2.1.2 繞樞軸轉(zhuǎn)動方式

繞豎向樞軸轉(zhuǎn)動也稱水平旋轉(zhuǎn)方式，指活動屋蓋在水平的圓弧形軌道上繞豎直方向的樞軸轉(zhuǎn)動，包括繞豎向樞軸轉(zhuǎn)動和繞水平樞軸轉(zhuǎn)動。樞軸數(shù)量與布置方式根據(jù)旋轉(zhuǎn)單元數(shù)量與旋轉(zhuǎn)方向確定，工程中通常采用繞單一中心樞軸旋轉(zhuǎn)、繞雙樞軸旋轉(zhuǎn)和繞多個樞軸旋轉(zhuǎn)的方式。圖2為扇形屋蓋，五片活動屋蓋繞各自樞軸旋轉(zhuǎn)，可疊放在兩側(cè)固定屋蓋的上方。圖3屋蓋由 8片花瓣狀單元組成，分別設(shè)置一個固定轉(zhuǎn)軸與三同心旋轉(zhuǎn)軌道，可水平旋轉(zhuǎn) 45°。 

圖2  米勒運動場

圖3  上海旗忠網(wǎng)球中心

2.1.3 折疊移動方式

折疊移動通常包括水平折疊、空間折疊和放射狀折疊等形式。水平折疊與空間折疊方式的活動屋蓋多采用單跨桁架，屋蓋開合通過各榀桁架之間的相對運動實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4  剛性折疊結(jié)構(gòu)

在工程應(yīng)用上，索網(wǎng)收納是柔性折疊收納的主流形式，屋蓋結(jié)構(gòu)由鋼索與織物薄膜構(gòu)成，中心范圍內(nèi)采取可伸縮式的索膜結(jié)構(gòu)，展開后可覆蓋于整個賽場上空，閉合后收納于球場上空的巢中，如圖5所示。

圖5  放射形折疊結(jié)構(gòu)

2.1.4 組合移動方式

隨著時代發(fā)展，建筑的開合方式不斷取得新的突破。組合移動方式的屋蓋開始被廣泛采用，如圖6~圖7所示。

圖6  溫布利足球場活動屋蓋開合模式

                                                                                                                   平 面                                                                              剖 面

                                                                                                              活動屋蓋1的開合方式                                             活動屋蓋2、3的開合方式

圖7  亞特蘭大梅賽德斯奔馳體育場

2.2 屋蓋開啟率

開啟率指開合屋蓋結(jié)構(gòu)的活動屋蓋處于全開狀態(tài)時，開口投影面積與整個屋面投影面積比值的百分率。開啟率是開合屋蓋的重要指標，可按下式計算:

                                                                                                 α=A0/A                                                                                             

式中：α為開啟率；A0為整體屋面的投影面積；A為活動屋蓋覆蓋開口的投影面積。

開合屋蓋工程建造費用較高,早期可開合結(jié)構(gòu)的開啟率較大，導致工程造價和占用土地面積增加。開啟率與活動屋蓋重量以及驅(qū)動系統(tǒng)有關(guān)，較小的開口面積可以有效減小活動屋蓋尺寸與重量，降低對驅(qū)動力的需求，減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，降低設(shè)計施工難度，縮短工期，節(jié)約造價，方便后期使用以及維護。

2.3 開合運行時間

活動屋蓋開合運行時間是開合屋蓋的重要指標,對于小型活動屋蓋開啟時間一般控制在10min以內(nèi),對大、中型活動屋蓋，其開啟時間一般控制在30min 以內(nèi)。

開合屋蓋結(jié)構(gòu)體系

3.1 活動屋蓋

3.1.1 剛性結(jié)構(gòu)

剛性結(jié)構(gòu)通過活動屋蓋單元的平動與轉(zhuǎn)動實現(xiàn)屋蓋開合，受力性能可靠，對建筑造型適應(yīng)性強。活動屋蓋多采用沿跨度方向受力為主的單跨結(jié)構(gòu)，少量工程采用多跨連續(xù)形式。桁架作為傳力最簡明的單向受力體系，是活動屋蓋最常用的結(jié)構(gòu)體系。門式桁架用于軌道置于混凝土支承結(jié)構(gòu)或直接置于地面的情況。活動屋蓋作用于臺車頂部的水平推力對臺車、驅(qū)動系統(tǒng)和支承結(jié)構(gòu)均有顯著影響，故此應(yīng)盡量消除或減小活動屋蓋在自重作用下的水平推力。邊桁架既是活動屋蓋的邊緣構(gòu)件，也是各臺車之間的聯(lián)系構(gòu)件，減小邊桁架剛度可有效降低運行過程中各臺車的差異變形引起邊桁架內(nèi)力的變化。

3.1.2 剛性折疊結(jié)構(gòu)

