移動(dòng)層蓋結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

移動(dòng)層蓋結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1機(jī)械單元的選擇屋頂層的實(shí)現(xiàn)是將屋頂層的完整結(jié)構(gòu)按照一定的規(guī)律劃分為幾個(gè)開(kāi)放式和固定單元，并采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械技術(shù)，使互聯(lián)單元按照預(yù)期軌跡移動(dòng)，達(dá)到頂板打開(kāi)的目的。移動(dòng)屋蓋的建筑結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了它的開(kāi)合方式,移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)的移動(dòng)方式如表1。1.1移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)水平移動(dòng)方式是從橋式起重機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,是比較成熟的一種開(kāi)合方式,目前采用水平移動(dòng)方式的移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)非常多,典型的有美國(guó)HoustonAstros體育館(圖1)。1.2可動(dòng)屋面材料空間移動(dòng)方式是開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)最近的發(fā)展趨勢(shì)?？蓜?dòng)屋面沿著有坡度的曲線軌道移動(dòng),由于可動(dòng)屋面的自重將產(chǎn)生一定的移動(dòng)阻力,所以可動(dòng)屋面一般面積不會(huì)太大,而且采用輕型屋面材料為主?？臻g移動(dòng)方式的移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu),開(kāi)啟率比較小,而且設(shè)計(jì)難度最高,但是由于能滿足建筑外形的美觀需要,所以越來(lái)越受到青睞。典型如日本大分縣穹頂(圖2)。1.3從政府控制到現(xiàn)代牽引可動(dòng)屋面在水平的圓弧軌道上移動(dòng),而且有一個(gè)豎直的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。第一個(gè)采用現(xiàn)代牽引技術(shù)的移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)采用的就是這種開(kāi)合方式。采用該開(kāi)合方式的典型工程如日本福岡穹頂(圖3)。1.4屋頂開(kāi)放系統(tǒng)的曲線軌道系統(tǒng)對(duì)于一些大型的移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu),為了滿足建筑上足夠大的開(kāi)啟率,會(huì)采用以上4種開(kāi)合方式的組合,采用最多的就是水平移動(dòng)+繞豎軸旋轉(zhuǎn)的方式。典型的工程如圖4所示的日本球穹頂,完全開(kāi)啟時(shí),開(kāi)啟率達(dá)到100%,但是這時(shí)需要額外占用場(chǎng)外面積。這在世界上產(chǎn)生了很大的轟動(dòng)效應(yīng),掀起了世界上建造現(xiàn)代大跨度移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)的新浪潮。按照開(kāi)合機(jī)理來(lái)分析運(yùn)動(dòng)軌跡一般有以下3種:水平的直線軌道;水平的曲線軌道;有坡度的曲線軌道?？砷_(kāi)合的屋頂并不總是行進(jìn)在直的水平軌道上,在許多情況下,它們行進(jìn)在彎曲、上升或下降的軌道上。從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度考慮,水平的直線軌道設(shè)計(jì)難度最小,有坡度的曲線軌道最難;從機(jī)械系統(tǒng)的造價(jià)角度考慮,水平的直線軌道造價(jià)最低,同樣有坡度的曲線軌道最高。2屋頂機(jī)槍的開(kāi)口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1建筑概念設(shè)計(jì)及原理方案設(shè)計(jì)的內(nèi)涵在移動(dòng)屋頂工程設(shè)計(jì)中,移動(dòng)屋頂?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和移動(dòng)屋頂?shù)拈_(kāi)合機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)交互的過(guò)程,機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響著建筑和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因此,在進(jìn)行移動(dòng)屋蓋的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段,需要對(duì)目前建成的移動(dòng)屋頂結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)方式有所了解,及早考慮流程中的各種因素,以提高建筑設(shè)計(jì)和建造的效率。