活动屋盖驱动控制系统的设计

活动屋盖驱动控制系统的设计

自20世纪80年代末以来，大型房屋翻新项目在发达国家得到了迅速发展。1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶是现代大型开合屋盖结构中的经典之作,美国1998年建成菲尼克斯棒球场与亚利桑那州棒球场,2000年建成休斯敦棒球场和米勒棒球场均为开合屋盖结构。日本在20世纪90年代初至2000年初是开合屋盖建设的鼎盛时期。在欧洲已经建成的开合屋盖建筑中,最知名的是1997年建成的荷兰阿姆斯特丹体育场和2005年竣工的英国温布利足球场。目前国内已经建成的带有开合屋盖的大型建筑还比较少,2005年建成的上海旗忠网球馆、2006年建成的南通体育会展中心、2000年建成的浙江黄龙体育场是目前国内规模较大的开合屋盖建筑。由笔者完成的鄂尔多斯东胜体育场和国家网球中心新馆等带有开合屋盖的工程正在建设。本文对开合屋盖的特点、近年来国内外的应用情况以及设计实践进行了简要回顾。1大跨度结构的应用,实现以开履行5.开合屋盖是一种较为新颖的建筑形式,它打破了传统室内空间与室外空间的界限,可以根据使用功能与天气情况在室内环境与室外环境之间进行转换,很好地满足全天候的使用需求。带有开合屋盖的建筑,可以进行开启、关闭操作。开合屋盖的应用对象初期以游泳馆、网球馆等体育建筑为主,规模逐渐从小型建筑发展到大型工程。与传统的大跨度结构相比,开合屋盖除广泛采用现代建筑结构的设计理念外,对结构设计技术、施工安装精度也提出了很高的要求,此外,由于活动屋盖的行走装置采用很多机械传动与控制技术,因此开合屋盖的设计涉及到建筑、结构、机械、自动化控制等多个学科领域。开合屋盖通常由活动屋盖、固定屋盖与驱动控制系统构成,与普通的大跨度空间结构相比,其技术复杂性大得多。目前我国自主完成的开合屋盖设计还比较少,尚未制定开合屋盖结构相关的技术规程。1.1对复杂的开启方式迄今国内外已经建成的开合屋盖建筑有多种活动屋盖移动方式。开合方式应根据建筑创意、使用功能、地理环境、气象条件、运营管理方式等条件综合确定。活动屋盖的基本移动方式包括水平直线移动、水平旋转移动、空间平行移动、膜褶皱移动、膜平行折叠移动等多种运动方式。通过对以上方式进行组合,可以形成更为复杂的开启方式。过于复杂的开启方式,增加设计与建造的难度,影响活动屋盖运行的可靠性。开合屋盖根据可开启面积的不同分为全部开启与部分开启两种情况。对于中小型建筑,整个屋面可以成为可移动屋面;对于大型建筑,综合考虑使用功能、工程造价、技术可靠性等因素,一般仅有部分屋面可以移动。在确定开启率与开启部分形状时,应考虑开启后的固定屋盖阴影对场地使用的影响。1.2活动屋盖选型和质量开合屋盖的结构体系由活动屋盖与下部混凝土构件或固定屋盖构成。活动屋盖应尽量采用对变形不敏感的柔性结构形式。驱动控制系统应具有对于主体结构安装偏差、极端气象条件,如温度、风荷载、雪荷载等作用下结构变形的充分适应能力,确保在轨道不平整等情况下正常运行。此外,活动屋盖质量分布应比较均匀,能保证闭合时各板块接缝处的防雨构造贴合紧密。应严格控制结构自重,减小屋盖移动驱动力的需求,优先选择重量轻的膜材或金属板作为屋面材料。支承活动屋盖的混凝土结构或固定屋盖在各种荷载下具有足够的强度与刚度,保证支承活动屋盖台车轨道主桁架足够的刚度,对于确保活动屋盖运行顺畅至关重要。