开合屋盖机械系统设计分析及静力学分析

摘要

开合屋盖是一种在一定时间内可以开合部分或全部屋顶结构的新型建筑形

式。它不仅赋予了常规建筑新的功能，而且大大增加了建筑的美学效果，因此开合

屋盖是当今建筑领域的一个新的热点与潮流。开合屋盖的机械装置是开合屋盖功

能实现的关键，因此开合机械装置的合理设计至关重要。

本论文以开合屋盖机械系统为研究目标，分别对开合屋盖开合机械装置设计与

机械系统结构载荷进行了分析与研究，所做的工作对开合屋盖工程设计具有一定的

应用价值和理论指导意义。

本文主要研究内容：第一，论述了选题的背景和意义，介绍了开合屋盖的功能、应用及其发展历

史，总结了目前国内外有关开合屋盖领域的研究成果和方向。第二，研究开合屋盖开合机理的基础上，系统地归纳了适合运用于开合屋盖

的开合机械装置。将开合屋盖系统地划分为刚性开合屋盖与柔性开合屋盖，给出了

各类开合机械装置具体的实施方式，并且结合具体机械装置分析了每种开合机械装

置的技术特点和使用场合。

第三，结合起重机技术，分析了开合屋盖与起重机技术的差异，阐述了开合

屋盖行走机械系统设计的方法与设计要点。

第四，进行了行走机械系统结构载荷的研究，提出采用结构比拟和结构影响

因素分析的研究方法。结合杭州某一网球馆工程实例，通过网架拟板法建立了该

类开合屋盖的结构载荷的近似力学模型。根据结构影响因素长宽比，／b，矢高比

s／l，利用ANSYS建立一系列模型并进行有限元分析，完成对结构载荷力学模型

进行修正，得出的结论对此类开合屋盖的设计具有一定的指导意义。

第五，根据相似理论，设计制造了开合屋盖网架实体模型(相似比为15：1)、结

构测量装置和实验台架，完成了开合屋盖模型的静力学试验，从而近似计算出开合

屋盖原型的结构载荷。同时与有限元数值计算所得的结果进行对比，验证了有限元

分析与模型实验的合理性。

关键词：开合屋盖；移动屋顶；开合机械装置；结构载荷；相似理论；模型实验

ABSTRACT

Abstract：A retractable roof i S a new type of architecture which part of,or all of the entire roof can be moved or retracted within a period of time．Not only it endows the normal buildings witIl new functions．it also adds the aesthetic elements to the buildings．The mechanism of the retractable roof iS the key point of the realization of

the retractable function，SO it is quite important to design a good mechanism for the retractable roof．

In this paper,the retractable mechanism system and the structural load of the mechanism is analyzed through the theoretical analysis，modeling and experiment．This

work has a theoretical guidance value to the design of retractable roof．

This paper iS summarized as follows：

First，the background and significance of the topic were discussed．The functions，

and the history are introduced and the research highlights were applications

summarized．

Second．the retractable mechanical device for retractable roof was generalized on the basis of the thoroughgoing study about the principle of retractable roof．There are two kinds of retractable roof,including rigid retractable roof and flexible retractable roof．On the basis of systemic classification of the retractable mechanical device，the concrete implement of all sorts retractable mechanism was proposed and the characteristic and application were illustrated．

Third，analyzed the difference between the technology of the retractable roof and the crane．Expounded the method and outlines of the mechanism design of the retractable roof．

Fourth，this paper proposed to adopt a method which combined structural analogy and analysis of the geometry impact factors to analyzed the structural load of the mechanism system．For one mobile roof project in Hangzhou，established the mathematical model of the bending of the mobile roof,and analyzed the structural impact factors using ANSYS．The results could be used in the analysis and calculation

of the structural loads of such type of the retractable roof．

Fi劬．according to the similarity theory,made the corresponding phy’sical model of the retractable roof,then did the mechanics experiments．The results shows the two methods are feasible after comparing the date of model experiments with the date of ANSYS simulation．

Key words：retractable roof；mobile roof；retractable mechanism；structural load；similarity theory；model experiment

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学位论文作者签名：导师签名：

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第一章绪论

【摘要】本章论述了选题的背景及意义；介绍了开合屋盖的功能、应用及其发展历史，总结了目前国内外有关开合屋盖领域的研究成果和方向，同时分析了开合屋盖设计的一些技术难题；结合选题要求，阐述了本文的主要研究工作。

