开合屋盖结构的发展与设计特点
开合屋项的发展历程
开合屋项的发展历程双击自动滚屏发布者：admin 发布时间：2009-6-3 阅读：15166次【字体：大中小】1950年前的开合结构以小型结构为主，主要用在非建筑领域。
1950－1988年发展以膜褶皱型式的开合结构为主。
80年代未90年代初为来的开合屋顶结构思想，均来源于1961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（Pittsburgh）市民体育场，其跨度为127m，由可开合的八瓣不锈钢盖组成，至今仍具有开拓性意义。
之后，世界上建造了上百个带有刚性开合单元的开合屋顶建筑。
欧洲各国建造的开合式屋顶特点是，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，由于膜材料轻质高强的特性，一般大规模开合屋顶的结构都是钢结构和索结构，上铺膜材料或轻型板材。
屋顶采用张拉索穹顶作为支撑结构，开合屋顶采用半刚性膜屋面，屋顶系统分成若干个单元片，通过单元片的移动、转动，使之各片之间搭结、迭放来实现屋顶的开合。
这种开合单元组成的开合屋顶克服了膜褶皱型式开合型式。
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，在世界上产生了很大的轰动效应，掀起了世界上建筑现代大跨度开合屋顶的新浪潮。
该场馆至今仍作为多伦多申办奥运会的主场馆。
日本于1991年建成了跨度136m的阿瑞卡体育场（Ariake Coliseum，）；1993年建成了日本海洋穹顶（Ocean Dome，）；1993年日本又建成了直径为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，大跨度开合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屋顶的疑虑逐渐消失，并对其前景和建造的必要性逐渐看好。
1999年美国建成跨度200m的西雅图新太平洋西北棒球场（New Pacific Northwest Baceball Park），2000年澳大利亚建成245m乘以215m椭圆形的墨尔本市民体育场（Melbourne Colomial Sladium），2001年美国建成扇形直线边长180m的米勒棒球场（Miller Park），2001年日本建成为2002年世界杯足球赛的大分县体育场，直径达274m.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20座。
开合屋盖结构的发展与设计特点
但开合 机 构 复 杂 ， 利 用 计 算 机 系 统 执 行 开 合 任 务 是
的 。它是 屋面 采用 柔 性 膜 材料 以折 叠 方 式 进 行 开合
体育 娱乐活 动运动参 与意 识 的提高 ， 们要求 体 育场 人 馆 功能 日益完美 ， 们 既希望 能在 大 自然 的美 好 怀抱 人 中观 看或 参 与各种 体 育 、 乐 活 动 ， 希 望 当遇 到恶 娱 也 劣 的 自然 环境 时能 在 封 闭 的场 馆 中如 期举 行 各 项 活 动 。而与 常规 体育 场馆相 比 ， 开合 式屋 盖结 构能 满足 人们 这两 种美 好愿 望 ， 因此建 造带 有开 合屋 盖 的大 型 体育 建筑越 来越 成 为 一 个 重 要发 展 趋 势 。我 国 著名
开合 屋 盖结 构 （ ｔａ ｔｂｅＲ ｏ ｔｕ ｔｒ） Ｒｅｒｃａ ｌ ｏ ｆ ｒ ｃｕ ｅ一 种 在 很 短 时 间 内可 以把 部 “ 分 或全 部屋 面移 动或 开合 的结 构型 式 ， 筑 物在 可动 建
屋 面 开启或 关 闭 的两 个状 态下 都可 以使 用 ＂ 【 ¨。即一
言
的大 型开合 屋 盖结 构 的 研究 和发 展 具 有 很 好 的 启 发
作用 。 （ ）２ ２ ０世纪 ５ ￣８ ０ ０年代 的膜 折叠 型式 开 合屋 盖 结构 。１ ５ ９ ４年 ， 在德 国 由 Ｆ ｅ Ｏｔｏ领 导 的一 个 工 作 ｒｉ ｔ 小组 ， 开创 性地 研究 和发 展 了开 合 膜 结 构 ， 用 膜 材 利 料 的可 折 叠性 达到 开合 屋面 的 目的 ， 欧 洲利 用这 种 在 技术 建 成 了许 多 这 种类 型 的建 筑 物 。在 １ ７ ９ ６年 ， 这
