八片聯(lián)動(dòng)可開啟屋蓋研究
——以杭州奧體網(wǎng)球中心為例

邢超

CCDI悉地國(guó)際

業(yè)主：杭州奧體博覽中心建設(shè)投資有限公司

建設(shè)地點(diǎn)：浙江省杭州市

建筑設(shè)計(jì)：悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)（深圳）有限公司

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：劉慧

可開啟屋蓋研究團(tuán)隊(duì)：邢超、朱勇軍（結(jié)構(gòu)總工程師）、李婷、秦笛、胡偉（NBBJ）、高穎（結(jié)構(gòu)）、曲平（幕墻）、張曉梅、楊守迎

建筑規(guī)模：用地面積30 520m2，建筑面積52 312m2

開合屋蓋面積：6 000m2（每片750m2，高6m）

屋蓋開啟時(shí)間：約10～25min

固定軌道長(zhǎng)度：約7m×8=56m

活動(dòng)軌道長(zhǎng)度：2條20m×8=160m

攝影：悉地國(guó)際

1 可開啟屋蓋對(duì)網(wǎng)球中心的必要性

隨著國(guó)內(nèi)外大量可開啟屋蓋技術(shù)的應(yīng)用，其可實(shí)施性已日漸成熟，現(xiàn)階段我們擁有足夠的技術(shù)支持來(lái)實(shí)現(xiàn)多種可開啟屋蓋的形式。高標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)館設(shè)計(jì)與高標(biāo)準(zhǔn)賽事要求相一致，可開啟屋蓋的設(shè)置也是高標(biāo)準(zhǔn)的體現(xiàn)。

杭州奧體博覽城作為國(guó)際一流的體育中心，開合屋蓋的設(shè)置將會(huì)產(chǎn)生非常好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，使建筑有機(jī)會(huì)成為城市地標(biāo)，功能上更具綜合性，運(yùn)營(yíng)更具靈活性。建成后的杭州奧體博覽城網(wǎng)球中心（又稱“小蓮花”）可以滿足除ATP世界巡回大師賽1000系列賽、四大滿貫之外的各種主流比賽。除此之外，憑借著影響力和球場(chǎng)的升級(jí)，杭州奧體博覽城網(wǎng)球中心還可以滿足奧運(yùn)會(huì)、亞運(yùn)會(huì)、全運(yùn)會(huì)、中國(guó)網(wǎng)球公開賽、大師賽等諸多重大賽事。由于網(wǎng)球賽程的安排非常飽滿，各大賽事在世界范圍內(nèi)遍地開花，對(duì)舉辦城市以及球場(chǎng)有很高的要求，尤其當(dāng)賽事遇到極端天氣，更是對(duì)球場(chǎng)的考驗(yàn)。于是涌現(xiàn)出越來(lái)越多的可開啟屋蓋網(wǎng)球場(chǎng)，成為體育建筑的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

除了承接各大網(wǎng)球賽事之外，通過(guò)臨時(shí)改造措施，可開啟屋蓋的配置使單一的網(wǎng)球場(chǎng)具備更豐富的運(yùn)營(yíng)形態(tài)。2018年第14屆國(guó)際泳聯(lián)世界游泳錦標(biāo)賽中，“小蓮花”通過(guò)改造成功承接了25m短池競(jìng)賽，正是可開啟屋蓋的設(shè)置為建筑空間的使用帶來(lái)靈活性。

2 從‘平移’到‘旋轉(zhuǎn)’，不同方式的開啟研究

可開啟屋蓋的常規(guī)形式主要有：平移式、旋轉(zhuǎn)式、翻轉(zhuǎn)式、折疊式、混合式等。

在“小蓮花”可開啟屋蓋的開啟形式研究過(guò)程中，由于是基于花瓣?duì)畹膽姨粑萆w之上考慮如何“加蓋”，因此必須保證原有形態(tài)不被改變，可開啟形式在原有屋蓋基礎(chǔ)上具備高度的可實(shí)施性，同時(shí)造價(jià)又控制在合理的范圍內(nèi)。通過(guò)多輪多方向的方案比選，我們最終把焦點(diǎn)集中在平移式、平移倒掛式和旋轉(zhuǎn)式這三種開啟形式。

