氣泡型開合屋蓋設(shè)計(jì)研究

李 澤[1.上海綠地建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，上海 200437；2.上海綠地建設(shè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200437]

動(dòng)態(tài)建筑的形態(tài)可以發(fā)生變化，比如可以升降的橋梁，可以伸縮的發(fā)射塔，可以開合的屋蓋。這些建筑與機(jī)、電、液壓等其他工程技術(shù)相融合，形成了建筑行業(yè)的新興領(lǐng)域。開合屋蓋作為動(dòng)態(tài)建筑中最常用的一個(gè)門類，得到了越來越多的應(yīng)用。開合屋蓋多采用鋼結(jié)構(gòu)，上覆玻璃，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，體量輕盈，造型優(yōu)美。商業(yè)綜合體設(shè)置中庭屋蓋，有利于室內(nèi)采光，對(duì)景觀起到畫龍點(diǎn)睛的作用。若中庭屋蓋開啟，可極大改善室內(nèi)通風(fēng)效果，節(jié)約大量能源。還可以營造獨(dú)特視覺觀感，吸引顧客，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此在商業(yè)綜合體中，開合屋蓋具有廣泛的應(yīng)用前景。某商業(yè)綜合體中庭屋蓋建筑造型為氣泡型，本文結(jié)合這一工程實(shí)例，探討此類開合屋蓋的設(shè)計(jì)方法，以及對(duì)開合機(jī)電系統(tǒng)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(dòng)屋蓋。單片活動(dòng)屋蓋長度 33.05m，寬度 10.32m，重量 150 t (含鋼結(jié)構(gòu)和玻璃)。工作狀態(tài)下單片活動(dòng)屋蓋行程 11.00m，兩片同時(shí)開啟時(shí)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(dòng)齒條）按此長度布置。屋面鋼結(jié)構(gòu)樓板面標(biāo)高 52.80m，鋼筋混凝土軌道梁高度 0.70m，活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)臺(tái)車高度 0.91m（含工字鋼梁、鐵軌）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于開合屋蓋為可變形態(tài)結(jié)構(gòu)，具有顯著的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法明顯不同。應(yīng)區(qū)分開合屋蓋各種工作形態(tài)，如閉合形態(tài)、半開半合形態(tài)、全開形態(tài)等，在考慮各種形態(tài)下的不利荷載的布置和組合后，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其要考慮開合機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 結(jié)構(gòu)選型

考慮屋蓋活動(dòng)片的自重，屋面采用網(wǎng)殼式。為抵抗開合機(jī)電系統(tǒng)啟動(dòng)或停止時(shí)的水平?jīng)_擊力，在網(wǎng)殼下方布置桁架體系，對(duì)網(wǎng)殼進(jìn)行雙向加強(qiáng)，以提高了屋面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2.2 荷 載

2.2.1 恒荷載及活荷載

鋼結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)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(shè)防區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.1 Gal。對(duì)于大跨度屋蓋，應(yīng)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(dòng)片開合過程中存在加速及減速狀態(tài)：從閉合形態(tài)開始經(jīng)全加速打開、勻速打開、全減速打開至全開形態(tài)；從全開狀態(tài)開始經(jīng)全加速關(guān)閉、勻速關(guān)閉、全減速關(guān)閉至閉合形態(tài)。加速度對(duì)結(jié)構(gòu)而言相當(dāng)于沖擊荷載。沖擊荷載計(jì)算公式如式（1）所示。

2.2.4 風(fēng)荷載

屋蓋半開半合形態(tài)最為不利，此時(shí)應(yīng)按單面開敞單坡屋面考慮風(fēng)荷載體型系數(shù)，對(duì)于頂蓋可取 －1.6。對(duì)于山墻可取 －1.3。對(duì)于復(fù)雜形體建筑應(yīng)進(jìn)行專門的風(fēng)壓、風(fēng)荷載體型系數(shù)分析。

2.2.5 溫度荷載

大跨度鋼結(jié)構(gòu)均需考慮溫度引起的荷載，溫升、溫降均按 30 K 考慮。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

通過振型分析可以找出結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，可按振型分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整加強(qiáng)，并避免發(fā)生第1振型為局部振型的情況。振型分析所得結(jié)構(gòu)的前4階振型見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)振型分析

