建筑开合屋盖结构的概述及其发展
2020-02-09
来源:榕意旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com 李沛玲,等:建筑开合屋盖结构的概述及其发展 ・综述・ 建筑开合屋盖结构的概述及其发展 李沛玲黄呈伟 高永林 苏何先 (昆明理工大学 昆明 650224) 摘要 随着社会的进步,复归自然已成为体育场馆和各种文化建筑的重要发展趋势,而开合屋盖结构是人们将 对大自然的阳光、天空的幢憬和不断发展的新理论、新技术较好结合的产物,同时也是集建筑、结构、机械、控制等 诸多方面于一体的综合性技术的体现。开合屋盖建筑是开合结构体系在土木工程领域应用的一个范例。开合结 构体系的不断发展为更复杂、更大规模开合建筑的实现提供了良好的前景。 关键词 开合屋盖结构 开合方式 屋盖开合划分原则 THE SUMMARY AND DEVELoPMENT oF RETRACTABLE RooF STRUCTURE Li Peiling Huang Chengwei Gao Yonglin Su Hexian (Kunming University of Science and Technology Kunming 650224) ABSTRACT Returning to the nature has become an important tendency of gyms and stadia and kinds of cultural constructions with society’S progress.And retractable roof structure is a product which fairly combines people expecting sunshine and sky,the new theory and the new technology.It is also a centerpiece of construction, structure,machine and contro1.Retractable roof structure becomes an example that is widely used in the field of civil engineering.The development of retractable roof structure provides a better future for realizing more complex and larger retractable structures. KEY WORDS retractable roof structure open—close ways principle of partition of roofs 开合屋盖结构是一种在很短的时间内,部分或 全部屋盖结构可以移动或开合的结构形式,它使建 筑物在屋顶开启和关闭两个状态下都可以使用。开 合屋盖的实现是将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,使可动单元能够按 照一定轨迹移动达到屋盖开合的目的。 现代的开合结构是在早期简单开合结构基础上 逐步发展起来的,人们很早以前就开始使用了开合 结构。从古罗马竞技场的废墟中可以看出开合屋盖 结构柱的遗址;在游牧或战争年代,家庭或部队移动 使用各种各样的帐篷,可搭撑、可折叠。这种屋顶是 美国建成了用现代牵引技术驱动的刚性开合结构的 匹兹堡市民体育场;1989年,加拿大多伦多建成了 直径208m的天空穹顶(Sky Dome)多功能体育场, 掀起了建造现代大跨度开合结构的新浪潮;此后相 继建成或正在建设的带有开合屋顶的大型体育场有 2O多座,其中面积超过1万m 的大型开合屋顶结 构近1O座。2O世纪8O年代末至今建造的开合屋 盖结构均采用了拱架、柱面网壳、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、金属板或其他轻质材料。屋盖系 统分成若干个单元片,通过单元片的移动、转动,使 其各片之间搭接、叠放以实现屋盖的开合。这种由 刚性钢结构屋盖开合单元组成的开合屋盖克服了膜 由人工开启的,在风力作用下,屋盖相当不稳定。 近代开合结构与早期相比有了一定程度的发 展。1954年,在德国由Frei 0tto领导的一个工作 褶皱开合方式的致命缺陷,是大跨度屋盖结构的主 要开合形式。 小组开创性地研究和发展了开合膜结构;1965年, 欧洲建筑师R.Taillibert和当时西德斯图加特大学 合作开发了薄膜结构屋盖的开闭标准;1976年,这 种技术被应用在加拿大蒙特利尔奥林匹克运动场 中,该建筑是迄今为止屋面采用柔性膜材料、以褶皱 1 开合结构的选型、开合方式和分类 屋盖系统的开合方式是开合屋盖建筑实现的难 点之一,开合方式直接决定着建筑功能的实现、建筑 第一作者:李沛玲女1982年6月出生硕士研究生 方式开合的规模最大的建筑。