大跨房屋钢结构作业
题目：开合屋盖结构
一．简介
开合屋盖结构（Retractable Roof structure)是一种根据使用需求可使部分或全部屋盖结构开合移动的结构形式，它使建筑物在屋顶开启和关闭两个状态下都可以正常使用。从20世纪60年代至今世界上已建成上百座开合屋盖结构，主要用于体育比赛场馆。开合结构的出现，实现了“晴天在室外，雨天在室内”的梦想，让人们“从打开的屋顶望到黑色的夜空，有“科幻电影”的感觉。
现代意义的开合结构的发展是从20世纪60年代开始的。20世纪80年代以前的开合屋盖结构主要以膜结构的褶皱形式开合为主，但这种开启方式存在内在缺陷，在使用中常受风雨等影响使开合运行，出现故障或膜材料被撕裂。进入20世纪80年代，随着国家经济实力的增强，建筑技术水平的提高，建设大型开合结构已成为可能。在此期间，采用拱形钢结构、拱壳、部分球壳或平板网架等刚性钢结构作为受力支承结构的开合屋盖建筑得以迅速发展，其屋面材料多采用膜材料、金属板及其他轻质材料。屋盖系统分成若干个单元片，通过单元片的移动、转动，使各片之间相互搭接、叠放来实现屋盖的开合，其代表性的建筑有：加拿大多伦多天空穹顶体育场、日本海洋穹顶、日本福冈体育场等。
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:
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;
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;
有助于建筑综合功能的实现。
下面介绍开合结构的形式和分类：
1.按开合频率分类
由于建筑功能的不同，开合屋盖结构可以根据可动屋面的开合频率进行分类，如表1所示。
表1 开合屋盖结构的开合频率及开合目的
开合频率 工程实例 开合的目的
每年两次，夏秋开启、冬季闭合 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卸的，屋面材料常采用膜材
大部分时间处在闭合状态
小部分时间处在开启状态 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
大部分时间处在开启状态
小部分时间处在闭合状态 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外内的活动，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的同时，可动屋面是打开的，以减小风荷载
经常进行开合操作 日本海洋穹顶 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
2.按开合方式分类
开合结构按照开合方式可分为移动方式、转动方式、折叠方式和组合方式，具体情况如下：
2.1移动方式
移动方式又可细分为：①水平移动。通过屋盖单元沿水平轨道移动或重叠搭接形成开合。②空间移动。通过屋盖单元沿空间轨道移动或重叠搭接形成开合。
2.2转动方式 转动方式又可细分为：①绕竖直轴转动。通过数块屋盖单元绕竖直轴回转重叠形成开合。②绕水平轴转动，通过数块屋盖单元绕水平轴转动形成开合。
2.3折叠方式
折叠方式又可细分为：①水平折叠，构件水平方向折叠形成开合②回转折叠，构件水平回转折叠形成开合③上下折叠，一般采用膜屋面，类似于折叠伞，通过吊起或放下屋面形成开合。
2.4混合方式
混合方式是上述这些开合方式的组合，如1991年建成的日本大秋穹顶。
3.按结构体系分类
根据采用的结构体系，开合结构分为：①柔性索膜和钢结构膜开合结构②空间刚性单元开合结构③可展开式开合结构④充气膜开合结构
4.按受力特性分类
对结构设计影响较大的是可动屋面的支承条件，一般可分为两类：一类是可动屋面支承在刚度很大的下部结构上，这里的下部支承一般由钢筋混凝土结构组成。另一类是可动屋面支承在刚度较小的下部结构上，其下部支撑往往是有钢桁架提供。
二、受力特点和典型工程应用
1.开合结构的受力特点
