《工程力学》增刊２００１年
张风文 开合屋盖结构
刘锡良
（燕山太学士丰系．秦皇岛，０６６０００） （无津太学建工学院，３００１３７２）
摘要开合屋盖建筑是一种新型的建筑结构形式，近年来得到了很大的发展，与常规建筑相比有其
独特的优势，现己成为现代体育建筑的主要发展趋势之一。目前，我国还未实现大、中型开合建筑
零的突破．研究性文章仅有几篇。本文从开合建筑特点、现状、研究水平等方面进行了分析研究。
关键词开台屋盖结构，分类，建设现状，研究现状，发展趋势
１开合屋盖体系的分类
大概可以把开台屋盖体系分为以下三类：
１ 刚性开合屋盖单元类型：由不可折叠的网格结构组成的刚性单元，通过单元之间的相对
移动、迭放实现开台。
２ 折叠膜结构类型：如帐篷、充气结构等。通过膜屋面的褶皱、展开实现开合。常为索膜
结构和桁架膜开台结构。
３．可展开网格类型：由可展开杆件组成的结构，利阁可自动展开的髓格实现在现场快速简
捷安装的目的。
本文主要涉及前两种开合结构的发展，第三种类型的发展还处于初期阶段。
２开合屋盖结构的发展
Ｉ９５０年以前的开台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№门、天文观测站开台屋盖等。
Ｌ９５Ｏ—Ｌ９８８年的发展以膜褶皱型式的开台结构为主。１９５４年，在德国ｇ￣Ｆｒｅｉ Ｏｔｔｏ领导的
个工作小组，开创性的研究和发展了开台膜结构，利用这种技术建成了许多这种类型的建
筑物。１９６５年欧洲建够师Ｒ Ｔａｉｌｌｉｂｅｒｔ和硒德斯图加特（Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ）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。在１９７６年把这种技术应用在了加拿大蒙特利尔（Ｍｏｎｔｒｅａ１）奥林匹克运动场（图１）中ｒ
通过悬臂斜柱上悬挂的斜拉索将摸屋面收缩于柱顶，它是屋面采用柔性膜材料以折皱方式开
合的规模最大的建筑。８０年代以前的开台屋盖结构大多采用这种开合方式，这种以膜材料褶
皱形式开合的屋盖存在内在缺陷，在使用中常受风雨等的影响使开台运行出现故障或膜材料
坡撕裂。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ａ所以其
张风文 男，１９６３ ｌ２出生，工学博士．副教授一国家一级注册结构工程师 维普资讯 http://www.cqvip.com 《工程力学》增刊２００１年 ·７８７．
进一步的发展受到了制约，目前只在小跨度建筑上采用
８０年代末９Ｏ年代初以来的开合屋盖结构思想，均来源于ｌ９６１年美国建成的用现代牵引技
术驱动的刚性开合结构的匹兹堡（Ｐｉ￣ｓｂｍｇｈ）市民体育场（表１）其跨度为１２７ｍ，由可开台
的八瓣不锈铜屋盖组成，至今仍具有开拓性意义。之后，世界上建造了上百个带有
闭合状态 开启状恋
国Ｉ ＭｏｎｔｙｅａｌＯｌｙｍｐｉｃ Ｓｔａｄｉｕｍ（Ｃａｉｚａｄａ）（平面椭圆３０５×２６０ｍ，开台面积ｌ８５００ｍ２）
刚性开合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、金属扳及其它轻质材料。
屋盖系统分成若干个单元片，通过单元片的移动、转动，使之备片之间搭结、迭放来实现屋
盖的开合。这种日刚性钢结构屋盖开台单元组成的开合屋盖克服了膜褶皱型式开合方式的致
命缺陷，是大跨度屋盖结构的主要开台型式
１９８９年加拿大多伦多建成了直径２０８ｍ的天空穹项（ｓｋｙ Ｄｏｍｅ）多功能体育场，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台屋盖结构的新浪潮。该场馆至令
