俞奇效 劉中華 酈宏偉 馮曉東

(1.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司，浙江 紹興 312030；2.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000)

開合屋蓋又可稱為活動屋蓋，為一種動態(tài)建筑，是一種在短時間內(nèi)可以把部分或全部屋蓋移動或開/合的結(jié)構(gòu)形式，建筑物在屋頂開啟和閉合兩個狀態(tài)下都可以使用.

開合屋蓋是建筑、結(jié)構(gòu)、機械、自動化控制等相關(guān)學科領(lǐng)域發(fā)展到一定階段交叉衍生出的建筑形式.通過近十余年的發(fā)展，開合屋蓋在中大型體育場館中應用越來越普遍.2000年建設的浙江黃龍體育中心[1]、2005年建成的上海旗忠森林網(wǎng)球中心[2-3]〔圖1(a)〕、2006年建成的南通體育場[4]〔圖1(b)〕、2007年投入使用的國家網(wǎng)球中心、2011年建成的鄂爾多斯東勝體育中心體育場和昆山體育中心、2013年竣工的紹興體育中心體育場〔圖1(c)〕、2015年建成的光谷國際網(wǎng)球中心〔圖1(d)〕以及目前正在建設的杭州奧體網(wǎng)球中心等，其屋頂形式均為開合屋蓋結(jié)構(gòu).作為一種公共建筑，它們建成后均成為城市的地標.上述均為大型體育場、網(wǎng)球館應用開合屋蓋結(jié)構(gòu)的實例，而本文主要針對國內(nèi)應用更為廣泛的中小型開合屋蓋進行介紹.

(a)旗忠森林網(wǎng)球中心 (b)南通體育場

(c)紹興體育中心體育場 (d)光谷國際網(wǎng)球中心

圖1開合屋蓋在中大型體育場館中應用示意圖

1 中小型開合屋蓋應用簡介

1.1 適用范圍與優(yōu)勢

中小型開合屋蓋主要應用于游泳館〔圖2(a)〕、網(wǎng)球館〔圖2(b)〕、羽毛球館、商業(yè)廣場中庭〔圖2(c)〕、水上樂園〔圖2(d)〕、辦公樓、醫(yī)院、機庫、車間廠房等任何有開放空間要求的理想屋頂系統(tǒng)，如圖2所示.此外，隨著人們對建筑功能期望值的升高，以及城市土地資源的日益緊張，越來越多的運動場地向高處及屋頂發(fā)展，屋頂球場、屋頂泳池、空中休閑花園等在國內(nèi)越來越流行.270°全透光視野、可開啟的陽光頂部屋蓋給人不一樣的運動體驗.目前國內(nèi)已建成的中小型開合屋蓋多達上百個，其中包括：釣魚臺國賓館網(wǎng)球館、上海市仙霞網(wǎng)球中心、五臺山網(wǎng)球館、同濟大學四平路校區(qū)游泳館、同濟大學嘉定校區(qū)游泳館、嘉興國際網(wǎng)球中心、神華集團企業(yè)辦公樓、天津國際金融會議中心、上海長風社區(qū)服務中心游泳館、紹興第二人民醫(yī)院、北京龍?zhí)逗珗@中央島文化廣場開閉頂項目、桂林白馬商貿(mào)城、上海新世界、開元森泊湘湖旅游度假水上樂園、深圳東部華僑城(水樂園、四季植物館)等.在中小型建筑中，開合屋蓋優(yōu)勢可歸納為以下幾點：

(a)游泳館 (b)網(wǎng)球館

(c)商業(yè)綜合體 (d)水上樂園

圖2開合屋蓋在中小型建筑中應用示意圖

(1)可避免室外惡劣氣候的干擾，室內(nèi)的網(wǎng)球場、游泳池、水上樂園等復歸了大自然的陽光、空氣和藍天，暢享自然的同時可實現(xiàn)全天候營業(yè)[5].

(2)節(jié)省常規(guī)建筑物中通風和自然采光的設計布局，相比全封閉的屋頂，結(jié)合消防聯(lián)動更容易滿足消防排煙要求.

(3)新穎的建筑形式吸引更多的消費者，可提高其投資回報率.

1.2 開合方式、條件與適用年限

中小型開合屋蓋的開啟方式主要以水平直線移動、空間平行移動、分片式水平移動、水平旋轉(zhuǎn)移動、繞樞軸轉(zhuǎn)動、折疊移動為主[6].