开合屋盖的施工精度应严格控制,并通过预起拱等措施保持准确的外形尺寸,这对于保证轨道安装的精度与活动屋盖板块之间的密封非常重要。活动屋盖运动时,相当于巨大的移动荷载,轨道支撑结构的刚度,特别是竖向刚度非常关键,应严格控制轨道在活动屋盖行走过程中的变形量。1.3驱动与控制装置在使用时也需要更换应根据屋盖开合的移动方式与固定屋盖、活动屋盖结构的具体情况,选择相应的驱动方式,进行开合机械设备的设计,使其能够将活动屋盖的作用力可靠地传递给固定屋盖及下部支承结构,确保活动屋盖的行走机能充分发挥。控制系统的设计应与开合机械设备和屋盖开合移动方式相适应,并能随时纠正活动屋盖运行中的人为操作失误。在活动屋盖运行中部件受到摩擦、冲击等作用,逐渐产生磨损与变形,需要在设计时考虑能够进行维修或更换。开合装置应经常检修,保证其性能正常。在不影响其他设备与结构安全性的情况下,驱动与控制装置可进行维修与零件更换。迄今为止,活动屋盖常用的驱动系统包括轮式驱动、钢丝绳牵引、齿轮/齿条、链条/链轮等4种方式。轮式驱动是将电动机安装于台车之上,通过电动机驱动车轮,利用车轮与轨道之间的摩擦力驱动台车,适用于活动屋盖在水平面的直线或圆弧刚性轨道上行走。钢丝绳牵引是在台车上或其他部位设置卷扬机,通过卷扬机的卷筒缠绕钢丝绳牵引活动屋盖,适用于活动屋盖在平面或空间的平行轨道上行走。齿轮与齿条驱动是将电动机安装于台车之上,通过电动机驱动齿轮沿固定于轨道的齿条上行走,利用齿轮与齿条之间的咬合力驱动台车,主要适用于下部结构刚度很大、轨道变形量很小的情况。链条与链轮驱动是将链条的端部固定或将链条沿轨道固定,台车上的电动机驱动链轮,通过链轮与链条之间的咬合作用驱动台车,适用于活动屋盖在平面或空间的平行轨道上行走。在驱动系统设计时,应综合考虑可靠性与经济性指标,经过对多种驱动方式进行全面的技术经济比较后,最终确定活动屋盖驱动方式。1.4开合式屋盖控制系统控制系统确保活动屋盖能够在轨道上无偏斜移动。为防止人工操作引起的误操作,引入自动控制操作系统,实现自动/手动两种操作模式之间的自由切换。活动屋盖控制系统包括:(1)启动、停止(制动)加速度控制;(2)速度与同步性控制,防止出现卡轨、蛇形运动,对于轨道不均匀变形具有即时调适能力;(3)紧急制动控制可以防止开合式屋盖在电气故障、供电突然中断或机械系统发生严重故障时出现滑落现象,保证活动屋盖在风、地震及其他特殊情况下的安全性;(4)防止运行过程中的辐射电讯干扰;(5)防雷保护;(6)安全报警装置,活动屋盖应正确安装前照灯、传感器、风速仪等报警装置。开合屋盖控制系统设计应考虑适当的冗余度,即使某一部位缺陷导致出现故障,不影响其他部位。设置必要的安全装置,在开合故障、运行失误或维护不当情况下,也不应引发重大安全事故。2国外房屋地板项目2.1调整钢结构、有限元屋顶模型1)西雅图新太平洋西北棒球场(见图1)位于华盛顿西雅图,观众席47116座,跨度200m,屋顶面积40470m2。活动屋盖采用门式钢桁架结构,开启方式为水平移动式,闭合时间20min。该工程于1999年建成。2)亚利桑那州菲尼克斯棒球场(见图2)位于亚利桑那州美国,主要用于棒球比赛。建筑高度67m,固定屋盖平面尺寸为228m×228m,开合屋盖面积21000m2,屋面材料为金属板,活动屋盖采用四层屋面叠放方式,开合时向两侧水平移动,开合时间为5min。该工程于1998年建成。