八片联动可开启屋盖研究——以杭州奥体网球中心为例

邢超

CCDI悉地国际

业主：杭州奥体博览中心建设投资有限公司

建设地点：浙江省杭州市

建筑设计：悉地国际设计顾问（深圳）有限公司

项目负责人：刘慧

可开启屋盖研究团队：邢超、朱勇军（结构总工程师）、李婷、秦笛、胡伟（NBBJ）、高颖（结构）、曲平（幕墙）、张晓梅、杨守迎

建筑规模：用地面积30 520m2，建筑面积52 312m2

开合屋盖面积：6 000m2（每片750m2，高6m）

屋盖开启时间：约10～25min

固定轨道长度：约7m×8=56m

活动轨道长度：2条20m×8=160m

摄影：悉地国际

1 可开启屋盖对网球中心的必要性

随着国内外大量可开启屋盖技术的应用，其可实施性已日渐成熟，现阶段我们拥有足够的技术支持来实现多种可开启屋盖的形式。高标准的场馆设计与高标准赛事要求相一致，可开启屋盖的设置也是高标准的体现。

杭州奥体博览城作为国际一流的体育中心，开合屋盖的设置将会产生非常好的社会效应和经济效应，使建筑有机会成为城市地标，功能上更具综合性，运营更具灵活性。建成后的杭州奥体博览城网球中心（又称“小莲花”）可以满足除ATP世界巡回大师赛1000系列赛、四大满贯之外的各种主流比赛。除此之外，凭借着影响力和球场的升级，杭州奥体博览城网球中心还可以满足奥运会、亚运会、全运会、中国网球公开赛、大师赛等诸多重大赛事。由于网球赛程的安排非常饱满，各大赛事在世界范围内遍地开花，对举办城市以及球场有很高的要求，尤其当赛事遇到极端天气，更是对球场的考验。于是涌现出越来越多的可开启屋盖网球场，成为体育建筑的一个重要发展趋势。

除了承接各大网球赛事之外，通过临时改造措施，可开启屋盖的配置使单一的网球场具备更丰富的运营形态。2018年第14届国际泳联世界游泳锦标赛中，“小莲花”通过改造成功承接了25m短池竞赛，正是可开启屋盖的设置为建筑空间的使用带来灵活性。

2 从‘平移’到‘旋转’，不同方式的开启研究

可开启屋盖的常规形式主要有：平移式、旋转式、翻转式、折叠式、混合式等。

在“小莲花”可开启屋盖的开启形式研究过程中，由于是基于花瓣状的悬挑屋盖之上考虑如何“加盖”，因此必须保证原有形态不被改变，可开启形式在原有屋盖基础上具备高度的可实施性，同时造价又控制在合理的范围内。通过多轮多方向的方案比选，我们最终把焦点集中在平移式、平移倒挂式和旋转式这三种开启形式。

（1）平移式的技术在当下最为成熟，国内外实施的案例较多。开启屋盖分为相互平行的几个活动单元，按照移动方向设置平行的轨道，每个活动单元沿着既定的轨迹移动。开启方向呈线性，轨道与活动屋盖的连接成直线，受力简单。起初，我们将原始花瓣形态做变异，调整“花瓣”的模数，使不同的花瓣有6种，单元重复率为4次。同时，整体结构结合平行轨道设置的4个正交钢桁架，在支撑罩棚体系的同时，其中2个也承载平行轨道及活动屋盖部分的荷载。虽然整体形态仍然保持原有方案的风格，开启屋盖轨道系统与花瓣造型有机结合，但非标准化程度加大，开口形式与整体形态之间契合度不高。

（2）为了解决上述问题，我们又尝试将开启屋盖倒挂在固定屋盖之下。经研究发现，为保持活动屋盖的稳定，实现开合至少需要在活动屋盖的中部增设2条轨道，且必须采用吊装的方式将其置于可开启屋盖和罩棚之间。为保证馆内的合理空间高度，建筑高度会抬高，对固定罩棚的形态影响很大。活动屋盖吊装的技术相对屋盖正装难度更大，活动屋盖的轨道除需满足屋盖移动的要求，还需承载活动屋盖的拉力与更大的结构变形风险，同时内置的可开启屋盖与罩棚之间的密闭性也很难保证。

1 杭州奥体博览城网球中心决赛馆

2 杭州奥体博览网球中心

3 水平开启——活动屋盖在固定屋盖之上

4 水平开启——活动屋盖在固定屋盖之下

5 研究过程

6 研究结论

（3）我们最终将研究焦点仅集中于旋转屋盖，这种方式的可开闭屋盖分为多个活动单元，每个活动单元以轮轴为支点转动。在这种定轴旋转可开启屋盖研究中，分别采用了6片活动单元和8片活动单元的比选，最终选用8片独立单元“旋转式开启”屋盖。无论开启或关闭的状态，旋转式的开启模式造型与主体罩棚的“花瓣”造型在结构逻辑上统一。最大的优势是标准化程度高，移动、固定花瓣围合关系相得益彰，逻辑上也维持了向心的原则。

