邢超

CCDI悉地國際

業(yè)主：杭州奧體博覽中心建設投資有限公司

建設地點：浙江省杭州市

建筑設計：悉地國際設計顧問（深圳）有限公司

項目負責人：劉慧

可開啟屋蓋研究團隊：邢超、朱勇軍（結構總工程師）、李婷、秦笛、胡偉（NBBJ）、高穎（結構）、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）

屋蓋開啟時間：約10～25min

固定軌道長度：約7m×8=56m

活動軌道長度：2條20m×8=160m

攝影：悉地國際

1 可開啟屋蓋對網(wǎng)球中心的必要性

隨著國內(nèi)外大量可開啟屋蓋技術的應用，其可實施性已日漸成熟，現(xiàn)階段我們擁有足夠的技術支持來實現(xiàn)多種可開啟屋蓋的形式。高標準的場館設計與高標準賽事要求相一致，可開啟屋蓋的設置也是高標準的體現(xiàn)。

杭州奧體博覽城作為國際一流的體育中心，開合屋蓋的設置將會產(chǎn)生非常好的社會效應和經(jīng)濟效應，使建筑有機會成為城市地標，功能上更具綜合性，運營更具靈活性。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的升級，杭州奧體博覽城網(wǎng)球中心還可以滿足奧運會、亞運會、全運會、中國網(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，對舉辦城市以及球場有很高的要求，尤其當賽事遇到極端天氣，更是對球場的考驗。于是涌現(xiàn)出越來越多的可開啟屋蓋網(wǎng)球場，成為體育建筑的一個重要發(fā)展趨勢。

除了承接各大網(wǎng)球賽事之外，通過臨時改造措施，可開啟屋蓋的配置使單一的網(wǎng)球場具備更豐富的運營形態(tài)。2018年第14屆國際泳聯(lián)世界游泳錦標賽中，“小蓮花”通過改造成功承接了25m短池競賽，正是可開啟屋蓋的設置為建筑空間的使用帶來靈活性。

2 從‘平移’到‘旋轉’，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、旋轉式、翻轉式、折疊式、混合式等。

在“小蓮花”可開啟屋蓋的開啟形式研究過程中，由于是基于花瓣狀的懸挑屋蓋之上考慮如何“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上具備高度的可實施性，同時造價又控制在合理的范圍內(nèi)。通過多輪多方向的方案比選，我們最終把焦點集中在平移式、平移倒掛式和旋轉式這三種開啟形式。

（1）平移式的技術在當下最為成熟，國內(nèi)外實施的案例較多。開啟屋蓋分為相互平行的幾個活動單元，按照移動方向設置平行的軌道，每個活動單元沿著既定的軌跡移動。開啟方向呈線性，軌道與活動屋蓋的連接成直線，受力簡單。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，單元重復率為4次。同時，整體結構結合平行軌道設置的4個正交鋼桁架，在支撐罩棚體系的同時，其中2個也承載平行軌道及活動屋蓋部分的荷載。雖然整體形態(tài)仍然保持原有方案的風格，開啟屋蓋軌道系統(tǒng)與花瓣造型有機結合，但非標準化程度加大，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)，為保持活動屋蓋的穩(wěn)定，實現(xiàn)開合至少需要在活動屋蓋的中部增設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，建筑高度會抬高，對固定罩棚的形態(tài)影響很大。活動屋蓋吊裝的技術相對屋蓋正裝難度更大，活動屋蓋的軌道除需滿足屋蓋移動的要求，還需承載活動屋蓋的拉力與更大的結構變形風險，同時內(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——活動屋蓋在固定屋蓋之上

4 水平開啟——活動屋蓋在固定屋蓋之下

5 研究過程

6 研究結論

（3）我們最終將研究焦點僅集中于旋轉屋蓋，這種方式的可開閉屋蓋分為多個活動單元，每個活動單元以輪軸為支點轉動。在這種定軸旋轉可開啟屋蓋研究中，分別采用了6片活動單元和8片活動單元的比選，最終選用8片獨立單元“旋轉式開啟”屋蓋。無論開啟或關閉的狀態(tài)，旋轉式的開啟模式造型與主體罩棚的“花瓣”造型在結構邏輯上統(tǒng)一。最大的優(yōu)勢是標準化程度高，移動、固定花瓣圍合關系相得益彰，邏輯上也維持了向心的原則。

在方案確定之后，又經(jīng)歷了長達半年的技術可實施性研究。旋轉式的各活動單元全部或各自沿著一根垂直軸線轉動，開啟方向為弧線，軌道及支承軸與活動屋蓋的連接節(jié)點復雜，受力也相對復雜。“小蓮花”在原有懸挑26m的固定屋蓋上再懸挑30m，旋轉屋蓋的支撐載體為固定屋蓋，因此活動屋蓋以及罩棚的結構構件相對龐大，對使用過程中產(chǎn)生的結構變形、閉合后的密閉性等提出了更高的技術要求；在閉合、開啟及開啟狀態(tài)下的荷載、風荷載、支承力、連接方式等方面需要進行詳細的設計及模擬測試后才可實施，因此技術難度更高。

3 杭州奧體網(wǎng)球中心決賽館可開啟技術的創(chuàng)新

雖然在定軸旋轉可開啟屋蓋技術的應用中，“小蓮花”并不是首例，但基于項目的特殊性，開啟屋蓋的設置是確定了網(wǎng)球場方案形態(tài)之后才開始考慮的。因此，我們必須考慮“網(wǎng)球場”如何通過設計升級轉變?yōu)椤熬W(wǎng)球館”。這其中需要顧及到結構體系、建筑功能空間、防水排水措施等如何“升級”，建筑密閉構造、傳動設備安裝、室外變室內(nèi)后的空氣環(huán)境、建筑聲學措施等如何處理。面臨全新的挑戰(zhàn)，我們也在既有成果的基礎上進行了一次又一次的創(chuàng)新。

