气泡型开合屋盖设计研究

李 泽[1.上海绿地建设（集团）有限公司，上海 200437；2.上海绿地建设设计研究院有限公司，上海 200437]

动态建筑的形态可以发生变化，比如可以升降的桥梁，可以伸缩的发射塔，可以开合的屋盖。这些建筑与机、电、液压等其他工程技术相融合，形成了建筑行业的新兴领域。开合屋盖作为动态建筑中最常用的一个门类，得到了越来越多的应用。开合屋盖多采用钢结构，上覆玻璃，结构形式简单，体量轻盈，造型优美。商业综合体设置中庭屋盖，有利于室内采光，对景观起到画龙点睛的作用。若中庭屋盖开启，可极大改善室内通风效果，节约大量能源。还可以营造独特视觉观感，吸引顾客，提高经济效益。因此在商业综合体中，开合屋盖具有广泛的应用前景。某商业综合体中庭屋盖建筑造型为气泡型，本文结合这一工程实例，探讨此类开合屋盖的设计方法，以及对开合机电系统的要求。

1 工程背景

本工程共2片固定屋盖和2片矩形活动屋盖。单片活动屋盖长度 33.05m，宽度 10.32m，重量 150 t (含钢结构和玻璃)。工作状态下单片活动屋盖行程 11.00m，两片同时开启时洞口最大宽度 22.00m。钢筋混凝土轨道梁长度 50.00m，铁轨、工字钢梁（上有传动齿条）按此长度布置。屋面钢结构楼板面标高 52.80m，钢筋混凝土轨道梁高度 0.70m，活动屋盖驱动台车高度 0.91m（含工字钢梁、铁轨）。

2 结构设计要点

由于开合屋盖为可变形态结构，具有显著的特点，与传统结构的设计方法明显不同。应区分开合屋盖各种工作形态，如闭合形态、半开半合形态、全开形态等，在考虑各种形态下的不利荷载的布置和组合后，分别进行结构设计，尤其要考虑开合机电驱动系统对结构的影响。

2.1 结构选型

考虑屋盖活动片的自重，屋面采用网壳式。为抵抗开合机电系统启动或停止时的水平冲击力，在网壳下方布置桁架体系，对网壳进行双向加强，以提高了屋面结构的整体稳定性。

2.2 荷 载

2.2.1 恒荷载及活荷载

钢结构自重由程序自动计算。屋面玻璃自重按1.0 kN/m2，屋面悬挂荷载按 0.3 kN/m2。屋面活荷载按 0.5 kN/m2。

2.2.2 地震荷载

7 度设防区，设计基本地震加速度为 0.1 Gal。对于大跨度屋盖，应考虑其竖向地震荷载，取基本地震加速度为水平地震的一半，即 0.05 Gal。

2.2.3 小车启停冲击荷载

在屋盖活动片开合过程中存在加速及减速状态：从闭合形态开始经全加速打开、匀速打开、全减速打开至全开形态；从全开状态开始经全加速关闭、匀速关闭、全减速关闭至闭合形态。加速度对结构而言相当于冲击荷载。冲击荷载计算公式如式（1）所示。

2.2.4 风荷载

屋盖半开半合形态最为不利，此时应按单面开敞单坡屋面考虑风荷载体型系数，对于顶盖可取 －1.6。对于山墙可取 －1.3。对于复杂形体建筑应进行专门的风压、风荷载体型系数分析。

2.2.5 温度荷载

大跨度钢结构均需考虑温度引起的荷载，温升、温降均按 30 K 考虑。

2.3 结构分析

2.3.1 结构模态分析

通过振型分析可以找出结构薄弱环节，可按振型分析结果对结构进行调整加强，并避免发生第1振型为局部振型的情况。振型分析所得结构的前4阶振型见图1。

图1 结构振型分析

1 阶振型为固定片竖向位移；2 阶振型为活动片竖向位移；3 阶振型为活动片竖向翘曲；4 阶振型为固定片竖向翘曲。经检验，边界桁架及中间桁架对网壳起到了支撑、加强的作用，结构在各个方向上均有可靠刚度，结构布置合理。

2.3.2 内力及变形

经计算，网壳杆件最大应力比＜ 0.8，网壳最大竖向变形为 11.5 mm，满足规范要求。值得注意的是，结构设计应保证在任何情况下，小车上网壳支座处均不出现拔力，尤其注意屋盖半开情况下的风荷载工况。荷载变形见图2。

图2 荷载变形图

3 开合机电系统

开合机电系统是实现屋盖开合的关键。本工程开合机电系统原理是利用同步移动系统控制驱动台车，沿平直齿条轨道开行，带动屋顶移动。

3.1 驱动系统与夹轨器

开合机电行走子系统共计8台台车。每4台台车带动1 片活动屋盖移动，其中2台为驱动车，2 台为从动车。开合机电控制子系统与建筑内的消防系统连接，可在发生火灾时自动快速打开活动屋盖。屋顶在移动到中间位置及末端位置终点前，通过接近开关来检测台车位置，驱动系统自动进行减速至停止。系统通过限位开关来限定台车移动的极限位置，以保证屋顶安全。屋顶在启闭中途如需停止时，停止按钮按下后屋顶驱动系统会逐渐降低速度直至停止。

每片屋盖活动片下2台对角布置的台车带有自动液压夹轨装置，将台车与钢轨锁定，以确保屋顶停止时处于锁定形态，避免屋盖在荷载作用下移动。只有夹轨器装置完全松开钢轨后，驱动台车才能启动，屋顶才会移动。驱动装置布置如图3所示。

图3 开合屋盖驱动装置布置图

3.2 结构设计对开合机电系统的要求

(1) 开合机电系统应能承受支座传递来的竖向力及水平力。

(2) 设置同步装置，以防两侧小车行程不等导致卡轨。机电系统应设置夹轨器，防止屋盖停止形态下出现溜车。

(3) 设置限位装置，以防小车过冲导致两车碰撞，或屋盖活动片与屋盖固定片碰撞。

(4) 各种工况下小车启停加速度不大于设计要求。

通过调试，使开合系统运行平稳，不与限位装置发生碰撞。启停加速度不大于设定值，保证结构安全。

4 结 语

屋盖活动片的运动实现了建筑形态的可变，同时带来了不断变化的荷载形式和工况，使开合屋盖设计更为复杂，与传统屋盖具有明显的区别。设计时需注意按不同形态分别进行荷载组合；设计时还应注意，应防止屋盖受风吸力影响使支座处出现拔力，同时需设置第二道防线——夹轨器。屋盖活动片在开合机电系统牵引下移动，为降低自重宜选用网壳结构。在网壳的纵横双向设置桁架体系可以加强结构的整体刚度，适应开合机电系统启停时的冲击力。

开合机电系统是开合屋盖实现形态可变的关键，与计算机控制系统的结合实现了建筑智能化。机电行业与建筑行业相融合，是实现可变形态建筑的重要方向。结构设计应明确对于机电系统的要求，包括连接处的支座承载力，以及最大启停加速度等。