移动层盖结构在建筑结构中的应用

移动层盖结构在建筑结构中的应用

1机械单元的选择屋顶层的实现是将屋顶层的完整结构按照一定的规律划分为几个开放式和固定单元，并采用适当的机械技术，使互联单元按照预期轨迹移动，达到顶板打开的目的。移动屋盖的建筑结构形式决定了它的开合方式,移动屋盖结构的移动方式如表1。1.1移动屋盖结构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移动屋盖结构非常多,典型的有美国HoustonAstros体育馆(图1)。1.2可动屋面材料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。空间移动方式的移动屋盖结构,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。典型如日本大分县穹顶(图2)。1.3从政府控制到现代牵引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移动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如日本福冈穹顶(图3)。1.4屋顶开放系统的曲线轨道系统对于一些大型的移动屋盖结构,为了满足建筑上足够大的开启率,会采用以上4种开合方式的组合,采用最多的就是水平移动+绕竖轴旋转的方式。典型的工程如图4所示的日本球穹顶,完全开启时,开启率达到100%,但是这时需要额外占用场外面积。这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移动屋盖结构的新浪潮。按照开合机理来分析运动轨迹一般有以下3种:水平的直线轨道;水平的曲线轨道;有坡度的曲线轨道。可开合的屋顶并不总是行进在直的水平轨道上,在许多情况下,它们行进在弯曲、上升或下降的轨道上。从机械设计的角度考虑,水平的直线轨道设计难度最小,有坡度的曲线轨道最难;从机械系统的造价角度考虑,水平的直线轨道造价最低,同样有坡度的曲线轨道最高。2屋顶机枪的开口系统的设计2.1建筑概念设计及原理方案设计的内涵在移动屋顶工程设计中,移动屋顶的建筑结构设计和移动屋顶的开合机械系统的设计是一个交互的过程,机械系统的设计影响着建筑和结构的设计。因此,在进行移动屋盖的机械系统设计的开始阶段,需要对目前建成的移动屋顶结构及其运动方式有所了解,及早考虑流程中的各种因素,以提高建筑设计和建造的效率。移动屋顶机械系统的设计过程是一个对未知产品的信息从抽象到具体、逐步细化、反复迭代的过程,它从需求分析开始(移动屋盖的建筑结构形式决定了它的开合方式),经过功能设计、原理求解、结构设计、详细设计,最终得到满足需求的产品。其中,产品的功能设计、原理求解和结构设计三个阶段是决定产品功能的主要阶段,也是最能体现产品创新设计的阶段,即概念设计过程。概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求,进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计,是进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现工作原理载体方案的构思与系统化设计。概念设计是建筑设计进程中最初也是最富创新性的阶段,在整个建筑设计开发过程中占有重要的地位。在概念设计阶段,由于对设计的约束信息相对少,所以建筑的创新空间很大。同时,概念设计也在很大程度上决定了建筑的最终性能和价格,机械系统的成本主要在设计阶段决定的,一般而言,系统的成本的70%~80%是由概念设计阶段决定。概念设计阶段决定了建筑的基本特征和主要功能框架,对提高建筑性能,降低建筑成本有决定性的影响。功能设计是概念设计中极为重要的一环。概念设计过程的实质就是一个建筑的功能定义、功能结构的实现并进行优化的过程。分功能或功能元求解即寻找完成功能的技术实体——功能载体。分功能求解的基本思路可以简单表示为:功能—工作原理—功能载体。