活動屋蓋驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計

活動屋蓋驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計

自20世紀80年代末以來，大型房屋翻新項目在發(fā)達國家得到了迅速發(fā)展。1989年建成的加拿大多倫多天空穹頂是現(xiàn)代大型開合屋蓋結構中的經(jīng)典之作,美國1998年建成菲尼克斯棒球場與亞利桑那州棒球場,2000年建成休斯敦棒球場和米勒棒球場均為開合屋蓋結構。日本在20世紀90年代初至2000年初是開合屋蓋建設的鼎盛時期。在歐洲已經(jīng)建成的開合屋蓋建筑中,最知名的是1997年建成的荷蘭阿姆斯特丹體育場和2005年竣工的英國溫布利足球場。目前國內(nèi)已經(jīng)建成的帶有開合屋蓋的大型建筑還比較少,2005年建成的上海旗忠網(wǎng)球館、2006年建成的南通體育會展中心、2000年建成的浙江黃龍體育場是目前國內(nèi)規(guī)模較大的開合屋蓋建筑。由筆者完成的鄂爾多斯東勝體育場和國家網(wǎng)球中心新館等帶有開合屋蓋的工程正在建設。本文對開合屋蓋的特點、近年來國內(nèi)外的應用情況以及設計實踐進行了簡要回顧。1大跨度結構的應用,實現(xiàn)以開履行5.開合屋蓋是一種較為新穎的建筑形式,它打破了傳統(tǒng)室內(nèi)空間與室外空間的界限,可以根據(jù)使用功能與天氣情況在室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境之間進行轉(zhuǎn)換,很好地滿足全天候的使用需求。帶有開合屋蓋的建筑,可以進行開啟、關閉操作。開合屋蓋的應用對象初期以游泳館、網(wǎng)球館等體育建筑為主,規(guī)模逐漸從小型建筑發(fā)展到大型工程。與傳統(tǒng)的大跨度結構相比,開合屋蓋除廣泛采用現(xiàn)代建筑結構的設計理念外,對結構設計技術、施工安裝精度也提出了很高的要求,此外,由于活動屋蓋的行走裝置采用很多機械傳動與控制技術,因此開合屋蓋的設計涉及到建筑、結構、機械、自動化控制等多個學科領域。開合屋蓋通常由活動屋蓋、固定屋蓋與驅(qū)動控制系統(tǒng)構成,與普通的大跨度空間結構相比,其技術復雜性大得多。目前我國自主完成的開合屋蓋設計還比較少,尚未制定開合屋蓋結構相關的技術規(guī)程。1.1對復雜的開啟方式迄今國內(nèi)外已經(jīng)建成的開合屋蓋建筑有多種活動屋蓋移動方式。開合方式應根據(jù)建筑創(chuàng)意、使用功能、地理環(huán)境、氣象條件、運營管理方式等條件綜合確定。活動屋蓋的基本移動方式包括水平直線移動、水平旋轉(zhuǎn)移動、空間平行移動、膜褶皺移動、膜平行折疊移動等多種運動方式。通過對以上方式進行組合,可以形成更為復雜的開啟方式。過于復雜的開啟方式,增加設計與建造的難度,影響活動屋蓋運行的可靠性。開合屋蓋根據(jù)可開啟面積的不同分為全部開啟與部分開啟兩種情況。對于中小型建筑,整個屋面可以成為可移動屋面;對于大型建筑,綜合考慮使用功能、工程造價、技術可靠性等因素,一般僅有部分屋面可以移動。在確定開啟率與開啟部分形狀時,應考慮開啟后的固定屋蓋陰影對場地使用的影響。1.2活動屋蓋選型和質(zhì)量開合屋蓋的結構體系由活動屋蓋與下部混凝土構件或固定屋蓋構成?；顒游萆w應盡量采用對變形不敏感的柔性結構形式。驅(qū)動控制系統(tǒng)應具有對于主體結構安裝偏差、極端氣象條件,如溫度、風荷載、雪荷載等作用下結構變形的充分適應能力,確保在軌道不平整等情況下正常運行。此外,活動屋蓋質(zhì)量分布應比較均勻,能保證閉合時各板塊接縫處的防雨構造貼合緊密。應嚴格控制結構自重,減小屋蓋移動驅(qū)動力的需求,優(yōu)先選擇重量輕的膜材或金屬板作為屋面材料。