1．1 开合屋盖的发展及应用概述

开合屋盖(retractable roof)，又可称为移动屋顶(mobile roof)，它是一种在一定时间内可以开合部分或全部屋顶结构的新型建筑形式，它使得建筑物在屋顶开启和关闭两个状态下都可以使用【11。在美学方面，动态建筑与固定建筑最大的不同是在三维空间中引入了运动，动态建筑在空间、功能，以及美学效果上具有独特意义，可以称其为“四维建筑”。开合屋盖式的建筑成为体育建筑的一个重

要发展趋势，我国著名建筑大师马国馨院士把开合屋盖式的体育建筑称为“第三

代体育建筑"。

1．1．1 国内外开合屋盖的发展

现代开合屋盖是在早期简单开合结构的基础上逐步发展起来的，人类很早就开始使用开合结构。现在从古代罗马竞技场的废墟中还可以看出开合屋盖结构柱的遗址。20世纪50年代以前的开合结构主要以小型结构为主，如家庭或部队使用的各种帐篷、雨伞，天文观测站的可动屋面等，建筑方面的运用很少。

1．1．1．1 国际上开合屋盖的发展

20世纪50年代至70年代的开合屋盖结构(2-7]，以膜折叠形式为主。1954年，德国学者Frei Otoo领导的工作小组，开创性地研究和发展了开合膜结构。1965年欧洲建筑师R．Taillibert和西德斯图加特大学IL先生合作开发了膜结构屋盖的开闭标准，利用这个标准建成了许多游泳馆、滑冰场等中小型规模的开闭式屋顶结构。1976年，这种技术被应用于加拿大蒙特利尔奥运会体育场中，如图1．1，

它是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，开合机构复杂，它是屋面采用柔性膜材料并以折叠方式进行开合的规模最大的建筑。但是这种膜材料开合屋盖结构存在一定的内在缺陷，在使用中风雨等的影响会使开合运行出现故障或膜材料被撕裂，所以其进一步的发展受到制约，

浙Ⅱ大学硕士学位论文

目前只有在小跨度建筑上采用。

图1 1

20世纪80年代以后的大部分开合屋盖为刚性开舍屋盖，其设计思想来源于1961年美国建成的匹兹堡(Pittsburgh)市民体育场。它的屋面系统分为若干个单元片，通过单元片的移动。转动，使得各片之间的相互剐体运动来实现屋盖的开台。1989年加拿大多伦多建成了直径208m的天空穹顶产生了很大的轰动效应，掀起了世界上建造现代大跨度开合屋盖结构的新浪潮。紧接着闩本1993年建成了跨度1lOm的海洋窍顶，和1lOm的福冈窍项，这批开合屋盖的成功建成再一次引起了世界的广泛注意。至此，大跨度开合屋盖技术得刊了进一步的发展和完善，各国对建造大型丌台结构的疑虑逐渐消失，并对其前景和建造的必要性逐渐看好。

之后-全球相继建成或正在建设的带有开舍屋盖的大型体育场有近二十座，面积超过10000平方米的大型开合屋盖结构有近十座。如：1997年建成的日本小松穹顶，荷兰阿姆斯特丹体育场等，如图卜2，卜3所示。

图卜2日本小橙穹项圈卜3荷兰同姆斯特丹体育场进入2l世纪．国际上开合屋盖比较具有代表性的有：日本为举办2002年世界杯足球赛建造的神户御琦(双翼)体育场和大分体育场。如图卜4为大分体育

第章绪论

场，其外观美观。该体育场主要结构为两个方向的钢拱而形成一个球体。从东到西每40m一个共7个拱，另一个拱是从北到南。开合屋盖分东西两部分支在可滚动车上，利用绳索牵引驱动，开合约用20分钟。在行走台车上置有滑动机构、弹簧和阻尼器，滑动机构和弹簧对减少可动屋顶的变形应力非常有效，阻尼器对减少地震响应有效。

Ca)日本太分体育场内部常景(b)日本大分体育场外观

图卜4日本大分体育场

这些大规模开合屋盖的实现，极大的推动了开合屋盖的发展。并且它们产生了非常好的经济和社会效益，许多建筑己成为所在地的标志性建筑。

1．1．1．2国内开合屋盖的发展

我国在开台屋盖应用方面起步比较晚，关于开合屋盖结构的研究更是从2000 年左右才开始的。但这几年随着研究的深入，建造了几座开合屋盖，丌合屋盖技术在我国取得了较快的发展。

