智能扇形活动遮阳装置的研究与应用

杜向浩 林 谷

广州市第三建筑工程有限公司 广东 广州 510050

随着我国国民经济和工业与民用建筑的飞速发展，人们对建筑物功能的追求也发生着翻天覆地的变化，建筑物的适宜采光及建筑物的智能化应用程度，是现代建筑评价的重要指标。扇形遮阳装置是一种前沿的设计结构，由半圆形框架、半圆形导轨、支撑杆、顶半环、伞形遮阳面料、手动调节控制机构等组成建筑顶部结构[1]，通过可伸缩支架展开或收起覆盖材料，达到遮风、挡雨、采光的目的。该装置可伸缩支架结构使用操作烦琐，且伸展面积较小，承载力小，有较大的局限性。

目前，国内外对于建筑物顶部异形结构的采光研究很少，能结合应用智能化控制的更少。本文基于项目案例，对既有结构加装扇形活动遮阳装置进行研究，很好地满足了业主对遮阳装置的各项功能需求，解决了行业既有遮阳装置的技术弊端。

1 工程概况

某大型综合楼项目工程，建筑物顶部有一扇形镂空结构（图1），半径11.5 m，面积约为420 m2，建筑物高15.9 m。

图1 天面镂空结构平面

采光度作为衡量现代化建筑设计成败的一项重要技术指标，适合调节射入建筑物内部的光量[2]。对于遮阳时间的确定，国内采用指标衡量法，即确定太阳辐射大于240千卡/m2（约1 004 604 J/m2）以及室内温度达到29 ℃以上的月份确定为遮阳季节[3]。如何控制适宜的采光量和采光时间，以及如何实现智能化控制是设计的核心问题。

目前，比较常见的建筑采光结构是对外敞开的穹顶结构。针对本项目的扇形镂空结构特点，可伸缩支架结构通常为直线运动机构，不适用于本项目遮阳机构的运动轨迹及结构载力。对于该项目工程的镂空结构，根据业主要求，在满足采光和遮阳要求的同时，需达到现代化、智能化控制的使用目的。

2 研究内容

运动机构设计：扇形活动遮阳装置利用2块大小不一、高度错落嵌套的遮阳棚，上下层叠布置并围绕一中柱旋转，弧边设有滚轮，并设置有和滚轮配套的轨道（图2、图3）。在弧边外侧驱动遮阳棚的安装座中设置电机，电机通过齿轮齿条的啮合传动，从而带动遮阳装置的精确开启与关闭动作。

图2 遮阳装置侧立面结构

图3 扇形遮阳装置平面结构

齿条的设置采用齿面向下的布置，避免啮合齿间聚集尘土，造成传动机构的失效，同时可以限制遮阳棚沿齿轮连同遮阳棚向上的位移，保证齿轮齿条啮合效果和机构稳定长效运作。

通过在遮阳棚径向侧边设置橡胶条限位块来实现主驱动扇形遮阳棚带动另一块被动运动遮阳棚的开启与关闭，扇形结构侧边的极限位置设置橡胶封闭条，装置关闭状态下，达到防风、防雨的目的，避免雨水从2个遮阳棚的间隙飘入。

遮阳材料选择：遮阳棚的膜布采用PTFE的网格膜，透光率20%（透光率可根据业主需求进行调整），遮阳棚的膜布通过专用铝型材和螺丝固定在遮阳棚的骨架上，更换方便。

智能控制系统的设计：现场控制系统作为环境感知节点和智能化控制终端[4]，设置雨水、风量、光照度等传感器监测天气变化数据，数据分析中心通过对传感器收集的天气数据进行比较分析，当天气数据值达到或超过设定控制阈值时，即可发出驱动信号，控制步进电机，打开或关闭遮阳棚，实现控制的目的。

3 施工工艺流程

本工程遮阳装置的总体安装顺序为：遮阳装置基础施工→遮阳装置轨道制作及铺设→遮阳装置中轴柱及骨架施工→遮阳装置机电安装→遮阳装置膜布安装→遮阳装置智能控制系统设计。

3.1 遮阳装置基础施工

遮阳装置基础为宽800 mm、内径11 650 mm的半圆条形混凝土基础，强度为C30。转轴基础长2 300 mm，宽1 800 mm，厚550 mm，混凝土C30。