2O世纪7O年代以前 的开合屋盖结构大多采用这种开合方式。 现代的开合结构有了很大的进步。1961年,在 Steel Construction.2007(10),Vo1.22,No.100 Email:wf_5919@sohu.com 收稿日期:2007—06—15 1 维普资讯 http://www.cqvip.com 科研开发 室内外效果的表现、屋盖结构的传力方式和结构方 案的实现,以及屋盖的移动方式和开启屋盖的行走 系统等多个方面。因此,开合方式的确定是开合屋 盖建筑设计中最重要的内容之一。 1.1结构的选型 1.1.1刚性自承式开合结构(图1) 各片屋盖都是独立承载的刚性结构体系。刚性 自承式开合结构受力明确,便于分析设计,但屋顶自 重大,如福冈体育馆屋顶总重量约1.2×10 kN,每 片屋顶约重4×10 kN,这样也对机械体系、电气体 系的有关装置提出了较高的要求。 b a一关闭状态;b--开启状态 图3折叠式开合结构 1.2屋盖体系的开合移动方式和分类 根据开合机理,屋盖体系的开合移动方式可分 为以下几种: 图1刚性自承式开合结构 1)水平移动方式:通过平行移动或叠放屋盖单 1.1.2它承式开合结构(图2) 元的形式打开屋盖。屋盖分为固定不动的结构单元 以整体张拉索穹顶(Tensegrity Dome)、主拱或 和可移动的结构单元。 其他结构为屋盖的主要受力体系,屋盖由若干片可 2)水平旋转移动方式:屋盖单元以绕某一竖轴 开启的聚四氟乙烯(Teflon)等轻质屋面板构成。由 于采用高强钢丝索和新型膜材,这种开合屋盖的重 旋转移动或叠放的方式打开屋盖。屋盖分为固定不 量是同样规模的刚性、自承式开合结构屋盖重量的 动的结构单元和可移动的结构单元。 1/6。 3)空间移动方式:通过沿空间轨迹(道)移动或 叠放屋盖开合单元以打开屋面的开合方式。屋盖分 为固定不动的结构单元和可移动的结构单元。 4)绕枢轴转动方式:屋盖单元绕某一水平轴转 动以打开屋面。 5)折叠移动方式:利用各种形式的折叠或褶皱 使屋面褶皱或卷绕开合屋盖。包括水平折叠方式、 旋转方式、竖向折叠方式。屋盖分为固定不动结构 单元和可移动的结构单元。 图2它承式开合结构 2开合结构的基本组成体系 1.1.3折叠式开合结构(图3) 开合结构由建筑体系、机械体系、电气体系、机 通过折叠与展开实现屋盖结构的开启与闭合。 械油压体系构成(图4),满足全开启、半开启和全封 折叠开合结构除了覆面膜结构可折叠外,膜的支承 闭3种状态的功能要求。 结构也采用折叠结构。结构的部分杆件需要以一定 的方式连接形成锁铰。折叠结构根据展开成型后的 建筑体系:主要是指结构受力体系,可分为上部 结构、下部结构和基础。上部结构即屋盖,一般采用 稳定平衡方式可以分成结构几何自锁式、结构构件 自锁式以及结构外加自锁式。 空间结构,以达到覆盖大空间的目的。下部结构一 般采用钢筋混凝土结构,以增强结构的整体稳定性, 2 钢结构 2007年第1O期第22卷总第100期 维普资讯 http://www.cqvip.com 李沛玲,等:建筑开合屋盖结构的概述及其发展 在一定程度上起到减震及消除噪声的作用。 机械体系:主要由轨道、行走小车、驱动装置、制 动装置、缓冲装置等构成。轨道固定在下部结构上, 行走小车在轨道上运行,驱动装置和制动装置安装 在行走小车上。行走小车有驱动小车和从动小车, 通过销栓将行走小车和上部结构相连。 电气体系:是控制开合结构正常运行、制动(正 常制动与紧急制动)、安全性检测等方面的控制体 系。由计算机进行数据处理,发出执行指令进行控 制。屋顶控制操作多采用以下3种方式:1)全自动 方式。由中心控制室发出指令,自动控制各屋顶按 程序设定的次序进行开启与闭合。2)远距离手动 控制。由中心控制室通过远距离操纵台发出指令, 控制每片可动屋盖各自独立运行。3)局部手动控 制。通过局部操纵台控制各屋顶的运行状态。 机械油压体系:该体系是抵抗地震、强风作用的 阻尼体系与锁定体系。 图7美国米勒棒球场 1一中心索桁架;2一钢管支柱;3一脊索;4一膜材;5一混凝土受 压环梁;6一混凝土柱;7一角索;8一走道;9~环索;10一桥架梁 图4 Pusan Dome剖面 图8日本球穹顶 3开合结构单元的选择及其受力特点 开合屋盖的实现是将一个完整的屋盖结构按一 元。目前世界上大型开合结构中采用该方法划分的居 多(图9~图11)。 定的规律划分成几个可动的和固定的屋盖单元,使 可动的单元按照一定轨迹移动以达到屋盖开合的目 的。一般情况下,开合屋盖单元均为某一空间屋盖 曲面按一定规则划分后的几个部分,或由几种规则 的空问壳体和实体相交进行“布尔运算”后产生的形 状。开合屋盖的划分应根据体育场地、建筑物的水 平投影和建筑立面、空间形状等综合确定。 