（1）平移式的技術(shù)在當(dāng)下最為成熟，國(guó)內(nèi)外實(shí)施的案例較多。開啟屋蓋分為相互平行的幾個(gè)活動(dòng)單元，按照移動(dòng)方向設(shè)置平行的軌道，每個(gè)活動(dòng)單元沿著既定的軌跡移動(dòng)。開啟方向呈線性，軌道與活動(dòng)屋蓋的連接成直線，受力簡(jiǎn)單。起初，我們將原始花瓣形態(tài)做變異，調(diào)整“花瓣”的模數(shù)，使不同的花瓣有6種，單元重復(fù)率為4次。同時(shí)，整體結(jié)構(gòu)結(jié)合平行軌道設(shè)置的4個(gè)正交鋼桁架，在支撐罩棚體系的同時(shí)，其中2個(gè)也承載平行軌道及活動(dòng)屋蓋部分的荷載。雖然整體形態(tài)仍然保持原有方案的風(fēng)格，開啟屋蓋軌道系統(tǒng)與花瓣造型有機(jī)結(jié)合，但非標(biāo)準(zhǔn)化程度加大，開口形式與整體形態(tài)之間契合度不高。

（2）為了解決上述問(wèn)題，我們又嘗試將開啟屋蓋倒掛在固定屋蓋之下。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，為保持活動(dòng)屋蓋的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)開合至少需要在活動(dòng)屋蓋的中部增設(shè)2條軌道，且必須采用吊裝的方式將其置于可開啟屋蓋和罩棚之間。為保證館內(nèi)的合理空間高度，建筑高度會(huì)抬高，對(duì)固定罩棚的形態(tài)影響很大?；顒?dòng)屋蓋吊裝的技術(shù)相對(duì)屋蓋正裝難度更大，活動(dòng)屋蓋的軌道除需滿足屋蓋移動(dòng)的要求，還需承載活動(dòng)屋蓋的拉力與更大的結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)內(nèi)置的可開啟屋蓋與罩棚之間的密閉性也很難保證。

1 杭州奧體博覽城網(wǎng)球中心決賽館

2 杭州奧體博覽網(wǎng)球中心

3 水平開啟——活動(dòng)屋蓋在固定屋蓋之上

4 水平開啟——活動(dòng)屋蓋在固定屋蓋之下

5 研究過(guò)程

6 研究結(jié)論

（3）我們最終將研究焦點(diǎn)僅集中于旋轉(zhuǎn)屋蓋，這種方式的可開閉屋蓋分為多個(gè)活動(dòng)單元，每個(gè)活動(dòng)單元以輪軸為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在這種定軸旋轉(zhuǎn)可開啟屋蓋研究中，分別采用了6片活動(dòng)單元和8片活動(dòng)單元的比選，最終選用8片獨(dú)立單元“旋轉(zhuǎn)式開啟”屋蓋。無(wú)論開啟或關(guān)閉的狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)式的開啟模式造型與主體罩棚的“花瓣”造型在結(jié)構(gòu)邏輯上統(tǒng)一。最大的優(yōu)勢(shì)是標(biāo)準(zhǔn)化程度高，移動(dòng)、固定花瓣圍合關(guān)系相得益彰，邏輯上也維持了向心的原則。

在方案確定之后，又經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)半年的技術(shù)可實(shí)施性研究。旋轉(zhuǎn)式的各活動(dòng)單元全部或各自沿著一根垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟方向?yàn)榛【€，軌道及支承軸與活動(dòng)屋蓋的連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，受力也相對(duì)復(fù)雜。“小蓮花”在原有懸挑26m的固定屋蓋上再懸挑30m，旋轉(zhuǎn)屋蓋的支撐載體為固定屋蓋，因此活動(dòng)屋蓋以及罩棚的結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對(duì)龐大，對(duì)使用過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形、閉合后的密閉性等提出了更高的技術(shù)要求；在閉合、開啟及開啟狀態(tài)下的荷載、風(fēng)荷載、支承力、連接方式等方面需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)及模擬測(cè)試后才可實(shí)施，因此技術(shù)難度更高。