牧 稿 日期 ： ０ ６ １ ８ ２ ０ — 卜２
体育建筑中可开合屋面的应用与发展
体育建筑中可开合屋面的应用与发展刘伟;钱锋【摘要】对体育建筑中可开合屋面的应用进行探索,从空间结构、功能综合、形态特征3个方面对体育建筑中可开合屋面的应用与发展进行了分析.结果表明:可开合屋面已经成为体育建筑设计的一个趋势,能够融入于结构体系的不断发展中,灵活地创造室内和室外2种活动空间与环境,满足人们全天候使用的便利性,并创造出更为丰富的建筑形态,为体育建筑的发展提供了更广阔的空间.【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2010(027)004【总页数】6页(P121-126)【关键词】可开合屋面;空间结构;功能综合;形态特征【作者】刘伟;钱锋【作者单位】同济大学,建筑与城市规划学院,上海,200092;同济大学,建筑与城市规划学院,上海,200092【正文语种】中文【中图分类】TU2450 引言从遮风挡雨及抵御侵害的基本要求,到各式各样的观演聚会,建筑的功能随着人们生活的发展,在历史长河中不断演变[1-4]。
有建筑师曾说“建筑的发展史就是屋面的演变历史”,这种观点在一定程度上也反映了屋面在建筑设计发展中的重要性。
从古罗马的万神庙到现今的许多大跨度体育建筑,人们对于建筑在功能和形态上的不断综合及创新,很多都反映在屋面的演变上,对于体育建筑,创造一个尺度宜人的大空间是其基本要求,而如今的体育建筑随着自身功能的不断发展,已经在可开合屋面上显示出了广阔的发展趋势。
随着各类体育活动在人们生活中的不断开展,体育建筑越来越普及,它的功能与形式也随着社会需求的改变与综合而不断发展,而体育建筑一直所面临的一个矛盾就在于:既要为人们提供一个遮风挡雨的适宜空间进行各类体育运动,又渴望着体现出和大自然亲近的运动环境,并且需要设计者在相对封闭的大跨屋盖上仔细考虑采光、通风等条件。
可开合屋面是一种在短时间内(一般为20～25 min)部分或全部屋面可以移动或开合的建筑形式,它使建筑物在屋面开启、关闭和部分开闭等状态下都可以使用。
开合屋顶简介
开合屋顶、尤其是大型开合屋顶比固定屋顶在技术有很多特殊的问题，必须慎重对待。
如：多种工况状态下的风荷载、雪荷载、地震作用以及特有荷载评估与选择，屋顶行走部分及轨道设计，屋顶运行故障检测及排除措施，屋顶的监控与案例保障系统设置等。
为了经济安全，可动结构构造应简单并尽量轻型化；屋顶开启或关闭过程一般控制在20－25分钟，为尽量减少冲击力，应控制开始或停止时间在1－2分钟；应装置地震传感器和风速仪，当超过特大风速和地震强度时，开关系统应能判别，以调整整个系统不会超载；屋顶应按装电视摄像及超声波传感系统，以便及时发现故障原因；控制装置设计应有富余，当装置的任何部分失灵时不至于整个系统失灵，为此应用一种双控制系统，既能自动也能手动；在开合功能失灵时，应能保障整个屋盖结构的安全。
在已建成的开合结构中不乏打开合不上、合上打不开了的例子，更有一些开合结构因开合功能故障最终不得不改为固定屋盖。
说明开合屋顶确定是一种技术性很强的结构形式，对设计和施工都有很高的要求。
中国北京已建的三个开合屋顶：国家电力大楼投入使用已近四年，北京天亚花园投入使用已近三年，这三个开合屋顶虽然也学习和参考了国外一些经验、技术，但主要还是中国的工程结合中国国情和工程实际加以创造、开发、改进，这说明我们已掌握了中、小开合屋顶技术。
四、案例1.加拿大多伦多天空穹顶（Sky Dome Canada）建筑师：Rod Robbie，工程师：C.M.Allen加拿大多伦|考试|大|多天空穹顶（Sky Dome Canada）1989年建成，它是世界上第一座采用现代驱动技术大型开合金属屋顶，直径208m，高度86m，开合面积31525m2关闭时间20分，开合屋顶由4块怀盖组成，第4号屋盖是固定的，第2号屋盖和第3号屋盖可水平移动，第1号屋盖可旋转180度，赛场开启率100%，座位开启率91%，设计允许每年开合200次，建成后最初3年开合300次以上，许多都是在场内举办活动时进行开合，按使用情况看，可以达到100年的设计有效寿命。
开合结构屋盖