3。1根据体育场地以及建筑物的水平投影划分开 合屋盖 图9澳大利亚国家网球中心 3.1。1 刚性屋盖开合移动单元的划分 根据屋盖的水平投影对开合屋盖刚性移动单元 的划分为: 1)扇形划分。对建筑平面进行放射性扇形条、 带划分,特别适合于扇形和圆形建筑平面(图5~ 图8)。 图10日本海洋穹顶 3)局部划分。将屋盖的局部区域用某种规划划 成几个可动块,其余部分为固定屋盖(图12、图13)。 3.1.2柔性屋盖的索膜和钢结构膜屋面开合移动 单元的划分 3 2)平行线划分。用平行线将建筑平面划分成几 个大块,其中一部分为可动单元,另一部分为固定单 Stee1 Construction.2007(10),Vo1.22,No.100 维普资讯 http://www.cqvip.com 科研开发 l、 2 t _ 在固定屋架上的开合屋盖。 为跨越场地空间,前两种开合屋盖支承情况常 采用的结构方案有两种:一种是穹顶或拱结构受力 1 f 单元,利用外部推力予以支承,该方案的屋面构件用 钢量少,而在基础和拱座上会增加结构造价;另一种 为类似桁架结构的简支受力单元或吊车桥架式受力 图11加拿大天空穹顶 单元,这种方案上部结构用钢量较大,但驱动机构、 下部支承结构及基础问题较易解决,运行管理较为 戈 一f / \ ’、~. 容易。 3.3开合机构的受力情况 \\ ’ \ —一 与非开合结构相比,开合结构的受力特点主要 —— 一 十 t 表现在: 皇= 各屋顶的轮廓尺寸对开合结构的受力特性有很 图12日本大分县穹顶 大影响,因为开合结构的各片屋盖,相对于非开合结 构,在一定程度上减弱了屋盖结构作为空间结构整 体受力的特点,甚至有可能蜕变为单向受力。 各片屋盖在开启状态、闭合状态以及在开启或 闭合的过程中,其受载情况各不相同。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 图13荷兰阿姆斯特丹体育场 与风速变化、温度、雪载引起的偏心荷载,轨道摩擦 一般来讲,索膜结构的柔性屋盖均以膜材褶皱 以及行走速度、轨道接缝、缓冲装置、轨道安装误差 方式实现开合,屋面材料由一整块膜屋面组成,这样 引起的冲击力,甚至地震力的作用,其受力状态相当 开合移动单元的划分问题就转变为根据屋盖水平投 复杂,往往造成可动屋盖在运行过程中左右摇动、上 影确定有利于膜材伸缩的开合屋盖边界问题,此类 浮。因此,必须对机械体系有关构件进行受力分析 屋面形状多为圆形、椭圆形及正多边形等。而用钢 并给予相应的构造处理。 结构作为骨架支承以柔性膜材为屋面的折叠方式开 而风向、风速大小以及屋顶是否有积雪等因素 闭的开合结构,是通过支承的钢结构骨架间的相对 对开合结构所处的状态(全开启、半开启、全封闭状 位移来达到膜面的褶皱或张紧状态,实现屋盖开合。 态)起决定性作用。 屋面由一块或两块膜面组成,屋面以矩形为主,以水 平移动方式实现开合(图14)。 4开合结构与其他结构的比较 与常规的体育、文化建筑相比,开合屋盖建筑有 以下三方面的特点: 1)复归自然,既不受自然界不利气候的影响, 又能保持自然气息,让阳光洒满场地和看台,使人们 重归于自然。 图14加拿大蒙特利尔奥运会体育场 2)开合屋盖可以保证诸如奥运会和世界杯开 3.2根据建筑的立面、剖面划分开合屋盖 幕式、比赛等大型体育、娱乐活动得以如期举行。 在满足建筑物的外观效果、空间形状、开启屋盖 3)有助于体育建筑综合功能的实现。世界上 停靠方式及位置等评定标准的情况下,应使其开合 大型场馆的建设都已经或正在考虑采用这种形式,我 划分越简单越好。屋盖结构方案的可行性在屋盖单 国的奥运场馆建设也应紧跟这一体育建筑发展趋势。 元立面和剖面的划分过程中起着决定性作用。 按支承情况,开合屋盖分为3种:直接落地开合 5开合结构现阶段存在的问题及其发展 屋盖;支承在钢筋混凝土等结构上的开合屋盖;支承 迄今为止,有不少开合结构因故障而影响其使 4 钢结构 2007年第1O期第22卷总第100期 维普资讯 http://www.cqvip.com 李沛玲,等:建筑开合屋盖结构的概述及其发展 用,相对于非开合结构,开合结构由于屋盖的开启与 而对开合屋盖结构的选型,形态优化以及以开合过程 闭合,在分析过程中将涉及机械、电气等诸多问题, 为研究对象,对其进行计算机模拟,分析其在各种荷 因此,目前仍存在着许多技术难题。 载作用下结构的稳定性,也成为当今开合屋盖结构研 1)开合结构在不同的状态(全开启、半开启、全 究发展的趋势。结合我国现状,研究与开发构造合理 封闭状态)以及在开启、闭合的过程中,其受载情况 简单、经济实用的开合结构十分必要。 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。合理地进行各状态受力分析是开合结构 设计方面的一大难题。对于刚性自承式开合结构, 在行走过程中屋顶上浮以及蛇行运动,对结构的动 力性能产生了一定的影响。 