在设计阶段,原理方案设计占有重要位置,它是功能结构的具体求解过程,它关系到建筑设计的成败和质量的优劣。在这一阶段,设计师运用一系列设计手段和设计经验,利用前一阶段收集的资料、信息及功能结构分析,经过加工和转换,设计出达到期望结果的合理方案。原理求解又称为方案设计,是概念设计中的关键一层,它一方面要承载功能信息和原理知识,另一方面又要为结构设计提供装配几何的基本信息,是建筑的功能与结构之间的信息流动层。建筑设计中,这一信息流动层是依靠设计者(或计算机辅助)完成联接的,建筑的功能信息通过设计者对原理方案草图的分析和理解,然后传递并贯穿到建筑的装配结构和后续的详细设计中。目前国内外对原理方案求解的思路主要有几种:①功能—行为—结构法;②功能—效应—作用原理法;③实例设计法(CBR)。实例设计法(CBR):首先需要根据设计要求和产品特征,建立产品的实例模型,收集现有的设计实例,并采用面向对象技术描述实例,从而建立产品的实例库。然后,基于设计要求和实例模型进行实例推理,从而获得当前设计的相似实例,进而通过基于设计和制造的知识,对产品相似实例进行评价和修改,获得概念设计的优化解。2.2移动屋盖的机械系统设计在移动屋盖的设计实例中,类似起重机结构的驱动方法时常被采用。这是由于起重机设计技术成熟、可靠,能够保证可移动屋盖的功能,通过查询、提取和调整实例库中同类建筑的求解方法,来获得当前建筑的求解方法。移动屋盖中机械系统设计的核心是其行走功能的实现,由行走功能的需求转化为运动行为需要对机械传动系统求解,最后转化为物理结构—即确定各种传动机构。这种方法把运动行为作为实现功能—结构的桥梁,成功用于移动屋盖的机械传动类型见表2。(1)我国射线能力、设备的选择采用轮驱动方式的移动屋盖建筑有日本的天空穹顶,海洋穹顶、福冈穹顶,Yokoto穹顶剧院、MukogawaGakuin中学游泳馆,美国亚利桑那州菲尼克斯运动场、休斯顿MinuteMaidPark棒球场、新太平洋西北棒球场等。其特点是:①技术最为成熟,造价较低;②行走台车上有驱动电机,控制模块,刹车器件等;③需要考虑供电线路、控制线路如何连接到行走台车上,要考虑线路的防缠绕问题;④在所有荷载作用下,要保证轮轨之间有足够的摩擦力,否则轮子会打滑、导致事故发生;⑤普遍使用于直线轨道的行走路线。(2)洋西北棒球场采用钢缆绳牵引方式的移动屋盖建筑有日本的大分县体育场、小松穹顶、有明体育场,美国的新太平洋西北棒球场,德国GerryWeber网球场等。①技术较为成熟,造价较低;②需要布置卷筒、缆索导向器、缆索张紧装置;③供电,控制部分较简单,可以和电机、减速器、卷筒等集中布置在下部结构上;④在轮轨摩擦力不足的情况下、在轨道倾角过大、空间开合方式下宜优先采用该方式。(3)轮轨摩擦的性能采用齿条和齿轮牵引方式的移动屋盖建筑有荷兰阿姆斯特丹体育场和钓鱼台国宾馆网球馆。①对可动屋面的位置控制非常准确;②在轮轨摩擦力不足的情况下可以替代轮驱动方式;③齿条齿轮只提供切向力,竖向力仍然由轮子传递,而且能提供切向力不会非常大;④运行时会有一定的噪音;⑤比较适用于直线轨道,用于曲线轨道时,加工难度较大,造价高。(4)千斤顶驱动方式千斤顶驱动方式在大型的移动屋盖建筑至今没有大规模应用。日本小松穹顶的雨雪挡板就采用了千斤顶进行驱动,另外,日本球穹顶改变屋盖运行方向时使用的轨道道岔旋转台也采用了千斤顶驱动方式。我国自行设计和建造的昆明世博会艺术广场观众席雨棚,虽然不是严格意义上的移动屋盖结构,但毕竟是可动结构,其驱动就采用了千斤顶驱动。①可以提供很大的牵引力;②控制技术和理论非常成熟;③行程有限,对于大型的千斤顶,要配套油路系统和泵房,只能用于行程很短的场合。从以上这些移动屋盖建筑的驱动方式可以看出,采用轮驱动和钢缆绳牵引方式的建筑占绝大多数,水平移动的移动屋盖,除日本有明体育场采用钢缆绳牵引方式外,其余均采用了轮驱动方式,水平旋转方式开闭的屋盖均采用轮驱动方式,并且驱动台车只布置在行走轨道的弧线位置,在转轴中心位置只安装旋转轴,不布置驱动装置。而以空间移动方式开合的屋盖,除荷兰阿姆斯特丹体育场采用齿条和齿轮方式外,其余均采用了钢缆绳牵引方式。从驱动机械的繁简程度看,钢缆绳牵引方式要简单得多。