3 杭州奧體網(wǎng)球中心決賽館可開啟技術(shù)的創(chuàng)新

雖然在定軸旋轉(zhuǎn)可開啟屋蓋技術(shù)的應(yīng)用中，“小蓮花”并不是首例，但基于項(xiàng)目的特殊性，開啟屋蓋的設(shè)置是確定了網(wǎng)球場(chǎng)方案形態(tài)之后才開始考慮的。因此，我們必須考慮“網(wǎng)球場(chǎng)”如何通過(guò)設(shè)計(jì)升級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬W(wǎng)球館”。這其中需要顧及到結(jié)構(gòu)體系、建筑功能空間、防水排水措施等如何“升級(jí)”，建筑密閉構(gòu)造、傳動(dòng)設(shè)備安裝、室外變室內(nèi)后的空氣環(huán)境、建筑聲學(xué)措施等如何處理。面臨全新的挑戰(zhàn)，我們也在既有成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一次又一次的創(chuàng)新。

3.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：保證每個(gè)活動(dòng)屋蓋平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)

該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于，8片懸挑旋轉(zhuǎn)開閉屋蓋結(jié)構(gòu)在開啟、關(guān)閉及運(yùn)行過(guò)程中不同角度的風(fēng)荷載、地震荷載、溫度作用等工況下，支撐力及連接方式有很大差異，內(nèi)力和變形也不同。為了保證八片大懸挑屋蓋的正常工作，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系不論在哪種受力狀態(tài)下都要保持均勻和更小的變形。

在懸挑結(jié)構(gòu)上，如何保證每個(gè)活動(dòng)屋蓋平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)是我們重點(diǎn)研究的課題。杭州奧體網(wǎng)球中心決賽館的整體屋蓋體系為固定屋蓋罩棚外邊緣直徑約133m，罩棚最大寬度37m，懸挑長(zhǎng)度約26m，中心開口直徑約60m，罩棚結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)標(biāo)高30m，每個(gè)“花瓣”結(jié)構(gòu)單元在屋頂形成“疊片”趨勢(shì)。因此要想在固定屋蓋上方設(shè)置8片懸挑平面旋轉(zhuǎn)開閉屋蓋，且單片屋蓋徑向長(zhǎng)45m、寬25m，閉合狀態(tài)下懸挑30m，同時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，首先需要對(duì)固定屋蓋頂面進(jìn)行優(yōu)化，保證水平的趨勢(shì)，為固定軌道的安裝提供良好的條件。

另外就是支撐體系。每榀設(shè)置一個(gè)固定轉(zhuǎn)軸及三條同心旋轉(zhuǎn)軌道結(jié)構(gòu)，其中兩條軌道固定在移動(dòng)屋蓋上，一條軌道固定在固定屋蓋上，這樣為固定、旋轉(zhuǎn)兩屋蓋之間提供了相互依存的必要條件。其次要解決的是在懸挑的結(jié)構(gòu)上，保證每個(gè)活動(dòng)屋蓋平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)：1）三條軌道相對(duì)于轉(zhuǎn)軸為三個(gè)同心圓，開啟角度不同，輪子支撐點(diǎn)相對(duì)于移動(dòng)屋蓋位置不同；2）主動(dòng)輪、反力輪固定在固定屋蓋上，在移動(dòng)屋蓋轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相對(duì)于移動(dòng)屋蓋的位置有所變化；3）從動(dòng)輪固定在移動(dòng)屋蓋上，在移動(dòng)屋蓋轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持與移動(dòng)屋蓋的相對(duì)位置不變。