支承活動屋蓋的混凝土結構或固定屋蓋在各種荷載下具有足夠的強度與剛度,保證支承活動屋蓋臺車軌道主桁架足夠的剛度,對于確保活動屋蓋運行順暢至關重要。開合屋蓋的施工精度應嚴格控制,并通過預起拱等措施保持準確的外形尺寸,這對于保證軌道安裝的精度與活動屋蓋板塊之間的密封非常重要?；顒游萆w運動時,相當于巨大的移動荷載,軌道支撐結構的剛度,特別是豎向剛度非常關鍵,應嚴格控制軌道在活動屋蓋行走過程中的變形量。1.3驅(qū)動與控制裝置在使用時也需要更換應根據(jù)屋蓋開合的移動方式與固定屋蓋、活動屋蓋結構的具體情況,選擇相應的驅(qū)動方式,進行開合機械設備的設計,使其能夠?qū)⒒顒游萆w的作用力可靠地傳遞給固定屋蓋及下部支承結構,確保活動屋蓋的行走機能充分發(fā)揮?？刂葡到y(tǒng)的設計應與開合機械設備和屋蓋開合移動方式相適應,并能隨時糾正活動屋蓋運行中的人為操作失誤。在活動屋蓋運行中部件受到摩擦、沖擊等作用,逐漸產(chǎn)生磨損與變形,需要在設計時考慮能夠進行維修或更換。開合裝置應經(jīng)常檢修,保證其性能正常。在不影響其他設備與結構安全性的情況下,驅(qū)動與控制裝置可進行維修與零件更換。迄今為止,活動屋蓋常用的驅(qū)動系統(tǒng)包括輪式驅(qū)動、鋼絲繩牽引、齒輪/齒條、鏈條/鏈輪等4種方式。輪式驅(qū)動是將電動機安裝于臺車之上,通過電動機驅(qū)動車輪,利用車輪與軌道之間的摩擦力驅(qū)動臺車,適用于活動屋蓋在水平面的直線或圓弧剛性軌道上行走。鋼絲繩牽引是在臺車上或其他部位設置卷揚機,通過卷揚機的卷筒纏繞鋼絲繩牽引活動屋蓋,適用于活動屋蓋在平面或空間的平行軌道上行走。齒輪與齒條驅(qū)動是將電動機安裝于臺車之上,通過電動機驅(qū)動齒輪沿固定于軌道的齒條上行走,利用齒輪與齒條之間的咬合力驅(qū)動臺車,主要適用于下部結構剛度很大、軌道變形量很小的情況。鏈條與鏈輪驅(qū)動是將鏈條的端部固定或?qū)㈡湕l沿軌道固定,臺車上的電動機驅(qū)動鏈輪,通過鏈輪與鏈條之間的咬合作用驅(qū)動臺車,適用于活動屋蓋在平面或空間的平行軌道上行走。在驅(qū)動系統(tǒng)設計時,應綜合考慮可靠性與經(jīng)濟性指標,經(jīng)過對多種驅(qū)動方式進行全面的技術經(jīng)濟比較后,最終確定活動屋蓋驅(qū)動方式。1.4開合式屋蓋控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)確?；顒游萆w能夠在軌道上無偏斜移動。為防止人工操作引起的誤操作,引入自動控制操作系統(tǒng),實現(xiàn)自動/手動兩種操作模式之間的自由切換?；顒游萆w控制系統(tǒng)包括:(1)啟動、停止(制動)加速度控制;(2)速度與同步性控制,防止出現(xiàn)卡軌、蛇形運動,對于軌道不均勻變形具有即時調(diào)適能力;(3)緊急制動控制可以防止開合式屋蓋在電氣故障、供電突然中斷或機械系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時出現(xiàn)滑落現(xiàn)象,保證活動屋蓋在風、地震及其他特殊情況下的安全性;(4)防止運行過程中的輻射電訊干擾;(5)防雷保護;(6)安全報警裝置,活動屋蓋應正確安裝前照燈、傳感器、風速儀等報警裝置。開合屋蓋控制系統(tǒng)設計應考慮適當?shù)娜哂喽?即使某一部位缺陷導致出現(xiàn)故障,不影響其他部位。設置必要的安全裝置,在開合故障、運行失誤或維護不當情況下,也不應引發(fā)重大安全事故。2國外房屋地板項目2.1調(diào)整鋼結構、有限元屋頂模型1)西雅圖新太平洋西北棒球場(見圖1)位于華盛頓西雅圖,觀眾席47116座,跨度200m,屋頂面積40470m2?；顒游萆w采用門式鋼桁架結構,開啟方式為水平移動式,閉合時間20min。