测量放线，确定遮阳装置滑轨、中轴基础位置及预埋件位置，放线标注出基础位置。按设计规格浇筑弧形基础，并做好轨道预埋件的精确控制。

3.2 遮阳装置轨道制作及铺设

3.2.1 轨道固定及安装

遮阳装置轨道固定件（尺寸80 mm×40 mm×5 mm的8 mm厚槽钢）沿预埋件精确测量定位，并利用红外激光仪器控制固定件的平整度，通过垫块微调的方法调整优化后安装固定，以此来弥补因混凝土浇筑精度不足的影响。

沿轨道固定件上放置直径30 mm的镀锌钢作为轨道，采用铝热焊法焊接轨道，确保固定件的平整度，并在焊接前做好复测，焊接要按照设计要求施工。

3.2.2 齿条固定件安装

在轨道固定件外侧布置齿条固定件（尺寸80 mm×40 mm×5 mm的8 mm厚槽钢），齿条通过螺栓紧固件机械连接固定在固定桩上，槽钢固定桩通过膨胀螺栓固定在混凝土承台上。固定桩刚度稳定，保证运转过程中不影响齿条精度，能够达到设计要求[5]。齿条固定在齿条固定件上，并且齿面朝下，以此避免灰尘、杂质通过润滑油的黏附性堆积于齿间，造成齿轮齿条的啮合传动失效。

3.3 遮阳装置中轴柱及骨架施工

3.3.1 中轴安装

在中轴基础的预埋钢板上标注出中轴柱以及边柱的定位固定点。通过预埋件将中轴柱（高3 m，直径245 mm）精确安装并固定，精确复测调整好中心柱的尺寸位置。根据复测尺寸，采用相同施工方法安装固定2根边柱（高3 m，直径160 mm）。

用直径160 mm的无缝钢管把中轴柱以及2个边柱两两焊接在一起，形成三角固定（图4）。

图4 中轴柱施工平面示意

3.3.2 推力轴承安装

在中轴柱上端安装遮阳装置的推力轴承、轴套及遮阳棚骨架的连接件，并进行连接件绕中轴柱的旋转运动测试（图5）。

图5 中轴轴承结构示意

3.3.3 钢骨架制作与安装

遮阳装置的骨架采用现场制作安装，由吊车把材料吊运至建筑物天面处。遮阳装置的主骨梁为2根80 mm×140 mm的钢管对接焊接成1根主梁（接头内部有加强的接头），并且顶角处的主梁焊接在中轴的轴承外置结构上，与中轴形成铰接。

遮阳装置的弧边位置焊接1条80 mm×140 mm钢管作为遮阳棚前段。

考虑到弧边位置处女儿墙，遮阳装置应能遮挡住女儿墙，并且起到防止雨水飘入的作用，另外焊接2条与弧边骨架相同长度的钢梁（由80 mm×140 mm的钢管对接焊接成1根钢管），在弧边骨架下方用钢管与钢梁焊接连接，形成围蔽遮挡结构，包住女儿墙，在弧边底部设置滑动底座结构（图6）。

图6 遮阳装置扇形结构钢骨架立面

在遮阳装置的径向侧边，同样考虑到防风防雨的情况：焊接一钢梁（由60 mm×120 mm钢管组成），接头内部位置有加强的接头。把钢梁焊接在侧边主骨架下方，用钢管与主骨架连接。次级遮阳棚侧边骨架底比女儿墙面低，主驱动遮阳棚侧边骨架比女儿墙稍高一些。在主驱动遮阳棚骨架下加上一PTFE膜布封边，并用此方式阻挡雨水从遮阳棚与女儿墙中间缝隙飘入。次级遮阳棚骨架与女儿墙间隔为130 mm，主驱动遮阳棚骨架封边膜布与女儿墙间隔170 mm，通过控制齿条的长度来固定遮阳装置的开启与闭合程度，并且控制遮阳装置与女儿墙的距离，避免骨架与之碰撞（图7）。