昆明世博会艺术广场观众席雨棚也是我国早期的可动屋顶。虽然它严格意义上算不了开合屋盖，但是它算是可动建筑，和开台屋盖又些像似之处。该结构开合机理与吊车起重臂工作原理相当，悬挑屋面通过液压千斤顶提供动力，绕铰支点实现开合操作。

上海中芯游泳馆屋顶也采用开合屋盖技术。可移动屋面部分覆盖了半个标准池，一端落在跨越游泳池长度方J句的钢桁架上，另一端落在钢斤混泥土上。其开合机理与普通的桥式起重机非常相似。该机构目前工作正常，每天进行一次开合操作。

这些开合的结构形式和丌台机理较为简单，规模也铰小。近些年来，随着经济和技术的发展，一些大型开合屋盖也进入设计和旌工阶段。目前我国已经建设

淅Ⅱ大学硬±学位论i 翻敬髑鲤

蠲■磁蠢镤图l石上海旗忠森林体育城网球中心图1．7南通体育会展中心

二)南逼体育会展中心体育场拥有6000个座位和1000个展位，建筑面积

第一苹绪论

约为7000平方米建成后将成为全国最大的开合建筑，如图卜7所示。结构上，南通体育会展中心体育馆高度约为31m，地下2层，地上5层，上部结构采用钢结构钢筋结构．活动屋盖部分与日本太分穹顶类似。