在方案确定之后，又经历了长达半年的技术可实施性研究。旋转式的各活动单元全部或各自沿着一根垂直轴线转动，开启方向为弧线，轨道及支承轴与活动屋盖的连接节点复杂，受力也相对复杂。“小莲花”在原有悬挑26m的固定屋盖上再悬挑30m，旋转屋盖的支撑载体为固定屋盖，因此活动屋盖以及罩棚的结构构件相对庞大，对使用过程中产生的结构变形、闭合后的密闭性等提出了更高的技术要求；在闭合、开启及开启状态下的荷载、风荷载、支承力、连接方式等方面需要进行详细的设计及模拟测试后才可实施，因此技术难度更高。

3 杭州奥体网球中心决赛馆可开启技术的创新

虽然在定轴旋转可开启屋盖技术的应用中，“小莲花”并不是首例，但基于项目的特殊性，开启屋盖的设置是确定了网球场方案形态之后才开始考虑的。因此，我们必须考虑“网球场”如何通过设计升级转变为“网球馆”。这其中需要顾及到结构体系、建筑功能空间、防水排水措施等如何“升级”，建筑密闭构造、传动设备安装、室外变室内后的空气环境、建筑声学措施等如何处理。面临全新的挑战，我们也在既有成果的基础上进行了一次又一次的创新。

3.1 结构创新：保证每个活动屋盖平稳旋转

该项目的结构设计难点在于，8片悬挑旋转开闭屋盖结构在开启、关闭及运行过程中不同角度的风荷载、地震荷载、温度作用等工况下，支撑力及连接方式有很大差异，内力和变形也不同。为了保证八片大悬挑屋盖的正常工作，整个结构体系不论在哪种受力状态下都要保持均匀和更小的变形。

在悬挑结构上，如何保证每个活动屋盖平稳旋转是我们重点研究的课题。杭州奥体网球中心决赛馆的整体屋盖体系为固定屋盖罩棚外边缘直径约133m，罩棚最大宽度37m，悬挑长度约26m，中心开口直径约60m，罩棚结构最高点标高30m，每个“花瓣”结构单元在屋顶形成“叠片”趋势。因此要想在固定屋盖上方设置8片悬挑平面旋转开闭屋盖，且单片屋盖径向长45m、宽25m，闭合状态下悬挑30m，同时实现平稳旋转，首先需要对固定屋盖顶面进行优化，保证水平的趋势，为固定轨道的安装提供良好的条件。

另外就是支撑体系。每榀设置一个固定转轴及三条同心旋转轨道结构，其中两条轨道固定在移动屋盖上，一条轨道固定在固定屋盖上，这样为固定、旋转两屋盖之间提供了相互依存的必要条件。其次要解决的是在悬挑的结构上，保证每个活动屋盖平稳旋转：1）三条轨道相对于转轴为三个同心圆，开启角度不同，轮子支撑点相对于移动屋盖位置不同；2）主动轮、反力轮固定在固定屋盖上，在移动屋盖转动时相对于移动屋盖的位置有所变化；3）从动轮固定在移动屋盖上，在移动屋盖转动时保持与移动屋盖的相对位置不变。

7 杭州奥体博览城主体育场区航拍图

8 整体结构剖切示意图

9 钢结构罩棚

10 活动屋盖平稳旋转下支撑体系示意图

11 动态过程的结构稳定性分析

12 闭合及开启状态的结构稳定性分析

13 闭合状态轮/轴/重心示意图

14 轨迹线示意图

轮轨的布置原则直接影响结构的稳定性，需要通过轮轨布置达到活动屋盖的形心和重心尽量重合，使三个轮子的重心位置与单片移动屋盖的中心线位置尽量重合，以提高移动屋盖的整体稳定性。如图11所示，蓝色为三个轮子构成的三角形，红色为屋盖外轮廓构成的三角形，绿色圈为三个轮子位置。同时又对不同角度中心和形心的状态做了复核，研究每个旋转角度屋盖重心和轮子合力重心的距离，发现闭合状态受力最为不利，开启状态受力最为有利。

3.2 构造创新：结构变形、密闭、排水问题的应对

研究中我们发现，抵抗结构变形不能一味地依靠加强结构的体系来完成。整个屋盖跨度加大、负荷面积增大，屋盖的竖向变形控制会更为严格，因此在建筑构造上就要留出足够的抵抗结构变形的空间，而这个空间又会和场馆的密闭性形成一定的矛盾。