該工程于1999年建成。2)亞利桑那州菲尼克斯棒球場(見圖2)位于亞利桑那州美國,主要用于棒球比賽。建筑高度67m,固定屋蓋平面尺寸為228m×228m,開合屋蓋面積21000m2,屋面材料為金屬板,活動屋蓋采用四層屋面疊放方式,開合時向兩側(cè)水平移動,開合時間為5min。該工程于1998年建成。3)瑞蘭特體育場(見圖3)位于德克薩斯州的休斯頓,為職業(yè)橄欖球場,擁有7.15萬個觀眾席。它有兩個擁有巨型鋼鉸鏈的可開啟屋頂板,每塊長73.152m,寬117.348m,開口面積1.7884萬m2。活動屋蓋采用空間管桁架體系,屋面采用高透光率的膜材。開啟方式為水平移動式,鋼纜繩驅(qū)動,可在10min內(nèi)打開或關閉。該體育場建成于2002年。4)休斯頓安然棒球場(見圖4),位于德克薩斯州休斯頓,主要用于棒球場比賽。下部看臺采用混凝土結構,活動屋蓋分為上下兩層,開合方式為水平移動方式,開合時間約為20min。該工程于2000年建成。5)菲尼克斯大學體育館(見圖5),位于亞利桑那州菲尼克斯,面積為15.8萬m2,可用于足球比賽及多功能使用,大跨度鋼結構,采用半透明纖維織物屋面材料?；顒游萆w采用空間移動式,鋼纜繩驅(qū)動,開閉時間約12min,于2006年建成。6)威斯康星州米勒運動場(見圖6)位于威斯康星州密爾沃基市,觀眾席42500個,75個露天包廂和3000個俱樂部座席,主要用于棒球比賽,屋面材料采用PTFE膜材。開合方式為繞樞軸移動方式,可以完全開合的疊放扇形屋頂,扇形平面直線邊長180m,旋轉(zhuǎn)移動由鋼纜繩驅(qū)動,開合時間約為10min,于2001年建成。蒙特利爾奧林匹克體育場(見圖7)位于魁北克省蒙特利爾市,為多用途運動場,屋面呈橢圓形,平面尺寸為305m×260m,膜面積18500m2,屋面高度53m,桅桿高度168m,屋面材料為聚氯乙烯涂層玻璃纖維膜材(PVC)。屋蓋開口部位呈橢圓形,長軸180m,短軸120m,面積18000m2。開合方式為折疊移動式,開合時間約45min,1987年竣工。2)多倫多天空穹頂(見圖8)位于安大略省多倫多市,1989年建成,它是世界上第1座采用現(xiàn)代驅(qū)動技術大型開合金屬屋頂,直徑208m,高86m。整個屋蓋由4塊單獨鋼網(wǎng)殼組成,其中3塊可以移動,中間部分為2塊筒狀網(wǎng)殼,可水平移動,兩端為兩塊1/4球殼,其中1塊固定,1塊可旋轉(zhuǎn)移動180°?？砷_啟面積為31525m2,屋蓋開啟后91%的座位可露在外面,賽場面積開啟率可達100%,開合時間約20min。2.3高爾夫球場國外汽車總量為10.1)卡迪夫千年體育場(見圖9)位于英國的威爾士,為橄欖球世界杯而建,可容納觀眾72500人。開合方式為空間移動方式,是英國首個開合屋頂體育場,可在20min之內(nèi)開閉,屋頂結合了音樂廳隔音技術,保證對周圍居民不產(chǎn)生噪聲,于1999年完工。2)溫布利體育場(見圖10)位于英國倫敦,是2012年倫敦奧運會足球比賽用場,可容納觀眾100000人,已成為英國最現(xiàn)代化的國家足球場?？v長的場地兩端為兩個半圓形,與跑道形狀相對應,看臺也被建成縱長形,溫布利球場長105m,寬69.5m。開啟方式為組合方式移動式,50000m2的屋頂可隨意開閉,并保證空氣和光線可到達賽場內(nèi)任何角落。該體育場2007年建成。3)溫布爾頓中心球場(見圖11)位于英國倫敦郊外的溫布爾頓,是溫布爾頓網(wǎng)球公開賽的主比賽場。改造后的溫網(wǎng)中心球場的可開啟屋蓋是一種可折疊的膜結構,當屋蓋處于開啟狀態(tài)時,屋蓋折疊壓縮后只占很少面積。屋蓋使用了大約5200m2高透光率可彎折膜材。共有10榀桁架跨越體育場,跨度約為77m。每榀桁架的端部設置臺車,屋蓋能夠在10min內(nèi)關閉。