移動(dòng)屋頂機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)對(duì)未知產(chǎn)品的信息從抽象到具體、逐步細(xì)化、反復(fù)迭代的過(guò)程,它從需求分析開(kāi)始(移動(dòng)屋蓋的建筑結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了它的開(kāi)合方式),經(jīng)過(guò)功能設(shè)計(jì)、原理求解、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì),最終得到滿足需求的產(chǎn)品。其中,產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)、原理求解和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)階段是決定產(chǎn)品功能的主要階段,也是最能體現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的階段,即概念設(shè)計(jì)過(guò)程。概念設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的要求,進(jìn)行產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解以及功能和子功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是進(jìn)行滿足功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理求解和實(shí)現(xiàn)工作原理載體方案的構(gòu)思與系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)進(jìn)程中最初也是最富創(chuàng)新性的階段,在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中占有重要的地位。在概念設(shè)計(jì)階段,由于對(duì)設(shè)計(jì)的約束信息相對(duì)少,所以建筑的創(chuàng)新空間很大。同時(shí),概念設(shè)計(jì)也在很大程度上決定了建筑的最終性能和價(jià)格,機(jī)械系統(tǒng)的成本主要在設(shè)計(jì)階段決定的,一般而言,系統(tǒng)的成本的70%~80%是由概念設(shè)計(jì)階段決定。概念設(shè)計(jì)階段決定了建筑的基本特征和主要功能框架,對(duì)提高建筑性能,降低建筑成本有決定性的影響。功能設(shè)計(jì)是概念設(shè)計(jì)中極為重要的一環(huán)。概念設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)建筑的功能定義、功能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程。分功能或功能元求解即尋找完成功能的技術(shù)實(shí)體——功能載體。分功能求解的基本思路可以簡(jiǎn)單表示為:功能—工作原理—功能載體。在設(shè)計(jì)階段,原理方案設(shè)計(jì)占有重要位置,它是功能結(jié)構(gòu)的具體求解過(guò)程,它關(guān)系到建筑設(shè)計(jì)的成敗和質(zhì)量的優(yōu)劣。在這一階段,設(shè)計(jì)師運(yùn)用一系列設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),利用前一階段收集的資料、信息及功能結(jié)構(gòu)分析,經(jīng)過(guò)加工和轉(zhuǎn)換,設(shè)計(jì)出達(dá)到期望結(jié)果的合理方案。原理求解又稱(chēng)為方案設(shè)計(jì),是概念設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一層,它一方面要承載功能信息和原理知識(shí),另一方面又要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供裝配幾何的基本信息,是建筑的功能與結(jié)構(gòu)之間的信息流動(dòng)層。建筑設(shè)計(jì)中,這一信息流動(dòng)層是依靠設(shè)計(jì)者(或計(jì)算機(jī)輔助)完成聯(lián)接的,建筑的功能信息通過(guò)設(shè)計(jì)者對(duì)原理方案草圖的分析和理解,然后傳遞并貫穿到建筑的裝配結(jié)構(gòu)和后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)中。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)原理方案求解的思路主要有幾種:①功能—行為—結(jié)構(gòu)法;②功能—效應(yīng)—作用原理法;③實(shí)例設(shè)計(jì)法(CBR)。