以上这些工程的成功实现为可移动屋盖技术不仅使开合屋盖理论得到实践

检验，而且为开台屋盖技术进一步发展提供了宝贵的实践经验。

1．1．2开合屋盖的应用

因为歼合屋盖的动态特性带来的诸多优点，所以它在很多领域内都得到了应

用。目前它的运用主要集中在以下几个领域中：

(1)大跨度体育馆、活动中心目前世界上开台屋盖技术的主流应用是在大型体育馆开舍屋

顶的应用，开合

屋盖技术的发展也主要是指大型开台结构技术的发展。因为大跨度开合屋盖技术

难度最大，技术难题最多，所涉及的学科知识最为丰富，并且工程的影响力也是

最大，所以大跨度开合屋盖的研究也是开台屋盖技术领域内的热点。图1-g所示

的是太跨度体育馆开合屋盏打开时的情景。

图1．8大跨度体育馆(2)民用小型开台屋

盖

民用小型‘丌合屋盖，商场开合屋盖．公共场所小型开台屋盖，这些开台屋盖

出现其实比较早，形态也发生着变化，它们太大丰富了开台屋盖技术，使得开合

屋盖技术再更多场合得以运用。因为这些开合屋盖没有大跨度开合屋盖那样庞

大，受外部载荷作用也没有大型开舍屋盖那样复杂，技术难度也相对小一些，所

以它的开舍方式可比大型开合屋盖更加丰富，可靠性也更加高。图l一9所示的是

欧洲民用开合屋盖。

鞠鬣

浙江大学顼±学位论文

囊霉雾气r一I；‘麓鬻鍪》．、

第一章绪论

术得以不同工程实践的检验，同时也大大丰富拓展了开合屋盖的应用领域，为可

移动技术的发展提供宝贵的实践检验。开合屋盖正在越来越多的领域得以应用，这一结构机械一体化的技术将会有

广阔的前景。

1．2开合屋盖的国内外研究状况

1．2．1开合屋盖开合方式研究

目前国内外对开合方式的研究主要是在对现有开合屋盖工程实例的归纳总

结，同时探索一些新的开合方式。开合屋盖虽然已经有一定的历史，但是世界上对

开合屋盖系统的研究却很少!日本学者Kazuo Ishii编著的《Structural

Design of Retractable Roof Structures》是较早一部对现代开合屋盖工程做

归纳分析的文献! 开合方式对于开合屋盖的设计非常的关键，因为它决定了具体的结构设计和

机械系统设计。开合屋盖的建筑方案决定了它的开合方式，根据作用对象的不同，开合屋盖的开合方式可分为刚性屋盖开合方式和柔性屋盖丌合方式两大类。

目前国内外对开合屋盖新的开合方式做了一些研究，主要集中在可折叠机构

和可展开机构的研究上。在可折叠机构方面，Chairs Gantersfl2】等人对平面和曲面可

展网架机构进行了研究分析；Nicholas[131研究分析了Bennett机构在大跨度可

折叠构架中的应用；刘晶引14】等人设计了一种基于环形连杆的丌合结构，并分析

了它的影响参数。在可展机构方面，Z—Youll51提出剪式角杆径向开启机构，随着研究的深入，

在剪式角杆机构的基础上发现了广义角杆机构，又在广义角杆机构的基础上得出径向可开启板式机构，即RRPS(radial retractable plate structure)。毛德灿，罗尧治【16-181等人研究了径向可开启板式机构。Marisela[191分析了剪式角杆机构的运动规律，并且提出了一种新型的角杆径向开启机构。这些开合机构的提出为今后开合屋盖