在開合屋蓋結(jié)構(gòu)設計使用期限內(nèi)，中小型活動屋蓋建筑物不同于大型體育場館，其屋蓋大部分時間處于閉合狀態(tài)，少部分時間處于開啟狀態(tài).活動屋蓋開啟主要受風、雪、外界環(huán)境溫度等影響.下列情況不建議開啟運行：最大風速大于15 m/s，折算基本風壓為0.14 kN/m2，即建筑物處于7級風及以上.雪荷載超過0.1 kN/m2，或者固定屋面的積雪荷載超過20 mm厚.環(huán)境溫度超過設計溫度.

開合屋蓋主要構(gòu)件的設計使用年限不宜小于50年，驅(qū)動系統(tǒng)機械部分的設計使用年限不宜小于25年，控制系統(tǒng)主要電子元器件的設計使用年限不宜小于10年.

1.3 主結(jié)構(gòu)材料

活動屋蓋主結(jié)構(gòu)材料可采用鋼、鋁合金或不銹鋼等.最常用的是鋼材，以鋼構(gòu)件作為主結(jié)構(gòu)材料的工程技術(shù)成熟且造價相對低廉；而且鋼材本身強度高、沖擊韌性較好，更適用于開閉合屋蓋結(jié)構(gòu)的移動荷載工況.但對有特殊要求的場合，如要求耐腐蝕、希望減輕活動屋蓋自身重量、增強外觀色澤等情況，可以考慮采用鋁合金材質(zhì).

2 結(jié)構(gòu)形式、圍護系統(tǒng)與對接縫設置

2.1 結(jié)構(gòu)形式

結(jié)構(gòu)形式的選取首先應滿足不同建筑功能要求(跨度、凈空、透光度、開啟率等)及經(jīng)濟性指標要求.常見的中小型開閉合屋蓋的結(jié)構(gòu)形式有單梁體系、網(wǎng)架體系、桁架體系以及預應力組合體系.桁架體系又可分為平面桁架體系和空間桁架體系.

單梁體系(圖3)加工安裝簡便、造價較低，但是受撓度控制要求，不能發(fā)揮結(jié)構(gòu)的全截面能力.另實腹梁較笨重,可考慮采用空腹梁，其結(jié)構(gòu)不僅較輕巧，同時可以增強透光效果.

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(圖4)平面剛度分布均勻，但該體系沿軌道方向的性能過剛，不利于屋面與軌道的貼合.此外，網(wǎng)架也會影響采光頂?shù)恼w通透性.因此，網(wǎng)架體系常適用于中大型金屬屋面類的開合屋蓋結(jié)構(gòu)，例如嘉興網(wǎng)球館、國家網(wǎng)球館等.

桁架體系(圖5)造型輕巧美觀，當跨度超過20 m以上時較為適用.

2.2 圍護系統(tǒng)

開合屋蓋圍護系統(tǒng)主要視建筑需要采用不同的形式，例如玻璃、陽光板、金屬板、膜材等，不同圍護系統(tǒng)優(yōu)缺點比較詳見表1.

2.3 對接縫設置

開合屋蓋由于在結(jié)構(gòu)上進行了分塊，所以活動屋面之間、活動屋面與固定屋面之間、活動屋面與支承結(jié)構(gòu)之間的防水問題十分突出.屋面單元之間的防水、密封問題是開合屋蓋結(jié)構(gòu)特有的建筑構(gòu)造問題，各屋面單元間的結(jié)合點是屋面防水的薄弱環(huán)節(jié)，也是屋面防水的關(guān)鍵所在.解決開合屋蓋防水問題需要建筑、結(jié)構(gòu)和機械專業(yè)的配合，對其結(jié)構(gòu)設計方案進行一些調(diào)整，使之適應建筑構(gòu)造防水要求.這主要體現(xiàn)在屋面之間是否需要搭接及搭接長度的確定、不需要搭接時屋面邊緣形狀及屋面之間垂直間距的確定等.

屋蓋間結(jié)合處采用搭接防水時，兩側(cè)屋蓋貼主梁邊應設置排水溝，結(jié)合處采用密封刷進行密封，節(jié)點處次構(gòu)件采用薄壁型鋼.

圖3 單梁結(jié)構(gòu)體系

圖4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系

圖5 桁架結(jié)構(gòu)體系

表1 開合屋蓋不同圍護系統(tǒng)優(yōu)缺點

類型優(yōu) 點缺 點玻璃1)玻璃透光率最優(yōu);2)在無人為損壞的情況下耐久性最好;3)熱脹冷縮系數(shù)低1)重量大; 2)鋼化玻璃價格高;3)抗沖擊性能差陽光板1)抗沖擊性能強;2)輕便,重量輕;3)防霧滴;4) 經(jīng)濟性好1)使用年限相對較短;2)不經(jīng)過特殊工藝處理的板材表面不防刮花,容易劃傷金屬板1)閉合狀態(tài)遮陽性能最優(yōu);2)耐久性好,牢固1)鋁合金金屬屋面價格相對較高;2)雨天噪音較大膜材1)自重輕;2)造型美觀;3)施工周期短;4)具備一定透光率1)保溫隔音效果差;2)不同膜材使用年限差異較大,需定期更換;3)外觀顏色單一

3 活動屋蓋驅(qū)動系統(tǒng)

根據(jù)動力裝置和傳動方式的不同，常見開合屋蓋的驅(qū)動形式可分為摩擦輪自驅(qū)式、卷揚機牽引式、齒輪齒條式、鏈輪鏈條式、摩擦輪-卷揚機組合式等.

