智能扇形活動遮陽裝置的研究與應用

杜向浩 林 谷

廣州市第三建筑工程有限公司 廣東 廣州 510050

隨著我國國民經(jīng)濟和工業(yè)與民用建筑的飛速發(fā)展，人們對建筑物功能的追求也發(fā)生著翻天覆地的變化，建筑物的適宜采光及建筑物的智能化應用程度，是現(xiàn)代建筑評價的重要指標。扇形遮陽裝置是一種前沿的設計結構，由半圓形框架、半圓形導軌、支撐桿、頂半環(huán)、傘形遮陽面料、手動調節(jié)控制機構等組成建筑頂部結構[1]，通過可伸縮支架展開或收起覆蓋材料，達到遮風、擋雨、采光的目的。該裝置可伸縮支架結構使用操作煩瑣，且伸展面積較小，承載力小，有較大的局限性。

目前，國內(nèi)外對于建筑物頂部異形結構的采光研究很少，能結合應用智能化控制的更少。本文基于項目案例，對既有結構加裝扇形活動遮陽裝置進行研究，很好地滿足了業(yè)主對遮陽裝置的各項功能需求，解決了行業(yè)既有遮陽裝置的技術弊端。

1 工程概況

某大型綜合樓項目工程，建筑物頂部有一扇形鏤空結構（圖1），半徑11.5 m，面積約為420 m2，建筑物高15.9 m。

圖1 天面鏤空結構平面

采光度作為衡量現(xiàn)代化建筑設計成敗的一項重要技術指標，適合調節(jié)射入建筑物內(nèi)部的光量[2]。對于遮陽時間的確定，國內(nèi)采用指標衡量法，即確定太陽輻射大于240千卡/m2（約1 004 604 J/m2）以及室內(nèi)溫度達到29 ℃以上的月份確定為遮陽季節(jié)[3]。如何控制適宜的采光量和采光時間，以及如何實現(xiàn)智能化控制是設計的核心問題。

目前，比較常見的建筑采光結構是對外敞開的穹頂結構。針對本項目的扇形鏤空結構特點，可伸縮支架結構通常為直線運動機構，不適用于本項目遮陽機構的運動軌跡及結構載力。對于該項目工程的鏤空結構，根據(jù)業(yè)主要求，在滿足采光和遮陽要求的同時，需達到現(xiàn)代化、智能化控制的使用目的。

2 研究內(nèi)容

運動機構設計：扇形活動遮陽裝置利用2塊大小不一、高度錯落嵌套的遮陽棚，上下層疊布置并圍繞一中柱旋轉，弧邊設有滾輪，并設置有和滾輪配套的軌道（圖2、圖3）。在弧邊外側驅動遮陽棚的安裝座中設置電機，電機通過齒輪齒條的嚙合傳動，從而帶動遮陽裝置的精確開啟與關閉動作。

圖2 遮陽裝置側立面結構

圖3 扇形遮陽裝置平面結構

齒條的設置采用齒面向下的布置，避免嚙合齒間聚集塵土，造成傳動機構的失效，同時可以限制遮陽棚沿齒輪連同遮陽棚向上的位移，保證齒輪齒條嚙合效果和機構穩(wěn)定長效運作。

通過在遮陽棚徑向側邊設置橡膠條限位塊來實現(xiàn)主驅動扇形遮陽棚帶動另一塊被動運動遮陽棚的開啟與關閉，扇形結構側邊的極限位置設置橡膠封閉條，裝置關閉狀態(tài)下，達到防風、防雨的目的，避免雨水從2個遮陽棚的間隙飄入。

遮陽材料選擇：遮陽棚的膜布采用PTFE的網(wǎng)格膜，透光率20%（透光率可根據(jù)業(yè)主需求進行調整），遮陽棚的膜布通過專用鋁型材和螺絲固定在遮陽棚的骨架上，更換方便。

智能控制系統(tǒng)的設計：現(xiàn)場控制系統(tǒng)作為環(huán)境感知節(jié)點和智能化控制終端[4]，設置雨水、風量、光照度等傳感器監(jiān)測天氣變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析中心通過對傳感器收集的天氣數(shù)據(jù)進行比較分析，當天氣數(shù)據(jù)值達到或超過設定控制閾值時，即可發(fā)出驅動信號，控制步進電機，打開或關閉遮陽棚，實現(xiàn)控制的目的。

3 施工工藝流程

本工程遮陽裝置的總體安裝順序為：遮陽裝置基礎施工→遮陽裝置軌道制作及鋪設→遮陽裝置中軸柱及骨架施工→遮陽裝置機電安裝→遮陽裝置膜布安裝→遮陽裝置智能控制系統(tǒng)設計。

