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开门式屋顶结构的设计

在当今世界,越来越多的健身房都采用了移动屋顶。移动屋顶可以让观众在晴朗的天气里欣赏户外世界。同时,如果天气不好,他们可以提供保护,以避免寒冷和炎热。另一方面,可以在室内游泳池中种植天然草坪。世界上已经建造了许多开放式房屋结构的健身房,其中许多经典设计。1989年,加拿大终于建成了直径为208米的天空屋顶。世界上发生了重大的影响,引发了世界上现代房屋结构的新浪潮。之后,日本建造了110米海上屋顶和218米冈盖尔的屋顶。此后,房屋盖结构的发展趋势也发生了变化。日本小松屋顶的移动屋顶比以前的房屋盖结构小很多。屋顶的开口可以显著减少,但可以满足使用要求,降低建筑材料成本。在日本大分县的屋顶上,它融合了实用美观的优势,成为一座著名的象征性建筑。体育场馆建筑经常充当一个城市的标志性建筑,而建筑在某种程度上体现着一个国家的实力.开合屋盖结构是由建筑、结构、机械系统3部分构成,设计者不但要通晓3方面的知识,还要把它们合理地结合起来.世界各国不惜重金建造开合屋盖结构的体育馆.同样,中国也要在大跨度开合屋盖结构上有所发展,在上海旗忠森林体育中心网球馆,江苏南通的体育馆,浙江杭州黄龙体育中网球馆均已建成.这标志着我国科学技术的高速发展.1打开房屋结构的发展历史1.1大场地遮阳棚设计现代的开合屋盖结构是在早期简单开合结构的基础上逐渐发展起来的,人类很早就开始使用开合结构.现在从古罗马竞技场的废墟中还可以看出开合屋盖结构柱的遗址.它由Vespusian于公元70年开始设计,于公元82年由Domitian完成.该椭圆形大剧场尺寸为156m×188m,其中中心场地尺寸为54m×85m,外部为50m的环形圆,用亚麻帆布遮盖,以防止观众受到强烈阳光的直射,覆盖面积约为23000m2.遮阳棚的设计采用了跨越中心场地上空的永久性索结构的设计思想,在这个透光性很好的结构网格上铺设一层亚麻帆布,为50000名观众和中心场地边缘的表演者遮阳.索采用强度较低的麻绳(抗拉强度40MPa,仅为现代钢绞线索强度的0.3%),放射状的索连接在内环索上,内环索由一种麻绳或铁环连成的索链制成.由于没有设置稳定索,在风力作用下屋面相当的不稳定,据说这一屋面是人工开合的.20世纪50年代以前的开合结构主要以小型结构为主,并且主要用在非建筑领域,如家庭或部队使用的各种帐篷、雨伞、照相机快门、天文观测站可动屋面等.1.2薄膜结构的开闭式结构20世纪50年代至70年代的开合屋盖结构发展,以膜折叠形式的开合方式为主.1954年,德国学者FreiOtto领导的一个工作小组,开创性地研究和发展了开合膜结构,这种开合方式利用膜材料的可折叠性达到开合屋面的目的,在欧洲利用这种技术建成了许多这种类型的建筑物.1965年欧洲建筑师R.Taillibert和西德斯图加特大学IL先生合作开发了薄膜结构屋盖的开闭标准,利用这个标准建成了很多游泳馆、滑冰场等中小型规模的开闭式屋盖结构.1976年,这种技术被应用于加拿大蒙特利尔奥运会体育场中(图1),该体育场中央开口直径为120m,面积为18000m2,呈椭圆形.通过悬臂斜柱上悬挂的斜拉索将膜屋面折叠收缩于柱顶,屋面材料为PVC膜材,但开合机构复杂,是利用计算机系统执行开合任务的.它是屋面采用柔性膜材料以折叠方式进行开合的规模最大的建筑.该开合屋盖结构把折叠膜开合方式的应用推到了顶峰.20世纪80年代以前的开合屋盖结构大多采用这种开合方式.但是,这种以膜材料折叠形式的开合屋盖结构存在着一定的内在缺陷,在使用中风雨等的影响会使开合运行出现故障或膜材料被撕裂.如蒙特利尔奥运会体育馆在每年仅有的几次开合中还经常伴随着故障发生,每年的维修费用非常高.