开合屋盖在中小型建筑中的应用与发展

俞奇效 刘中华 郦宏伟 冯晓东

(1.浙江精工钢结构集团有限公司，浙江 绍兴 312030；2.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

开合屋盖又可称为活动屋盖，为一种动态建筑，是一种在短时间内可以把部分或全部屋盖移动或开/合的结构形式，建筑物在屋顶开启和闭合两个状态下都可以使用.

开合屋盖是建筑、结构、机械、自动化控制等相关学科领域发展到一定阶段交叉衍生出的建筑形式.通过近十余年的发展，开合屋盖在中大型体育场馆中应用越来越普遍.2000年建设的浙江黄龙体育中心[1]、2005年建成的上海旗忠森林网球中心[2-3]〔图1(a)〕、2006年建成的南通体育场[4]〔图1(b)〕、2007年投入使用的国家网球中心、2011年建成的鄂尔多斯东胜体育中心体育场和昆山体育中心、2013年竣工的绍兴体育中心体育场〔图1(c)〕、2015年建成的光谷国际网球中心〔图1(d)〕以及目前正在建设的杭州奥体网球中心等，其屋顶形式均为开合屋盖结构.作为一种公共建筑，它们建成后均成为城市的地标.上述均为大型体育场、网球馆应用开合屋盖结构的实例，而本文主要针对国内应用更为广泛的中小型开合屋盖进行介绍.

(a)旗忠森林网球中心 (b)南通体育场

(c)绍兴体育中心体育场 (d)光谷国际网球中心

图1开合屋盖在中大型体育场馆中应用示意图

1 中小型开合屋盖应用简介

1.1 适用范围与优势

中小型开合屋盖主要应用于游泳馆〔图2(a)〕、网球馆〔图2(b)〕、羽毛球馆、商业广场中庭〔图2(c)〕、水上乐园〔图2(d)〕、办公楼、医院、机库、车间厂房等任何有开放空间要求的理想屋顶系统，如图2所示.此外，随着人们对建筑功能期望值的升高，以及城市土地资源的日益紧张，越来越多的运动场地向高处及屋顶发展，屋顶球场、屋顶泳池、空中休闲花园等在国内越来越流行.270°全透光视野、可开启的阳光顶部屋盖给人不一样的运动体验.目前国内已建成的中小型开合屋盖多达上百个，其中包括：钓鱼台国宾馆网球馆、上海市仙霞网球中心、五台山网球馆、同济大学四平路校区游泳馆、同济大学嘉定校区游泳馆、嘉兴国际网球中心、神华集团企业办公楼、天津国际金融会议中心、上海长风社区服务中心游泳馆、绍兴第二人民医院、北京龙潭湖公园中央岛文化广场开闭顶项目、桂林白马商贸城、上海新世界、开元森泊湘湖旅游度假水上乐园、深圳东部华侨城(水乐园、四季植物馆)等.在中小型建筑中，开合屋盖优势可归纳为以下几点：

(a)游泳馆 (b)网球馆

(c)商业综合体 (d)水上乐园

图2开合屋盖在中小型建筑中应用示意图

(1)可避免室外恶劣气候的干扰，室内的网球场、游泳池、水上乐园等复归了大自然的阳光、空气和蓝天，畅享自然的同时可实现全天候营业[5].

(2)节省常规建筑物中通风和自然采光的设计布局，相比全封闭的屋顶，结合消防联动更容易满足消防排烟要求.

(3)新颖的建筑形式吸引更多的消费者，可提高其投资回报率.

1.2 开合方式、条件与适用年限

中小型开合屋盖的开启方式主要以水平直线移动、空间平行移动、分片式水平移动、水平旋转移动、绕枢轴转动、折叠移动为主[6].

在开合屋盖结构设计使用期限内，中小型活动屋盖建筑物不同于大型体育场馆，其屋盖大部分时间处于闭合状态，少部分时间处于开启状态.活动屋盖开启主要受风、雪、外界环境温度等影响.下列情况不建议开启运行：最大风速大于15 m/s，折算基本风压为0.14 kN/m2，即建筑物处于7级风及以上.雪荷载超过0.1 kN/m2，或者固定屋面的积雪荷载超过20 mm厚.环境温度超过设计温度.

开合屋盖主要构件的设计使用年限不宜小于50年，驱动系统机械部分的设计使用年限不宜小于25年，控制系统主要电子元器件的设计使用年限不宜小于10年.

1.3 主结构材料

活动屋盖主结构材料可采用钢、铝合金或不锈钢等.最常用的是钢材，以钢构件作为主结构材料的工程技术成熟且造价相对低廉；而且钢材本身强度高、冲击韧性较好，更适用于开闭合屋盖结构的移动荷载工况.但对有特殊要求的场合，如要求耐腐蚀、希望减轻活动屋盖自身重量、增强外观色泽等情况，可以考虑采用铝合金材质.