开合结构屋盖
简介：开合屋盖结构（RetractableRoofStructure）是一种在很短时间内部分或全部屋顶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。
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1950年
年以
均来源于1961年美国建成的的用现代牵引技术驱动的刚性开合结构的匹兹堡（Pittsburgh）市民体育场，其跨度为127m，由可开合的八瓣不锈钢屋盖组成，至今仍具有开拓性意义。
之后，世界上建造了上百个带有刚性开合单元的开合屋盖建筑。
表1为欧洲各国建造的开闭式钢屋盖实例。
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、金属板及其它轻质材料。
屋盖系统分成若干个单元片，通过单元片的移动、转动，使之各片之间搭结、迭放来实现屋盖的开合。
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合型式。
208m的天空穹顶多功能体育场，在世界上产生了很
的阿瑞
合移动方式可分为水平移动方式、水平旋转移动方式、空间移动方式、绕枢轴转动移动方式、折叠移动方式、组合移动方式。
其分类见表。
/迭盖屋盖单元的形式打开屋盖。
屋盖分为固定不动的结构单元和可以移动的结构单元。
/迭盖的型式打开屋盖。
屋
盖分为固定不动的结构单元和可以移动的结构单元。
/迭盖屋盖开合单元，达到打开屋面的开合方式。
屋盖分为固定不动的结构单元和可以移动的结构单元。
开合屋盖结构设计简介
文章编号:1000-6869(2005)04-0112-05开合屋盖结构设计简介关富玲1,程 媛1,余永辉1,吴开成2,沈佩蓓2(1.浙江大学土木工程系空间结构研究中心,浙江杭州310027;2.浙江大学建筑结构设计研究院,浙江杭州310027)摘要:开合屋盖结构在大型体育馆、多用途体育场都得到了广泛应用。
开合屋盖结构由于其特有的多个状态,在很多方面不同于以往的常规屋盖结构。
本文结合浙江省某网球中心比赛馆开合结构的设计实例,简要介绍了该工程的概况、背景及其结构形式,阐述了开合屋盖结构在结构方面需特别考虑的轨道系统选取的问题,叙述了该实例采用的索牵引系统的运作方式;说明了开合结构与普通结构在荷载取值和工况组合方面的区别;使用独立分析和协同分析两种结构方法计算分析结构,并且以三个方向的变形结果为依据,比较了两种方法,得出了独立分析比较可靠的结论。
关键词:开合屋盖;大型屋盖结构设计;大型屋盖分析方法中图分类号:T U39313 文献标识码:AStructural design of retractable roof structuresG UAN Fuling 1,CHE NG Y uan 1,Y U Y onghui 1,W U K aicheng 2,SHE N Peibei 2(1.S pace Structure Research Center ,Department of Civil Engineer ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China ;2.Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )Abstract :Retractable roof structures have been used widely in building engineering ,especially in the field of large 2sized gymnasium and multipurpose sport centers.Structures with retractable roofs have many w ork conditions and s o they are different from conventional structures.This paper concisely introduces the general situation and structural form of a retractable