剛性折疊結(jié)構(gòu)通過自身各組件的相對運動，屋面以折疊/展開的方式實現(xiàn)開啟與關(guān)閉。剛性折疊結(jié)構(gòu)應(yīng)重點關(guān)注鉸頁部件與圍護結(jié)構(gòu)的特殊需求。剛性折疊活動屋蓋可采用多榀桁架的形式，通過鉸頁進行連接折疊鉸頁機構(gòu)應(yīng)具有足夠的強度和剛度，防止出現(xiàn)較大的彎曲變形，保證連接部件在折疊/展開過程中平穩(wěn)自如。折疊結(jié)構(gòu)在折疊與展開過程中為可變體系，在折疊或展開完成后，應(yīng)通過鎖定裝置形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

3.1.3 柔性折疊結(jié)構(gòu)

柔性折疊結(jié)構(gòu)依靠膜材的展開與折疊收納實現(xiàn)活動屋蓋的開合，在開合建筑中應(yīng)用較早。膜材材質(zhì)與膜結(jié)構(gòu)設(shè)計是柔性折疊結(jié)構(gòu)的重點。選用可折疊性優(yōu)良的膜材，膜面折疊與展開運動自如，保證高頻度使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安全可靠。柔性折疊結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)應(yīng)保證屋蓋關(guān)閉時能夠形成所需的曲面形態(tài)，與支承結(jié)構(gòu)緊密貼合。索系和膜材預應(yīng)力形成的幾何剛度是構(gòu)成柔性折疊結(jié)構(gòu)剛度的主要部分，索系或膜材松弛將導致結(jié)構(gòu)剛度下降，在風荷載作用下容易出現(xiàn)劇烈振動，甚至導致膜材撕裂。此外，膜材松弛會導致膜材褶皺，影響建筑美觀和排水。所以，需要通過對邊界索系與膜材施加適當?shù)念A張力，避免在不利荷載作用下膜面松弛。

在固定屋蓋洞口邊緣應(yīng)設(shè)置剛性環(huán)梁，以平衡索膜的預張力。根據(jù)建筑造型及邊界條件等因素，活動屋蓋的膜材一般收納于屋蓋的中央，如圖8所示。

 圖8  波蘭華沙新國家體育場

3.2 支承結(jié)構(gòu)

3.2.1 剛性支承結(jié)構(gòu)

活動屋蓋的支承條件主要取決于建筑的功能與造型，直接支承活動屋蓋的混凝土結(jié)構(gòu)、專用軌道支架或地面軌道系統(tǒng)，稱為剛性支承結(jié)構(gòu)；當活動屋蓋支承于大跨度屋蓋時，將固定屋蓋稱為柔性支承結(jié)構(gòu)。

出于使用功能與經(jīng)濟性的考慮，體育場館的主體結(jié)構(gòu)多采用混凝土結(jié)構(gòu)體系，除可支承上部大跨度結(jié)構(gòu)外，還作為觀眾看臺，具有結(jié)構(gòu)剛度大、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。當活動屋蓋直接支承于地面軌道時，通常在地面標高以下設(shè)置專用的軌道溝槽。為了避免對場地使用的影響，可將活動屋蓋的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置在軌道溝槽內(nèi)，并在溝槽頂面設(shè)置可移動蓋板，在活動屋蓋非運行狀態(tài)用蓋板封閉溝槽，保證人流和車輛正常通行。

3.2.2 柔性支承結(jié)構(gòu)

活動屋蓋直接支承于固定屋蓋之上，是近年開合屋蓋最常見的形式。固定屋蓋的幾何形態(tài)應(yīng)與活動屋蓋的運行需求相一致，優(yōu)先采用豎向剛度大的結(jié)構(gòu)形式，固定屋蓋可采用桁架、雙層或多層網(wǎng)架等多種結(jié)構(gòu)形式。活動屋蓋荷載通過軌道傳給固定屋蓋，在沿軌道受力集中的部位布置主桁架或采用相應(yīng)的加強措施。

固定屋蓋設(shè)計時，除需考慮結(jié)構(gòu)自重、建筑屋面做法、天溝馬道、照明音響等吊掛荷載及檢修荷載外，還需要考慮活動屋蓋的移動荷載。固定屋蓋充足的剛度是確保活動屋蓋順暢運行的重要前提，應(yīng)嚴格控制支承軌道主桁架與軌道梁的剛度，保證活動屋蓋行走過程中的變形不超過限值要求。此外，固定屋蓋需要通過預起拱等措施保證施工精度，為軌道安裝精度與活動屋蓋單元運行調(diào)試提供前提條件。

3.3 圍護結(jié)構(gòu)

開合屋蓋的圍護結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足抗風、抗震、防水、密閉及遮陽等基本功能外，還應(yīng)具備對變形的適應(yīng)能力。建筑內(nèi)部應(yīng)盡量利用日光照明，優(yōu)先采用透光性好的材料，可顯著降低照明能耗。常閉狀態(tài)的開合屋蓋應(yīng)考慮保溫隔熱等熱工性能的要求，預防結(jié)露與冷凝水，必要時還應(yīng)考慮場地的聲學效果。屋面圍護通常采用膜材、聚碳酸酯板或金屬板等輕質(zhì)材料，小型開合屋蓋也可采用玻璃。