的设计提供了更宽广的道路，但是它们离工程实践还有很大的距离。

1．2．2开合屋盖结构设计研究

目前开合屋盖领域的研究主要集中在开合屋盖建筑结构的研究上。目前，开

合屋盖建筑结构设计的研究主要有：

(1)开合屋盖网架结构体系设计的研究

浙江大学硕：仁学位论文

因对开合屋盖系统性的研究远远落后于工程实践，对开合屋盖建筑结构体系研究

比较早的是研究日本学者Kazuo Ishii，对国际上的己建的开合屋盖结构体系进行

了归纳总结。张风文【201分析了各种开合结构单元的受力特点和结构方案；指出了各

种类型的屋盖单元结构方案的布置原则及可能的结构型式。余永辉【2l】结合杭州黄

龙体育中心网球馆详细地讨论了开合屋盖结构的整个设计过程以及设计中要特别加以

考虑的一些因素。全勇[22-231以水平移动开合方式的巨型网格开合屋盖为主要研究对

象，研究了巨型网格开合屋盖的力学性能，得出了屋盖开合对结构力学性能的影响规

律。张战延【24】对一跨度为130m的球冠形开合屋盖结构利用ABAQUS软件对开合屋

盖结构模型进行了静力特性及稳定性分析。刘魁【25】对曲面空间移动开合屋盖这

一特定屋盖形式各部分结构刚度进行参数解析，并分析了活动屋盖、固定屋盖结构刚

度的配比对这一关键因素的影响，得出了一些定性结论。

(2)开合屋盖抗震减震研究【26。oJ开合屋盖结构抗震减震性能是衡量屋盖结构安全可靠的一

个重要因素，四川

汶川大地震更是突出了开合屋盖结构抗震减震的重要性。王涛在结合日本大分体育场的结构形式，构建了一个跨度为115米的它承式

刚性开合结构模型，系统研究了开合结构不同状态下的自振特性以及自振特性的变化，

提出了地震应力系数的概念并分析了相应的分布规律。茹洋旧对开合屋盖结构动力

特性、地震反应及减震控制方案进行了系统的研究，总结出适用于大跨

开合结构的减震撒0方式提出了一种被动控制方法：在结构主要受力拱中外加粘

弹性阻尼杆件的控制方法。袁泉在碰撞技术研究经验的基础上，研究了开合屋盖结

构在不同跨度、不同厚度、不同矢跨比以及不同支承刚度等因素下的动力相互作用，

得出了某类结构的碰撞响应随几何参数的变化规律。郭昌生等以浙江省黄龙体育中

心网球馆开合结构为分析对象，通过计算活动屋盖分别在开启和闭合锁定状态下结

构的动力特性，探讨了该结构的抗震性能。

(3)开合屋盖开合过程研究

在开合屋盖在开合过程中需要对其进行一些力学研究，梁子彪【3I】采用多刚体动

力学理论对新型可展式开合屋盖进行确定各时刻构形的计算机分析方法。另外对空间

移动式开合屋盖利用对结构进行坐标转换的方式追踪了其开合过程，并在 AutoChD

下空间移动式开合屋盖结构快速建模并直接转化成计算所需的数据，并

第一章绪论

对空间移动式开合屋盖结构的开合过程进行了跟踪模拟。(4)开合屋盖风洞实验和风载研究开合屋盖的所受载荷比较复杂，风载荷的研究需要进行风场数值模

拟和风洞

试验才能确定。目前在这方面的研究主要是结合具体的工程，采用数值模拟和风

洞试验相结合的手段进行的。豁国锋【32】等利用CFD对一已建成开合屋盖实例进行了风压分布的数值模拟，

利用计算流体动力学分析软件FUJENT 6，采用湍流模型对已建成的丌合屋盖(黄

龙体育中心网球馆)风压系数分布进行了数值模拟。结果表明两者在风压分布的规

律上基本保持一致，证明了CFD数值模拟技术可用于实际结构平均风荷载的分

析研究。徐在根例等通过对上海旗忠体育城网球中心开合屋盖风力进行了数值风

洞模拟，并将部分测点与风洞实验的平均风压系数进行了比较，得到两种方法变化规律一致、结果基本吻合的结论。

(5)大型开合屋盖施工研究[34-39】目前在开合屋盖施工建设方面的研究有：程嫒结合黄龙体

育中心网球网的施

工建设，分析了该施工方法的合理性，给出了施工顺序。最后以施工的过程为依据和阶段，分析了轨道在不同阶段的变形，以及相应的轮轨间隙问题。姜英波通过黄龙体育中心网球馆开合屋盖的设计实例来说明如何进行开合屋盖结构的设计，并分析黄龙网球馆施工程序及施工控制关键施工工艺等。边广生等针对黄龙网球中心开合钢屋盖张弦梁拉索工程，研究拉索张拉施工分析及施工控制方法。陈国栋结合我国江苏南通体育场开合屋盖，在施工阶段对影响顺利开合的因素进