仍作为多轮多申办２００８年奥运会的主场馆。之后，日本于１９９１年建成了跨度１３６ｍ的阿瑞
卡体育场（Ａｒｉａｋｅ Ｃｏｌｉｓｅｕｍ，用于网球及其它多功能）：１９９３年建成了日本海洋穹顶（Ｏｃｅａｎ
Ｄｏｍｅ）游乐场，其平面尺寸为ｌＯＯｍＸ ３００ｍ。Ｏｃｅａｎ Ｄｏｍｅ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”［ｔｌ中 １９９３年日本
又建成了直径２１８ｍ的福冈棒球场（Ｆｕｋｕｏｋａ Ｄｏｍｅ），该馆的建成再一次引起了世界的广泛注
意：至此，大跨度开台屋盖技术得到了进一步的发展和完善，世界上对建造大型开合结构的
疑虑逐渐消失，并对其前景 ｕ建造的必要性逐渐看好 目前，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：的大型开合屋盖结构有近十座。
如：日本小松穹顶（Ｋｏｍａｔｓｕ Ｄｏｍｅ，１９９７），荷兰阿姆新特丹建造的阿甲克斯队足球场
（Ａｍｓｔｅｒｄａｍ Ａｒｅｎａ，１９９７），美国亚利桑那洲菲尼克斯棒球场（Ｂａｎｋ Ｏｎｅ Ｂａｌｌｐａｒｋ，１９９８），
巳本ＴａｉｉｍａＤｏｍｅ体育场（１９９８，最大跨度１ ５０ｍ），美国西雅国新太平洋西北棒球场（ＮｅｗＰａｃｉｆｉｃ
Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｂａｓｅｂａｌｌ Ｐａｒｋ，１９９９），日本仙台穹项体育场（Ｓｅｎｄａｌ Ｄｏｍｅ，２０００，直径１３７ｍ），
美国威斯康星洲米勒运动场（Ｍｉｌｌｅｒ Ｐａｒｋ，２００１），日本大分县体育场（Ｏｈｉｔａ Ｄｏｍｅ，２００１）。
这些大规模的开合结构的实现和规划产生了非常好的经济社会效果，引起了国际体育界的广
泛关注，许多建筑已成为所在地的标志性建筑
九十年代初世界上跨度最大的开合屋盖结构是日本福冈穹项，直径２１８ｍ，目前已建工
程中移动屋盖单元跨度晟大的是美国的Ｂａｎｋ Ｏｎｅ Ｂａｌｌｐａｒｋ，跨度为
２２８ｍ：在建的当属日本 维普资讯 http://www.cqvip.com ·７８８· 《工程力学》增刊２００１年
大分县体育场，直径２７４ｍ；而在建的美国Ｍｉｌｌｅｒ Ｐａｒｋ棒球场是扇形开合屋盖单元中迄今跨
度最大的一个，其跨度为１８０ｍ。阿姆斯特丹足球场、小松穹项以及为２００２年世界杯足球赛
日本建造的大分体育场，表明开启率逐渐在变小的发展趋势，设计师正在寻求开启率与功能
要求之间的平衡；而大分县体育场也体现了开合屋盖建筑发展的另一种新动态，即开启状态
下开合空间内留有结构物。
３典型开合屋盖结构实例
表１ 一些典型开合屋盖结构实例
名称 图片 概况
用途：体育娱乐 美国匹丝堡 直径１２７米高５３米 ｆＰｉｔｔｓｂｕｒｇｈ）市 结构：迭盖旋转金属屋顶单元 民体育场， 一。 开合：天车机械技术，２．５分钟 ｌ９６ｌ
用途：以棒球、足球为主的多功能体百场
加拿大多伦多 座席容量：５２０００￣６５０００人；开合面期：３１５２５ｍ＂
（Ｔｏｒｏｎｔｏ Ｓｋｙ 结｛匈：金属网格，迭盖型屋面单元。直径１２７ｍ，
Ｄｏｍｅ１无空穹 内部域大尺寸为８６ｍ，高度５３ｍ（屋顶高度）
开台方式：平移＋旋转开启 砸１９８９ 驱动方式移动屋盖两段安装台车，轮驱动运行
关闭时间：２０分钟
用选：游泳池
日本海洋穹顶 ｌ 圈 开启方式平行移动，迭放开合单元于两端 关闭时间：约１ ０分钟 Ｏｃｅａｎ Ｄｏｍｅ 规模：ｌＯＯｍ￣３ＯＯｍ，高度３８Ⅲ 屋盖结构
：钢网格结构；
屋面材料：特氟隆
—■日 用选：多功能；座席容量：４００００ ５２０００人 结构：三片金属网格结构把一个完整的团分成三 ¨本福冈穹顶 部分。屋面材料：０．３ｍｍ厚的金属板 Ｆｕｋｕｏｋａ Ｄｏｍｅ ｌ ＿ ｌ 规模：直径２００．４ｍｘ高度６８ｒａ 】９９３