所以其进一步的发展受到了制约,目前只在小跨度建筑上采用.1.3大跨度合作式小松顶结构20世纪80年代以后的大部分开合屋盖结构的开合思想,来源于1961年美国建成的用现代牵引技术驱动的匹兹堡市民体育场(图2),该结构属于刚性开合屋盖结构,其跨度为127m,由八瓣不锈钢屋盖组成,至今仍具有开拓性意义.之后,世界上建造了上百个带有刚性可动单元的开合屋盖建筑.其特点是,均采用了拱架、拱形网壳、部分球壳或平板网架等刚性钢结构作为移动屋盖单元的受力结构,其屋面材料为膜材料、金属板及其它轻质材料.屋盖系统分成若干个单元片,通过单元片的移动、转动,使之各片之间的相互刚体运动来实现屋盖的开合.这种由刚性开合方式克服了折叠方式的致命缺陷,是大跨度开合屋盖结构的主要开合方式.1989年加拿大多伦多建成了直径208m的天空穹顶(图3),在世界上产生了很大的轰动效应,掀起了世界上建造现代大跨度开合屋盖结构的新浪潮.之后,日本于1991年建成了跨度136m的有明体育馆(图4),1993年5月建成了跨度110m的海洋夸顶(图5),1993年还建成了直径218m的福冈穹顶(图6),这批开合屋盖结构的成功建成再一次引起了世界的广泛注意,海洋穹顶还作为开合屋盖建筑的经典之作列入了同年日本出版的《开闭式屋盖结构设计指针·同解说及设计资料集》中.至此,大跨度开合屋盖结构技术得到了进一步的发展和完善,世界上对建造大型开合屋盖结构的疑虑逐渐消失,并对其前景和建造的必要性逐渐看好.世界上相继建成或正在建设的带有开合屋盖的大型体育场有近二十座,面积超过10000m的大型可展屋盖结构有近十座.如:1997年建成的日本小松穹顶(图7),荷兰阿姆斯特丹体育场(图8),1998年建成的美国亚利桑那州菲尼克斯棒球场,日本Tajima穹顶,1999年落成的美国西雅图新太平洋西北棒球场,2000年落成的日本仙台穹顶,2001年落成的美国威斯康星洲米勒棒球场,日本大分县穹顶(图9).这些大规模的开合屋盖结构的实现产生了非常好的经济和社会效益,许多建筑已成为所在地的标志性建筑.2膜结构在大陆架上的应用,为保证与一般顺气管网设计和安全时,小现代社会和小环屋面的开启对建筑、结构、生命安全和其他工程有关事宜有一个主要的冲击,基本上就是设计两个不同的建筑.具有开合屋面的结构在设计阶段就必须确保足够的安全设备.建筑物的安全是由开、合机构保证的.通常对于开合屋面还没有国家或地区规范,但大量的工程要求知道怎样做外观构形,怎样取安全系数,如何分配安全系数等.在开合屋盖结构中屋面打开时内部结构也起到外面门的作用.自然的天空、自然的光线和清新的空气会被里边的人感觉到.关上时里边的人不受雨、雪、严寒和酷暑的侵害,光线也可调节.开合屋面在远古的时候就使用过:众所周知罗马竞技场观众席上的屋面就能开合,现在遗址上还能看到.小型开合屋面在1930年借助起重机技术已建成.使用起重机的历史很长,在许多国家都有设计规范.该技术已成功地应用到开合屋面上.1951年在美国皮兹堡市民中心127m跨度的穹顶结构已证明吊车技术可用.1954年德国F.Otto教授领导的研究小组把膜结构应用到开合屋面,并取得了许多有用的结论.他们系统地说明了膜结构应用到开合屋面的可能性,在欧洲按照他们的想法设计和建造了几个膜结构的开合屋面.蒙特利尔奥林匹克体育馆就是其中一例.现在许多小型的开合屋面用在游泳馆,溜冰馆,大型结构也越来越多.工业界造船,特殊用途仓库也需要开合.指导设计和结构安全是必不可少的.许多结构中能打开,关闭的部分是窗户、入口、出口和通风口.这些面积与整个结构相比是小的,大部分情况下对结构安全不造成影响.有两种不同的开合结构,第1种以关为主,只有气候很好时才打开.第2种以开为主,只有在恶劣气候(雨,极冷,极热)时才关闭.