7 杭州奧體博覽城主體育場(chǎng)區(qū)航拍圖

8 整體結(jié)構(gòu)剖切示意圖

9 鋼結(jié)構(gòu)罩棚

10 活動(dòng)屋蓋平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)下支撐體系示意圖

11 動(dòng)態(tài)過(guò)程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

12 閉合及開啟狀態(tài)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

13 閉合狀態(tài)輪/軸/重心示意圖

14 軌跡線示意圖

輪軌的布置原則直接影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要通過(guò)輪軌布置達(dá)到活動(dòng)屋蓋的形心和重心盡量重合，使三個(gè)輪子的重心位置與單片移動(dòng)屋蓋的中心線位置盡量重合，以提高移動(dòng)屋蓋的整體穩(wěn)定性。如圖11所示，藍(lán)色為三個(gè)輪子構(gòu)成的三角形，紅色為屋蓋外輪廓構(gòu)成的三角形，綠色圈為三個(gè)輪子位置。同時(shí)又對(duì)不同角度中心和形心的狀態(tài)做了復(fù)核，研究每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度屋蓋重心和輪子合力重心的距離，發(fā)現(xiàn)閉合狀態(tài)受力最為不利，開啟狀態(tài)受力最為有利。

3.2 構(gòu)造創(chuàng)新：結(jié)構(gòu)變形、密閉、排水問(wèn)題的應(yīng)對(duì)

研究中我們發(fā)現(xiàn)，抵抗結(jié)構(gòu)變形不能一味地依靠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的體系來(lái)完成。整個(gè)屋蓋跨度加大、負(fù)荷面積增大，屋蓋的豎向變形控制會(huì)更為嚴(yán)格，因此在建筑構(gòu)造上就要留出足夠的抵抗結(jié)構(gòu)變形的空間，而這個(gè)空間又會(huì)和場(chǎng)館的密閉性形成一定的矛盾。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們嘗試在固定屋蓋與可開啟屋蓋之間用于軌道、檢修、排水等的高度中，通過(guò)聯(lián)動(dòng)措施設(shè)置若干開閉的門扇，將其安裝在固定屋蓋上，關(guān)閉時(shí)與活動(dòng)屋蓋之間設(shè)置軟連接，以保證足夠的緩沖和密閉性。與此同時(shí)，在固定屋蓋端頭設(shè)置雨水溝及雨水斗，做好泛水及防水措施，確保雨水不會(huì)蔓延至室內(nèi)。在可開啟屋蓋之間需要形成上下搭接的關(guān)系，位于上方的單元一側(cè)設(shè)置一條水溝，并考慮足夠的泛水高度，位于下方的單元一側(cè)設(shè)置主副兩條水溝，起到充分的保護(hù)作用，兩個(gè)搭接邊緣通過(guò)柔性連接封閉。每個(gè)活動(dòng)單元周邊的水溝均通過(guò)結(jié)構(gòu)找坡，也就是說(shuō)“花瓣”結(jié)構(gòu)體系的下懸是由“保證花瓣平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)”的需求決定的，而上懸是由“雨水排向坡度要求”決定的。雨水溝既要保證主副溝的合理排水坡向，又要保證雨水及時(shí)排出，合理均勻設(shè)置雨水斗，收集至屋面集水坑或直接排走。同時(shí)，雨水的排放還要充分考慮到開啟狀態(tài)、閉合狀態(tài)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下雨水的走向、排向與固定屋蓋排水系統(tǒng)的緊密結(jié)合。在活動(dòng)單元端頭，安裝在其中一個(gè)活動(dòng)單元端部的“帽子”將最中央?yún)^(qū)域覆蓋，通過(guò)聯(lián)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)升降，在活動(dòng)單元的端部設(shè)置水溝將雨水及時(shí)排出，防水、密閉措施同理，確保雨水不會(huì)蔓延至室內(nèi)。