實(shí)例設(shè)計(jì)法(CBR):首先需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品特征,建立產(chǎn)品的實(shí)例模型,收集現(xiàn)有的設(shè)計(jì)實(shí)例,并采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)描述實(shí)例,從而建立產(chǎn)品的實(shí)例庫(kù)。然后,基于設(shè)計(jì)要求和實(shí)例模型進(jìn)行實(shí)例推理,從而獲得當(dāng)前設(shè)計(jì)的相似實(shí)例,進(jìn)而通過(guò)基于設(shè)計(jì)和制造的知識(shí),對(duì)產(chǎn)品相似實(shí)例進(jìn)行評(píng)價(jià)和修改,獲得概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化解。2.2移動(dòng)屋蓋的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)在移動(dòng)屋蓋的設(shè)計(jì)實(shí)例中,類(lèi)似起重機(jī)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方法時(shí)常被采用。這是由于起重機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)成熟、可靠,能夠保證可移動(dòng)屋蓋的功能,通過(guò)查詢、提取和調(diào)整實(shí)例庫(kù)中同類(lèi)建筑的求解方法,來(lái)獲得當(dāng)前建筑的求解方法。移動(dòng)屋蓋中機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是其行走功能的實(shí)現(xiàn),由行走功能的需求轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)行為需要對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)求解,最后轉(zhuǎn)化為物理結(jié)構(gòu)—即確定各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種方法把運(yùn)動(dòng)行為作為實(shí)現(xiàn)功能—結(jié)構(gòu)的橋梁,成功用于移動(dòng)屋蓋的機(jī)械傳動(dòng)類(lèi)型見(jiàn)表2。(1)我國(guó)射線能力、設(shè)備的選擇采用輪驅(qū)動(dòng)方式的移動(dòng)屋蓋建筑有日本的天空穹頂,海洋穹頂、福岡穹頂,Yokoto穹頂劇院、MukogawaGakuin中學(xué)游泳館,美國(guó)亞利桑那州菲尼克斯運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、休斯頓MinuteMaidPark棒球場(chǎng)、新太平洋西北棒球場(chǎng)等。其特點(diǎn)是:①技術(shù)最為成熟,造價(jià)較低;②行走臺(tái)車(chē)上有驅(qū)動(dòng)電機(jī),控制模塊,剎車(chē)器件等;③需要考慮供電線路、控制線路如何連接到行走臺(tái)車(chē)上,要考慮線路的防纏繞問(wèn)題;④在所有荷載作用下,要保證輪軌之間有足夠的摩擦力,否則輪子會(huì)打滑、導(dǎo)致事故發(fā)生;⑤普遍使用于直線軌道的行走路線。(2)洋西北棒球場(chǎng)采用鋼纜繩牽引方式的移動(dòng)屋蓋建筑有日本的大分縣體育場(chǎng)、小松穹頂、有明體育場(chǎng),美國(guó)的新太平洋西北棒球場(chǎng),德國(guó)GerryWeber網(wǎng)球場(chǎng)等。①技術(shù)較為成熟,造價(jià)較低;②需要布置卷筒、纜索導(dǎo)向器、纜索張緊裝置;③供電,控制部分較簡(jiǎn)單,可以和電機(jī)、減速器、卷筒等集中布置在下部結(jié)構(gòu)上;④在輪軌摩擦力不足的情況下、在軌道傾角過(guò)大、空間開(kāi)合方式下宜優(yōu)先采用該方式。(3)輪軌摩擦的性能采用齒條和齒輪牽引方式的移動(dòng)屋蓋建筑有荷蘭阿姆斯特丹體育場(chǎng)和釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館網(wǎng)球館。①對(duì)可動(dòng)屋面的位置控制非常準(zhǔn)確;②在輪軌摩擦力不足的情況下可以替代輪驅(qū)動(dòng)方式;③齒條齒輪只提供切向力,豎向力仍然由輪子傳遞,而且能提供切向力不會(huì)非常大;④運(yùn)行時(shí)會(huì)有一定的噪音;⑤比較適用于直線軌道,用于曲線軌道時(shí),加工難度較大,造價(jià)高。(4)千斤頂驅(qū)動(dòng)方式千斤頂驅(qū)動(dòng)方式在大型的移動(dòng)屋蓋建筑至今沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用。日本小松穹頂?shù)挠暄醢寰筒捎昧饲Ы镯斶M(jìn)行驅(qū)動(dòng),另外,日本球穹頂改變屋蓋運(yùn)行方向時(shí)使用的軌道道岔旋轉(zhuǎn)臺(tái)也采用了千斤頂驅(qū)動(dòng)方式。