设计时这两种情况需分别对待.3打开房屋盖结构的特点3.1自然教育环境与常规建筑相比,开合屋盖结构在使用功能上有以下3方面的特点:(1)回归自然,创造既不受自然界的不利气候影响,又能保持自然气息,让阳光撒满场地和看台,使人们重归自然怀抱的运动环境;(2)可以保证诸如奥运会和世界杯开幕式等大型体育及娱乐活动的如期举行;(3)有助于建筑综合功能的实现.开合屋盖结构有着特别的机械系统和控制系统,使得开合屋盖结构的设计相对复杂,要综合考虑建筑功能、结构、机械和控制系统的相互影响.3.2大型大跨界开屋盖结构的技术要求相对于常规结构,开合屋盖结构由于有可动屋面,随着屋面的开启与闭合,存在着许多技术难题:(1)开合屋盖结构在不同的状态下(开启、半开启、闭合、移动状态),其受到的荷载情况各不相同,特别是在开启或闭合的移动状态下,受到的荷载情况相当复杂.合理地进行各状态受力分析是开合屋盖结构在结构设计方面的大难题.(2)应确保开合屋盖结构具有同常规结构有同等的安全性、可靠性.这必须以结构体系、机械系统、控制系统的安全与可靠为前提的.(3)从已建成的开合屋盖结构来看,机械系统可动部件常有故障发生.如日本某开合式游泳馆,使用一年以后,因可动部件生锈而需要经常维修.因此,开合屋盖结构的机械系统的构造应尽可能简单,这样能提高机械系统的可靠性,而且即使有了故障也便于维修管理.(4)在施工方面,大型开合屋盖结构对施工技术、测量技术和检测技术提出更高的要求.对于采用轮轨系统的开合屋盖结构,轨道的安装精度对屋顶的运行性能有直接的影响.轨道不平整将会引起行走台车蛇行运动而使屋顶左右摇晃、上下振动,甚至于因行走台车车轮反力不均匀而引起车轮空转、脱轨等事故,也有可能出现驱动台车动力不足、行走台车受力不均匀、构件疲劳破坏等问题,(5)为适应多功能、多用途的要求,开合屋盖结构对采光、通风、音响、空调和防灾要素的要求非常高,要适应不同使用状态的使用要求.如何解决以上技术难题是成功进行开合屋盖结构设计的关键.3.3复合开屋盖结构的评价原则开合屋盖结构作为建筑物的一种形式,具有常规建筑的许多共性,但是,可动屋面的存在又为这类建筑带来了许多特性.开合屋盖结构是否合理直接关系着建筑物的外观效果、使用功能、安全性、经济可行性等因素.已建开合屋盖结构的经验教训表明,一个开合屋盖结构的成功实现除受开合方式、开启位置及形状等建筑要素的影响外,还受到结构、机械系统等多方面因素的制约.综合已建工程的经验,评价一个开合屋盖结构优劣的原则可以从以下几个方面来考虑:(1)屋顶开启率.建筑与功能方面的评价应根据建筑在城市规划中的合理性、建筑的室内外空间效果、观赏性体育空间和运动性空间的创造来进行.单从使用角度来看,屋面的开启率越大越好,但过大的开启率会造成建设成本和占地面积的增加,因此应根据建筑效果、使用功能和建设经济条件等因素寻求最佳的开启率.(2)屋面结构的布置结构体系要合理.宜优先采用轨道支撑结构的变形对可动屋面运行影响较小的结构形式,以及开合过程中可动屋面对支撑结构的内力及变形较小的结构形式.屋面各部分宜具有规则的几何外形(可用数学表达式对其空间形状进行描述),这对结构的内力分析、风洞试验、加工、制造和安装带来很大的方便.在此基础上,尽量采用既可靠又新颖的机构形式和结构方案.(3)机械系统的可靠性原则可动屋面的运动轨迹越简单越好,移动方式也越少越好.越是简单的机械系统,其可靠性越高.一个好的开合屋盖结构的机械系统,应该是原理明确、运用已有的可靠技术、大量采用标准零部件、便于维修和更换的.(4)加强健康监测,确保开口屋盖结构开合屋盖结构的机械部分是故障的多发地点,建筑物的整体安全和可靠性取决于此.开合屋盖结构应进行全天候的监测和管理,安全措施越得当,管理工作越到位,开合屋盖结构的故障率越小、使用年限越长.