3.3 設(shè)備創(chuàng)新：確?！盎ò辍眲?dòng)態(tài)下的友好距離

在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行中，相鄰活動(dòng)單元之間的關(guān)系時(shí)刻在變化。因此，確保每時(shí)每刻花瓣間都不碰撞也是本項(xiàng)目的研究難點(diǎn)。結(jié)構(gòu)線形并不是僅僅與屋面板保持一定的距離，還需要確定在活動(dòng)單元運(yùn)行至相互距離最不利處時(shí)，兩側(cè)搭接的雨水溝也不發(fā)生碰撞，這是需要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的。邊界的可行性形態(tài)經(jīng)驗(yàn)證后，再來(lái)反推結(jié)構(gòu)邊緣桿件的線形。同時(shí)為保證屋面檁條、龍骨體系邏輯清晰，結(jié)構(gòu)上懸桿中心線與屋面表皮呈等距關(guān)系，也是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)得出。

由于花瓣開啟風(fēng)格的獨(dú)特，固定屋蓋與活動(dòng)屋蓋之間的關(guān)系注定需要一套創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)設(shè)備來(lái)完成。在與設(shè)備方研究的過(guò)程中，借鑒了上海旗忠網(wǎng)球中心的系統(tǒng)，以固定點(diǎn)作為轉(zhuǎn)軸，通過(guò)三條軌道和車臺(tái)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。但不同的是，本項(xiàng)目將一條固定軌道梁安裝在固定屋蓋上，兩條活動(dòng)軌道梁安裝在活動(dòng)屋蓋上，在主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的共同作用下來(lái)完成這個(gè)過(guò)程。臺(tái)車裝置用于支撐活動(dòng)屋蓋的結(jié)構(gòu)，根據(jù)輪壓和支撐點(diǎn)反力確定了布置形式，軌道梁用于安裝固定軌道，同時(shí)是保證水平約束和防傾覆裝置起作用的受力支撐結(jié)構(gòu)，軌道梁還承擔(dān)活動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)和固定屋蓋結(jié)構(gòu)之間荷載的傳遞作用，承擔(dān)機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞作用，在活動(dòng)屋蓋系統(tǒng)中起過(guò)渡和連接的作用，最終通過(guò)研究與軌道梁的幾何關(guān)系確定了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

15 閉合及開啟狀態(tài)室內(nèi)效果

16 中心端部節(jié)點(diǎn)示意效果圖

17 屋蓋平面示意圖

18 固定屋蓋與車臺(tái)裝置系統(tǒng)圖

19 固定屋蓋與車臺(tái)裝置系統(tǒng)效果圖

20 屋蓋開啟過(guò)程效果圖

21 屋蓋開啟過(guò)程單元示意圖

打開屋蓋流程為：接通電源——中心封閉裝置上升——屋蓋前端閉鎖機(jī)構(gòu)開鎖——驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)閉鎖打開——接通打開開關(guān)把屋蓋打開——打開到位后停止——驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)閉鎖鎖緊——切斷電源；關(guān)閉屋蓋流程為：接通電源——打開驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)閉鎖——接通關(guān)閉開關(guān)把屋蓋關(guān)閉——關(guān)閉到位后停止——驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)閉鎖鎖緊——屋蓋前段閉鎖機(jī)構(gòu)鎖緊——中心封閉裝置下降——切斷電源。

4 結(jié)語(yǔ)

“小蓮花”如今已經(jīng)在錢塘江畔奪目盛開，她的綻放離不開每一個(gè)參與者的堅(jiān)持、開拓與進(jìn)取，是大家不懈地追求卓越而取得的成功。杭州奧體博覽城網(wǎng)球中心是CCDI公司在體育場(chǎng)館設(shè)計(jì)定軸旋轉(zhuǎn)開啟屋蓋建筑的第一例，也因造型特殊、難度高而成為技術(shù)含量最高的體育場(chǎng)館之一。我們從零開始，充分整合國(guó)內(nèi)外資源，經(jīng)過(guò)一系列學(xué)習(xí)、研究、實(shí)驗(yàn)等終于將概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，填補(bǔ)了公司定軸旋轉(zhuǎn)開啟屋面技術(shù)的空白，為我司尖端技術(shù)領(lǐng)域又摘得一枚桂冠。相信在2022年杭州亞運(yùn)會(huì)上，“小蓮花”可以向全亞洲乃至全世界璀璨開放，綻放更加多姿多彩的瞬間，為人們帶來(lái)更多精彩的體驗(yàn)。