与非开合结构相比，开合结构的受力特点主要表现在：
1）开合结构各屋顶单元的轮廓尺寸对开合结构的受力特性有很大影响。与非开合结构相比，开合结构的各片屋顶在一定程度上减弱了屋顶结构作为空间结构整体受力的性能，甚至有可能蜕变为单向受力。
2）各片屋顶在开启状态、闭合状态以及在开启或闭合的过程中，受载情况各不相同。在全封闭状态与全开启状态受力较明确，完全可以应用常规方法进行分析。但在开启或关闭的过程中，由于风向与风速变化、温度、雪载引起的偏心荷载，轨道摩擦以及行走速度、轨道接缝、缓冲装置、轨道安装误差引起的冲击力，甚至地震力的作用等，使其受力状态相当复杂，往往造成可动屋顶在运行过程中左右摇动、上浮。因此，有必要对机械体系有关构件进行受力分析并作相应的构造处理。如加拿大天空穹顶和日本福冈穹顶的行走小车的上下左右四面都分别设有车轮，以承受上部屋顶的反力，防止屋顶上浮和屋顶的左右摇晃。
3）风向与风速大小以及屋顶是否有积雪等因素对开合结构所处的状态（全开启、半开启、全封闭状态）起决定性作用。结合天空穹顶、福冈穹顶等开合结构的成功经验，对开合结构的设计应做相应的模型试验，以确保结构受力合理，使各可动屋顶运行安全可靠。
2.典型的开合屋盖结构
2.1加拿大多伦多天空穹顶(Sky Dome Canada)。
该弯顶1989年正式投人使用,当时是世界第一(现在是第二)大具有开合功能的体育、娱乐和展览中心。跨度205Tn.有效空间高度86In,能容纳7万人,屋盖关合后可做全封闭有空气调节的体育场。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2块1/4球网壳,一块固定,一块可旋转移动180度,屋盖缩进后91%座位可露在外面,赛场面积开启率可达100%,耗钢量近万t,每块结构由一系列电动台车带动运转的。开闭时间约20min。屋盖移动是采用了早已成熟的在港口上采用的移动式吊车技术。在3块可活动结构上共安54台转向器分别为22台和2个16台,每台转向器上装2一4台7.4kw的电动驱动马达。该馆是RAN财团和日本熊谷组进行设计的,总承包是艾里斯坦(Eills-Don)及日本飞岛建设公司。（见图1）
（a) （b)
图1 加拿大多伦多天空穹顶
（a) 开启状态（b)闭合状态
2.日本海洋穹顶(Ocean Dome)。
建筑师：Kobe Shipyard & Machinery Works Mitsubishi HeavyIndusries
Ltd。，结构师：Mitsubishi Heavy Indusries Ltd。关闭时间：10min，高度38m，开合屋顶面积：22726m2, 钢网格屋顶结构，屋面材料：钛板+特氟隆，1993年建成。开合屋顶由4块独立的拱形板组成，矢跨比为0.21，开启时，中央两块拱形板分别向两相反方向平行移动，并与其相邻的拱形板重叠，两组两块重叠的拱形板再向两相反方向平行移动至开启终点。安装了风速表，所测量的风速传送给中心控制室，防止强风损害。安装了地震仪，如果发生了地震，地震仪指令取消屋顶开合（见图2、3）
图2 日本海洋穹顶 图3 日本海洋穹顶的结构布置
3.2008年北京奥运会主体育场
中国国家体育场的设计方案由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院联合设计，这个被称为“鸟巢”的方案（图4），展现了一个新颖、独特、庞大的异型钢结构建筑物，该方案预计消耗8万t各类钢材，最长的一条钢梁达300m，平均钢梁长度将在50～180m之间，巨型体育场的形象完美纯真，外观即结构，犹如树枝织成的鸟巢，其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖，其中包含着一个土红色的碗状体育场看台。碗形看台可拆可调,看台是一个完整的没有任何遮挡的碗形，共分三层，通过体育场顶部座位调整，来实现两万个临时坐席的设置，南区和北区的第三层看台的座位可以拆除。体育场外立面基本上不需封闭式的外墙，这使得体育场可能自然通风。滑动式的可开启屋顶合上时，体育场将成为一个室内的赛场。国家体育场在奥运会比赛时将容纳10万名观众，建成后将有望成为世界上最大的可开启屋顶的体育场。其纵横剖面图与透视图分别见图五和图六。