3)瑞兰特体育场(见图3)位于德克萨斯州的休斯顿,为职业橄榄球场,拥有7.15万个观众席。它有两个拥有巨型钢铰链的可开启屋顶板,每块长73.152m,宽117.348m,开口面积1.7884万m2。活动屋盖采用空间管桁架体系,屋面采用高透光率的膜材。开启方式为水平移动式,钢缆绳驱动,可在10min内打开或关闭。该体育场建成于2002年。4)休斯顿安然棒球场(见图4),位于德克萨斯州休斯顿,主要用于棒球场比赛。下部看台采用混凝土结构,活动屋盖分为上下两层,开合方式为水平移动方式,开合时间约为20min。该工程于2000年建成。5)菲尼克斯大学体育馆(见图5),位于亚利桑那州菲尼克斯,面积为15.8万m2,可用于足球比赛及多功能使用,大跨度钢结构,采用半透明纤维织物屋面材料。活动屋盖采用空间移动式,钢缆绳驱动,开闭时间约12min,于2006年建成。6)威斯康星州米勒运动场(见图6)位于威斯康星州密尔沃基市,观众席42500个,75个露天包厢和3000个俱乐部座席,主要用于棒球比赛,屋面材料采用PTFE膜材。开合方式为绕枢轴移动方式,可以完全开合的叠放扇形屋顶,扇形平面直线边长180m,旋转移动由钢缆绳驱动,开合时间约为10min,于2001年建成。蒙特利尔奥林匹克体育场(见图7)位于魁北克省蒙特利尔市,为多用途运动场,屋面呈椭圆形,平面尺寸为305m×260m,膜面积18500m2,屋面高度53m,桅杆高度168m,屋面材料为聚氯乙烯涂层玻璃纤维膜材(PVC)。屋盖开口部位呈椭圆形,长轴180m,短轴120m,面积18000m2。开合方式为折叠移动式,开合时间约45min,1987年竣工。2)多伦多天空穹顶(见图8)位于安大略省多伦多市,1989年建成,它是世界上第1座采用现代驱动技术大型开合金属屋顶,直径208m,高86m。整个屋盖由4块单独钢网壳组成,其中3块可以移动,中间部分为2块筒状网壳,可水平移动,两端为两块1/4球壳,其中1块固定,1块可旋转移动180°。可开启面积为31525m2,屋盖开启后91%的座位可露在外面,赛场面积开启率可达100%,开合时间约20min。2.3高尔夫球场国外汽车总量为10.1)卡迪夫千年体育场(见图9)位于英国的威尔士,为橄榄球世界杯而建,可容纳观众72500人。开合方式为空间移动方式,是英国首个开合屋顶体育场,可在20min之内开闭,屋顶结合了音乐厅隔音技术,保证对周围居民不产生噪声,于1999年完工。2)温布利体育场(见图10)位于英国伦敦,是2012年伦敦奥运会足球比赛用场,可容纳观众100000人,已成为英国最现代化的国家足球场。纵长的场地两端为两个半圆形,与跑道形状相对应,看台也被建成纵长形,温布利球场长105m,宽69.5m。开启方式为组合方式移动式,50000m2的屋顶可随意开闭,并保证空气和光线可到达赛场内任何角落。该体育场2007年建成。3)温布尔顿中心球场(见图11)位于英国伦敦郊外的温布尔顿,是温布尔顿网球公开赛的主比赛场。改造后的温网中心球场的可开启屋盖是一种可折叠的膜结构,当屋盖处于开启状态时,屋盖折叠压缩后只占很少面积。屋盖使用了大约5200m2高透光率可弯折膜材。共有10榀桁架跨越体育场,跨度约为77m。每榀桁架的端部设置台车,屋盖能够在10min内关闭。4)阿姆斯特丹体育场(见图12)位于荷兰阿姆斯特丹市,为多功能运动场,建筑平面尺寸为180m×250m,开合尺寸71m×108m,屋面采用铝板、半透明塑料板,建筑高度75m。