGTIAOJIANZHUYAOQUJUEYUJIANZHUDEGONGNENGYUZAOXING,ZHIJIEZHICHENGHUODONGWUGAIDEHUNNINGTUJIEGOU、ZHUANYONGGUIDAOZHIJIAHUODIMIANGUIDAOXITONG,CHENGWEIGANGXINGZHICHENGJIEGOU;DANGHUODONGWUGAIZHICHENGYUDAKUADUWUGAISHI,JIANGGUDINGWUGAICHENGWEIROUXINGZHICHENGJIEGOU。


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 ROUXINGZHICHENGJIEGOU

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。活动屋盖荷载通过轨道传给固定屋盖,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保活动屋盖顺畅运行的重要前提,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

雷速体育KAIHEWUGAIDEWEIHUJIEGOUCHUYINGMANZUKANGFENG、KANGZHEN、FANGSHUI、MIBIJIZHEYANGDENGJIBENGONGNENGWAI,HAIYINGJUBEIDUIBIANXINGDESHIYINGNENGLI。JIANZHUNEIBUYINGJINLIANGLIYONGRIGUANGZHAOMING,YOUXIANCAIYONGTOUGUANGXINGHAODECAILIAO,KEXIANZHUJIANGDIZHAOMINGNENGHAO。CHANGBIZHUANGTAIDEKAIHEWUGAIYINGKAOLVBAOWENGEREDENGREGONGXINGNENGDEYAOQIU,YUFANGJIELUYULENGNINGSHUI,BIYAOSHIHAIYINGKAOLVCHANGDIDESHENGXUEXIAOGUO。WUMIANWEIHUTONGCHANGCAIYONGMOCAI、JUTANSUANZHIBANHUOJINSHUBANDENGQINGZHICAILIAO,XIAOXINGKAIHEWUGAIYEKECAIYONGBOLI。




4

驱动与控制系统


4.1 驱动系统

雷速体育QUDONGXITONGYUKONGZHIXITONGFENBIESHUYUJIXIEGONGCHENGYUZIDONGKONGZHILINGYU,SHIKAIHEWUGAIJIEGOUDEZHONGYAOZUCHENGBUFEN。QUDONGXITONGWEIHUODONGWUGAIYUNXINGTIGONGDONGLI,KONGZHIXITONGFUZEFACHUZHILING,SUISHIFAXIANBINGCHULIYUNXINGZHONGDEGEZHONGWENTI。


雷速体育QUDONGXITONGZHUYAOYOUXINGZOUJIGOU(GUIDAO、TAICHEDENG)YUQUDONGJIGOU(DIANDONGJI、JIANSUQI、LIANZHOUQI、ZHIDONGZHUANGZHIDENG)LIANGBUFENZUCHENG。TONGCHANGJIANGHUODONGWUGAIANZHUANGZAIXINGZOUJIGOUZHISHANG,TONGGUODONGLIZHUANGZHIQUDONGXINGZOUJIGOUZAIGUIDAOSHANGYIDONG。QIJIN,ZAIKAIHEWUGAIJIEGOUZHONGYINGYONGJIAODUO、KEKAOXINGJIAOGAODEYOULUNQUDONG、GANGSISHENGQIANYINQUDONG、CHILUNCHITIAOQUDONG、LIANLUNLIANTIAOQUDONGYUYEYAQUDONGDENGWUZHONGXINGSHI。

 4.2 控制系统

KAIHEWUGAIJIEGOUDEKONGZHIXITONGSHISHIXIANHUODONGWUGAIKAIQIYUBIHEDONGZUODEJINGMIGUANKONGTIXI,JUYOUJIANCE、FANKUIJIDIAOJIEGONGNENG,XIANGQUDONGXITONGFACHUGEZHONGYUNXINGZHILING,JISHIXIAOCHUWUGAIYUNXINGZHONGCHUXIANDEKAGUI、GANSHE、SHEXINGDENGYINHUAN。HUODONGWUGAIKONGZHIXITONGDEKUANGJIATURUTU9SUOSHI。

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TU9 HUODONGWUGAIKONGZHIXITONGDEKUANGJIA

雷速体育ZHUYAOKONGZHINEIRONGBAOKUOTONGBUKONGZHI、TAICHEJUNZAIZAIKONGZHIHEYUNXINGJIUPIANKONGZHI。TONGBUKONGZHIDEDUIXIANGZHUYAOWEIDIANDONGJIYUYEYAMADA。DUIDIANJIDEKONGZHIDUOLIYONGBIANPINJISHUSHIXIANDIAOSU,YEYAMADAZETONGGUOSIFUXITONGDUILIULIANGDEKONGZHISHIXIANDIAOSU。DAXINGKAIHEWUGAIJIEGOUKETONGGUOZAITAICHESHANGANZHUANGYALICHUANGANQIHEWEIYICHUANGANQI,DUITAICHEDEXINGCHENGHEYALISUISHIJINXINGJIANCE。ZHUKONGSHEBEIZAIDUITAICHEYALICHUANGANQIHEWEIYICHUANGANQISHUJUJINXINGFENXIDEJICHUSHANG,SHIYONGBIANMAQIJINXINGJIUPIAN,KEJISHIDIAOZHENGTAICHEDONGZUOHEQUDONGLI,SUISHIJIUZHENGHUODONGWUGAIDEYUNXINGZITAI。

