智能扇形活動(dòng)遮陽(yáng)裝置的研究與應(yīng)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)與民用建筑的飛速發(fā)展，人們對(duì)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(yīng)用程度，是現(xiàn)代建筑評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。扇形遮陽(yáng)裝置是一種前沿的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由半圓形框架、半圓形導(dǎo)軌、支撐桿、頂半環(huán)、傘形遮陽(yáng)面料、手動(dòng)調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)等組成建筑頂部結(jié)構(gòu)[1]，通過(guò)可伸縮支架展開(kāi)或收起覆蓋材料，達(dá)到遮風(fēng)、擋雨、采光的目的。該裝置可伸縮支架結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)外對(duì)于建筑物頂部異形結(jié)構(gòu)的采光研究很少，能結(jié)合應(yīng)用智能化控制的更少。本文基于項(xiàng)目案例，對(duì)既有結(jié)構(gòu)加裝扇形活動(dòng)遮陽(yáng)裝置進(jìn)行研究，很好地滿(mǎn)足了業(yè)主對(duì)遮陽(yáng)裝置的各項(xiàng)功能需求，解決了行業(yè)既有遮陽(yáng)裝置的技術(shù)弊端。

1 工程概況

某大型綜合樓項(xiàng)目工程，建筑物頂部有一扇形鏤空結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)平面

采光度作為衡量現(xiàn)代化建筑設(shè)計(jì)成敗的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，適合調(diào)節(jié)射入建筑物內(nèi)部的光量[2]。對(duì)于遮陽(yáng)時(shí)間的確定，國(guó)內(nèi)采用指標(biāo)衡量法，即確定太陽(yáng)輻射大于240千卡/m2（約1 004 604 J/m2）以及室內(nèi)溫度達(dá)到29 ℃以上的月份確定為遮陽(yáng)季節(jié)[3]。如何控制適宜的采光量和采光時(shí)間，以及如何實(shí)現(xiàn)智能化控制是設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。

目前，比較常見(jiàn)的建筑采光結(jié)構(gòu)是對(duì)外敞開(kāi)的穹頂結(jié)構(gòu)。針對(duì)本項(xiàng)目的扇形鏤空結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可伸縮支架結(jié)構(gòu)通常為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不適用于本項(xiàng)目遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡及結(jié)構(gòu)載力。對(duì)于該項(xiàng)目工程的鏤空結(jié)構(gòu)，根據(jù)業(yè)主要求，在滿(mǎn)足采光和遮陽(yáng)要求的同時(shí)，需達(dá)到現(xiàn)代化、智能化控制的使用目的。

2 研究?jī)?nèi)容

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：扇形活動(dòng)遮陽(yáng)裝置利用2塊大小不一、高度錯(cuò)落嵌套的遮陽(yáng)棚，上下層疊布置并圍繞一中柱旋轉(zhuǎn)，弧邊設(shè)有滾輪，并設(shè)置有和滾輪配套的軌道（圖2、圖3）。在弧邊外側(cè)驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)棚的安裝座中設(shè)置電機(jī)，電機(jī)通過(guò)齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)，從而帶動(dòng)遮陽(yáng)裝置的精確開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)作。

圖2 遮陽(yáng)裝置側(cè)立面結(jié)構(gòu)

圖3 扇形遮陽(yáng)裝置平面結(jié)構(gòu)

齒條的設(shè)置采用齒面向下的布置，避免嚙合齒間聚集塵土，造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的失效，同時(shí)可以限制遮陽(yáng)棚沿齒輪連同遮陽(yáng)棚向上的位移，保證齒輪齒條嚙合效果和機(jī)構(gòu)穩(wěn)定長(zhǎng)效運(yùn)作。

通過(guò)在遮陽(yáng)棚徑向側(cè)邊設(shè)置橡膠條限位塊來(lái)實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)扇形遮陽(yáng)棚帶動(dòng)另一塊被動(dòng)運(yùn)動(dòng)遮陽(yáng)棚的開(kāi)啟與關(guān)閉，扇形結(jié)構(gòu)側(cè)邊的極限位置設(shè)置橡膠封閉條，裝置關(guān)閉狀態(tài)下，達(dá)到防風(fēng)、防雨的目的，避免雨水從2個(gè)遮陽(yáng)棚的間隙飄入。

遮陽(yáng)材料選擇：遮陽(yáng)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(jìn)行調(diào)整），遮陽(yáng)棚的膜布通過(guò)專(zhuān)用鋁型材和螺絲固定在遮陽(yáng)棚的骨架上，更換方便。

智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)作為環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)和智能化控制終端[4]，設(shè)置雨水、風(fēng)量、光照度等傳感器監(jiān)測(cè)天氣變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析中心通過(guò)對(duì)傳感器收集的天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，當(dāng)天氣數(shù)據(jù)值達(dá)到或超過(guò)設(shè)定控制閾值時(shí)，即可發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)，打開(kāi)或關(guān)閉遮陽(yáng)棚，實(shí)現(xiàn)控制的目的。