基于中小型開合屋蓋的特點——開合面積小、跨度小、活動屋面和固定屋面剛度較大、開合行程短、屋面載荷小等，驅(qū)動方式一般可以選擇齒輪齒條式、鏈輪鏈條式和摩擦輪自驅(qū)式[7-9].其優(yōu)缺點比較如表2所示.

4 電氣控制與監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 電氣控制系統(tǒng)

根據(jù)中小型開合屋蓋屋面移動或開合方式電氣控制系統(tǒng)的設計應采用閉環(huán)控制方式以提高運行的精度.應設置冗余裝置來保證系統(tǒng)的可靠性.

表2 不同驅(qū)動方式比較以及驅(qū)動裝置的布置形式，電氣系統(tǒng)宜采用主從控制的結(jié)構(gòu)形式，即設置一個主站(控制中心)和多個從站.主站位于控制室，從站一般布置于驅(qū)動裝置附近.

方式優(yōu) 點缺 點齒輪齒條式1)驅(qū)動力傳遞可靠,無打滑現(xiàn)象;2)停車精度高,能實現(xiàn)屋蓋行程內(nèi)任意位置的停留和制動;3)通常驅(qū)動點為4個,控制點少,相對容易、簡單1)對行走軌道及齒條的制造和安裝精度要求很高;2)齒輪齒條嚙合運行時會產(chǎn)生一定的噪音;3)適用于直線軌道,曲線軌道齒條加工難度高,造價高鏈輪鏈條式1)驅(qū)動力傳遞可靠,無打滑現(xiàn)象;2)停車精度較高,能實行屋蓋行程內(nèi)任意位置的停留和制動;3)由于鏈條的柔性,可適用于直線軌道和圓弧軌道;4)通常驅(qū)動點為4個,控制點少,相對容易、簡單1)鏈條的安裝精度要求很高;2)鏈傳動工作時有輕微沖擊,會產(chǎn)生一定的噪音(比齒輪齒條傳動噪音大);3)為防止卡死并保證鏈輪鏈條的可靠咬合,通常需要添加浮動裝置或結(jié)構(gòu)摩擦輪自驅(qū)式1)與起重機行走機構(gòu)類似,技術(shù)最為成熟,部分零部件可選用起重機通用標準零件,造價較低;2)驅(qū)動裝置可分散于各臺車,驅(qū)動力矩小;3)輪軌支承系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能集成度高,空間緊湊1)易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象;2)停車精度低;3)適用于屋蓋平面開合或者坡度較小的場合;4)采用分布式驅(qū)動,驅(qū)動點位多,控制相對復雜

電氣控制系統(tǒng)設計時應合理設定屋蓋開合過程中的加速、勻速、減速過程，使屋蓋平緩運行，避免產(chǎn)生較大的動載荷.

控制系統(tǒng)應設置緊急停止按鈕，在發(fā)生故障和特殊情況時及時切斷電源.

在中小型開合屋蓋屋頂設置1～2個風速傳感器，實時檢測活動屋蓋最高處的風速；當風速超過額定設計風速時，屋蓋不可自動開閉運行.

活動屋蓋電氣系統(tǒng)可以與消防聯(lián)動設計，消防系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)相連.當發(fā)生火災時，消防裝置檢測到煙霧后活動屋蓋可立即自動開啟；同時，主控制器需立即啟動火災應急響應，第一時間保護設備的安全.

驅(qū)動系統(tǒng)制動器應采用常閉模式(即斷電后制動).

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)

中小型開合屋蓋監(jiān)控系統(tǒng)一般要求在中控室、齒輪齒條嚙合位置均布置攝像頭進行實時監(jiān)測，也可在活動屋面高處布置一個長距離寬范圍的攝像機，監(jiān)控整個屋蓋整體開合過程.

監(jiān)控系統(tǒng)的后端設備應集中放置在中控室機柜內(nèi).液晶顯示器監(jiān)視各個監(jiān)測點的情況，可進行大畫面切換顯示或者整體畫面分割顯示.

采用工業(yè)無線通訊模塊，進行點對點、點對多點的無線數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)主從站PLC之間的無線通訊.