1 階振型為固定片豎向位移；2 階振型為活動(dòng)片豎向位移；3 階振型為活動(dòng)片豎向翹曲；4 階振型為固定片豎向翹曲。經(jīng)檢驗(yàn)，邊界桁架及中間桁架對(duì)網(wǎng)殼起到了支撐、加強(qiáng)的作用，結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上均有可靠剛度，結(jié)構(gòu)布置合理。

2.3.2 內(nèi)力及變形

經(jīng)計(jì)算，網(wǎng)殼桿件最大應(yīng)力比＜ 0.8，網(wǎng)殼最大豎向變形為 11.5 mm，滿足規(guī)范要求。值得注意的是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證在任何情況下，小車上網(wǎng)殼支座處均不出現(xiàn)拔力，尤其注意屋蓋半開情況下的風(fēng)荷載工況。荷載變形見圖2。

圖2 荷載變形圖

3 開合機(jī)電系統(tǒng)

開合機(jī)電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)屋蓋開合的關(guān)鍵。本工程開合機(jī)電系統(tǒng)原理是利用同步移動(dòng)系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)臺(tái)車，沿平直齒條軌道開行，帶動(dòng)屋頂移動(dòng)。

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與夾軌器

開合機(jī)電行走子系統(tǒng)共計(jì)8臺(tái)臺(tái)車。每4臺(tái)臺(tái)車帶動(dòng)1 片活動(dòng)屋蓋移動(dòng)，其中2臺(tái)為驅(qū)動(dòng)車，2 臺(tái)為從動(dòng)車。開合機(jī)電控制子系統(tǒng)與建筑內(nèi)的消防系統(tǒng)連接，可在發(fā)生火災(zāi)時(shí)自動(dòng)快速打開活動(dòng)屋蓋。屋頂在移動(dòng)到中間位置及末端位置終點(diǎn)前，通過接近開關(guān)來檢測(cè)臺(tái)車位置，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行減速至停止。系統(tǒng)通過限位開關(guān)來限定臺(tái)車移動(dòng)的極限位置，以保證屋頂安全。屋頂在啟閉中途如需停止時(shí)，停止按鈕按下后屋頂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)逐漸降低速度直至停止。

每片屋蓋活動(dòng)片下2臺(tái)對(duì)角布置的臺(tái)車帶有自動(dòng)液壓夾軌裝置，將臺(tái)車與鋼軌鎖定，以確保屋頂停止時(shí)處于鎖定形態(tài)，避免屋蓋在荷載作用下移動(dòng)。只有夾軌器裝置完全松開鋼軌后，驅(qū)動(dòng)臺(tái)車才能啟動(dòng)，屋頂才會(huì)移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置布置如圖3所示。

圖3 開合屋蓋驅(qū)動(dòng)裝置布置圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)開合機(jī)電系統(tǒng)的要求

(1) 開合機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)能承受支座傳遞來的豎向力及水平力。

(2) 設(shè)置同步裝置，以防兩側(cè)小車行程不等導(dǎo)致卡軌。機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置夾軌器，防止屋蓋停止形態(tài)下出現(xiàn)溜車。

(3) 設(shè)置限位裝置，以防小車過沖導(dǎo)致兩車碰撞，或屋蓋活動(dòng)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(shè)計(jì)要求。

通過調(diào)試，使開合系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，不與限位裝置發(fā)生碰撞。啟停加速度不大于設(shè)定值，保證結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié) 語

屋蓋活動(dòng)片的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了建筑形態(tài)的可變，同時(shí)帶來了不斷變化的荷載形式和工況，使開合屋蓋設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，與傳統(tǒng)屋蓋具有明顯的區(qū)別。設(shè)計(jì)時(shí)需注意按不同形態(tài)分別進(jìn)行荷載組合；設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意，應(yīng)防止屋蓋受風(fēng)吸力影響使支座處出現(xiàn)拔力，同時(shí)需設(shè)置第二道防線——夾軌器。屋蓋活動(dòng)片在開合機(jī)電系統(tǒng)牽引下移動(dòng)，為降低自重宜選用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)殼的縱橫雙向設(shè)置桁架體系可以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，適應(yīng)開合機(jī)電系統(tǒng)啟停時(shí)的沖擊力。

開合機(jī)電系統(tǒng)是開合屋蓋實(shí)現(xiàn)形態(tài)可變的關(guān)鍵，與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了建筑智能化。機(jī)電行業(yè)與建筑行業(yè)相融合，是實(shí)現(xiàn)可變形態(tài)建筑的重要方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)明確對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)的要求，包括連接處的支座承載力，以及最大啟停加速度等。