3应考虑的因素和项目要求和项目中应考虑的因素3.1机械系统的选择原则从实现的功能的角度上,可以把机械系统分为三个子系统:驱动系统、行走系统和安全保证系统。机械系统的设计要遵循以下原则:(1)满足功能的要求;(2)机械系统要与建筑方案、结构方案、开合方式相适应;(3)便于操作、检查、维修和更换;(4)不宜采用磨损较严重、存在不确定要素的机械系统;(5)采用的零部件有足够的耐用性,且尽量采用标准件,保证安全性能并降低造价;(6)机械部件,包括轮子和轴等部件,可以依靠临时的屋顶支持维修;(7)选择的技术和部件被证明是可靠的;(8)系统的操作很简单的并具有安全装置;(9)最重要的是屋顶系统的设计要始终保证,在屋顶操作期间,体育馆内人员的安全。3.2屋顶和轮轨系统风荷载的取值是最能体现荷载与状态相对应这个特点的。影响风荷载标准值的多个要素,包括基本风压、风荷载体型系数、风压高度变化系数以及风振系数,在屋面处于不同的状态下都是不同的。移动屋盖的使用功能要求通常在天气晴好的时候开启,在恶劣天气下闭合,为了开合的安全,可动屋面移动的时候风速不能太大。当采用轮轨系统时,浮力会降低轮子和轨道的摩擦力,导致出轨的意外。因此一般要有抗浮力装置。3.3转子测摩擦系数抗震设计更注重的是从构造上保证结构的安全,通过合理的设计轮轨系统,可以保证在地震作用下可动屋面不出轨。有资料表明,当轮子和轨道的摩擦系数为0.15时,在不是小震的作用下,轮子也不会打滑。建造在地震多发的大型开合屋面建筑,还要安装有地震探测仪,监测结果也应该作为控制系统的输入参数,可动屋面运动过程中,当地震仪探测到较大的地震时,夹轨器等刹车装置就会把可动屋面临时锁定在轨道上面,避免出轨事故的发生。3.4额外的动力负荷和重量(1)轨道的水平力当可动屋面在平行轨道上移动的时候会产生垂直于轨道的水平力,也就是轮子的侧向力。这个水平力与以下要素有关:轨道和水平轮之间的间隙、轨道的直线对准精度、可动屋面的倾斜角度、轨道曲率等。(2)动屋顶的横向力当可动屋面沿轨道移动时,要考虑道轨道接头和轨道不平坦产生的竖向力。因为可动屋面的移动速度很慢,所以在大部分情况下可以忽略这个竖向力的影响,但若轨道竖向变形较大或者轨道得不到很好的维修保养时,就必须考虑这个冲击力。这个冲击力很难具体准确数值化,许多国家都采用了不同的荷载增大系数的方法加以解决。(3)启动时,轮轨的黏着力沿轨道的水平力主要由可动屋面启动和刹车产生的惯性力组成。启动时,可动屋面因轮轨装置多,受力复杂,造成轮轨间的黏着力较大,启动时需要很大的力。可是当可动屋面一旦开始移动后,轮轨之间的静摩擦力就变成了很小的滚动摩擦力。3.5移动屋盖使用过少移动屋盖结构的机械系统出现故障的可能性比起重机结构要大。因为起重机是一种标准解析系统,在多年的设计、制造和使用过程中,对其进行不断的完善,已经比较成熟。一般机械系统经常会因为零部件的寿命或磨损严重而导致故障的发生,但移动屋盖结构却有因机械系统使用过少而导致的故障。由于移动屋盖结构在设计的时候,设置的开合次数比较少,一般不超过200次/年,而移动屋盖结构,由于每次开合需要一定的营运成本,所以很多小型的移动屋盖结构,使用者会由于开合成本过高而减少开台次数。在机械系统保养工作不是非常理想的情况下,过少的开合次数会让行走机构等可动部分因生锈而引发故障。移动屋盖自重比较大,但荷载变化幅度很小,而吊车的重量会根据实际吊重量有很大幅度的变化;移动屋盖移动速度慢,使用频率低,而大部分可动屋面的移动轨迹比吊车的水平直轨道要复杂;移动屋盖面积大,是外露的,受风、雪荷载的影响大。4移动屋盖结构的特性由于目前还没有移动屋盖结构的国家或地方的设计规范,在进行结构设计时,主要参考是各国的建筑结构规范和设计指导。就机械系统设计而言,移动屋盖的机构设计主要是参考起重机设计规范的相关内容。所以可动屋面必须根据建筑方案的要求,由设计者详细考虑选取起重设计规范与标准,并参照已建工程实例。相对常规屋盖只有一种状态而言,移动屋盖结构一般有三种状态:完全闭合锁定状态、完全打开锁定状态、运动状态。一些大型的移动屡盖结构还有第四种状态:半打开的锁定状态。因为不同的状态对应于不同的使