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的昆明世博會(huì)藝術(shù)廣場(chǎng)觀眾席雨棚,雖然不是嚴(yán)格意義上的移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu),但畢竟是可動(dòng)結(jié)構(gòu),其驅(qū)動(dòng)就采用了千斤頂驅(qū)動(dòng)。①可以提供很大的牽引力;②控制技術(shù)和理論非常成熟;③行程有限,對(duì)于大型的千斤頂,要配套油路系統(tǒng)和泵房,只能用于行程很短的場(chǎng)合。從以上這些移動(dòng)屋蓋建筑的驅(qū)動(dòng)方式可以看出,采用輪驅(qū)動(dòng)和鋼纜繩牽引方式的建筑占絕大多數(shù),水平移動(dòng)的移動(dòng)屋蓋,除日本有明體育場(chǎng)采用鋼纜繩牽引方式外,其余均采用了輪驅(qū)動(dòng)方式,水平旋轉(zhuǎn)方式開(kāi)閉的屋蓋均采用輪驅(qū)動(dòng)方式,并且驅(qū)動(dòng)臺(tái)車(chē)只布置在行走軌道的弧線位置,在轉(zhuǎn)軸中心位置只安裝旋轉(zhuǎn)軸,不布置驅(qū)動(dòng)裝置。而以空間移動(dòng)方式開(kāi)合的屋蓋,除荷蘭阿姆斯特丹體育場(chǎng)采用齒條和齒輪方式外,其余均采用了鋼纜繩牽引方式。從驅(qū)動(dòng)機(jī)械的繁簡(jiǎn)程度看,鋼纜繩牽引方式要簡(jiǎn)單得多。3應(yīng)考慮的因素和項(xiàng)目要求和項(xiàng)目中應(yīng)考慮的因素3.1機(jī)械系統(tǒng)的選擇原則從實(shí)現(xiàn)的功能的角度上,可以把機(jī)械系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng):驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和安全保證系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要遵循以下原則:(1)滿足功能的要求;(2)機(jī)械系統(tǒng)要與建筑方案、結(jié)構(gòu)方案、開(kāi)合方式相適應(yīng);(3)便于操作、檢查、維修和更換;(4)不宜采用磨損較嚴(yán)重、存在不確定要素的機(jī)械系統(tǒng);(5)采用的零部件有足夠的耐用性,且盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件,保證安全性能并降低造價(jià);(6)機(jī)械部件,包括輪子和軸等部件,可以依靠臨時(shí)的屋頂支持維修;(7)選擇的技術(shù)和部件被證明是可靠的;(8)系統(tǒng)的操作很簡(jiǎn)單的并具有安全裝置;(9)最重要的是屋頂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要始終保證,在屋頂操作期間,體育館內(nèi)人員的安全。3.2屋頂和輪軌系統(tǒng)風(fēng)荷載的取值是最能體現(xiàn)荷載與狀態(tài)相對(duì)應(yīng)這個(gè)特點(diǎn)的。影響風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的多個(gè)要素,包括基本風(fēng)壓、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及風(fēng)振系數(shù),在屋面處于不同的狀態(tài)下都是不同的。移動(dòng)屋蓋的使用功能要求通常在天氣晴好的時(shí)候開(kāi)啟,在惡劣天氣下閉合,為了開(kāi)合的安全,可動(dòng)屋面移動(dòng)的時(shí)候風(fēng)速不能太大。當(dāng)采用輪軌系統(tǒng)時(shí),浮力會(huì)降低輪子和軌道的摩擦力,導(dǎo)致出軌的意外。因此一般要有抗浮力裝置。3.3轉(zhuǎn)子測(cè)摩擦系數(shù)抗震設(shè)計(jì)更注重的是從構(gòu)造上保證結(jié)構(gòu)的安全,通過(guò)合理的設(shè)計(jì)輪軌系統(tǒng),可以保證在地震作用下可動(dòng)屋面不出軌。有資料表明,當(dāng)輪子和軌道的摩擦系數(shù)為0.15時(shí),在不是小震的作用下,輪子也不會(huì)打滑。建造在地震多發(fā)的大型開(kāi)合屋面建筑,還要安裝有地震探測(cè)儀,監(jiān)測(cè)結(jié)果也應(yīng)該作為控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),可動(dòng)屋面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)?shù)卣饍x探測(cè)到較大的地震時(shí),夾軌器等剎車(chē)裝置就會(huì)把可動(dòng)屋面臨時(shí)鎖定在軌道上面,避免出軌事故的發(fā)生。3.4額外的動(dòng)力負(fù)荷和重量(1)軌道的水平力當(dāng)可動(dòng)屋面在平行軌道上移動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生垂直于軌道的水平力,也就是輪子的側(cè)向力。