图7 两扇形遮阳棚上下搭接剖面结构

2个遮阳棚中间存在空隙，存在飘雨的问题，图纸设计中是由2片遮阳棚交错形成重叠以此达到防雨防风效果。

后面综合考虑到遮阳棚之间的连接问题，对原图纸做出深化修改，提出下列方案：

1）在2个遮阳棚骨架交接处焊接1条不锈钢折边，并从顶角处一直延伸至弧边位置。

2）在折边碰触位置加贴橡胶条减缓碰撞。

采用上述方案来避免两遮阳棚中间飘入雨水的可能性，并且由此设计折边来连接2个遮阳棚，即当主驱动遮阳棚开启到一定程度后，由折边橡胶条带动小片遮阳棚继续开启或者关闭。

3.4 遮阳装置电机安装

电机采用意大利进口的驱动步进电机，额定功率达到550 W，最大扭矩400 N·m，最大负载3 500 kg。

在主驱动系统遮阳棚的弧边外侧加装驱动步进电机，电机通过传动机构最终经由弧形平台上的齿条完成齿轮齿条啮合。通过齿轮齿条的啮合传动，可高精度控制遮阳棚的运动轨迹和开合程度。遮阳棚弧形边及侧边均设置有防雨条，保护驱动机构及啮合传动机构不被雨水打湿。另外，齿条采用齿面向下的布置，避免啮合齿间聚集尘土，造成传动机构失效，同时可限制遮阳棚沿齿轮连同遮阳棚向上的位移，保证机构稳定性及长效运作（图8、图9）。

图8 电机轨道示意

图9 电机与导轨连接

3.5 遮阳装置膜布安装

遮阳棚的膜布采用PTFE的网格膜（透光率20%），通过专用铝型材和螺丝固定在遮阳棚的骨架上（图10）。在安装的过程中应注意对膜布进行保护，避免对膜布造成损坏，并将其拉平，用力要均匀。

图10 膜布安装示意

1）在钢梁骨架旁边焊接一角铁，从转角位置一直延伸至弧边位置，角铁每隔1.5 m开一孔洞。

2）膜布一端用铝材固定在角铁上，并用螺丝固定。

3）膜布宽幅1.5 m，从弧边位置开始铺设，从固定端拉平至另一端，拉紧后固定。

4）膜布需要拼接起来，后铺设膜布搭接在先铺设膜布上方，搭接长度50 mm。

在大片遮阳棚侧边用膜布进行封边处理，以此解决侧边防风防雨的问题（图11、图12）。

图11 大片遮阳棚侧边封边

图12 遮阳装置施工完成效果

3.6 遮阳装置智能控制系统设计

控制系统采用手动与智能化控制方案一体化设计，遮阳棚附近设置有温度、湿度、光照等传感器，传感器连接至数据分析中心，通过对传感器收集的天气数据与设定数据进行比较分析，决定是否驱动步进电机完成遮阳棚的开闭状态。在遮阳棚控制中心加装WIFI无线收发模块，可以实现手机登录控制界面查看或完成遮阳棚的启闭动作以及控制模式的选择与控制。

智能控制模式状态下通过天面传感器采集风速、水量、光照强度等自然天气情况，数据处理中心通过将采集到的数据与设定参数进行比较分析，当天气数据值达到或超过设定控制阈值时，即可发出驱动信号，控制步进电机，打开或关闭遮阳棚，实现遮阳棚智能控制的目的。

用户也可以实现手动控制模式，遮阳棚的开闭由人工完成。手动模式状态下，当出现极端天气状况，采集到的数据达到设定关闭遮阳顶棚的工作状态，且热红外人体感应器在检测范围内未检测到有人员活动，则自动转为智能控制模式[6]。

4 结语

通过功能分析，实现驱动、传动、智能控制等一体化方案设计，通过图纸的深化、结合现场实际情况，利用2块大小不一、高度不同的遮阳棚上下层叠布置并围绕一中柱旋转，弧边设有滚轮，并设置有和滚轮配套的轨道，达到了可以承受更大自重，实现更大体积并且结构稳定的效果。该设计艺术效果明显，适用于在穹顶或平屋楼镂空结构的上方，用于遮阳及合理化采光通风，同时穹顶或平屋顶镂空结构亦可以实现360°全屋顶采光遮阳，或改进后应用于非规则镂空结构的采光顶棚设计应用，极大实现了本装置技术拓展开发及推广应用的价值。