roof structure for tennis stadium in Zhejiang province ,discusses the rail problem in design of the structure ,introduces the pulling method and its different loading cases in com paris on with conventional structures.In this project ,tw o kinds of structural analysis methods ,the separate analysis method and the cooperating analysis method ,have been com pared based on the results of the displacements in three directions.The conclusion is that the result obtained from the sparate method is safer.K eyw ords :retractable roof structures ;structural design of large 2sized roof ;analysis method of large 2sized roof作者简介:关富玲(1945- ),女,北京人,教授。
体育建筑中开合屋盖的应用探索_南通市体育会展中心体育场设计
约 ３０ｍｉｎ 金属板
约 ２０ｍｉｎ 装饰板 ＋ 绝缘材料 ＋ＰＶＣ 板
约 １５ｍｉｎ 约 ２０ｍｉｎ
聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜材 （特氟隆） 金属钛板
约 １０ｍｉｎ 约 ３０ｍｉｎ
钛板 ＋ 聚四氟乙烯涂层玻璃 纤维膜材（特氟隆） 半透明塑料板 ＋ 隔热材料 ＋ 铝板
空间拱桁架 空间拱桁架 钢索膜结构 主副拱空间桁架 及斜拱空间桁架
ห้องสมุดไป่ตู้
开启行走方式 叠和旋转屋盖单元 （旋转和平行移动） 向中间集束的膜结构 （放射性展开移动）
叠和开合屋盖单元 （平行移动） 叠合屋盖单元 （组合移动 ） 叠合屋盖单元 （组合移动） 叠和旋转屋盖单元 （旋转平行移动） 叠合开合屋盖单元 （平行移动） 叠和开合屋盖单元 （空间移动）
材料由高耐久性钛板铺盖而成，开口率为 ６０％，基本覆盖了比赛场地。屋盖的开启形 式分全闭０°、全开１２０°及半开６０ °状态， 并利用自锁装置使之保持在各自轨道的结 构体中，可转动的两块各重４０００ｔ，开启一 次需 ２０ｍｉｎ。此后各国相继上马了数十个 具有开合屋盖的体育场馆，如美国的亚利 桑那州菲尼克斯棒球场（１９９８ 年）、日本大 分县体育场（２００１年）、丰田体育场（２００１年，
叠放屋盖单元 （平行移动） 叠放屋盖单元 （平行移动） 叠和旋转屋盖单元 （平行移动） 叠放屋盖单元 （平行移动） 叠放扇形屋盖单元 （旋转移动） 叠合开合屋盖单元 （空间移动） 折叠膜结构 （折叠移动） 向中间集束的膜结构 （折叠移动） 叠合开合屋盖单元 （空间移动）
开闭时间 屋面材料 约 ２５ｍｉｎ 铝合金板材
近些年，世界各国普遍对开合屋盖体 育建筑产生了很大的关注，产生了多个优 秀的开合屋盖体育建筑，以日本、德国、加 拿大、美国所建的开合屋盖体育建筑为代 表，其中日本无论在开合屋盖结构的技术 方面、还是在开合屋盖建筑的数量方面都 具有很大优势。１９８９ 年在加拿大多伦多建 成了直径 ２０８ｍ 的天空穹顶（Ｓｋｙ Ｄｏｍｅ）体 育场，是开合屋盖的代表作之一，其屋面面 积 ３．２４万 ｍ２，钢结构与屋面材料总重量达
屋盖开合机械装置设计