行了深入分析，提出了设计阶段的钢结构间的刚度匹配原则、以及钢结构与机械

系统间的参数匹配原则，施工阶段的适应性施工措施．

1．2．3开合屋盖机械系统设计研究

在开合屋盖的工程设计中，机械系统的设计[40-421是开合屋盖设计的重点和难

点。开合屋盖的机械系统设计和常规建筑结构有很大的区别。因为目前还没有有关

开合屋盖机械系统的设计规范，所以开合屋盖机械系统载荷的确定只能是参考起

重机设计规范的相关内容，而吊车基本上为标准产品，所以可动屋盖必须根据建

筑方案的要求，由设计者详细考虑选取起重设计规范与标准，专门设计。刚性开合

屋盖结构的可动屋盖移动多数是采用轨行式运行机构，可动屋盖在专门铺设

浙江大学硕士学位论文

的轨道上移动。轨行式运行机构主要由运行支承装置和运行驱动装置两大部分组

成。运行支承装置也称行走机构，用来承受可动屋盖的自重和外载荷，并将所有这

些载荷传递给轨道基础建筑，主要由支承装置、车轮与轨道组成；运行驱动装置用

来驱动可动屋盖在轨道上运行，主要由电机、减速器、制动器等组成。

顾大强、管军结合黄龙体育中心网球馆移动屋顶项目，提出了黄龙体育中心网

球馆移动屋顶开合机械系统的设计方案论述了黄龙体育中心网球馆移动屋顶的开

合机械系统设计方法，驱动行走方式等。其通过对日本小松网球场和有明体育馆

移动屋顶机械系统的研究分析，完成了黄龙体育中心网球馆移动屋顶机械系统的

驱动与行走机构的设计计算。结合设计实例论述开合机械设计的设计方法及应注意

的问题．介绍了目前建成的移动屋盖的运动方式，阐述了移动屋盖的设计方法和

机械驱动系统的实现，探讨了移动屋盖顶的设计标准和安全措施。张军结合南通体

育场，介绍了其机械驱动系统原理、布置及设备运行的控制系统和维护，并对其中的

关键技术作了专门阐述。

1．3选题意义

与传统建筑相比开合屋盖建筑具有以下三大优点：

·复归自然，创造了既不受自然界的不利影响，又能保持自然气息，让人们重归自然怀抱。

·开合屋盖可以保证诸如奥运会和世界杯开幕式、比赛等重要大型体育、娱乐活动得以如期举行。

‘

·有助于建筑综合功能化的实现。

因为开合屋盖的动态特性带来的诸多优点，所以开合屋盖正在越来越多的领域

得以应用，这一结构机械一体化的技术将会有广阔的前景。但是，目前无论是国

际上还是在国内，开合屋盖领域的理论研究远远落后于工程实践，对开合屋盖设

计具有指导意义的理论结果偏少。

相对于常规建筑，开合屋盖有可动屋面，从而带来了许多技术难题：1)开合屋盖的发明诞生了一个新的领域，即机械建筑一体化，或是结构机

械一体话，它要求机械系统和建筑结构相互融合。然而建筑结构对于机械工程师是

陌生的，机械系统设计对于结构工程师来说也是陌生的，这样就会给设计过程带

来很大的困难，所以在进行设计时结构工程师和机械工程师必须相互沟通，以

第一章绪论

避免设计矛盾的发生。2)从已建成的开合屋盖结构来看，机械系统部件故障发生概率比较高，因

此机械系统的设计十分关键。但是目前我国还没有开合屋盖设计的国家和地方标

准，一般采用的是起重机标准。

3)开合屋盖在不同的状态下(开启、半开启、闭合、移动状态)，其受到的载

荷比较复杂。合理地进行各状态受力分析对以开合屋盖在结构设计十分关键。4)大

型开合屋盖对施工技术，测量技术和检测技术提出了更高的要求，建

筑结构施工的精度必须要满足机械系统的要求。

目前世界上已建的开合屋盖中虽然大部分能正常运作，但是仍然有一部分开合屋

盖存在这样和那样的问题。并且目前还没有对开合屋盖设计具有指导意义的国家或行

业涉及规范。为了解决开合屋盖设计中的技术难题，进一步推动开合屋盖的发展，

就必须对开合屋盖进行方方面面的研究，从而改变研究滞后于实际工程的不良状

态。

1．4本文主要研究内容及技术路线

1．4．1主要研究内容

目前主要的研究主要集中在对开合屋盖的建筑结构领域，而从机械系统及其

与建筑系统两者相结合的角度对开合屋盖系统的研究比较少。为此，本文主要从

以下二个方面针对开合屋盖的机械系统设计开展研究：

(1)开合屋盖开合机械装置的研究。开合装置设计是机械系统设计的主要

内容，结合建筑结构及其使用特点，为开合屋盖设计出合理的开合机械装置对于开

合屋盖功能的实现非常重要。开合机械装置的研究主要是在研究开合屋盖的基础上

进行概括和总结。

(2)开合屋盖的机械系统载荷的研究。以往开合屋盖的设计中，机械系统

考虑的载荷都是常规载荷，并为对由开合屋盖变形造成的结构载荷进行分析验算。

本文通过对开合屋盖的静力学分析，从而得出机械系统所受的结构载荷。

1．4．2技术路线

1．结合目前世界上已建的开合屋盖工程实例，在研究开合屋盖开合机理的基

础上，系统地归纳了适合运用于开合屋盖的开合机械装置。2．结合黄龙体育中心网球场开合屋盖工程实例，分析机械系统所受的结构载

浙江大学硕士学位论文

荷；运用拟板法和结构比拟的方法建立机械系统所受结构载荷的数学模型。

3．运用有限元软件ANSYS对开合屋盖的弯曲变形进行数值仿真，并且对数学模型进行参数修正。

4．运用相似理论原理，制作了开合屋盖实物的对应模型，进行力学实验，以验证理论的正确性。使用三维ACD软件Pro／E设计载荷测量装置，同时按相似比为15的比例设计开合屋盖模型，完成实验装置的加工制作。进行开合屋盖相似学实验，使用Advantech数据采集系统完成实验数据的采集工作，同时完成实验数据的分析工作。

第二章开合屋盖开合机械装置

【摘要】本章在研究开合屋盖开合机理的基础上，系统地归纳了适合运用于开合屋盖的开

合机械装置。实现刚性屋盖开合机械装置可以分为三类：移动开合装置、转动开合装置、复

合运动开合装置。柔性屋盖开合机械装置可以分为：索膜开合装置和折替开合装置。同时给

出了各类开合机械装置具体的实施方式，并且结合具体机械装置分析了每种开合机械装置的

技术特点和使用场合。

开合屋盖开合机械装置的功能是安全可靠地完成开合屋盖的开合动作，开合机

械装置的作用对象为可动屋盖。能实现开合屋盖开合效果的开合机械装置有很多，

开合机械装置的选取和设计取决于建筑结构，开合屋盖功能，经济成本等具体工程

要求。

开合机械装置根据可动屋盖组成不同可以分为刚性屋盖开合机械装置，柔性屋盖开合机械装置两大类。刚性屋盖开合机械装置驱动的是刚性可动屋盖，在开合的过程中可动屋盖的形态是不会发生变化的。与刚性屋盖开合机械装置不同，柔性屋盖开合机械装置驱动的是柔性材料，在开合过程中柔性屋盖的形态是发生