3 施工工藝流程

本工程遮陽(yáng)裝置的總體安裝順序?yàn)椋赫陉?yáng)裝置基礎(chǔ)施工→遮陽(yáng)裝置軌道制作及鋪設(shè)→遮陽(yáng)裝置中軸柱及骨架施工→遮陽(yáng)裝置機(jī)電安裝→遮陽(yáng)裝置膜布安裝→遮陽(yáng)裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 遮陽(yáng)裝置基礎(chǔ)施工

遮陽(yáng)裝置基礎(chǔ)為寬800 mm、內(nèi)徑11 650 mm的半圓條形混凝土基礎(chǔ)，強(qiáng)度為C30。轉(zhuǎn)軸基礎(chǔ)長(zhǎng)2 300 mm，寬1 800 mm，厚550 mm，混凝土C30。

測(cè)量放線，確定遮陽(yáng)裝置滑軌、中軸基礎(chǔ)位置及預(yù)埋件位置，放線標(biāo)注出基礎(chǔ)位置。按設(shè)計(jì)規(guī)格澆筑弧形基礎(chǔ)，并做好軌道預(yù)埋件的精確控制。

3.2 遮陽(yáng)裝置軌道制作及鋪設(shè)

3.2.1 軌道固定及安裝

遮陽(yáng)裝置軌道固定件（尺寸80 mm×40 mm×5 mm的8 mm厚槽鋼）沿預(yù)埋件精確測(cè)量定位，并利用紅外激光儀器控制固定件的平整度，通過(guò)墊塊微調(diào)的方法調(diào)整優(yōu)化后安裝固定，以此來(lái)彌補(bǔ)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(fù)測(cè)，焊接要按照設(shè)計(jì)要求施工。

3.2.2 齒條固定件安裝

在軌道固定件外側(cè)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(guò)螺栓緊固件機(jī)械連接固定在固定樁上，槽鋼固定樁通過(guò)膨脹螺栓固定在混凝土承臺(tái)上。固定樁剛度穩(wěn)定，保證運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不影響齒條精度，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)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(zhì)通過(guò)潤(rùn)滑油的黏附性堆積于齒間，造成齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)失效。

3.3 遮陽(yáng)裝置中軸柱及骨架施工

3.3.1 中軸安裝

在中軸基礎(chǔ)的預(yù)埋鋼板上標(biāo)注出中軸柱以及邊柱的定位固定點(diǎn)。通過(guò)預(yù)埋件將中軸柱（高3 m，直徑245 mm）精確安裝并固定，精確復(fù)測(cè)調(diào)整好中心柱的尺寸位置。根據(jù)復(fù)測(cè)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(wú)縫鋼管把中軸柱以及2個(gè)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(yáng)裝置的推力軸承、軸套及遮陽(yáng)棚骨架的連接件，并進(jìn)行連接件繞中軸柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)試（圖5）。

圖5 中軸軸承結(jié)構(gòu)示意

3.3.3 鋼骨架制作與安裝

遮陽(yáng)裝置的骨架采用現(xiàn)場(chǎng)制作安裝，由吊車(chē)把材料吊運(yùn)至建筑物天面處。遮陽(yáng)裝置的主骨梁為2根80 mm×140 mm的鋼管對(duì)接焊接成1根主梁（接頭內(nèi)部有加強(qiáng)的接頭），并且頂角處的主梁焊接在中軸的軸承外置結(jié)構(gòu)上，與中軸形成鉸接。

遮陽(yáng)裝置的弧邊位置焊接1條80 mm×140 mm鋼管作為遮陽(yáng)棚前段。

考慮到弧邊位置處女兒墻，遮陽(yáng)裝置應(yīng)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(zhǎng)度的鋼梁（由80 mm×140 mm的鋼管對(duì)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(jié)構(gòu)，包住女兒墻，在弧邊底部設(shè)置滑動(dòng)底座結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 遮陽(yáng)裝置扇形結(jié)構(gòu)鋼骨架立面

在遮陽(yáng)裝置的徑向側(cè)邊，同樣考慮到防風(fēng)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(qiáng)的接頭。把鋼梁焊接在側(cè)邊主骨架下方，用鋼管與主骨架連接。次級(jí)遮陽(yáng)棚側(cè)邊骨架底比女兒墻面低，主驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)棚側(cè)邊骨架比女兒墻稍高一些。在主驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)棚骨架下加上一PTFE膜布封邊，并用此方式阻擋雨水從遮陽(yáng)棚與女兒墻中間縫隙飄入。次級(jí)遮陽(yáng)棚骨架與女兒墻間隔為130 mm，主驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)棚骨架封邊膜布與女兒墻間隔170 mm，通過(guò)控制齒條的長(zhǎng)度來(lái)固定遮陽(yáng)裝置的開(kāi)啟與閉合程度，并且控制遮陽(yáng)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(yáng)棚上下搭接剖面結(jié)構(gòu)

2個(gè)遮陽(yáng)棚中間存在空隙，存在飄雨的問(wèn)題，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中是由2片遮陽(yáng)棚交錯(cuò)形成重疊以此達(dá)到防雨防風(fēng)效果。