阿姆斯特丹体育场为移动结构和固定屋盖分别设置单独的支撑结构,减小结构间相互影响和支撑结构的尺寸。驱动方式采用齿条和齿轮。开合方式为空间移动式,开合时间约30min,于1996年建成。5)西班牙萨拉戈萨体育场(见图13),1988年建成,用于斗牛及多功能体育场。屋盖直径82.7m,开合屋盖直径36m。屋盖采用聚氯乙烯涂层玻璃纤维膜材,开合屋盖采用折叠开启式。6)杜塞尔多夫体育场(见图14)是位于德国杜塞尔多夫的一座多功能体育场,设计了可移动屋顶,体育场最多可容纳51000名观众。为了与平面图的形状相配,屋顶结构由2个180m的主桁架和2个115m的次桁架组成。主桁架和次桁架形成一个矩形屋顶结构,可以在30min内实现开启或闭合。开启方式采用可展桁架方式。2.4高尔夫球场气候条件1)特尔斯特拉体育场(见图15)位于澳大利亚的墨尔本,是南半球第1个应用可开启屋顶和活动台阶的大型体育场,190m×100m的伸缩屋顶,可在20min内开启或关闭,保证墨尔本多变的气候条件不会影响体育场内的活动。2)澳大利亚国家网球中心(见图16)位于墨尔本,屋盖平面127m×110m,高21m,开口面积73m×61m,开合屋盖采用平行移动的叠合结构,开合时间约为23min,1988年建成。2.5功能2:石川县福佐县1)阿瑞卡体育场(见图17),位于日本东京,为网球及多功能体育场,屋盖平面125m×136m,高度40.1m,屋盖面积24814m2,屋盖结构为钢网格,屋面材料采用金属板。开合体系采用平移开合屋盖,钢缆绳驱动,开闭时间约17.5min,1991年建成。2)日本海洋穹顶(见图18)位于宫琦市,是世界上最大的室内水上乐园,最多可容纳10000人,1993年建成。整个屋盖长300m,宽100m,建筑高度38m。钢网格屋顶结构,开合屋盖为平移式开合膜结构。中间可移动部分由4个跨度约100m的独立拱形桁架组成。屋顶的最大开启面积可达18000m2,只需10min就可以完全打开屋顶,屋面材料为钛金属板+PTFE膜材。3)丰田体育场(见图19)位于日本爱知县,用于足球比赛,2001年6月建成。建筑面积40734m2,直径223.6m,屋顶高68.6m,屋盖面积28500m2,可容纳45700观众。固定屋盖采用悬吊式屋顶,开合屋盖采用充气折叠屋盖系统,屋面材料为聚氯乙烯织物膜材,采用齿轮齿条传动装置。4)大分体育场(见图20)位于日本大分县,用于足球比赛及多功能,建筑直径274m,建筑总高度66.6m,能容纳43000名观众。是一座现代化的多功能体育场,除了能举办高质量的足球比赛外,还能进行英式橄榄球的比赛。屋盖采用落地钢拱结构,屋面材料为钛板+PTFE膜材。体育场具有能够自由伸缩的顶棚,开合屋盖面积20000m2,开合体系为空间移动方式,钢缆绳驱动,开合时间约15min。该体育场于2001年3月竣工。5)小松穹顶(见图21)位于石川县小松市,总建筑面积为22394m2,建筑总高度为59.6m,主要用于棒球、女子垒球、足球、网球等运动项目,场地内平时设置1500座活动看台,最多可容纳10000人。小松穹顶外形呈橄榄形,下部看台采用现浇钢筋混凝土结构。固定屋盖采用钢桁架,活动屋盖采用管桁架结构。屋面固定屋盖与活动屋盖均采用PTFE结构,其中固定屋盖采用双层膜,活动屋盖为单层膜结构。活动屋盖开口尺寸为70m×55m,可开启面积3152m2,采用卷扬机钢丝绳牵引,开启与关闭时间均为30min。