3.1 遮陽裝置基礎施工

遮陽裝置基礎為寬800 mm、內(nèi)徑11 650 mm的半圓條形混凝土基礎，強度為C30。轉軸基礎長2 300 mm，寬1 800 mm，厚550 mm，混凝土C30。

測量放線，確定遮陽裝置滑軌、中軸基礎位置及預埋件位置，放線標注出基礎位置。按設計規(guī)格澆筑弧形基礎，并做好軌道預埋件的精確控制。

3.2 遮陽裝置軌道制作及鋪設

3.2.1 軌道固定及安裝

遮陽裝置軌道固定件（尺寸80 mm×40 mm×5 mm的8 mm厚槽鋼）沿預埋件精確測量定位，并利用紅外激光儀器控制固定件的平整度，通過墊塊微調的方法調整優(yōu)化后安裝固定，以此來彌補因混凝土澆筑精度不足的影響。

沿軌道固定件上放置直徑30 mm的鍍鋅鋼作為軌道，采用鋁熱焊法焊接軌道，確保固定件的平整度，并在焊接前做好復測，焊接要按照設計要求施工。

3.2.2 齒條固定件安裝

在軌道固定件外側布置齒條固定件（尺寸80 mm×40 mm×5 mm的8 mm厚槽鋼），齒條通過螺栓緊固件機械連接固定在固定樁上，槽鋼固定樁通過膨脹螺栓固定在混凝土承臺上。固定樁剛度穩(wěn)定，保證運轉過程中不影響齒條精度，能夠達到設計要求[5]。齒條固定在齒條固定件上，并且齒面朝下，以此避免灰塵、雜質通過潤滑油的黏附性堆積于齒間，造成齒輪齒條的嚙合傳動失效。

3.3 遮陽裝置中軸柱及骨架施工

3.3.1 中軸安裝

在中軸基礎的預埋鋼板上標注出中軸柱以及邊柱的定位固定點。通過預埋件將中軸柱（高3 m，直徑245 mm）精確安裝并固定，精確復測調整好中心柱的尺寸位置。根據(jù)復測尺寸，采用相同施工方法安裝固定2根邊柱（高3 m，直徑160 mm）。

用直徑160 mm的無縫鋼管把中軸柱以及2個邊柱兩兩焊接在一起，形成三角固定（圖4）。

圖4 中軸柱施工平面示意

3.3.2 推力軸承安裝

在中軸柱上端安裝遮陽裝置的推力軸承、軸套及遮陽棚骨架的連接件，并進行連接件繞中軸柱的旋轉運動測試（圖5）。

圖5 中軸軸承結構示意

3.3.3 鋼骨架制作與安裝

遮陽裝置的骨架采用現(xiàn)場制作安裝，由吊車把材料吊運至建筑物天面處。遮陽裝置的主骨梁為2根80 mm×140 mm的鋼管對接焊接成1根主梁（接頭內(nèi)部有加強的接頭），并且頂角處的主梁焊接在中軸的軸承外置結構上，與中軸形成鉸接。

遮陽裝置的弧邊位置焊接1條80 mm×140 mm鋼管作為遮陽棚前段。

考慮到弧邊位置處女兒墻，遮陽裝置應能遮擋住女兒墻，并且起到防止雨水飄入的作用，另外焊接2條與弧邊骨架相同長度的鋼梁（由80 mm×140 mm的鋼管對接焊接成1根鋼管），在弧邊骨架下方用鋼管與鋼梁焊接連接，形成圍蔽遮擋結構，包住女兒墻，在弧邊底部設置滑動底座結構（圖6）。

圖6 遮陽裝置扇形結構鋼骨架立面

在遮陽裝置的徑向側邊，同樣考慮到防風防雨的情況：焊接一鋼梁（由60 mm×120 mm鋼管組成），接頭內(nèi)部位置有加強的接頭。把鋼梁焊接在側邊主骨架下方，用鋼管與主骨架連接。次級遮陽棚側邊骨架底比女兒墻面低，主驅動遮陽棚側邊骨架比女兒墻稍高一些。在主驅動遮陽棚骨架下加上一PTFE膜布封邊，并用此方式阻擋雨水從遮陽棚與女兒墻中間縫隙飄入。次級遮陽棚骨架與女兒墻間隔為130 mm，主驅動遮陽棚骨架封邊膜布與女兒墻間隔170 mm，通過控制齒條的長度來固定遮陽裝置的開啟與閉合程度，并且控制遮陽裝置與女兒墻的距離，避免骨架與之碰撞（圖7）。