图4 国家体育场开合屋盖方案 图5 国家体育场纵横剖面图
图6 国家体育场平面图与透视图
三、设计和施工中的关键问题
1.开合屋盖结构设计中的关键问题
由于开合结构的特殊性，在设计中应注意好以下问题：
1）开合结构在不同的状态（全开启、半开启、全封闭状态）以及在开启和闭合的过程中，其受载情况各不相同，特别是在开启或闭合的过程中，受载情况相当复杂，合理地进行各种状态受力分析是开合结构设计的关键。对于刚性、自承式开合结构，为防止在行走的过程中屋顶上浮以及蛇行运动，可在行走小车的上下左右四面分别安装车轮以及相应的轨道。
2）在构造方面，应确保开合结构具有同非开合结构同等的安全性。一般地，在强风作用时，开合结构应处于全封闭状态。无论是开启状态还是闭合状态，开合结构的构造设计应能确保机械体系、电气体系、机械油压体系的安全与可靠。
3）就已建成的开合结构来看，机械体系可动部件常有故障发生。如日本某一开合式游泳馆，使用一年后因可动部件生锈而需要经常维修。因此，开合结构机械体系各构造应尽可能简单，这样即使有了故障也能确保安全，同时也便于维修管理。 4）为适应多功能、多目的要求，采光、通风、影响、空调、防灾等的综合设计也是开合结构需要特殊处理的技术问题。
如何解决以上问题是成功进行开合屋盖设计的关键问题。
综合开合屋盖结构的技术特点，在设计中一般应遵循以下原则：
1）移动结构的构造应力求简单，便于维修。
2）屋盖开启或关闭过程一般宜控制在20-25min内完成。在开始或停止时，所需的时间各为1-2min，并使其产生的冲击力最小。
3）屋盖开启或关闭正常运行时，风速不得大于15m/s。
4）驱动装置不宜封闭，在远处可以操纵和监视。
5）应设置地震传感器和风速仪，每当超过特大风速或地震强度时，开关系统应能自动停止工作，以使整个系统不会超载。
6）应安装电视摄影机和超声波传感器，以便在开启或关闭过程突然出现问题时，能及时发现故障原因。
7）控制装置应设计有富余，当装置的任何部分失灵时不致于使整个系统失灵。为此，应采用一种双能控制系统，既能自动也能手动。
8）为了安装控制装置的需要，应采用考虑有安全装置和兼有自我判断功能的设计，以防止由于错误的操作而使装置失灵。
9）在开合功能万一失灵时，应能保证整个屋盖结构的安全，对屋盖结构应采取具有自动防止故障的设计方法。
2.开合屋盖结构施工中的关键问题
由于开合屋盖的特殊结构型式，这类工程的设计施工不同于常规结构。开合结构不但在设计上比普通结构复杂，在施工方面也有很多特殊性。开合屋盖结构设计施工的难点为轨道变形要求小，远小于建筑结构规范要求。开合屋盖结构是集钢结构设计与施工、起重机械设计与加工、液压与自动控制、机械安装与调试为一体的综合性系统工程，难度很大。要求高品质、高精度的施工技术。
因此，该类结构的施工控制要点是：保证施工符合钢结构施工规范的要求；同时保证施工精度满足机械系统的要求。只有钢结构主体、轨道安装准确以及机械系统和可动屋盖吊装定位精确，才能保证可动屋盖运行的可靠性和整体结构的安全性。
施工过程不仅要考虑结构的因素，还要考虑机械控制的要求，需要在施工过程中，为机械控制的测试准备场地条件和电力条件，所以施工组织难度较大。并且开合结构中固定屋面、可动屋面及机械部分分别施工，要求协调进行，可动屋面一般采用地面装配、整体吊装的施工方法，其吊装准确性要求很高。目前，没有任何规范对开合屋盖结构的机械系统施工误差进行限制，在实际工程中只能由机械工程师和结构工程师针对工程特定的牵引和行走系统及开合屋盖结构体系进行协商确定。
四、未来发展和应用前景
1.未来发展
目前世界上已建成了不同规模的各类开合屋盖结构有200多座，其中一些建筑使用效果非常好，然而还有相当一部分开合屋盖结构在使用过程中出现了这样或那样的问题或事故，特别是早期的一些建筑，有的打开后不能再闭合，有的闭合后不能再开启，有的屋面材料出现撕裂。这些为开合屋盖结构的进一步发展积