將無線遙控裝置與主控系統(tǒng)對接，遠端設備(如計算機、手機等)只要能聯(lián)網(wǎng)，無論何時何地均可通過軟件集中監(jiān)控各個PLC和傳感器的數(shù)據(jù)；通過無線遙控器可以遠程操控活動屋蓋的開啟、閉合與停止.

5 活動屋蓋維護與保養(yǎng)

5.1 結(jié)構(gòu)維護

5.1.1 主體鋼結(jié)構(gòu)維護

不得在任何鋼構(gòu)件的任何部位進行隨意焊接、切割、開孔等破壞性行為.如需要對鋼結(jié)構(gòu)部分進行改造，須征得原設計單位的同意方可進行.不得在主體結(jié)構(gòu)的桿件上懸掛各類超出設計規(guī)定的重物、電纜、管道等設備.在使用過程中，不得破壞支撐鋼結(jié)構(gòu)的混凝土結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有油漆脫落、桿件破壞等現(xiàn)象，應及時進行修復.

5.1.2 開閉合屋面系統(tǒng)維護

活動屋蓋機械驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)屬于特種設施，應嚴格按照操作使用說明書進行操作.應進行定期檢查或臨時檢查連接鋼結(jié)構(gòu)部件之間、鋼結(jié)構(gòu)與臺車之間的緊固件.易耗零件應有必要的儲備.及時發(fā)現(xiàn)并排除驅(qū)動系統(tǒng)的故障.隨時觀察屋面的密封情況，如發(fā)現(xiàn)漏水等現(xiàn)象應及時處理.電氣設備均應防雨、防潮[10].為確保設備處于良好狀態(tài)，應進行定期維護管理和定期大修.

根據(jù)活動屋蓋的實際情況，制定大修年限，建議6年或9年進行一次，大修內(nèi)容包括：檢查鋼結(jié)構(gòu)及屋面板的銹蝕情況，重新涂刷油漆；強制報廢和更新已經(jīng)過時的電氣元器件；更換機械設備的易損件，保證大修后活動屋蓋的機械性能達到最佳狀態(tài).

5.2 機械維護

5.2.1 卷揚機維護及保養(yǎng)

將軸承的加油口設置在適當位置，方便添加潤滑劑，并采用合適的密封方法進行密封，定期添加鋰基潤滑脂.對主軸承而言，只需打開軸承蓋加入油脂即可；對于其他軸承，使用油脂槍穿過加油嘴加入油脂.如果設備長期停止運轉(zhuǎn)，在重新運轉(zhuǎn)前必須加注新的潤滑脂，并且應將軸承的滾道內(nèi)全部注滿潤滑脂.

5.2.2 齒輪的維護與保養(yǎng)

卷揚機應定期加注鋰基潤滑脂.卷揚機的大小齒輪及齒圈應保持清潔，齒面不允許有任何雜質(zhì)存留；如果齒面出現(xiàn)較多的雜質(zhì)，應先用汽油對大小齒輪及齒圈表面進行清洗，再加注潤滑脂.齒輪的緊固螺栓須定期全面檢查，確保螺栓有足夠的預緊力.

5.2.3 齒輪減速箱的維護與保養(yǎng)

齒輪減速箱內(nèi)需定期加入潤滑油.齒輪減速箱的維護及保養(yǎng)細節(jié)參照產(chǎn)品廠商提供的維護手冊.

5.2.4 棘爪部件的維護與保養(yǎng)

棘爪軸裝有黃油嘴，用于棘爪潤滑，應定期加注潤滑脂.如果長期未使用，應在180 天內(nèi)加注一次潤滑脂.

5.2.5 鋼絲繩的維護與保養(yǎng)

必須定期在鋼絲繩表面涂上一定量的油脂；鋼絲繩應按照相關(guān)標準進行定期維護、檢查和報廢.

5.2.6 臺車使用維護與保養(yǎng)

活動屋蓋運行前，必須確保所有軌道梁的導向輪面平滑，確保軌道梁及軌道上無任何雜物阻礙臺車的行走.活動屋蓋運行前，須檢查所有臺車的液壓系統(tǒng)油路、液位情況是否正常，同時檢查通信、控制及檢測信號是否正常.如果間隔15天以上不再運行，則本次運行前應將主軸及臺車車輪踏面清理干凈后，將主軸重新均勻涂滿潤滑脂.每月定期檢查液壓站油箱的油位情況，補充液壓油，檢查液壓油管和控制線路接頭是否松動，線(管)路是否受損.檢查碼盤與臺車車輪的接觸是否良好.每半年定期將臺車車輪和導向輪軸承內(nèi)注入潤滑脂.