圖7 兩扇形遮陽棚上下搭接剖面結構

2個遮陽棚中間存在空隙，存在飄雨的問題，圖紙設計中是由2片遮陽棚交錯形成重疊以此達到防雨防風效果。

后面綜合考慮到遮陽棚之間的連接問題，對原圖紙做出深化修改，提出下列方案：

1）在2個遮陽棚骨架交接處焊接1條不銹鋼折邊，并從頂角處一直延伸至弧邊位置。

2）在折邊碰觸位置加貼橡膠條減緩碰撞。

采用上述方案來避免兩遮陽棚中間飄入雨水的可能性，并且由此設計折邊來連接2個遮陽棚，即當主驅動遮陽棚開啟到一定程度后，由折邊橡膠條帶動小片遮陽棚繼續(xù)開啟或者關閉。

3.4 遮陽裝置電機安裝

電機采用意大利進口的驅動步進電機，額定功率達到550 W，最大扭矩400 N·m，最大負載3 500 kg。

在主驅動系統(tǒng)遮陽棚的弧邊外側加裝驅動步進電機，電機通過傳動機構最終經(jīng)由弧形平臺上的齒條完成齒輪齒條嚙合。通過齒輪齒條的嚙合傳動，可高精度控制遮陽棚的運動軌跡和開合程度。遮陽棚弧形邊及側邊均設置有防雨條，保護驅動機構及嚙合傳動機構不被雨水打濕。另外，齒條采用齒面向下的布置，避免嚙合齒間聚集塵土，造成傳動機構失效，同時可限制遮陽棚沿齒輪連同遮陽棚向上的位移，保證機構穩(wěn)定性及長效運作（圖8、圖9）。

圖8 電機軌道示意

圖9 電機與導軌連接

3.5 遮陽裝置膜布安裝

遮陽棚的膜布采用PTFE的網(wǎng)格膜（透光率20%），通過專用鋁型材和螺絲固定在遮陽棚的骨架上（圖10）。在安裝的過程中應注意對膜布進行保護，避免對膜布造成損壞，并將其拉平，用力要均勻。

圖10 膜布安裝示意

1）在鋼梁骨架旁邊焊接一角鐵，從轉角位置一直延伸至弧邊位置，角鐵每隔1.5 m開一孔洞。

2）膜布一端用鋁材固定在角鐵上，并用螺絲固定。

3）膜布寬幅1.5 m，從弧邊位置開始鋪設，從固定端拉平至另一端，拉緊后固定。

4）膜布需要拼接起來，后鋪設膜布搭接在先鋪設膜布上方，搭接長度50 mm。

在大片遮陽棚側邊用膜布進行封邊處理，以此解決側邊防風防雨的問題（圖11、圖12）。

圖11 大片遮陽棚側邊封邊

圖12 遮陽裝置施工完成效果

3.6 遮陽裝置智能控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)采用手動與智能化控制方案一體化設計，遮陽棚附近設置有溫度、濕度、光照等傳感器，傳感器連接至數(shù)據(jù)分析中心，通過對傳感器收集的天氣數(shù)據(jù)與設定數(shù)據(jù)進行比較分析，決定是否驅動步進電機完成遮陽棚的開閉狀態(tài)。在遮陽棚控制中心加裝WIFI無線收發(fā)模塊，可以實現(xiàn)手機登錄控制界面查看或完成遮陽棚的啟閉動作以及控制模式的選擇與控制。

智能控制模式狀態(tài)下通過天面?zhèn)鞲衅鞑杉L速、水量、光照強度等自然天氣情況，數(shù)據(jù)處理中心通過將采集到的數(shù)據(jù)與設定參數(shù)進行比較分析，當天氣數(shù)據(jù)值達到或超過設定控制閾值時，即可發(fā)出驅動信號，控制步進電機，打開或關閉遮陽棚，實現(xiàn)遮陽棚智能控制的目的。

用戶也可以實現(xiàn)手動控制模式，遮陽棚的開閉由人工完成。手動模式狀態(tài)下，當出現(xiàn)極端天氣狀況，采集到的數(shù)據(jù)達到設定關閉遮陽頂棚的工作狀態(tài)，且熱紅外人體感應器在檢測范圍內(nèi)未檢測到有人員活動，則自動轉為智能控制模式[6]。

4 結語

通過功能分析，實現(xiàn)驅動、傳動、智能控制等一體化方案設計，通過圖紙的深化、結合現(xiàn)場實際情況，利用2塊大小不一、高度不同的遮陽棚上下層疊布置并圍繞一中柱旋轉，弧邊設有滾輪，并設置有和滾輪配套的軌道，達到了可以承受更大自重，實現(xiàn)更大體積并且結構穩(wěn)定的效果。該設計藝術效果明顯，適用于在穹頂或平屋樓鏤空結構的上方，用于遮陽及合理化采光通風，同時穹頂或平屋頂鏤空結構亦可以實現(xiàn)360°全屋頂采光遮陽，或改進后應用于非規(guī)則鏤空結構的采光頂棚設計應用，極大實現(xiàn)了本裝置技術拓展開發(fā)及推廣應用的價值。