工程设计GO N GC H E N GS H E J I王成刚,等:开合屋盖结构的发展与设计特点《工程与建设》　2007年第21卷第4期555　收稿日期:2006211228作者简介:王成刚(1974-),男,安徽巢湖人,硕士,合肥工业大学讲师.开合屋盖结构的发展与设计特点王成刚1,　关朝江2(1.合肥工业大学土木建筑工程学院,安徽合肥　230009;2.安徽省建筑设计研究院,安徽合肥　230001)摘　要:文章介绍了开合屋盖结构的概念、发展历程及现状,表明开合屋盖结构将是未来大型体育建筑发展的一个重要趋势;与常规屋盖结构设计比较而言,现代开合屋盖结构设计具有自身很多特性,该文在研究现有文献资料的基础上对现代开合屋盖结构设计特点进行了简要的阐述。

关键词:开合屋盖结构;设计特点;结构荷载中图分类号:TU393.3;TU392.6 文献标识码:A 文章编号:167325781(2007)04205552030　引 言开合屋盖结构(Ret ractable Roof St ruct ure )的定义为:“开合屋盖结构是一种在很短时间内可以把部分或全部屋面移动或开合的结构型式,建筑物在可动屋面开启或关闭的两个状态下都可以使用”[1]。

即一个完整的屋盖结构按一定的规律划分成几个可动和固定单元,采用适当的机械技术,使可动单元按照预期的轨迹移动或转动,使各单元之间搭接、迭放来实现屋盖的开合。

开合屋盖结构的出现与人类体育事业的发展密切相关,随着物质文化生活水平发展和提高,市民对体育娱乐活动运动参与意识的提高,人们要求体育场馆功能日益完美,人们既希望能在大自然的美好怀抱中观看或参与各种体育、娱乐活动,也希望当遇到恶劣的自然环境时能在封闭的场馆中如期举行各项活动。

而与常规体育场馆相比,开合式屋盖结构能满足人们这两种美好愿望,因此建造带有开合屋盖的大型体育建筑越来越成为一个重要发展趋势。

我国著名建筑大师马国馨院士更把开合屋盖建筑称之为“第三代体育建筑”。

1　开合屋盖结构的发展历史及现状(1)20世纪50年代以前的小型开合结构。

该时期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。

这些简单开合结构对近现代的大型开合屋盖结构的研究和发展具有很好的启发作用。

(2)20世纪50～80年代的膜折叠型式开合屋盖结构。

1954年,在德国由Frei Otto 领导的一个工作小组,开创性地研究和发展了开合膜结构,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。

在1976年,这种技术被应用在加拿大蒙特利尔奥运会体育场中,如图1所示。

该体育场中央开口直径为120m ,面积为18000m 2,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50～80年代的开合屋盖结构发展,以膜折叠型式的开合方式为主。

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,在使用中会出现开合运行故障或膜材料被撕裂。

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。

图1　加拿大蒙特利尔奥运会体育场(3)20世纪80年代以后的现代开合屋盖结构。

工程设计GO N GC H E N GS H E J I王成刚,等:开合屋盖结构的发展与设计特点556　《工程与建设》　2007年第21卷第4期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,如图2所示,该结构属于刚性开合屋盖结构,其跨度为127m ,至今仍具有开拓性意义。

20世纪80年代以后的大部分开合屋盖结构的开合思想,来源于此。

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,都属于现代开合屋盖结构。

如1989年加拿大多伦多建成了直径208m 的天空穹顶,如图3所示;1993年5月建成了跨度110m 的海洋穹顶;2001年建成的日本大分县体育馆等。

现代开合屋盖结构的特点是,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。

图2　美国匹兹堡市民体育场图3　加拿大天空穹顶(4)我国开合屋盖结构的发展现状。

我国在开合屋盖结构的研究和应用方面还远落后于发达国家,刚刚开始起步。

目前,我国已建成几座简单的、较小跨度的开合屋盖建筑运行良好,如钓鱼台国宾馆网球馆采用“弓式预应力钢结构”,活动拱架跨度为41.5m ;上海浦东某游泳池;2005年8月竣工的浙江省黄龙体育中心开合网球馆,可动屋面布置在两个主拱桁架中央,完全打开的水平投影面积为21m ×35m (沿主拱方向)等,如图4所示。

大型复杂开合屋盖结构的建设也有突破性进展,如已建成的上海旗忠森林网球中心;2006年3月竣工的江苏南通体育场建筑面积4.8万m 2,拥有巨型开闭顶,活动屋盖投影长度201.92m ,如图5所示。

开合屋盖结构在我国的需求增长很快,有很多地区有建造大型开合屋盖结构的想法。

图4　浙江省黄龙体育中心开合网球馆图5　江苏南通体育场世界各国已建成的各种开合屋盖结构产生了良好的社会经济效果,并且大跨度开合屋盖结构技术也得到了进一步的发展和完善,建造开合屋盖结构的前景将越来越好。

然而,已建成的开合结构也存在着这样或那样的问题,总的来说,开合屋盖建筑技术的发展还处于起步阶段,开合屋盖结构的理论和试验研究滞后于工程实践,仅日本对现代开合屋盖结构提出了设计施工指针。