(5)建筑经济效率的评价及合理的方案开合屋盖结构的造价比常规结构要高,应对开合屋盖结构的制造、安装的造价以及使用中屋面开合增加的营运成本,还有整个建筑的经济效率问题进行评价,寻求经济合理的方案.4打开和关闭屋顶结构4.1可动屋顶设计由于建筑功能的不同,开合屋盖结构根据可动屋面的开合频率可以分为:(1)每年两次,夏季开启、冬季闭合,如法国Blvd.Carnot游泳馆.这种类型的开合屋盖结构,可动屋面很少使用;而且很多时候可动屋面设计成易于安装和拆除的,屋面材料常采用膜材.(2)大部分时间处在闭合状态小部分时间处在开启状态,如美国匹兹堡市民体育场.这种类型的开合屋盖结构,主要使用功能是举行室内的活动.一些小型的该类结构在冬季会处在开启状态,消除雪荷载.(3)大部分时间处在开启状态小部分时间处在闭合状态,如日本大分县穹顶.这种类型的开合屋盖结构,主要使用功能是举行室内外的活动,在下雨时关闭可动屋面,继续举行活动.这类结构在遭受最大风荷载作用时,可动屋面是打开的,以减小风荷载.(4)经常进行开合操作,如日本海洋穹顶.这类根据天气情况和举行活动的性质决定可动屋面是开启还是闭合.4.2可展桁架+柔性愈合的一般工程实例开合屋盖结构是从可展结构引申出来的,可展结构的展开机理有很多种,英国剑桥大学的DSL实验室专门从事展开机理的研究.理论上所有的展开机理都可以应用于开合屋盖结构,但考虑可靠性和经济性后,目前只有为数不多的展开机理应用于已建工程.根据可动屋面的刚度性质,开合屋盖结构分为刚性开合和柔性开合两大类.柔性开合的可动屋面一般由张拉膜或者可展钢架+骨架膜组成,其开合利用了膜材的可折叠性,开启状态时,可动屋面被折叠或压缩,自身没有刚度.采用折叠方式典型的工程是加拿大的蒙特利尔奥运会体育场,该工程的折叠屋面存在着很多问题,目前这种开合方式只成功应用于比较小型的开合屋盖结构.而可展桁架+柔性屋面材料的开合方式现在还处在起步阶段,而且可展桁架技术的发展主要目的在于快速建造而不是在于开合屋盖结构.以下依次列出各种开合方式的典型工程实例:4.2.1种合天式组合水平移动方式是从桥式起重机技术的基础上发展而来的,是比较成熟的一种开合方式,目前采用水平移动方式的开合屋盖结构非常多,典型的有图10所示的美国休斯顿MinuteMaidPark棒球场、图5所示的日本海洋穹顶、图4所示的日本有明体育馆.4.2.2空间移动方面的设计空间移动方式是开合屋盖结构最近的发展趋势.可动屋面沿着有坡度的曲线轨道移动,由于可动屋面的自重将产生一定的移动阻力,所以可动屋面一般面积不会太大,而且采用轻型屋面材料为主.空间移动方式的开合屋盖结构,开启率比较小,而且设计难度最高,但是由于能满足建筑外形的美观需要,所以越来越受到青睐.典型的工程有图9所示的日本大分县穹顶、图7所示的日本小松穹顶、图8所示的荷兰阿姆斯特丹体育馆.4.2.3现代牵引技术的活动可动屋面在水平的圆弧轨道上移动,而且有一个竖直的转动轴.第一个采用现代牵引技术的开合屋盖结构采用的就是这种开合方式.采用该开合方式的典型工程主要有图2所示的美国匹兹堡市民体育场、图6所示的日本福冈穹顶.4.2.4污渍式的关系与上一种开合方式一样,可动屋面绕轴旋转,但是旋转轴是水平的.目前采用这种开合方式的基本上是小型的开合屋盖结构,如图11所示的德国2000年博览会VenezuelanPavillion和图12所示的昆明世博会艺术广场观众席雨棚.从严格意义上来说,昆明世博会艺术广场观众席雨棚只能算是可动建筑,不能算是开合屋盖结构.4.2.5水平移动+绕竖轴旋转对于一些大型的开合屋盖结构,为了满足建筑上足够大的

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