针对这个问题，我们尝试在固定屋盖与可开启屋盖之间用于轨道、检修、排水等的高度中，通过联动措施设置若干开闭的门扇，将其安装在固定屋盖上，关闭时与活动屋盖之间设置软连接，以保证足够的缓冲和密闭性。与此同时，在固定屋盖端头设置雨水沟及雨水斗，做好泛水及防水措施，确保雨水不会蔓延至室内。在可开启屋盖之间需要形成上下搭接的关系，位于上方的单元一侧设置一条水沟，并考虑足够的泛水高度，位于下方的单元一侧设置主副两条水沟，起到充分的保护作用，两个搭接边缘通过柔性连接封闭。每个活动单元周边的水沟均通过结构找坡，也就是说“花瓣”结构体系的下悬是由“保证花瓣平稳转动”的需求决定的，而上悬是由“雨水排向坡度要求”决定的。雨水沟既要保证主副沟的合理排水坡向，又要保证雨水及时排出，合理均匀设置雨水斗，收集至屋面集水坑或直接排走。同时，雨水的排放还要充分考虑到开启状态、闭合状态、运转状态下雨水的走向、排向与固定屋盖排水系统的紧密结合。在活动单元端头，安装在其中一个活动单元端部的“帽子”将最中央区域覆盖，通过联动装置实现升降，在活动单元的端部设置水沟将雨水及时排出，防水、密闭措施同理，确保雨水不会蔓延至室内。

3.3 设备创新：确保“花瓣”动态下的友好距离

在活动屋盖运行中，相邻活动单元之间的关系时刻在变化。因此，确保每时每刻花瓣间都不碰撞也是本项目的研究难点。结构线形并不是仅仅与屋面板保持一定的距离，还需要确定在活动单元运行至相互距离最不利处时，两侧搭接的雨水沟也不发生碰撞，这是需要通过多次实验来验证的。边界的可行性形态经验证后，再来反推结构边缘杆件的线形。同时为保证屋面檩条、龙骨体系逻辑清晰，结构上悬杆中心线与屋面表皮呈等距关系，也是通过计算机模拟实验得出。

由于花瓣开启风格的独特，固定屋盖与活动屋盖之间的关系注定需要一套创新的驱动设备来完成。在与设备方研究的过程中，借鉴了上海旗忠网球中心的系统，以固定点作为转轴，通过三条轨道和车台装置来实现。但不同的是，本项目将一条固定轨道梁安装在固定屋盖上，两条活动轨道梁安装在活动屋盖上，在主动轮与从动轮的共同作用下来完成这个过程。台车装置用于支撑活动屋盖的结构，根据轮压和支撑点反力确定了布置形式，轨道梁用于安装固定轨道，同时是保证水平约束和防倾覆装置起作用的受力支撑结构，轨道梁还承担活动屋盖结构和固定屋盖结构之间荷载的传递作用，承担机械驱动系统的动力传递作用，在活动屋盖系统中起过渡和连接的作用，最终通过研究与轨道梁的几何关系确定了整个驱动系统。

15 闭合及开启状态室内效果

16 中心端部节点示意效果图

17 屋盖平面示意图

18 固定屋盖与车台装置系统图

19 固定屋盖与车台装置系统效果图

20 屋盖开启过程效果图

21 屋盖开启过程单元示意图

打开屋盖流程为：接通电源——中心封闭装置上升——屋盖前端闭锁机构开锁——驱动机构闭锁打开——接通打开开关把屋盖打开——打开到位后停止——驱动机构闭锁锁紧——切断电源；关闭屋盖流程为：接通电源——打开驱动机构闭锁——接通关闭开关把屋盖关闭——关闭到位后停止——驱动机构闭锁锁紧——屋盖前段闭锁机构锁紧——中心封闭装置下降——切断电源。

4 结语

“小莲花”如今已经在钱塘江畔夺目盛开，她的绽放离不开每一个参与者的坚持、开拓与进取，是大家不懈地追求卓越而取得的成功。杭州奥体博览城网球中心是CCDI公司在体育场馆设计定轴旋转开启屋盖建筑的第一例，也因造型特殊、难度高而成为技术含量最高的体育场馆之一。我们从零开始，充分整合国内外资源，经过一系列学习、研究、实验等终于将概念变为现实，填补了公司定轴旋转开启屋面技术的空白，为我司尖端技术领域又摘得一枚桂冠。相信在2022年杭州亚运会上，“小莲花”可以向全亚洲乃至全世界璀璨开放，绽放更加多姿多彩的瞬间，为人们带来更多精彩的体验。