于家堡國際金融會議中心開合屋蓋機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與施工技術(shù)

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(wǎng)球場和游泳場開合屋蓋機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了簡要介紹。機(jī)械控制系統(tǒng)主要包括：承載軌道系統(tǒng)、支撐行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動及傳動系統(tǒng)、緩沖及制動裝置、電氣控制系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等幾大部分?；顒游萆w是采用多點支撐的超靜定結(jié)構(gòu)，作用于活動屋蓋的荷載通過支撐行走機(jī)構(gòu)（臺車）傳遞至固定鋼結(jié)構(gòu)體系?；顒游萆w的開合動力是來源于分布在其兩側(cè)的驅(qū)動組件，采用閉環(huán)控制算法實現(xiàn)驅(qū)動組件的同步運(yùn)行，從而保證活動屋蓋的穩(wěn)定、可靠開合。

關(guān)鍵詞：開合屋蓋；機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)；同步控制

中圖分類號：TU758.11 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)于家堡金融區(qū)起步區(qū)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(wǎng)球場和游泳場，其中，北側(cè)場館為游泳場，南側(cè)場館為網(wǎng)球場。網(wǎng)球場和游泳場結(jié)構(gòu)形式相同，互為對稱的結(jié)構(gòu)，每個場館的投影面積約為600m2，可開啟面積（水平面內(nèi)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(jī)械控制系統(tǒng)等部分組成。本項目開合屋蓋采用了鏈傳動的驅(qū)動方式，驅(qū)動減速電機(jī)（含鏈輪）固定連接在固定屋蓋的兩側(cè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)荷載（風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載等）通過臺車經(jīng)由軌道傳遞到固定屋蓋；每片活動屋蓋設(shè)置有兩套獨立的驅(qū)動裝置，通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)活動屋蓋在兩條平行的弧形軌道上同步開合。此外，還設(shè)置有制動裝置、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性。

1 主要技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)

使用狀態(tài)：全開啟，半開啟，全閉狀態(tài)；

驅(qū)動裝置設(shè)計使用年限：25年；

控制系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)兩種操作模式之間的自由切換；

傳動系統(tǒng)形式：鏈輪鏈條；

最大開啟和閉合循環(huán)次數(shù)（次/年）：不小于200次/年。

2 機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械系統(tǒng)主要包括：承載軌道系統(tǒng)、支撐行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動及傳動系統(tǒng)、緩沖及制動裝置等幾大部分，如圖2所示。

2.1.1 機(jī)械系統(tǒng)主要組成部分

承載軌道系統(tǒng)：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(jié)構(gòu)邊梁上，墊板上設(shè)計有安裝螺紋孔，弧線軌道通過軌道壓塊以高強(qiáng)度螺栓固定聯(lián)接在軌道墊板上，從而實現(xiàn)軌道與固定屋蓋的可靠聯(lián)接。

驅(qū)動系統(tǒng)：主要包括三合一減速電機(jī)、帶阻尼自適應(yīng)調(diào)整和限位裝置、安裝支架等。三合一減速電機(jī)是由電機(jī)、齒輪變速箱、常閉制動器組成的整體，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。在減速電機(jī)的輸出端安裝有鏈輪，為整個活動屋蓋的開合提供原始驅(qū)動力；減速電機(jī)輸出端的另外一側(cè)，配置有高分辨率絕對值多圈旋轉(zhuǎn)編碼器，用于實時檢測和反饋活動屋蓋的位置，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

傳動系統(tǒng)：是指短節(jié)距三排套筒滾子鏈及附屬安裝輔件。鏈條通過高強(qiáng)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(lián)接到活動屋蓋邊梁上。通過驅(qū)動鏈輪與鏈條的嚙合實現(xiàn)活動屋蓋沿弧線軌道的平移開合。

支撐行走機(jī)構(gòu)：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(dǎo)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(xiàn)載荷平衡，并沿軌道行走。

導(dǎo)向限位及安全緩沖系統(tǒng)：導(dǎo)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(jié)構(gòu)的安全。

2.1.2 機(jī)械系統(tǒng)的匹配性設(shè)計

本項目鋼結(jié)構(gòu)體量不大，但結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜。固定屋蓋和活動屋蓋主體結(jié)構(gòu)為矩形管截面空間桁架，還設(shè)置有拉桿和預(yù)應(yīng)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(guān)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(jìn)行支撐，臺車結(jié)構(gòu)簡單緊湊，并具備導(dǎo)向和防風(fēng)吸傾覆功能；活動屋蓋的開合動力由固定的（與固定屋蓋聯(lián)接）驅(qū)動裝置提供，依靠聯(lián)接于活動屋蓋上的鏈條及驅(qū)動裝置上鏈輪的嚙合實現(xiàn)動力傳遞。另外，為確保系統(tǒng)的安全，設(shè)置有常閉的輔助夾軌制動裝置，與驅(qū)動電機(jī)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(tài)及運(yùn)動狀態(tài)下，固定屋蓋（活動屋蓋運(yùn)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(cè)向負(fù)載偏大等，有時甚至?xí)l(fā)生卡滯的現(xiàn)象。為適應(yīng)活動屋蓋與固定屋蓋的豎向、側(cè)向變形差，有效的消除施工誤差帶來的影響，驅(qū)動組件采用了帶阻尼自適應(yīng)裝置，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。驅(qū)動電機(jī)及安裝支架一體與固定屋蓋之間為帶阻尼浮動聯(lián)接；同時，與活動屋蓋邊梁固定聯(lián)接的弧形鏈條安裝支架一側(cè)（內(nèi)圓弧上）布置鏈條和驅(qū)動鏈輪，另外一側(cè)（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(bǔ)償。鏈輪與減速電機(jī)輸出軸采用可動花鍵聯(lián)接，在傳遞扭矩的同時可實現(xiàn)鏈輪與輸出軸的側(cè)向相對滑移，以補(bǔ)償側(cè)向偏差。于是，整個驅(qū)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?fàn)顟B(tài)時的嚙合鎖定。