开一舍：两片移动金属单元旋转迭合在第３块固 定单元之下（每块屋盖１２５。）关闭时间２Ｏ分钟
日本小松穹顶 用选：多功能体育场
Ｋｏｍａ￣ｕ 曼 结构：金属网格，迭盖屋顶单元，平行移动，２个 可上下移动的屋顶单元；规模：１６２ｍｘ１４８ｍ（椭圆
Ｄｏｍｅ，ｌ９９７ 形）高５９ｍ 屋面材料：膜材料特氟隆；开启面积：
７０ｍｘ５５ｍ：关闭时间：约ｌ０分钟
用途：以足球为主的多功能体育场 荷兰阿姆斯特 Ｉ 结构：开合金属网格结｛匈１８０ｍｘ２５０ｍｘ３０ｍ高 开启规模：７ｌｍｘｌＯＳｍ 丹足球场 ｌ 蠹 Ｉ
屋面材料：透明塑科板＋铝板 Ａｍｓｔｅｒｄａｍ
Ａｒｅｎａ．１９９７ Ｉ 开一合：成对布置的齿轮在顶部拱形大粱上移动－
－
关闭时间：约３０分钟 维普资讯 http://www.cqvip.com 《工程力学》增刊２００１年
用途：棒球；座位：４８０００，开台面积２１０００ｍ 美国亚利桑鄢
■■■－ ／： ｊ誊； 固 关闭时问：５分钟 洲菲尼克斯棒 开启方式：平行移动，屋盖单元迭放于建筑两端
球场（Ｂａｎｋ ＯＴｉｅ Ｂａｌｌｐａｒｋ， 尺寸 ２２８ｍｘ２２８ｍ．高６７ｍ
结构：钢网格结构： ｌ９９８
屋面材料：金属板
用途：棒球 美国威斯廉星 开启方式：旋转扇形屋盖单元．停靠在建筑两侧。 洲米勒运动场 ■■ 园冒 规模：直线边跨１８０ｍ Ｍｉｌｌｅｒ Ｐａｒｋ
开启时间：ｌ５分钟 ２００ｌ 结掏特点：在扇形开台单元边分别设置大型正反
桁架粱
用途：以足球为主的多功能体育场 日本大分县体 开启方式：在拱架上平行移动两块单元实现开台 育场Ｏｈｉｔａ ● ｊ ｌ 黯 ＿＿＿＿一 ■■■一 关闭时间：约ｌ５分钟
Ｄｏｗｌｅ．２００Ｉ 规模：直径２７４ｍ，高度：６６ ６ｍ 窝 Ｉ－ｉ—圈 开台面积：２００００ ’
屋盖结构：钢结构 屋面材科：钛扳＋特氟隆
４开合屋盖结构的研究现状
开台结构的实现是建筑技术的不断进步和经济实力的增强的综合体现一是社会进步的建
筑表现。目前世界上已建成了不同规模的各类开合屋盖结构二百多项，其中一些建筑使用效
果非常好 然而还有相当一部分开合建筑物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，有的闭合后再不能开启ｔ有的屋面材料出
现撕裂。这些为开合结构的进一步发展积累了较为丰富的经验和教训。所取得的成就固然可
喜，但是一些开台屋盖结构失败的教训仍时刻提醒着设计师开合屋盖建筑技术的发展还处于
起步阶段，还没有任何关于这种结构的国家或地方的设计规范ｔ仅有一些设计指针可作为这
类结构的设计指导。见表２。该建议是开合屋结构研究水平、设计水平的总结，反映了世界
上开合屋盖结ｌ佝课题不同时期的研究成果。目前，开台屋盖结构的发展处于研究滞后于工程
实践的不良状态，表２中的建议或指针无不是对个别工程经验教训的总结或汇总。
表２ 开台屋盖结构的设计建议和指针
ＩＬ．５开台屋顶， １９７２，轻钢结构协会（斯圈加特大学）
ＩＬ．１２开台充气结构， １９７５，轻钢结构协会，（斯图加特大学）
空气支最结构设计建议， ｌＡＳＳ第７工作小组（马德里１９８５）
开闭式屋孟结构 计指针” １９９３（日本建筑协会）
开台膜结构设计指针 １９９７（日本膜结构协会）
屋盖结构的建成，介绍这些工程的文献相继出现，这些文章的特点为针对具体工程，就事论
事，缺少系统性和共性方面的研究 国际壳与空间结构委员会（１ＡＳＳ）为推动开台屋盖结构
的发展，于１９９３年成立了第１６工作小组，专门负责开台屋盖结构方面的研究工作，定期发
布在该领域取得的成果。近
５年来，随着更多数量的开台屋盖建筑的建设，工程介绍性的文 维普资讯 http://www.cqvip.com