2 结构形式、围护系统与对接缝设置

2.1 结构形式

结构形式的选取首先应满足不同建筑功能要求(跨度、净空、透光度、开启率等)及经济性指标要求.常见的中小型开闭合屋盖的结构形式有单梁体系、网架体系、桁架体系以及预应力组合体系.桁架体系又可分为平面桁架体系和空间桁架体系.

单梁体系(图3)加工安装简便、造价较低，但是受挠度控制要求，不能发挥结构的全截面能力.另实腹梁较笨重,可考虑采用空腹梁，其结构不仅较轻巧，同时可以增强透光效果.

网架结构(图4)平面刚度分布均匀，但该体系沿轨道方向的性能过刚，不利于屋面与轨道的贴合.此外，网架也会影响采光顶的整体通透性.因此，网架体系常适用于中大型金属屋面类的开合屋盖结构，例如嘉兴网球馆、国家网球馆等.

桁架体系(图5)造型轻巧美观，当跨度超过20 m以上时较为适用.

2.2 围护系统

开合屋盖围护系统主要视建筑需要采用不同的形式，例如玻璃、阳光板、金属板、膜材等，不同围护系统优缺点比较详见表1.

2.3 对接缝设置

开合屋盖由于在结构上进行了分块，所以活动屋面之间、活动屋面与固定屋面之间、活动屋面与支承结构之间的防水问题十分突出.屋面单元之间的防水、密封问题是开合屋盖结构特有的建筑构造问题，各屋面单元间的结合点是屋面防水的薄弱环节，也是屋面防水的关键所在.解决开合屋盖防水问题需要建筑、结构和机械专业的配合，对其结构设计方案进行一些调整，使之适应建筑构造防水要求.这主要体现在屋面之间是否需要搭接及搭接长度的确定、不需要搭接时屋面边缘形状及屋面之间垂直间距的确定等.

屋盖间结合处采用搭接防水时，两侧屋盖贴主梁边应设置排水沟，结合处采用密封刷进行密封，节点处次构件采用薄壁型钢.

图3 单梁结构体系

图4 网架结构体系

图5 桁架结构体系

表1 开合屋盖不同围护系统优缺点

类型优 点缺 点玻璃1)玻璃透光率最优;2)在无人为损坏的情况下耐久性最好;3)热胀冷缩系数低1)重量大; 2)钢化玻璃价格高;3)抗冲击性能差阳光板1)抗冲击性能强;2)轻便,重量轻;3)防雾滴;4) 经济性好1)使用年限相对较短;2)不经过特殊工艺处理的板材表面不防刮花,容易划伤金属板1)闭合状态遮阳性能最优;2)耐久性好,牢固1)铝合金金属屋面价格相对较高;2)雨天噪音较大膜材1)自重轻;2)造型美观;3)施工周期短;4)具备一定透光率1)保温隔音效果差;2)不同膜材使用年限差异较大,需定期更换;3)外观颜色单一

3 活动屋盖驱动系统

根据动力装置和传动方式的不同，常见开合屋盖的驱动形式可分为摩擦轮自驱式、卷扬机牵引式、齿轮齿条式、链轮链条式、摩擦轮-卷扬机组合式等.

基于中小型开合屋盖的特点——开合面积小、跨度小、活动屋面和固定屋面刚度较大、开合行程短、屋面载荷小等，驱动方式一般可以选择齿轮齿条式、链轮链条式和摩擦轮自驱式[7-9].其优缺点比较如表2所示.

4 电气控制与监测系统

4.1 电气控制系统

根据中小型开合屋盖屋面移动或开合方式电气控制系统的设计应采用闭环控制方式以提高运行的精度.应设置冗余装置来保证系统的可靠性.

表2 不同驱动方式比较以及驱动装置的布置形式，电气系统宜采用主从控制的结构形式，即设置一个主站(控制中心)和多个从站.主站位于控制室，从站一般布置于驱动装置附近.

方式优 点缺 点齿轮齿条式1)驱动力传递可靠,无打滑现象;2)停车精度高,能实现屋盖行程内任意位置的停留和制动;3)通常驱动点为4个,控制点少,相对容易、简单1)对行走轨道及齿条的制造和安装精度要求很高;2)齿轮齿条啮合运行时会产生一定的噪音;3)适用于直线轨道,曲线轨道齿条加工难度高,造价高链轮链条式1)驱动力传递可靠,无打滑现象;2)停车精度较高,能实行屋盖行程内任意位置的停留和制动;3)由于链条的柔性,可适用于直线轨道和圆弧轨道;4)通常驱动点为4个,控制点少,相对容易、简单1)链条的安装精度要求很高;2)链传动工作时有轻微冲击,会产生一定的噪音(比齿轮齿条传动噪音大);3)为防止卡死并保证链轮链条的可靠咬合,通常需要添加浮动装置或结构摩擦轮自驱式1)与起重机行走机构类似,技术最为成熟,部分零部件可选用起重机通用标准零件,造价较低;2)驱动装置可分散于各台车,驱动力矩小;3)轮轨支承系统与驱动系统结构功能集成度高,空间紧凑1)易产生打滑现象;2)停车精度低;3)适用于屋盖平面开合或者坡度较小的场合;4)采用分布式驱动,驱动点位多,控制相对复杂

电气控制系统设计时应合理设定屋盖开合过程中的加速、匀速、减速过程，使屋盖平缓运行，避免产生较大的动载荷.