本文以下内容根据现有研究文献[1～4],对现代刚性开合屋盖结构的设计特点进行简单地归纳介绍。

2　开合屋盖结构设计特点(1)开合屋盖结构的设计流程与传统屋盖的设计流程不同。

传统的屋盖结构设计时,首先确定建筑方案,由此布置设备,最终根据建筑方案和设备布置来确定结构形式,各工种设计基本是串行式的。

由于开合屋盖结构的机械系统、运行控制系统较为复杂,机械设计、结构布置和建筑设计相互影响制约,导致各工种设计必须紧密配合,一并进行,因而开合屋盖结构比传统屋盖结构的设计要复杂得多,基本设计流程如图6所示。

图6　开合屋盖结构设计流程图(2)开合屋盖的设计依据缺乏。

虽然开合屋盖工程设计GO N GC H E N GS H E J I王成刚,等:开合屋盖结构的发展与设计特点《工程与建设》　2007年第21卷第4期557　结构已经建成了两百多座,但总的说来开合屋盖结构还是处在起步阶段,目前还没有任何关于这种结构的国家或地方的设计规范。

现在开合屋盖设计的依据,结构方面主要采用各国的建筑结构规范和日本等国的一些设计建议;机械设计方面国外主要参考各自的起重机标准,我国主要参考文献[5];此外还可参照已建工程。

(3)开合屋盖设计的前提———开合条件的确定。

所谓开合屋盖结构的开合条件,是指确定在什么条件下才可以进行开合移动(如风荷载限值、雪荷载限值等)、开合运行的具体条件(如启动、运行速度和刹车的加速度、开闭运行时间等)、正常条件下屋盖的停靠位置以及特殊条件下屋盖的停靠位置等。

屋盖的开合条件直接影响整个结构的工作状态以及相应工作状态下荷载的取值。

因此,在设计阶段的前期必须首先确定屋盖的开合条件,然后再对开合条件下各种可能的工作状态下的荷载情况作出正确的评定,进而,对屋盖结构进行内力分析、荷载工况组合、结构构件设计。

屋盖的开合条件必须明确写进可动屋面使用操作手册,并严格按照操作手册进行管理。

(4)开合屋盖设计中运行机械系统的设计。

屋盖体系的开合方式有水平移动、水平旋转、空间移动、绕枢轴转动、折叠方式及组合方式。

任何开合方式的实现都需要采用一定机械运行系统,机械系统设计是常规结构设计中没有的,所以机械系统设计对于结构工程师来说是陌生的;而机械系统与建筑结合之后,对于机械工程师而言也是陌生的。

因此,机械系统设计是开合屋盖结构设计中的重点和难点。

在进行设计时结构工程师与机械工程师必须相互沟通,以避免设计矛盾的发生。

(5)工作状态与荷载的取值。

常规屋盖只有一种工作状态,而开合屋盖结构一般有3种工作状态:完全闭合锁定状态、完全打开锁定状态和运动状态。

一些大型的开合屋盖结构还有第4种工作状态:即半打开的锁定状态。

开合屋盖结构不光要承受常规屋盖结构要承受的各种常规作用:如恒荷载、风荷载、雪荷载、使用荷载、地震作用及温度作用等,还要承受自己特殊的荷载:如启动和刹车的惯性力和制动力、因轨道接头或轨道不平产生的力、因轮轨间距离偏差及开合角度不准确产生的轨道侧向力等。

在不同的工作状态下使用情况各不相同,荷载工况也不相同,甚至常规荷载的取值也不一样,因而开合屋盖结构荷载取值的最大特点就是:工作状态与荷载取值相对应。

(6)静力分析方法。

可动屋盖和下部结构是两个相对独立的部分,是通过锁定点耦合联系在一起的。

对整个结构在受载阶段的分析存在如何考虑两者相互耦合的问题。

通常有整体分析法和单独分析法两种。

整体分析法是指在锁定位置通过锁定点耦合活动屋盖与下部结构的三个线位移进行协同受力变形分析。

这种方法从整体上看更合理,结果也可以接受。

但此种分析方法相对复杂,并且当锁定点较弱时得出的结果是偏不安全的,而且对于锁定点局部分析时,由于该方法忽略了机械结构的相对变形,计算所得的节点约束力偏大。

单独分析法则是先把可动屋盖在锁定点处固定进行受力分析,得到的支座反力以集中荷载的形式施加到下部结构上进行进一步的受力分析。

该分析方法概念明确,分析简单,而且在下部结构刚度较大时,采用该方法是偏安全的。

在设计时,可同时采用这两种方法进行比较分析,以保证结构设计的安全可靠。

3　结束语虽然大型开合屋盖结构是20世纪50年代才开始应用和发展的,属于一种新兴的结构形式,但是由于其使体育场具有了全天候复合型的使用功能,世界各国已建成的200多座各种形式开合屋盖结构,并产生了良好的社会经济效果。

随着我国经济的迅猛发展,特别是随着全民健身运动的深入开展,建造开合屋盖结构的前景将越来越好。

由于开合屋盖结构与传统屋盖结构相比既有共性,特性也很明显,我国的理论研究者和设计者在学习国外先进技术的同时,应积极开展开合屋盖结构的理论和试验研究,为开合屋盖结构的发展做出应有的贡献。

〔参考文献〕[1]　Kazuo Iishii.Structural Design of Retractable Roof Structures[M ].WIT Press ,2000.[2]　关富玲.开合屋盖结构设计简介[J ].建筑结构学报,2005,(8):112-116.[3]　张凤文.开合屋盖结构研究[D ].天津:天津大学建筑工程学院,2000.[4]　余永辉.开合屋盖结构的设计[D ].杭州:浙江大学建筑工程学院,2004.[5]　G B3811-83,起重机设计规范[S].。