变化的。

2．1 刚性屋盖开合机械装置

当刚性屋盖开合机械装置143-47i驱动可动屋盖运动至开启区域外时开合屋盖系

统得到开启空间，反之，则是一个闭合过程。刚体的运动形式有：平动，转动，一般

运动，其中一般运动可以分解为质心的平动及绕质心的转动两个运动。依据刚体

的运动形式，刚性屋盖开合方式有：移动开合、转动开合和可展开合三种方式，移动

开合时可动屋盖做往返运动，其运动方式属于刚体的平动；转动开合时可动屋盖围绕

中心做旋转运动，其运动方式属于刚体的转动；可展开合时可动屋盖做复合运动，其

运动方式属于刚体的一般运动。可动屋盖的运动也可用运动副形式表达，其对应关

系如表2．1所示。因此，刚性屋盖开合机械装置根据开合方式分为以下三类：移动开

合装置、转动丌合装置、展开开合装置。

浙江大学硕士学位论文

表2．1刚性屋盖开合机械装置

刚体运动方式开合屋盖运动副形式开合屋盖开合形式

平动勿矿[二h一移动开合

转动√转动开合

一般运动形展开开合

2．1．1移动开合装置

在可动屋盖的移动运行方式中，可动屋盖和导轨组成开合装置中的移动副。移动开合装置中移动副可以是轮轨机构，也可以是普通的导轨副。轮轨机构可以承载大的载荷，有较强的适应能力，主要应用于大型开合屋盖中。相比轮轨机构，普通导轨副承载能力弱很多，要求的精度高很多，因此适合应用于小型的开合屋盖中。以下所述是四种典型的移动开合装置，前面三种是轮轨开合装置，后一种是普通导轨副开合装置。

1．自驱动轮轨开合装置

自驱动轮轨开合装置采用行走台车承载可动屋盖在导轨上移动完成开合屋盖的丌合，开合装置由行走导轨、自驱动装置、行走台车、导向轮轨等装置组成，其机构简图如图2．1所示。自驱动装置安装在行走台车上，通过轮轨的摩擦力驱动可动屋盖运动，图2—2为一自驱动轮轨开合装置的结构示意图。

可动刚性屋盖

向导轨

图2．1自驱动轮轨开合机械装置简图

第=章开告屋盖*台IL械装置

图2-2自驱动轮轨开合机械结构示意图相比干其他的开合装置，自驱动轮轨开台装置可以参考成熟的起重机行走技

术，因此技术成熟，造价较低。自驱动移动开台装置的驱动力来源于摩擦力，所

以其开合必须保证足够的摩擦力，自驱动移动丌台装置适合运用于平面开合的场

合。此外，自驱动7l：合装置还应该考虑电路，控制线路的防缠绕问题。美国休斯

顿Minute Maid Park棒球场，日本的海洋穹顶等开合屋盖成功采用了自驱动轮

轨开合装置技术，如图2-3所示。

(8)闭合状态(b)开启状态

图2-3水平罄动一日本海洋穹预

2．缆绳牵引轮轨开合装置

缆绳牵引轮轨开合装置和自驱动轮轨开台装置一样，都采用行走台车承载可

动屋盖在导轨上移动完成开合屋盖的开台动作，不同的是开合的驱动力的来源于

缆绳的牵引力，需要布置卷筒、缆索导向器、缆索张紧装置，其机构简图如图

2．4所示。

浙缸大学碰±}位论文

闰2-4缆绳牵引轮轨开台装置

缆绳牵引轮轨移动开台装置技术较为成熟，造价较低；供电，控制部分较简单，可以和电机、减速器、卷筒等集中布置在下部结构上。日本的有明体育馆成功采用了缆绳牵引轮轨移动开合装置技术，如图2．5所示。

(a)闭合状态(砷开启状态

图2-5日本有明体育馆

3齿轮齿条轮轨移动开合装置

齿轮齿条轮轨移动开台装置的驱动力来源于齿轮齿条的啮合力，通过齿轮齿条副把驱动预动件的旋转运动转化为直线运动。齿轮齿条轮轨移动开合装置一般由原动件，传动部件，齿轮齿条，轮轨行走机构，导向机构组成，其机构简图如图2-6所示。