后面綜合考慮到遮陽(yáng)棚之間的連接問(wèn)題，對(duì)原圖紙做出深化修改，提出下列方案：

1）在2個(gè)遮陽(yáng)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(lái)避免兩遮陽(yáng)棚中間飄入雨水的可能性，并且由此設(shè)計(jì)折邊來(lái)連接2個(gè)遮陽(yáng)棚，即當(dāng)主驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)棚開(kāi)啟到一定程度后，由折邊橡膠條帶動(dòng)小片遮陽(yáng)棚繼續(xù)開(kāi)啟或者關(guān)閉。

3.4 遮陽(yáng)裝置電機(jī)安裝

電機(jī)采用意大利進(jìn)口的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，額定功率達(dá)到550 W，最大扭矩400 N·m，最大負(fù)載3 500 kg。

在主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)遮陽(yáng)棚的弧邊外側(cè)加裝驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最終經(jīng)由弧形平臺(tái)上的齒條完成齒輪齒條嚙合。通過(guò)齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)，可高精度控制遮陽(yáng)棚的運(yùn)動(dòng)軌跡和開(kāi)合程度。遮陽(yáng)棚弧形邊及側(cè)邊均設(shè)置有防雨條，保護(hù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)機(jī)構(gòu)失效，同時(shí)可限制遮陽(yáng)棚沿齒輪連同遮陽(yáng)棚向上的位移，保證機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性及長(zhǎng)效運(yùn)作（圖8、圖9）。

圖8 電機(jī)軌道示意

圖9 電機(jī)與導(dǎo)軌連接

3.5 遮陽(yáng)裝置膜布安裝

遮陽(yáng)棚的膜布采用PTFE的網(wǎng)格膜（透光率20%），通過(guò)專(zhuān)用鋁型材和螺絲固定在遮陽(yáng)棚的骨架上（圖10）。在安裝的過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)膜布進(jìn)行保護(hù)，避免對(duì)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(zhuǎn)角位置一直延伸至弧邊位置，角鐵每隔1.5 m開(kāi)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(kāi)始鋪設(shè)，從固定端拉平至另一端，拉緊后固定。

4）膜布需要拼接起來(lái)，后鋪設(shè)膜布搭接在先鋪設(shè)膜布上方，搭接長(zhǎng)度50 mm。

在大片遮陽(yáng)棚側(cè)邊用膜布進(jìn)行封邊處理，以此解決側(cè)邊防風(fēng)防雨的問(wèn)題（圖11、圖12）。

圖11 大片遮陽(yáng)棚側(cè)邊封邊

圖12 遮陽(yáng)裝置施工完成效果

3.6 遮陽(yáng)裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用手動(dòng)與智能化控制方案一體化設(shè)計(jì)，遮陽(yáng)棚附近設(shè)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(guò)對(duì)傳感器收集的天氣數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，決定是否驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成遮陽(yáng)棚的開(kāi)閉狀態(tài)。在遮陽(yáng)棚控制中心加裝WIFI無(wú)線收發(fā)模塊，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)登錄控制界面查看或完成遮陽(yáng)棚的啟閉動(dòng)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(guò)天面?zhèn)鞲衅鞑杉L(fēng)速、水量、光照強(qiáng)度等自然天氣情況，數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較分析，當(dāng)天氣數(shù)據(jù)值達(dá)到或超過(guò)設(shè)定控制閾值時(shí)，即可發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)，打開(kāi)或關(guān)閉遮陽(yáng)棚，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)棚智能控制的目的。

用戶(hù)也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制模式，遮陽(yáng)棚的開(kāi)閉由人工完成。手動(dòng)模式狀態(tài)下，當(dāng)出現(xiàn)極端天氣狀況，采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定關(guān)閉遮陽(yáng)頂棚的工作狀態(tài)，且熱紅外人體感應(yīng)器在檢測(cè)范圍內(nèi)未檢測(cè)到有人員活動(dòng)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)為智能控制模式[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)功能分析，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、智能控制等一體化方案設(shè)計(jì)，通過(guò)圖紙的深化、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用2塊大小不一、高度不同的遮陽(yáng)棚上下層疊布置并圍繞一中柱旋轉(zhuǎn)，弧邊設(shè)有滾輪，并設(shè)置有和滾輪配套的軌道，達(dá)到了可以承受更大自重，實(shí)現(xiàn)更大體積并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效果。該設(shè)計(jì)藝術(shù)效果明顯，適用于在穹頂或平屋樓鏤空結(jié)構(gòu)的上方，用于遮陽(yáng)及合理化采光通風(fēng)，同時(shí)穹頂或平屋頂鏤空結(jié)構(gòu)亦可以實(shí)現(xiàn)360°全屋頂采光遮陽(yáng)，或改進(jìn)后應(yīng)用于非規(guī)則鏤空結(jié)構(gòu)的采光頂棚設(shè)計(jì)應(yīng)用，極大實(shí)現(xiàn)了本裝置技術(shù)拓展開(kāi)發(fā)及推廣應(yīng)用的價(jià)值。