控制系统应设置紧急停止按钮，在发生故障和特殊情况时及时切断电源.

在中小型开合屋盖屋顶设置1～2个风速传感器，实时检测活动屋盖最高处的风速；当风速超过额定设计风速时，屋盖不可自动开闭运行.

活动屋盖电气系统可以与消防联动设计，消防系统与中央控制系统相连.当发生火灾时，消防装置检测到烟雾后活动屋盖可立即自动开启；同时，主控制器需立即启动火灾应急响应，第一时间保护设备的安全.

驱动系统制动器应采用常闭模式(即断电后制动).

4.2 监控系统

中小型开合屋盖监控系统一般要求在中控室、齿轮齿条啮合位置均布置摄像头进行实时监测，也可在活动屋面高处布置一个长距离宽范围的摄像机，监控整个屋盖整体开合过程.

监控系统的后端设备应集中放置在中控室机柜内.液晶显示器监视各个监测点的情况，可进行大画面切换显示或者整体画面分割显示.

采用工业无线通讯模块，进行点对点、点对多点的无线数据传输，从而实现主从站PLC之间的无线通讯.

将无线遥控装置与主控系统对接，远端设备(如计算机、手机等)只要能联网，无论何时何地均可通过软件集中监控各个PLC和传感器的数据；通过无线遥控器可以远程操控活动屋盖的开启、闭合与停止.

5 活动屋盖维护与保养

5.1 结构维护

5.1.1 主体钢结构维护

不得在任何钢构件的任何部位进行随意焊接、切割、开孔等破坏性行为.如需要对钢结构部分进行改造，须征得原设计单位的同意方可进行.不得在主体结构的杆件上悬挂各类超出设计规定的重物、电缆、管道等设备.在使用过程中，不得破坏支撑钢结构的混凝土结构，发现有油漆脱落、杆件破坏等现象，应及时进行修复.

5.1.2 开闭合屋面系统维护

活动屋盖机械驱动系统与控制系统属于特种设施，应严格按照操作使用说明书进行操作.应进行定期检查或临时检查连接钢结构部件之间、钢结构与台车之间的紧固件.易耗零件应有必要的储备.及时发现并排除驱动系统的故障.随时观察屋面的密封情况，如发现漏水等现象应及时处理.电气设备均应防雨、防潮[10].为确保设备处于良好状态，应进行定期维护管理和定期大修.

根据活动屋盖的实际情况，制定大修年限，建议6年或9年进行一次，大修内容包括：检查钢结构及屋面板的锈蚀情况，重新涂刷油漆；强制报废和更新已经过时的电气元器件；更换机械设备的易损件，保证大修后活动屋盖的机械性能达到最佳状态.

5.2 机械维护

5.2.1 卷扬机维护及保养

将轴承的加油口设置在适当位置，方便添加润滑剂，并采用合适的密封方法进行密封，定期添加锂基润滑脂.对主轴承而言，只需打开轴承盖加入油脂即可；对于其他轴承，使用油脂枪穿过加油嘴加入油脂.如果设备长期停止运转，在重新运转前必须加注新的润滑脂，并且应将轴承的滚道内全部注满润滑脂.

5.2.2 齿轮的维护与保养

卷扬机应定期加注锂基润滑脂.卷扬机的大小齿轮及齿圈应保持清洁，齿面不允许有任何杂质存留；如果齿面出现较多的杂质，应先用汽油对大小齿轮及齿圈表面进行清洗，再加注润滑脂.齿轮的紧固螺栓须定期全面检查，确保螺栓有足够的预紧力.

5.2.3 齿轮减速箱的维护与保养

齿轮减速箱内需定期加入润滑油.齿轮减速箱的维护及保养细节参照产品厂商提供的维护手册.

5.2.4 棘爪部件的维护与保养

棘爪轴装有黄油嘴，用于棘爪润滑，应定期加注润滑脂.如果长期未使用，应在180 天内加注一次润滑脂.

5.2.5 钢丝绳的维护与保养

必须定期在钢丝绳表面涂上一定量的油脂；钢丝绳应按照相关标准进行定期维护、检查和报废.

5.2.6 台车使用维护与保养

活动屋盖运行前，必须确保所有轨道梁的导向轮面平滑，确保轨道梁及轨道上无任何杂物阻碍台车的行走.活动屋盖运行前，须检查所有台车的液压系统油路、液位情况是否正常，同时检查通信、控制及检测信号是否正常.如果间隔15天以上不再运行，则本次运行前应将主轴及台车车轮踏面清理干净后，将主轴重新均匀涂满润滑脂.每月定期检查液压站油箱的油位情况，补充液压油，检查液压油管和控制线路接头是否松动，线(管)路是否受损.检查码盘与台车车轮的接触是否良好.每半年定期将台车车轮和导向轮轴承内注入润滑脂.