该体育馆1997年竣工。6)福冈穹顶(见图22)位于福冈市,建筑面积72740m2,是以棒球场为主要用途的多功能体育场,体育场直径218m,建筑总高度84m,可容纳观众4万人,是日本第1座大型开合屋盖结构的体育场。下部结构采用钢骨混凝土结构,活动屋盖采用绕枢轴移动方式,屋盖由3片网壳组成,下层固定、中层及上层可沿着圆形导轨移动,全开启时开口率60%。各片网壳均由片状截面的网格组成而且各自支撑,屋面材料为钛金属板。为避免在开合过程中各片屋盖碰撞,在屋顶中心设置液压阻尼器减震,开合所需时间约20min。屋顶重量12000t,该体育馆建成于1993年。7)仙台穹顶(见图23)位于宫城县仙台市,其功能为网球、软硬式棒球、足球场地等,场地北侧设置1050个固定座席。体育馆平面呈椭圆形,长轴115.82m,短轴91.5m,总建筑面积13132m2,建筑总高度51m。屋盖平面投影呈扇形,采用管桁架结构,屋面为单层高透光白色PTFE膜材。最大开启角度为148°,屋盖开合时间为30min。可移动屋盖结构支撑于台车上,在建筑的周边设置环形轨道,轨道布置于混凝土沟槽内,其中承重轨道构置于沟槽底部,导向轨道构置于沟槽侧壁,该工程于2000年建成。3家庭屋顶工程3.1高尔夫球场屋盖结构南通体育会展中心(见图24)位于南通市新城区,是集体育、商务、公益服务及娱乐于一体的综合体育运动、休闲场所。体育场总建筑面积4.86万m2,建筑高度55.2m,观众座席32264个。体育场下部看台为混凝土结构,屋盖为管桁架空间结构,看台结构与屋盖结构完全分离。体育场屋盖的几何形状为球冠,固定屋盖采用拱支网壳,拱架最大跨度280m,活动屋盖为单层网壳。可开启面积约为1.8万m2。该工程于2006年9月竣工。3.2启开启阶段71m上海旗忠网球中心(见图25)总建筑面积85438m2,建筑高度约40m,屋顶为钢结构,并且可以开启,其开启方式仿佛白玉兰的开花过程。其结构体系由1个直径123m,64榀施加径向预应力和2道柱顶环向预应力的钢筋混凝土主体圆环结构加上1个直径123m,宽24m,高7m的W形大直径钢管相贯焊接节点的空间环梁结构组成。8榀大直径钢管相贯焊接节点的开闭屋盖结构每榀设置一个固定转轴及三同心旋转轨道结构支承在空间环梁上。3.3网架结构组成黄龙体育中心网球馆(见图26)包含主比赛场和省老年活动中心两部分,总建筑面积约19134m2,设观众席5000席,建筑高度32.2m。网球中心屋盖部分采用开合结构,屋面投影面积5800m2,其中固定部分面积5053m2,活动部分面积969m2。固定部分由两榀主拱、两榀环梁、固定屋盖组成,其中主拱桁架由拱型桁架和水平桁架组合而成,跨度94m。固定屋盖采用张弦梁结构,支撑于拱架和外环梁之间。活动屋盖由两片21m×19m单层网壳组成,屋盖开闭采用自行式机械行走装置。3.4活动屋盖选型与设计鄂尔多斯东胜体育场(见图27)位于内蒙古鄂尔多斯市,共有固定观众席35000个,总建筑面积为86295m2。该工程采用钢管拱桥的设计理念,通过钢索将屋盖大部分重力荷载传给大拱。活动屋盖由2个单元块组成,最大可开启面积(水平投影)长113.524m,宽88.758m,驱动系统采用钢缆绳牵引方式,每片活动屋盖两边各有7个台车。活动屋盖屋面采用PTFE膜结构,可有效适应活动屋盖的变形,防水性能优越。固定屋盖在沿活动屋盖运行轨