這個(gè)水平力與以下要素有關(guān):軌道和水平輪之間的間隙、軌道的直線對(duì)準(zhǔn)精度、可動(dòng)屋面的傾斜角度、軌道曲率等。(2)動(dòng)屋頂?shù)臋M向力當(dāng)可動(dòng)屋面沿軌道移動(dòng)時(shí),要考慮道軌道接頭和軌道不平坦產(chǎn)生的豎向力。因?yàn)榭蓜?dòng)屋面的移動(dòng)速度很慢,所以在大部分情況下可以忽略這個(gè)豎向力的影響,但若軌道豎向變形較大或者軌道得不到很好的維修保養(yǎng)時(shí),就必須考慮這個(gè)沖擊力。這個(gè)沖擊力很難具體準(zhǔn)確數(shù)值化,許多國(guó)家都采用了不同的荷載增大系數(shù)的方法加以解決。(3)啟動(dòng)時(shí),輪軌的黏著力沿軌道的水平力主要由可動(dòng)屋面啟動(dòng)和剎車(chē)產(chǎn)生的慣性力組成。啟動(dòng)時(shí),可動(dòng)屋面因輪軌裝置多,受力復(fù)雜,造成輪軌間的黏著力較大,啟動(dòng)時(shí)需要很大的力?？墒钱?dāng)可動(dòng)屋面一旦開(kāi)始移動(dòng)后,輪軌之間的靜摩擦力就變成了很小的滾動(dòng)摩擦力。3.5移動(dòng)屋蓋使用過(guò)少移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性比起重機(jī)結(jié)構(gòu)要大。因?yàn)槠鹬貦C(jī)是一種標(biāo)準(zhǔn)解析系統(tǒng),在多年的設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中,對(duì)其進(jìn)行不斷的完善,已經(jīng)比較成熟。一般機(jī)械系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)因?yàn)榱悴考膲勖蚰p嚴(yán)重而導(dǎo)致故障的發(fā)生,但移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)卻有因機(jī)械系統(tǒng)使用過(guò)少而導(dǎo)致的故障。由于移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的時(shí)候,設(shè)置的開(kāi)合次數(shù)比較少,一般不超過(guò)200次/年,而移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu),由于每次開(kāi)合需要一定的營(yíng)運(yùn)成本,所以很多小型的移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu),使用者會(huì)由于開(kāi)合成本過(guò)高而減少開(kāi)臺(tái)次數(shù)。在機(jī)械系統(tǒng)保養(yǎng)工作不是非常理想的情況下,過(guò)少的開(kāi)合次數(shù)會(huì)讓行走機(jī)構(gòu)等可動(dòng)部分因生銹而引發(fā)故障。移動(dòng)屋蓋自重比較大,但荷載變化幅度很小,而吊車(chē)的重量會(huì)根據(jù)實(shí)際吊重量有很大幅度的變化;移動(dòng)屋蓋移動(dòng)速度慢,使用頻率低,而大部分可動(dòng)屋面的移動(dòng)軌跡比吊車(chē)的水平直軌道要復(fù)雜;移動(dòng)屋蓋面積大,是外露的,受風(fēng)、雪荷載的影響大。4移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)的特性由于目前還沒(méi)有移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)的國(guó)家或地方的設(shè)計(jì)規(guī)范,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),主要參考是各國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。就機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言,移動(dòng)屋蓋的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是參考起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容。所以可動(dòng)屋面必須根據(jù)建筑方案的要求,由設(shè)計(jì)者詳細(xì)考慮選取起重設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn),并參照已建工程實(shí)例。相對(duì)常規(guī)屋蓋只有一種狀態(tài)而言,移動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)一般有三種狀態(tài):完全閉合鎖定狀態(tài)、完全打開(kāi)鎖定狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一些大型的移動(dòng)屢蓋結(jié)構(gòu)還有第四種狀態(tài):半打開(kāi)的鎖定狀態(tài)。因?yàn)椴煌臓顟B(tài)對(duì)應(yīng)于不同的使