屋盖开合机械装置设计周良金;顾大强【摘要】在对国内外开合屋盖工程设计实例分析的基础上,系统阐述了各类开合屋盖的开合工作原理,详细介绍了刚性开合屋盖和柔性开合屋盖的机械装置设计的原理和方法,分析论述了各类开合机械装置的技术特点和使用场合,提出了开合屋盖技术今后的发展趋势.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2010(000)007【总页数】6页(P8-13)【关键词】开合屋盖;开合机械装置;刚性开合屋盖;柔性开合屋盖【作者】周良金;顾大强【作者单位】浙江大学机械设计研究所,杭州,310027;浙江大学机械设计研究所,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TH11屋盖开合结构是1种在很短时间内把建筑物的部分或全部屋面移动或开合的结构形式，它将1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，通过特定的机械装置，使可动单元能够按照预期的轨迹移动，达到屋面开合的目的(见图1)。
开合屋盖不仅赋予建筑物动态美感，更扩展了其使用功能，目前世界上已建成的开合屋盖已超过100个，开合屋盖的设计越来越受到人们的关注。
图1 开合屋盖结构1、4.固定屋盖A 2.伸缩屋盖 3、6.固定屋盖B 5、7.导轨1 开合机械装置的设计屋盖的开合运动功能 (移动、转动、伸缩)是通过机械装置来实现的，开合屋盖的设计涉及建筑工程和机械工程2个领域的技术与方法。
从机械设计的视角看，开合屋盖结构可视作是1种新型的可展结构。
虽然目前国外已建成了多座不同规模的开合屋盖，但目前对开合屋盖机械装置的设计理论研究严重滞后于工程实践，国际上还没有任何关于这类机械装置设计的国家或地方的设计规范和方法。
由于开合屋盖的运动方式与工程起重机有相似之处，故在工程设计实践中，常规载荷的设计计算、行走台车结构设计等可借鉴工程起重机的设计。
但是，开合机械装置在运动驱动形式的多样性等方面与起重机存在较大差异。
开合机械装置根据其驱动方式可分为刚性屋盖开合机械装置和柔性屋盖开合机械装置2大类。
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工程设计GO N GC H E N GS H E J I王成刚,等:开合屋盖结构的发展与设计特点《工程与建设》 2007年第21卷第4期555 收稿日期:2006211228作者简介:王成刚(1974-),男,安徽巢湖人,硕士,合肥工业大学讲师.开合屋盖结构的发展与设计特点王成刚1, 关朝江2(1.合肥工业大学土木建筑工程学院,安徽合肥 230009;2.安徽省建筑设计研究院,安徽合肥 230001)摘 要:文章介绍了开合屋盖结构的概念、发展历程及现状,表明开合屋盖结构将是未来大型体育建筑发展的一个重要趋势;与常规屋盖结构设计比较而言,现代开合屋盖结构设计具有自身很多特性,该文在研究现有文献资料的基础上对现代开合屋盖结构设计特点进行了简要的阐述。
关键词:开合屋盖结构;设计特点;结构荷载中图分类号:TU393.3;TU392.6 文献标识码:A 文章编号:167325781(2007)04205552030 引 言开合屋盖结构(Ret ractable Roof St ruct ure )的定义为:“开合屋盖结构是一种在很短时间内可以把部分或全部屋面移动或开合的结构型式,建筑物在可动屋面开启或关闭的两个状态下都可以使用”[1]。
即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,采用适当的机械技术,使可动单元按照预期的轨迹移动或转动,使各单元之间搭接、迭放来实现屋盖的开合。
开合屋盖结构的出现与人类体育事业的发展密切相关,随着物质文化生活水平发展和提高,市民对体育娱乐活动运动参与意识的提高,人们要求体育场馆功能日益完美,人们既希望能在大自然的美好怀抱中观看或参与各种体育、娱乐活动,也希望当遇到恶劣的自然环境时能在封闭的场馆中如期举行各项活动。
而与常规体育场馆相比,开合式屋盖结构能满足人们这两种美好愿望,因此建造带有开合屋盖的大型体育建筑越来越成为一个重要发展趋势。
我国著名建筑大师马国馨院士更把开合屋盖建筑称之为“第三代体育建筑”。
1 开合屋盖结构的发展历史及现状(1)20世纪50年代以前的小型开合结构。
该时期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、照相机快门、天文观测站可动屋面等。
这些简单开合结构对近现代的大型开合屋盖结构的研究和发展具有很好的启发作用。
(2)20世纪50～80年代的膜折叠型式开合屋盖结构。
