于家堡國際金融會議中心開合屋蓋機械驅動系統設計與施工技術

魯文博　王建勛　鄧偉平　郭亮亮　宋衢

摘 要：本文就天津國際金融會議中心網球場和游泳場開合屋蓋機械驅動系統進行了簡要介紹。機械控制系統主要包括：承載軌道系統、支撐行走機構、驅動及傳動系統、緩沖及制動裝置、電氣控制系統以及視頻監控系統等幾大部分。活動屋蓋是采用多點支撐的超靜定結構，作用于活動屋蓋的荷載通過支撐行走機構（臺車）傳遞至固定鋼結構體系。活動屋蓋的開合動力是來源于分布在其兩側的驅動組件，采用閉環控制算法實現驅動組件的同步運行，從而保證活動屋蓋的穩定、可靠開合。

關鍵詞：開合屋蓋；機械驅動系統；同步控制

中圖分類號：TU758.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0054-02

于家堡國際金融會議中心，位于天津市濱海新區于家堡金融區起步區03-04地塊，建筑面積193000平米，地下2層，地上12層，建筑高度60米。12層屋頂為帶有可啟鋼屋蓋的網球場和游泳場，其中，北側場館為游泳場，南側場館為網球場。網球場和游泳場結構形式相同，互為對稱的結構，每個場館的投影面積約為600m2，可開啟面積（水平面內投影）約為280m2。項目建筑效果如圖1所示。

開合屋蓋由固定屋蓋、活動屋蓋、開合機械控制系統等部分組成。本項目開合屋蓋采用了鏈傳動的驅動方式，驅動減速電機（含鏈輪）固定連接在固定屋蓋的兩側邊梁上，鏈條與活動屋蓋固定連接，依靠鏈輪與鏈條的嚙合實現開合動力的傳遞。每片活動屋蓋由8臺臺車支撐，活動屋蓋的自重荷載以及其他的結構荷載（風荷載、雪荷載、溫度荷載等）通過臺車經由軌道傳遞到固定屋蓋；每片活動屋蓋設置有兩套獨立的驅動裝置，通過電氣控制系統實現活動屋蓋在兩條平行的弧形軌道上同步開合。此外，還設置有制動裝置、視頻監控系統等，以確保系統運行的可靠性、安全性。

1 主要技術參數及性能指標

使用狀態：全開啟，半開啟，全閉狀態；

驅動裝置設計使用年限：25年；

控制系統設計使用年限：10年；

正常開合移動線速度：3m/min（可無級變速）；

控制方式：自動開合，手動開合，并可實現兩種操作模式之間的自由切換；

傳動系統形式：鏈輪鏈條；

最大開啟和閉合循環次數（次/年）：不小于200次/年。

2 機械驅動系統設計

2.1 機械系統設計

機械系統主要包括：承載軌道系統、支撐行走機構、驅動及傳動系統、緩沖及制動裝置等幾大部分，如圖2所示。

2.1.1 機械系統主要組成部分

承載軌道系統：主要由弧形軌道、壓塊組件、軌道墊板組成。其中，軌道墊板焊接在固定屋蓋鋼結構邊梁上，墊板上設計有安裝螺紋孔，弧線軌道通過軌道壓塊以高強度螺栓固定聯接在軌道墊板上，從而實現軌道與固定屋蓋的可靠聯接。

驅動系統：主要包括三合一減速電機、帶阻尼自適應調整和限位裝置、安裝支架等。三合一減速電機是由電機、齒輪變速箱、常閉制動器組成的整體，結構緊湊，安裝方便。在減速電機的輸出端安裝有鏈輪，為整個活動屋蓋的開合提供原始驅動力；減速電機輸出端的另外一側，配置有高分辨率絕對值多圈旋轉編碼器，用于實時檢測和反饋活動屋蓋的位置，實現驅動系統的閉環控制。

傳動系統：是指短節距三排套筒滾子鏈及附屬安裝輔件。鏈條通過高強度螺栓固定于弧線形鏈條安裝支架上，然后再將鏈條安裝支架聯接到活動屋蓋邊梁上。通過驅動鏈輪與鏈條的嚙合實現活動屋蓋沿弧線軌道的平移開合。

支撐行走機構：每片活動屋蓋由8臺臺車支撐，其中四臺為行走反鉤臺車，其余四臺為行走導向臺車，臺車呈對稱分布，將活動屋頂載荷均勻傳遞至軌道實現載荷平衡，并沿軌道行走。

導向限位及安全緩沖系統：導向限位組件是為了確保傳動鏈輪和鏈條的良好嚙合；中間緩沖器組件、端面緩沖器組件是為了確保整個結構的安全。

2.1.2 機械系統的匹配性設計

本項目鋼結構體量不大，但結構形式較為復雜。固定屋蓋和活動屋蓋主體結構為矩形管截面空間桁架，還設置有拉桿和預應力鋼絞線拉索；并且，活動屋蓋開合移動的軌跡為弧線，兩片活動屋蓋位置關系不對稱。

在固定屋蓋弧形邊梁上布置軌道，合理的利用有效的空間；活動屋蓋由不帶動力的臺車進行支撐，臺車結構簡單緊湊，并具備導向和防風吸傾覆功能；活動屋蓋的開合動力由固定的（與固定屋蓋聯接）驅動裝置提供，依靠聯接于活動屋蓋上的鏈條及驅動裝置上鏈輪的嚙合實現動力傳遞。另外，為確保系統的安全，設置有常閉的輔助夾軌制動裝置，與驅動電機上自帶的電磁制動器互為冗余；開合行程末端布置限位緩沖裝置。