驅(qū)動與控制系統(tǒng)

4.1 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)分別屬于機械工程與自動控制領(lǐng)域，是開合屋蓋結(jié)構(gòu)的重要組成部分。驅(qū)動系統(tǒng)為活動屋蓋運行提供動力，控制系統(tǒng)負責發(fā)出指令，隨時發(fā)現(xiàn)并處理運行中的各種問題。

驅(qū)動系統(tǒng)主要由行走機構(gòu)（軌道、臺車等）與驅(qū)動機構(gòu)（電動機、減速器、聯(lián)軸器、制動裝置等）兩部分組成。通常將活動屋蓋安裝在行走機構(gòu)之上，通過動力裝置驅(qū)動行走機構(gòu)在軌道上移動。迄今，在開合屋蓋結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多、可靠性較高的有輪驅(qū)動、鋼絲繩牽引驅(qū)動、齒輪齒條驅(qū)動、鏈輪鏈條驅(qū)動與液壓驅(qū)動等五種形式。

 4.2 控制系統(tǒng)

開合屋蓋結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)活動屋蓋開啟與閉合動作的精密管控體系，具有監(jiān)測、反饋及調(diào)節(jié)功能，向驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出各種運行指令，及時消除屋蓋運行中出現(xiàn)的卡軌、干涉、蛇行等隱患。活動屋蓋控制系統(tǒng)的框架圖如圖9所示。

圖9 活動屋蓋控制系統(tǒng)的框架

主要控制內(nèi)容包括同步控制、臺車均在載控制和運行糾偏控制。同步控制的對象主要為電動機與液壓馬達。對電機的控制多利用變頻技術(shù)實現(xiàn)調(diào)速，液壓馬達則通過伺服系統(tǒng)對流量的控制實現(xiàn)調(diào)速。大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)可通過在臺車上安裝壓力傳感器和位移傳感器，對臺車的行程和壓力隨時進行監(jiān)測。主控設(shè)備在對臺車壓力傳感器和位移傳感器數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，使用編碼器進行糾偏，可及時調(diào)整臺車動作和驅(qū)動力，隨時糾正活動屋蓋的運行姿態(tài)。

4.3 驅(qū)動控制系統(tǒng)要點

驅(qū)動控制系統(tǒng)要點涵蓋驅(qū)動系統(tǒng)的工作級別、設(shè)計使用年限與設(shè)計方法、運行速度與加速度、運行噪聲、安全應(yīng)急保障和運行管理與維修保養(yǎng)等。

開合屋蓋技術(shù)標準

開合屋蓋工程涵蓋建筑結(jié)構(gòu)、機械、自動控制等多個技術(shù)領(lǐng)域，是當前科技含量最高的建筑形式之一。在開合結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方面，國內(nèi)外系統(tǒng)性的研究成果和專著均較少，關(guān)鍵技術(shù)主要來源于具體的工程案例。

國外有關(guān)開合屋蓋技術(shù)標準的資料有《空氣支承結(jié)構(gòu)設(shè)計建議》《開閉式屋根構(gòu)造設(shè)計指針·同解說及設(shè)計資料集》《開閉式膜構(gòu)造設(shè)計指針》《Structural Design of Retractable Roof Structure》等。

我國近年來在陸續(xù)完成多個大型開合屋蓋工程的基礎(chǔ)上，不斷探索開合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，總結(jié)工程技術(shù)與施工經(jīng)驗。于2015正式發(fā)布我國首部開合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)標準——CECS 417：2015《開合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。為了適應(yīng)開合屋蓋結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的情況，滿足重大工程設(shè)計、施工與驗收的要求，行業(yè)標準JGJ442-2019《開合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)標準》于2019年正式發(fā)布。

展 望

1）開合屋蓋可以實現(xiàn)“場”與“館”的快速轉(zhuǎn)換，極大改善使用環(huán)境，充分利用日光照明，減少空調(diào)使用，提高建筑的利用率，節(jié)能環(huán)保。

2）以近年來我國經(jīng)濟高速發(fā)展、人民物質(zhì)文化需求不斷提高為契機，作為新型體育文化建筑的開合屋蓋結(jié)構(gòu)具有很大的市場潛力。

3）開合屋蓋涉及機械與控制系統(tǒng)，技術(shù)難度、建造成本和維護保養(yǎng)要求均高于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。隨著工程經(jīng)驗不斷積累，相關(guān)技術(shù)標準不斷完善，開合屋蓋技術(shù)日趨成熟。

4）中、小型開合屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)展?jié)摿艽螅ㄟ^向小型化、標準化發(fā)展普及，不斷降低建造成本，充分發(fā)揮其良好的社會效益。

5）老舊場館改造時增設(shè)開合屋蓋，可顯著改善場館使用功能，既可以作為體育活動場地，又可以舉辦各種活動和作為臨時避難場所等多功能使用。

6）活動屋蓋與消防報警聯(lián)動等新功能的開拓，為開合屋蓋應(yīng)用注入了新的活力。