氣泡型開合屋蓋設計研究

李 澤[1.上海綠地建設（集團）有限公司，上海 200437；2.上海綠地建設設計研究院有限公司，上海 200437]

動態建筑的形態可以發生變化，比如可以升降的橋梁，可以伸縮的發射塔，可以開合的屋蓋。這些建筑與機、電、液壓等其他工程技術相融合，形成了建筑行業的新興領域。開合屋蓋作為動態建筑中最常用的一個門類，得到了越來越多的應用。開合屋蓋多采用鋼結構，上覆玻璃，結構形式簡單，體量輕盈，造型優美。商業綜合體設置中庭屋蓋，有利于室內采光，對景觀起到畫龍點睛的作用。若中庭屋蓋開啟，可極大改善室內通風效果，節約大量能源。還可以營造獨特視覺觀感，吸引顧客，提高經濟效益。因此在商業綜合體中，開合屋蓋具有廣泛的應用前景。某商業綜合體中庭屋蓋建筑造型為氣泡型，本文結合這一工程實例，探討此類開合屋蓋的設計方法，以及對開合機電系統的要求。

1 工程背景

本工程共2片固定屋蓋和2片矩形活動屋蓋。單片活動屋蓋長度 33.05m，寬度 10.32m，重量 150 t (含鋼結構和玻璃)。工作狀態下單片活動屋蓋行程 11.00m，兩片同時開啟時洞口最大寬度 22.00m。鋼筋混凝土軌道梁長度 50.00m，鐵軌、工字鋼梁（上有傳動齒條）按此長度布置。屋面鋼結構樓板面標高 52.80m，鋼筋混凝土軌道梁高度 0.70m，活動屋蓋驅動臺車高度 0.91m（含工字鋼梁、鐵軌）。

2 結構設計要點

由于開合屋蓋為可變形態結構，具有顯著的特點，與傳統結構的設計方法明顯不同。應區分開合屋蓋各種工作形態，如閉合形態、半開半合形態、全開形態等，在考慮各種形態下的不利荷載的布置和組合后，分別進行結構設計，尤其要考慮開合機電驅動系統對結構的影響。

2.1 結構選型

考慮屋蓋活動片的自重，屋面采用網殼式。為抵抗開合機電系統啟動或停止時的水平沖擊力，在網殼下方布置桁架體系，對網殼進行雙向加強，以提高了屋面結構的整體穩定性。

2.2 荷 載

2.2.1 恒荷載及活荷載

鋼結構自重由程序自動計算。屋面玻璃自重按1.0 kN/m2，屋面懸掛荷載按 0.3 kN/m2。屋面活荷載按 0.5 kN/m2。

2.2.2 地震荷載

7 度設防區，設計基本地震加速度為 0.1 Gal。對于大跨度屋蓋，應考慮其豎向地震荷載，取基本地震加速度為水平地震的一半，即 0.05 Gal。

2.2.3 小車啟停沖擊荷載

在屋蓋活動片開合過程中存在加速及減速狀態：從閉合形態開始經全加速打開、勻速打開、全減速打開至全開形態；從全開狀態開始經全加速關閉、勻速關閉、全減速關閉至閉合形態。加速度對結構而言相當于沖擊荷載。沖擊荷載計算公式如式（1）所示。

2.2.4 風荷載

屋蓋半開半合形態最為不利，此時應按單面開敞單坡屋面考慮風荷載體型系數，對于頂蓋可取 －1.6。對于山墻可取 －1.3。對于復雜形體建筑應進行專門的風壓、風荷載體型系數分析。

2.2.5 溫度荷載

大跨度鋼結構均需考慮溫度引起的荷載，溫升、溫降均按 30 K 考慮。

2.3 結構分析

2.3.1 結構模態分析

通過振型分析可以找出結構薄弱環節，可按振型分析結果對結構進行調整加強，并避免發生第1振型為局部振型的情況。振型分析所得結構的前4階振型見圖1。

圖1 結構振型分析

1 階振型為固定片豎向位移；2 階振型為活動片豎向位移；3 階振型為活動片豎向翹曲；4 階振型為固定片豎向翹曲。經檢驗，邊界桁架及中間桁架對網殼起到了支撐、加強的作用，結構在各個方向上均有可靠剛度，結構布置合理。

2.3.2 內力及變形

經計算，網殼桿件最大應力比＜ 0.8，網殼最大豎向變形為 11.5 mm，滿足規范要求。值得注意的是，結構設計應保證在任何情況下，小車上網殼支座處均不出現拔力，尤其注意屋蓋半開情況下的風荷載工況。荷載變形見圖2。

圖2 荷載變形圖

3 開合機電系統

開合機電系統是實現屋蓋開合的關鍵。本工程開合機電系統原理是利用同步移動系統控制驅動臺車，沿平直齒條軌道開行，帶動屋頂移動。

3.1 驅動系統與夾軌器

開合機電行走子系統共計8臺臺車。每4臺臺車帶動1 片活動屋蓋移動，其中2臺為驅動車，2 臺為從動車。開合機電控制子系統與建筑內的消防系統連接，可在發生火災時自動快速打開活動屋蓋。屋頂在移動到中間位置及末端位置終點前，通過接近開關來檢測臺車位置，驅動系統自動進行減速至停止。系統通過限位開關來限定臺車移動的極限位置，以保證屋頂安全。屋頂在啟閉中途如需停止時，停止按鈕按下后屋頂驅動系統會逐漸降低速度直至停止。

每片屋蓋活動片下2臺對角布置的臺車帶有自動液壓夾軌裝置，將臺車與鋼軌鎖定，以確保屋頂停止時處于鎖定形態，避免屋蓋在荷載作用下移動。只有夾軌器裝置完全松開鋼軌后，驅動臺車才能啟動，屋頂才會移動。驅動裝置布置如圖3所示。

圖3 開合屋蓋驅動裝置布置圖

3.2 結構設計對開合機電系統的要求

(1) 開合機電系統應能承受支座傳遞來的豎向力及水平力。

(2) 設置同步裝置，以防兩側小車行程不等導致卡軌。機電系統應設置夾軌器，防止屋蓋停止形態下出現溜車。

(3) 設置限位裝置，以防小車過沖導致兩車碰撞，或屋蓋活動片與屋蓋固定片碰撞。

(4) 各種工況下小車啟停加速度不大于設計要求。

通過調試，使開合系統運行平穩，不與限位裝置發生碰撞。啟停加速度不大于設定值，保證結構安全。

4 結 語

屋蓋活動片的運動實現了建筑形態的可變，同時帶來了不斷變化的荷載形式和工況，使開合屋蓋設計更為復雜，與傳統屋蓋具有明顯的區別。設計時需注意按不同形態分別進行荷載組合；設計時還應注意，應防止屋蓋受風吸力影響使支座處出現拔力，同時需設置第二道防線——夾軌器。屋蓋活動片在開合機電系統牽引下移動，為降低自重宜選用網殼結構。在網殼的縱橫雙向設置桁架體系可以加強結構的整體剛度，適應開合機電系統啟停時的沖擊力。

開合機電系統是開合屋蓋實現形態可變的關鍵，與計算機控制系統的結合實現了建筑智能化。機電行業與建筑行業相融合，是實現可變形態建筑的重要方向。結構設計應明確對于機電系統的要求，包括連接處的支座承載力，以及最大啟停加速度等。