在不同的工況，不同的受力狀態及運動狀態下，固定屋蓋（活動屋蓋運行軌道）與活動屋蓋的變形不一致；同時，加工制造及安裝施工中均存在偏差。這樣，鏈輪與鏈條會存在有嚙合不順暢、側向負載偏大等，有時甚至會發生卡滯的現象。為適應活動屋蓋與固定屋蓋的豎向、側向變形差，有效的消除施工誤差帶來的影響，驅動組件采用了帶阻尼自適應裝置，結構形式如圖3所示。驅動電機及安裝支架一體與固定屋蓋之間為帶阻尼浮動聯接；同時，與活動屋蓋邊梁固定聯接的弧形鏈條安裝支架一側（內圓弧上）布置鏈條和驅動鏈輪，另外一側（外圓弧上）布置限位平衡輪，這樣，可以保證鏈輪和鏈條的可靠嚙合，豎向的偏差得到實時補償。鏈輪與減速電機輸出軸采用可動花鍵聯接，在傳遞扭矩的同時可實現鏈輪與輸出軸的側向相對滑移，以補償側向偏差。于是，整個驅動裝置像是附著在鏈條組件上一樣，在活動屋蓋與固定屋蓋有較大變形差時，鏈傳動裝置仍然能保持良好的嚙合，確保屋蓋的正常開合以及停止狀態時的嚙合鎖定。

2.2 電氣系統設計

2.2.1 電氣控制系統結構

電氣控制系統拓撲結構如圖4所示，設有一個控制中心（主站），每片屋蓋左右兩側各設一個驅動裝置（從站）。主站及驅動從站控制單元均采用西門子可編程控制器（PLC）。每套驅動裝置上各裝有一個計量編碼器，都支持PROFINET總線協議。控制中心（主站）、驅動從站以及計量編碼器之間，通過西門子PROFINET專用網線，采用星型連接的方式，組成系統的控制網絡。控制中心分析、處理所有反饋信號，實時調整屋蓋的空間姿態，保證屋蓋同步、平穩、安全運行。

2.2.2 單片活動屋蓋同步控制

減速電機采用變頻器來驅動，可實現無級調速，并用編碼器來檢測屋蓋兩側鏈條的移動位置，實時反饋給控制中心，控制中心PLC根據兩側驅動裝置的反饋信息，利用內部PID控制器來控制單片活動屋蓋兩側的同步運行。圖5為單片活動屋蓋閉環控制系統原理方框圖。

3 機械控制系統施工

3.1 總體施工安裝流程

鋼結構自身的大變形和機械設備的高精度要求是開合屋蓋建筑結構中需重點處理的問題，在設計、分析計算階段以及施工階段都必須采取切實可行的方案和手段。機械設備以及電氣控制系統的安裝施工與土建、鋼結構、屋面維護系統的施工交叉作業，需結合結構特點，遵循合理的順序。本項目中，主要設備安裝順序為：軌道—臺車—緩沖器—鏈傳動裝置—驅動系統—夾軌制動器—電氣控制系統。

3.2 施工關鍵控制點

3.2.1 軌道安裝精度控制

本項目中，采用了弧形軌道，軌道的安裝精度控制十分關鍵，影響到后續設備的安裝以及整個體系運行的平穩。軌道安裝精度控制主要著眼于兩方面：單側軌道的弧度、直線度；單片活動屋蓋兩側軌道的跨距精度及一致性。

軌道安裝流程如下：首先，對固定屋蓋邊梁（軌道安裝基礎）標高進行分段和整體復測驗收；調整并確認無誤后，找點放樣軌道安裝基準線，精確調整和確認軌道各處支撐墊板標高；初步定位并臨時緊固，利用水準儀、經緯儀在軌道打點測量，并根據測量數據調整；軌道最終緊固，復測和局部微調。

3.2.2 驅動及傳動系統安裝精度控制

鏈輪鏈條傳動系統精度要求高，為確保安裝精度，降低現場施工難度，將弧形鏈條支座構件在工廠內分段加工制作，鏈條和鏈條支座在工廠內分段裝配完成。而相鄰的兩段在工廠內進行預裝配，并組配加工定位銷孔，以聯接板聯接，然后拆開運抵現場。在現場施工時，找正第一分段與活動屋蓋的位置關系，后續分段以第一分段為基準進行安裝，并保證豎向位置尺寸要求。

傳動鏈條組件安裝完成后，再進行驅動系統組件的安裝。保證驅動組件上的鏈輪和鏈條處于良好嚙合的狀態，通過調節墊板調整和保證驅動組件的豎向安裝位置；通過調整驅動組件與鏈條的側向相對位置，使鏈輪處于滑動聯接處中心，以確保鏈輪雙向（側向）滑移量的均衡。

4 結語

于家堡國際金融會議中心開合屋蓋，在安裝施工完成后，進行全面的電氣聯動調試和試運行，機械系統各項性能指標均達到預期要求。該項目中，將一種獨特的開式鏈傳動機構引入開合屋蓋建筑結構，并且采用了帶阻尼自適應驅動裝置，這些都是大膽的技術創新舉措。實踐表明，設計的開合機械動力系統能很好適用于該種類型的建筑結構體系。

參考文獻

[1]王成剛，關朝江.開合屋蓋結構的發展與設計特點[J].工程與建設，2007，21（4）：555-557.

[2]智浩，李同進，等.上海旗忠網球館活動中心屋蓋的設計與施工—機械結構一體化技術探索與實際[J].建筑結構，2007，37（4）：95-100.

[3]張鳳文，劉錫良.開合屋蓋結構行走機構的應用研究[J].建筑結構，2002，32（9）：29-32.

[4]翁新華，王春香，朱愛.變頻調速在大型動態建筑構件上的實時控制[J].制造業自動化，2002，24（II）：3-6.