4.3 驱动控制系统要点

QUDONGKONGZHIXITONGYAODIANHANGAIQUDONGXITONGDEGONGZUOJIBIE、SHEJISHIYONGNIANXIANYUSHEJIFANGFA、YUNXINGSUDUYUJIASUDU、YUNXINGZAOSHENG、ANQUANYINGJIBAOZHANGHEYUNXINGGUANLIYUWEIXIUBAOYANGDENG。



5

开合屋盖技术标准

KAIHEWUGAIGONGCHENGHANGAIJIANZHUJIEGOU、JIXIE、ZIDONGKONGZHIDENGDUOGEJISHULINGYU,SHIDANGQIANKEJIHANLIANGZUIGAODEJIANZHUXINGSHIZHIYI。ZAIKAIHEJIEGOUSHEJILILUNFANGMIAN,GUONEIWAIXITONGXINGDEYANJIUCHENGGUOHEZHUANZHUJUNJIAOSHAO,GUANJIANJISHUZHUYAOLAIYUANYUJUTIDEGONGCHENGANLI。


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。


雷速体育WOGUOJINNIANLAIZAILUXUWANCHENGDUOGEDAXINGKAIHEWUGAIGONGCHENGDEJICHUSHANG,BUDUANTANSUOKAIHEJIEGOUSHEJIFANGFA,ZONGJIEGONGCHENGJISHUYUSHIGONGJINGYAN。YU2015ZHENGSHIFABUWOGUOSHOUBUKAIHEWUGAIJIEGOUJISHUBIAOZHUN——CECS 417:2015《KAIHEWUGAIJIEGOUJISHUGUICHENG》。WEILESHIYINGKAIHEWUGAIJIEGOUKUAISUFAZHANDEQINGKUANG,MANZUZHONGDAGONGCHENGSHEJI、SHIGONGYUYANSHOUDEYAOQIU,XINGYEBIAOZHUNJGJ442-2019《KAIHEWUGAIJIEGOUJISHUBIAOZHUN》YU2019NIANZHENGSHIFABU。


展 望

1)KAIHEWUGAIKEYISHIXIAN“CHANG”YU“GUAN”DEKUAISUZHUANHUAN,JIDAGAISHANSHIYONGHUANJING,CHONGFENLIYONGRIGUANGZHAOMING,JIANSHAOKONGDIAOSHIYONG,TIGAOJIANZHUDELIYONGLV,JIENENGHUANBAO。


2)YIJINNIANLAIWOGUOJINGJIGAOSUFAZHAN、RENMINWUZHIWENHUAXUQIUBUDUANTIGAOWEIQIJI,ZUOWEIXINXINGTIYUWENHUAJIANZHUDEKAIHEWUGAIJIEGOUJUYOUHENDADESHICHANGQIANLI。


3)KAIHEWUGAISHEJIJIXIEYUKONGZHIXITONG,JISHUNANDU、JIANZAOCHENGBENHEWEIHUBAOYANGYAOQIUJUNGAOYUCHUANTONGDEJIEGOUXINGSHI。SUIZHEGONGCHENGJINGYANBUDUANJILEI,XIANGGUANJISHUBIAOZHUNBUDUANWANSHAN,KAIHEWUGAIJISHURIQUCHENGSHU。


4)ZHONG、XIAOXINGKAIHEWUGAIJIEGOUFAZHANQIANLIHENDA,TONGGUOXIANGXIAOXINGHUA、BIAOZHUNHUAFAZHANPUJI,BUDUANJIANGDIJIANZAOCHENGBEN,CHONGFENFAHUIQILIANGHAODESHEHUIXIAOYI。


雷速体育5)LAOJIUCHANGGUANGAIZAOSHIZENGSHEKAIHEWUGAI,KEXIANZHUGAISHANCHANGGUANSHIYONGGONGNENG,JIKEYIZUOWEITIYUHUODONGCHANGDI,YOUKEYIJUBANGEZHONGHUODONGHEZUOWEILINSHIBINANCHANGSUODENGDUOGONGNENGSHIYONG。


雷速体育6)HUODONGWUGAIYUXIAOFANGBAOJINGLIANDONGDENGXINGONGNENGDEKAITUO,WEIKAIHEWUGAIYINGYONGZHURULEXINDEHUOLI。