2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，設(shè)有一個控制中心（主站），每片屋蓋左右兩側(cè)各設(shè)一個驅(qū)動裝置（從站）。主站及驅(qū)動從站控制單元均采用西門子可編程控制器（PLC）。每套驅(qū)動裝置上各裝有一個計量編碼器，都支持PROFINET總線協(xié)議。控制中心（主站）、驅(qū)動從站以及計量編碼器之間，通過西門子PROFINET專用網(wǎng)線，采用星型連接的方式，組成系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)?？刂浦行姆治觥⑻幚硭蟹答佇盘?，實時調(diào)整屋蓋的空間姿態(tài)，保證屋蓋同步、平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

2.2.2 單片活動屋蓋同步控制

減速電機(jī)采用變頻器來驅(qū)動，可實現(xiàn)無級調(diào)速，并用編碼器來檢測屋蓋兩側(cè)鏈條的移動位置，實時反饋給控制中心，控制中心PLC根據(jù)兩側(cè)驅(qū)動裝置的反饋信息，利用內(nèi)部PID控制器來控制單片活動屋蓋兩側(cè)的同步運(yùn)行。圖5為單片活動屋蓋閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖。

3 機(jī)械控制系統(tǒng)施工

3.1 總體施工安裝流程

鋼結(jié)構(gòu)自身的大變形和機(jī)械設(shè)備的高精度要求是開合屋蓋建筑結(jié)構(gòu)中需重點處理的問題，在設(shè)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(jī)械設(shè)備以及電氣控制系統(tǒng)的安裝施工與土建、鋼結(jié)構(gòu)、屋面維護(hù)系統(tǒng)的施工交叉作業(yè)，需結(jié)合結(jié)構(gòu)特點，遵循合理的順序。本項目中，主要設(shè)備安裝順序為：軌道—臺車—緩沖器—鏈傳動裝置—驅(qū)動系統(tǒng)—夾軌制動器—電氣控制系統(tǒng)。

3.2 施工關(guān)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(guān)鍵，影響到后續(xù)設(shè)備的安裝以及整個體系運(yùn)行的平穩(wěn)。軌道安裝精度控制主要著眼于兩方面：單側(cè)軌道的弧度、直線度；單片活動屋蓋兩側(cè)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(chǔ)）標(biāo)高進(jìn)行分段和整體復(fù)測驗收；調(diào)整并確認(rèn)無誤后，找點放樣軌道安裝基準(zhǔn)線，精確調(diào)整和確認(rèn)軌道各處支撐墊板標(biāo)高；初步定位并臨時緊固，利用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀在軌道打點測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整；軌道最終緊固，復(fù)測和局部微調(diào)。

3.2.2 驅(qū)動及傳動系統(tǒng)安裝精度控制

鏈輪鏈條傳動系統(tǒng)精度要求高，為確保安裝精度，降低現(xiàn)場施工難度，將弧形鏈條支座構(gòu)件在工廠內(nèi)分段加工制作，鏈條和鏈條支座在工廠內(nèi)分段裝配完成。而相鄰的兩段在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝配，并組配加工定位銷孔，以聯(lián)接板聯(lián)接，然后拆開運(yùn)抵現(xiàn)場。在現(xiàn)場施工時，找正第一分段與活動屋蓋的位置關(guān)系，后續(xù)分段以第一分段為基準(zhǔn)進(jìn)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(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)組件的安裝。保證驅(qū)動組件上的鏈輪和鏈條處于良好嚙合的狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)墊板調(diào)整和保證驅(qū)動組件的豎向安裝位置；通過調(diào)整驅(qū)動組件與鏈條的側(cè)向相對位置，使鏈輪處于滑動聯(lián)接處中心，以確保鏈輪雙向（側(cè)向）滑移量的均衡。

4 結(jié)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(jìn)行全面的電氣聯(lián)動調(diào)試和試運(yùn)行，機(jī)械系統(tǒng)各項性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。該項目中，將一種獨特的開式鏈傳動機(jī)構(gòu)引入開合屋蓋建筑結(jié)構(gòu)，并且采用了帶阻尼自適應(yīng)驅(qū)動裝置，這些都是大膽的技術(shù)創(chuàng)新舉措。實踐表明，設(shè)計的開合機(jī)械動力系統(tǒng)能很好適用于該種類型的建筑結(jié)構(gòu)體系。

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