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)計研究院有限公司，上海 200437]

動態(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、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。開合屋蓋作為動態(tài)建筑中最常用的一個門類，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，對景觀起到畫龍點睛的作用。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。還可以營造獨特視覺觀感，吸引顧客，提高經(jīng)濟效益。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)合這一工程實例，探討此類開合屋蓋的設(shè)計方法，以及對開合機電系統(tǒng)的要求。

1 工程背景

本工程共2片固定屋蓋和2片矩形活動屋蓋。單片活動屋蓋長度 33.05m，寬度 10.32m，重量 150 t (含鋼結(jié)構(gòu)和玻璃)。工作狀態(tài)下單片活動屋蓋行程 11.00m，兩片同時開啟時洞口最大寬度 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，活動屋蓋驅(qū)動臺車高度 0.91m（含工字鋼梁、鐵軌）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

由于開合屋蓋為可變形態(tài)結(jié)構(gòu)，具有顯著的特點，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法明顯不同。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，尤其要考慮開合機電驅(qū)動系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 結(jié)構(gòu)選型

考慮屋蓋活動片的自重，屋面采用網(wǎng)殼式。為抵抗開合機電系統(tǒng)啟動或停止時的水平?jīng)_擊力，在網(wǎng)殼下方布置桁架體系，對網(wǎng)殼進(jìn)行雙向加強，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)自重由程序自動計算。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)計基本地震加速度為 0.1 Gal。對于大跨度屋蓋，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)。加速度對結(jié)構(gòu)而言相當(dāng)于沖擊荷載。沖擊荷載計算公式如式（1）所示。

2.2.4 風(fēng)荷載

屋蓋半開半合形態(tài)最為不利，此時應(yīng)按單面開敞單坡屋面考慮風(fēng)荷載體型系數(shù)，對于頂蓋可取 －1.6。對于山墻可取 －1.3。對于復(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)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整加強，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 階振型為活動片豎向位移；3 階振型為活動片豎向翹曲；4 階振型為固定片豎向翹曲。經(jīng)檢驗，邊界桁架及中間桁架對網(wǎng)殼起到了支撐、加強的作用，結(jié)構(gòu)在各個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 開合機電系統(tǒng)

開合機電系統(tǒng)是實現(xiàn)屋蓋開合的關(guān)鍵。本工程開合機電系統(tǒng)原理是利用同步移動系統(tǒng)控制驅(qū)動臺車，沿平直齒條軌道開行，帶動屋頂移動。

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)與夾軌器

開合機電行走子系統(tǒng)共計8臺臺車。每4臺臺車帶動1 片活動屋蓋移動，其中2臺為驅(qū)動車，2 臺為從動車。開合機電控制子系統(tǒng)與建筑內(nèi)的消防系統(tǒng)連接，可在發(fā)生火災(zāi)時自動快速打開活動屋蓋。屋頂在移動到中間位置及末端位置終點前，通過接近開關(guān)來檢測臺車位置，驅(qū)動系統(tǒng)自動進(jìn)行減速至停止。系統(tǒng)通過限位開關(guān)來限定臺車移動的極限位置，以保證屋頂安全。屋頂在啟閉中途如需停止時，停止按鈕按下后屋頂驅(qū)動系統(tǒng)會逐漸降低速度直至停止。

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

圖3 開合屋蓋驅(qū)動裝置布置圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計對開合機電系統(tǒng)的要求

(1) 開合機電系統(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)計要求。

通過調(diào)試，使開合系統(tǒng)運行平穩(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

屋蓋活動片的運動實現(xiàn)了建筑形態(tài)的可變，同時帶來了不斷變化的荷載形式和工況，使開合屋蓋設(shè)計更為復(fù)雜，與傳統(tǒng)屋蓋具有明顯的區(qū)別。設(shè)計時需注意按不同形態(tài)分別進(jìn)行荷載組合；設(shè)計時還應(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，同時需設(shè)置第二道防線——夾軌器。屋蓋活動片在開合機電系統(tǒng)牽引下移動，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結(jié)構(gòu)的整體剛度，適應(yīng)開合機電系統(tǒng)啟停時的沖擊力。

開合機電系統(tǒng)是開合屋蓋實現(xiàn)形態(tài)可變的關(guān)鍵，與計算機控制系統(tǒng)的結(jié)合實現(xiàn)了建筑智能化。機電行業(yè)與建筑行業(yè)相融合，是實現(xiàn)可變形態(tài)建筑的重要方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)明確對于機電系統(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。