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、可靠性。 3)在受力方面,开合屋盖结构同时受到静荷载 图15昆明世博会艺术广场观众席雨篷 和风荷载、台车运动荷载等动荷载的作用。因此,对 整个结构稳定性能和对机械、控制系统也提出了更 参考文献 高的要求。 1沈世钊.大跨空间结构的发展——回顾与展望.土木工程学报, 1998,31(3):5~14 4)从已建成的开合结构看,因为结构使用时间 2张凤文,刘锡良.开合屋盖结构开合机理研究//第九届全国空间 的问题,机械体系可动部件常有故障发生。而开合 结构学术会议论文集.萧山:2000 结构的机械部件的维修也成为开合结构存在的问题 3刘锡良.现代空间结构的新发展//吕志涛.现代土木工程的新发 展.南京:东南大学出版社,1998 之一。 4 Sanche Z,Valcarcel J.Mobile Structures Covering Circular Are— 5)在施工方面,大型开合结构对施工技术、测 as.Innovation in Civil and Construction Engineering.Edinburgh: 量技术、检测技术提出了更高的要求。对于刚性自 Civil—Comp Press,1997 5 Kazuo Ishii.Structural Design of Retractable Roof Structures. 承式与它承式开合结构,轨道的安装精度对屋顶的 Boston:MIT Press,2000 运行性能有直接的影响。 6刘锡良.大跨度开合空间钢结构.钢结构,1998,13(4):50—53 6)为适应多功能、多目的要求,如采光、通风、 7张凤文,刘锡良.开合屋盖结构//第十届全国结构工程学术会议 论文集.南京:2001 音响、空调、防灾等问题,也是开合结构需要特殊处 8张凤文,刘锡良.开合屋盖结构及其荷载研究//第一届全国现代 理的技术难题。 结构工程学术会议论文集.天津:2001 开合屋盖结构是集建筑、结构、机械、控制等诸 9张凤文,刘锡良.开合屋盖结构设计研究//第十届空间结构学术 会议论文集.北京:2002 多方面于一体的综合性技术的体现,安全问题是这 1o关富玲,吴开成,余永辉,等.开合式屋面结构设计//第三届全国 类结构实现中最重要的一个课题,是开合结构研究 现代结构工程学术研讨会论文集.天津:2003 的出发点和落脚点,如何把多学科有机地结合起来, 11董高红,王岚,徐国彬,等.开合结构及其在我国的开发前景.北方 交通大学学报,1996,20(5):601—605 满足功能、安全方面的要求,特别是对开合屋盖结构 12陈志华.开合结构.建筑知识,2001,21(1):37—40 的动力分析方面还需要进行更深入的研究。由于开 13康菊,赵金城.当代空间结构新型式探究.建筑技术开发,2005,32 合屋盖结构具有外形美观、结构新颖、受力合理、具 (8) 有多功能性、多目的性的优点,是一种很有前景的结 l4曹申,董聪.大跨空间结构开合方式研究.工程力学,2003(增刊) l5刘锡良.大跨度开合空间钢结构.工程力学,1996(增刊) 构形式。而在我国正在修建和已经建成的开合屋盖 16秦乃兵,张毅刚.大跨度刚性开合结构抗震抗风性能研究及展望// 结构有:钓鱼台国宾馆网球馆,最近建成的上海中芯 第三届全国现代结构工程学术研讨会论文集.天津:2003 游泳馆,昆明世博会艺术广场观众席雨篷(图15), 1 7 Pellegrino.Deployable Structures//Pr0ceedings of the Colloqui— um Madrid.Madrid:1997 上海旗忠森林体育城网球中心,江苏南通体育会展 18 Chihon John C,Ban Seng Choo,Wilkinson Danie1.A Parametric 中心,浙江省黄龙体育中心网球中心,国家电力大 Analysis of the Geometry of Retractable Reciprocal Frame Struc— tures.LSA’98.Sydney:1998 楼,天亚花园顶楼游泳池,北京大厦开合式屋顶等。 1 9 YOU Z,Pellegrino.Foldable Bar Structures.International Journal 但是,目前我国在开合屋盖结构的研究方面还处于 of Solids and Structures,1997,34(15) 起步阶段,并且还没有任何关于这种结构的国家或 2o苏建华,韩大建.折叠开合式膜屋盖建筑简分.钢结构,2006,21(4):1 地区具体设计规范,仅有一些设计指导作为参考。 4 Steel Construction.2007(1O),Vo1.22,No.100 5