4)阿姆斯特丹體育場(見圖12)位于荷蘭阿姆斯特丹市,為多功能運動場,建筑平面尺寸為180m×250m,開合尺寸71m×108m,屋面采用鋁板、半透明塑料板,建筑高度75m。阿姆斯特丹體育場為移動結構和固定屋蓋分別設置單獨的支撐結構,減小結構間相互影響和支撐結構的尺寸。驅(qū)動方式采用齒條和齒輪。開合方式為空間移動式,開合時間約30min,于1996年建成。5)西班牙薩拉戈薩體育場(見圖13),1988年建成,用于斗牛及多功能體育場。屋蓋直徑82.7m,開合屋蓋直徑36m。屋蓋采用聚氯乙烯涂層玻璃纖維膜材,開合屋蓋采用折疊開啟式。6)杜塞爾多夫體育場(見圖14)是位于德國杜塞爾多夫的一座多功能體育場,設計了可移動屋頂,體育場最多可容納51000名觀眾。為了與平面圖的形狀相配,屋頂結構由2個180m的主桁架和2個115m的次桁架組成。主桁架和次桁架形成一個矩形屋頂結構,可以在30min內(nèi)實現(xiàn)開啟或閉合。開啟方式采用可展桁架方式。2.4高爾夫球場氣候條件1)特爾斯特拉體育場(見圖15)位于澳大利亞的墨爾本,是南半球第1個應用可開啟屋頂和活動臺階的大型體育場,190m×100m的伸縮屋頂,可在20min內(nèi)開啟或關閉,保證墨爾本多變的氣候條件不會影響體育場內(nèi)的活動。2)澳大利亞國家網(wǎng)球中心(見圖16)位于墨爾本,屋蓋平面127m×110m,高21m,開口面積73m×61m,開合屋蓋采用平行移動的疊合結構,開合時間約為23min,1988年建成。2.5功能2:石川縣福佐縣1)阿瑞卡體育場(見圖17),位于日本東京,為網(wǎng)球及多功能體育場,屋蓋平面125m×136m,高度40.1m,屋蓋面積24814m2,屋蓋結構為鋼網(wǎng)格,屋面材料采用金屬板。開合體系采用平移開合屋蓋,鋼纜繩驅(qū)動,開閉時間約17.5min,1991年建成。2)日本海洋穹頂(見圖18)位于宮琦市,是世界上最大的室內(nèi)水上樂園,最多可容納10000人,1993年建成。整個屋蓋長300m,寬100m,建筑高度38m。鋼網(wǎng)格屋頂結構,開合屋蓋為平移式開合膜結構。中間可移動部分由4個跨度約100m的獨立拱形桁架組成。屋頂?shù)淖畲箝_啟面積可達18000m2,只需10min就可以完全打開屋頂,屋面材料為鈦金屬板+PTFE膜材。3)豐田體育場(見圖19)位于日本愛知縣,用于足球比賽,2001年6月建成。建筑面積40734m2,直徑223.6m,屋頂高68.6m,屋蓋面積28500m2,可容納45700觀眾。固定屋蓋采用懸吊式屋頂,開合屋蓋采用充氣折疊屋蓋系統(tǒng),屋面材料為聚氯乙烯織物膜材,采用齒輪齒條傳動裝置。4)大分體育場(見圖20)位于日本大分縣,用于足球比賽及多功能,建筑直徑274m,建筑總高度66.6m,能容納43000名觀眾。是一座現(xiàn)代化的多功能體育場,除了能舉辦高質(zhì)量的足球比賽外,還能進行英式橄欖球的比賽。屋蓋采用落地鋼拱結構,屋面材料為鈦板+PTFE膜材。體育場具有能夠自由伸縮的頂棚,開合屋蓋面積20000m2,開合體系為空間移動方式,鋼纜繩驅(qū)動,開合時間約15min。該體育場于2001年3月竣工。5)小松穹頂(見圖21)位于石川縣小松市,總建筑面積為22394m2,建筑總高度為59.6m,主要用于棒球、女子壘球、足球、網(wǎng)球等運動項目,場地內(nèi)平時設置1500座活動看臺,最多可容納10000人。小松穹頂外形呈橄欖形,下部看臺采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構。固定屋蓋采用鋼桁架,活動屋蓋采用管桁架結構。屋面固定屋蓋與活動屋蓋均采用PTFE結構,其中固定屋蓋采用雙層膜,活動屋蓋為單層膜結構?；顒游萆w開口尺寸為70m×55m,可開啟面積3152m2,采用卷揚機鋼絲繩牽引,開啟與關閉時間均為30min。