1954年,在德国由Frei Otto 领导的一个工作小组,开创性地研究和发展了开合膜结构,利用膜材料的可折叠性达到开合屋面的目的,在欧洲利用这种技术建成了许多这种类型的建筑物。
在1976年,这种技术被应用在加拿大蒙特利尔奥运会体育场中,如图1所示。
该体育场中央开口直径为120m ,面积为18000m 2,呈椭圆形。
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,但开合机构复杂,是利用计算机系统执行开合任务的。
它是屋面采用柔性膜材料以折叠方式进行开合的规模最大的建筑。
该开合屋盖结构把折叠膜开合方式的应用推到了顶峰。
20世纪50～80年代的开合屋盖结构发展,以膜折叠型式的开合方式为主。
但是,这种以膜材料折叠形式的开合屋盖结构存在着一定的内在缺陷,在使用中会出现开合运行故障或膜材料被撕裂。
所以其进一步的发展受到了制约,目前只在小跨度建筑上采用。
图1 加拿大蒙特利尔奥运会体育场(3)20世纪80年代以后的现代开合屋盖结构。
工程设计GO N GC H E N GS H E J I王成刚,等:开合屋盖结构的发展与设计特点556 《工程与建设》 2007年第21卷第4期1961年美国建成的用现代牵引技术驱动的匹兹堡市民体育场,如图2所示,该结构属于刚性开合屋盖结构,其跨度为127m ,至今仍具有开拓性意义。
20世纪80年代以后的大部分开合屋盖结构的开合思想,来源于此。
之后,世界上建造了上百个带有刚性可动单元的开合屋盖建筑,都属于现代开合屋盖结构。
如1989年加拿大多伦多建成了直径208m 的天空穹顶,如图3所示;1993年5月建成了跨度110m 的海洋穹顶;2001年建成的日本大分县体育馆等。
现代开合屋盖结构的特点是,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、金属板及其它轻质材料。
屋盖系统分成若干个单元片,通过单元片的移动、转动,使之各片之间的相互刚体运动来实现屋盖的开合。
图2 美国匹兹堡市民体育场图3 加拿大天空穹顶(4)我国开合屋盖结构的发展现状。
我国在开合屋盖结构的研究和应用方面还远落后于发达国家,刚刚开始起步。
目前,我国已建成几座简单的、较小跨度的开合屋盖建筑运行良好,如钓鱼台国宾馆网球馆采用“弓式预应力钢结构”,活动拱架跨度为41.5m ;上海浦东某游泳池;2005年8月竣工的浙江省黄龙体育中心开合网球馆,可动屋面布置在两个主拱桁架中央,完全打开的水平投影面积为21m ×35m (沿主拱方向)等,如图4所示。
大型复杂开合屋盖结构的建设也有突破性进展,如已建成的上海旗忠森林网球中心;2006年3月竣工的江苏南通体育场建筑面积4.8万m 2,拥有巨型开闭顶,活动屋盖投影长度201.92m ,如图5所示。
开合屋盖结构在我国的需求增长很快,有很多地区有建造大型开合屋盖结构的想法。
图4 浙江省黄龙体育中心开合网球馆图5 江苏南通体育场世界各国已建成的各种开合屋盖结构产生了良好的社会经济效果,并且大跨度开合屋盖结构技术也得到了进一步的发展和完善,建造开合屋盖结构的前景将越来越好。
然而,已建成的开合结构也存在着这样或那样的问题,总的来说,开合屋盖建筑技术的发展还处于起步阶段,开合屋盖结构的理论和试验研究滞后于工程实践,仅日本对现代开合屋盖结构提出了设计施工指针。
本文以下内容根据现有研究文献[1～4],对现代刚性开合屋盖结构的设计特点进行简单地归纳介绍。
2 开合屋盖结构设计特点(1)开合屋盖结构的设计流程与传统屋盖的设计流程不同。
传统的屋盖结构设计时,首先确定建筑方案,由此布置设备,最终根据建筑方案和设备布置来确定结构形式,各工种设计基本是串行式的。
由于开合屋盖结构的机械系统、运行控制系统较为复杂,机械设计、结构布置和建筑设计相互影响制约,导致各工种设计必须紧密配合,一并进行,因而开合屋盖结构比传统屋盖结构的设计要复杂得多,基本设计流程如图6所示。
图6 开合屋盖结构设计流程图(2)开合屋盖的设计依据缺乏。
虽然开合屋盖工程设计GO N GC H E N GS H E J I王成刚,等:开合屋盖结构的发展与设计特点《工程与建设》 2007年第21卷第4期557 结构已经建成了两百多座,但总的说来开合屋盖结构还是处在起步阶段,目前还没有任何关于这种结构的国家或地方的设计规范。