該體育館1997年竣工。6)福岡穹頂(見圖22)位于福岡市,建筑面積72740m2,是以棒球場為主要用途的多功能體育場,體育場直徑218m,建筑總高度84m,可容納觀眾4萬人,是日本第1座大型開合屋蓋結構的體育場。下部結構采用鋼骨混凝土結構,活動屋蓋采用繞樞軸移動方式,屋蓋由3片網(wǎng)殼組成,下層固定、中層及上層可沿著圓形導軌移動,全開啟時開口率60%。各片網(wǎng)殼均由片狀截面的網(wǎng)格組成而且各自支撐,屋面材料為鈦金屬板。為避免在開合過程中各片屋蓋碰撞,在屋頂中心設置液壓阻尼器減震,開合所需時間約20min。屋頂重量12000t,該體育館建成于1993年。7)仙臺穹頂(見圖23)位于宮城縣仙臺市,其功能為網(wǎng)球、軟硬式棒球、足球場地等,場地北側(cè)設置1050個固定座席。體育館平面呈橢圓形,長軸115.82m,短軸91.5m,總建筑面積13132m2,建筑總高度51m。屋蓋平面投影呈扇形,采用管桁架結構,屋面為單層高透光白色PTFE膜材。最大開啟角度為148°,屋蓋開合時間為30min?？梢苿游萆w結構支撐于臺車上,在建筑的周邊設置環(huán)形軌道,軌道布置于混凝土溝槽內(nèi),其中承重軌道構置于溝槽底部,導向軌道構置于溝槽側(cè)壁,該工程于2000年建成。3家庭屋頂工程3.1高爾夫球場屋蓋結構南通體育會展中心(見圖24)位于南通市新城區(qū),是集體育、商務、公益服務及娛樂于一體的綜合體育運動、休閑場所。體育場總建筑面積4.86萬m2,建筑高度55.2m,觀眾座席32264個。體育場下部看臺為混凝土結構,屋蓋為管桁架空間結構,看臺結構與屋蓋結構完全分離。體育場屋蓋的幾何形狀為球冠,固定屋蓋采用拱支網(wǎng)殼,拱架最大跨度280m,活動屋蓋為單層網(wǎng)殼?？砷_啟面積約為1.8萬m2。該工程于2006年9月竣工。3.2啟開啟階段71m上海旗忠網(wǎng)球中心(見圖25)總建筑面積85438m2,建筑高度約40m,屋頂為鋼結構,并且可以開啟,其開啟方式仿佛白玉蘭的開花過程。其結構體系由1個直徑123m,64榀施加徑向預應力和2道柱頂環(huán)向預應力的鋼筋混凝土主體圓環(huán)結構加上1個直徑123m,寬24m,高7m的W形大直徑鋼管相貫焊接節(jié)點的空間環(huán)梁結構組成。8榀大直徑鋼管相貫焊接節(jié)點的開閉屋蓋結構每榀設置一個固定轉(zhuǎn)軸及三同心旋轉(zhuǎn)軌道結構支承在空間環(huán)梁上。3.3網(wǎng)架結構組成黃龍體育中心網(wǎng)球館(見圖26)包含主比賽場和省老年活動中心兩部分,總建筑面積約19134m2,設觀眾席5000席,建筑高度32.2m。網(wǎng)球中心屋蓋部分采用開合結構,屋面投影面積5800m2,其中固定部分面積5053m2,活動部分面積969m2。固定部分由兩榀主拱、兩榀環(huán)梁、固定屋蓋組成,其中主拱桁架由拱型桁架和水平桁架組合而成,跨度94m。固定屋蓋采用張弦梁結構,支撐于拱架和外環(huán)梁之間?；顒游萆w由兩片21m×19m單層網(wǎng)殼組成,屋蓋開閉采用自行式機械行走裝置。3.4活動屋蓋選型與設計鄂爾多斯東勝體育場(見圖27)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市,共有固定觀眾席35000個,總建筑面積為86295m2。該工程采用鋼管拱橋的設計理念,通過鋼索將屋蓋大部分重力荷載傳給大拱?；顒游萆w由2個單元塊組成,最大可開啟面積(水平投影)長113.524m,寬88.758m,驅(qū)動系統(tǒng)采用鋼纜繩牽引方式,每片活動屋蓋兩邊各有7個臺車?；顒游萆w屋面采用PTFE膜結構,可有效適應活動屋蓋的變形,防水性能優(yōu)越。固定屋蓋在沿活動屋蓋運行軌