现在开合屋盖设计的依据,结构方面主要采用各国的建筑结构规范和日本等国的一些设计建议;机械设计方面国外主要参考各自的起重机标准,我国主要参考文献[5];此外还可参照已建工程。
(3)开合屋盖设计的前提———开合条件的确定。
所谓开合屋盖结构的开合条件,是指确定在什么条件下才可以进行开合移动(如风荷载限值、雪荷载限值等)、开合运行的具体条件(如启动、运行速度和刹车的加速度、开闭运行时间等)、正常条件下屋盖的停靠位置以及特殊条件下屋盖的停靠位置等。
屋盖的开合条件直接影响整个结构的工作状态以及相应工作状态下荷载的取值。
因此,在设计阶段的前期必须首先确定屋盖的开合条件,然后再对开合条件下各种可能的工作状态下的荷载情况作出正确的评定,进而,对屋盖结构进行内力分析、荷载工况组合、结构构件设计。
屋盖的开合条件必须明确写进可动屋面使用操作手册,并严格按照操作手册进行管理。
(4)开合屋盖设计中运行机械系统的设计。
屋盖体系的开合方式有水平移动、水平旋转、空间移动、绕枢轴转动、折叠方式及组合方式。
任何开合方式的实现都需要采用一定机械运行系统,机械系统设计是常规结构设计中没有的,所以机械系统设计对于结构工程师来说是陌生的;而机械系统与建筑结合之后,对于机械工程师而言也是陌生的。
因此,机械系统设计是开合屋盖结构设计中的重点和难点。
在进行设计时结构工程师与机械工程师必须相互沟通,以避免设计矛盾的发生。
(5)工作状态与荷载的取值。
常规屋盖只有一种工作状态,而开合屋盖结构一般有3种工作状态:完全闭合锁定状态、完全打开锁定状态和运动状态。
一些大型的开合屋盖结构还有第4种工作状态:即半打开的锁定状态。
开合屋盖结构不光要承受常规屋盖结构要承受的各种常规作用:如恒荷载、风荷载、雪荷载、使用荷载、地震作用及温度作用等,还要承受自己特殊的荷载:如启动和刹车的惯性力和制动力、因轨道接头或轨道不平产生的力、因轮轨间距离偏差及开合角度不准确产生的轨道侧向力等。
在不同的工作状态下使用情况各不相同,荷载工况也不相同,甚至常规荷载的取值也不一样,因而开合屋盖结构荷载取值的最大特点就是:工作状态与荷载取值相对应。
(6)静力分析方法。
可动屋盖和下部结构是两个相对独立的部分,是通过锁定点耦合联系在一起的。
对整个结构在受载阶段的分析存在如何考虑两者相互耦合的问题。
通常有整体分析法和单独分析法两种。
整体分析法是指在锁定位置通过锁定点耦合活动屋盖与下部结构的三个线位移进行协同受力变形分析。
这种方法从整体上看更合理,结果也可以接受。
但此种分析方法相对复杂,并且当锁定点较弱时得出的结果是偏不安全的,而且对于锁定点局部分析时,由于该方法忽略了机械结构的相对变形,计算所得的节点约束力偏大。
单独分析法则是先把可动屋盖在锁定点处固定进行受力分析,得到的支座反力以集中荷载的形式施加到下部结构上进行进一步的受力分析。
该分析方法概念明确,分析简单,而且在下部结构刚度较大时,采用该方法是偏安全的。
在设计时,可同时采用这两种方法进行比较分析,以保证结构设计的安全可靠。
3 结束语虽然大型开合屋盖结构是20世纪50年代才开始应用和发展的,属于一种新兴的结构形式,但是由于其使体育场具有了全天候复合型的使用功能,世界各国已建成的200多座各种形式开合屋盖结构,并产生了良好的社会经济效果。
随着我国经济的迅猛发展,特别是随着全民健身运动的深入开展,建造开合屋盖结构的前景将越来越好。
由于开合屋盖结构与传统屋盖结构相比既有共性,特性也很明显,我国的理论研究者和设计者在学习国外先进技术的同时,应积极开展开合屋盖结构的理论和试验研究,为开合屋盖结构的发展做出应有的贡献。
〔参考文献〕[1] Kazuo Iishii.Structural Design of Retractable Roof Structures[M ].WIT Press ,2000.[2] 关富玲.开合屋盖结构设计简介[J ].建筑结构学报,2005,(8):112-116.[3] 张凤文.开合屋盖结构研究[D ].天津:天津大学建筑工程学院,2000.[4] 余永辉.开合屋盖结构的设计[D ].杭州:浙江大学建筑工程学院,2004.[5] G B3811-83,起重机设计规范[S].。