3.1 結構創(chuàng)新：保證每個活動屋蓋平穩(wěn)旋轉

該項目的結構設計難點在于，8片懸挑旋轉開閉屋蓋結構在開啟、關閉及運行過程中不同角度的風荷載、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，整個結構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。

在懸挑結構上，如何保證每個活動屋蓋平穩(wěn)旋轉是我們重點研究的課題。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，懸挑長度約26m，中心開口直徑約60m，罩棚結構最高點標高30m，每個“花瓣”結構單元在屋頂形成“疊片”趨勢。因此要想在固定屋蓋上方設置8片懸挑平面旋轉開閉屋蓋，且單片屋蓋徑向長45m、寬25m，閉合狀態(tài)下懸挑30m，同時實現(xiàn)平穩(wěn)旋轉，首先需要對固定屋蓋頂面進行優(yōu)化，保證水平的趨勢，為固定軌道的安裝提供良好的條件。

另外就是支撐體系。每榀設置一個固定轉軸及三條同心旋轉軌道結構，其中兩條軌道固定在移動屋蓋上，一條軌道固定在固定屋蓋上，這樣為固定、旋轉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構上，保證每個活動屋蓋平穩(wěn)旋轉：1）三條軌道相對于轉軸為三個同心圓，開啟角度不同，輪子支撐點相對于移動屋蓋位置不同；2）主動輪、反力輪固定在固定屋蓋上，在移動屋蓋轉動時相對于移動屋蓋的位置有所變化；3）從動輪固定在移動屋蓋上，在移動屋蓋轉動時保持與移動屋蓋的相對位置不變。

7 杭州奧體博覽城主體育場區(qū)航拍圖

8 整體結構剖切示意圖

9 鋼結構罩棚

10 活動屋蓋平穩(wěn)旋轉下支撐體系示意圖

11 動態(tài)過程的結構穩(wěn)定性分析

12 閉合及開啟狀態(tài)的結構穩(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構的穩(wěn)定性，需要通過輪軌布置達到活動屋蓋的形心和重心盡量重合，使三個輪子的重心位置與單片移動屋蓋的中心線位置盡量重合，以提高移動屋蓋的整體穩(wěn)定性。如圖11所示，藍色為三個輪子構成的三角形，紅色為屋蓋外輪廓構成的三角形，綠色圈為三個輪子位置。同時又對不同角度中心和形心的狀態(tài)做了復核，研究每個旋轉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 構造創(chuàng)新：結構變形、密閉、排水問題的應對

研究中我們發(fā)現(xiàn)，抵抗結構變形不能一味地依靠加強結構的體系來完成。整個屋蓋跨度加大、負荷面積增大，屋蓋的豎向變形控制會更為嚴格，因此在建筑構造上就要留出足夠的抵抗結構變形的空間，而這個空間又會和場館的密閉性形成一定的矛盾。

針對這個問題，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，通過聯(lián)動措施設置若干開閉的門扇，將其安裝在固定屋蓋上，關閉時與活動屋蓋之間設置軟連接，以保證足夠的緩沖和密閉性。與此同時，在固定屋蓋端頭設置雨水溝及雨水斗，做好泛水及防水措施，確保雨水不會蔓延至室內(nèi)。在可開啟屋蓋之間需要形成上下搭接的關系，位于上方的單元一側設置一條水溝，并考慮足夠的泛水高度，位于下方的單元一側設置主副兩條水溝，起到充分的保護作用，兩個搭接邊緣通過柔性連接封閉。每個活動單元周邊的水溝均通過結構找坡，也就是說“花瓣”結構體系的下懸是由“保證花瓣平穩(wěn)轉動”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，又要保證雨水及時排出，合理均勻設置雨水斗，收集至屋面集水坑或直接排走。同時，雨水的排放還要充分考慮到開啟狀態(tài)、閉合狀態(tài)、運轉狀態(tài)下雨水的走向、排向與固定屋蓋排水系統(tǒng)的緊密結合。在活動單元端頭，安裝在其中一個活動單元端部的“帽子”將最中央?yún)^(qū)域覆蓋，通過聯(lián)動裝置實現(xiàn)升降，在活動單元的端部設置水溝將雨水及時排出，防水、密閉措施同理，確保雨水不會蔓延至室內(nèi)。

3.3 設備創(chuàng)新：確?！盎ò辍眲討B(tài)下的友好距離

在活動屋蓋運行中，相鄰活動單元之間的關系時刻在變化。因此，確保每時每刻花瓣間都不碰撞也是本項目的研究難點。結構線形并不是僅僅與屋面板保持一定的距離，還需要確定在活動單元運行至相互距離最不利處時，兩側搭接的雨水溝也不發(fā)生碰撞，這是需要通過多次實驗來驗證的。邊界的可行性形態(tài)經(jīng)驗證后，再來反推結構邊緣桿件的線形。同時為保證屋面檁條、龍骨體系邏輯清晰，結構上懸桿中心線與屋面表皮呈等距關系，也是通過計算機模擬實驗得出。

由于花瓣開啟風格的獨特，固定屋蓋與活動屋蓋之間的關系注定需要一套創(chuàng)新的驅(qū)動設備來完成。在與設備方研究的過程中，借鑒了上海旗忠網(wǎng)球中心的系統(tǒng)，以固定點作為轉軸，通過三條軌道和車臺裝置來實現(xiàn)。但不同的是，本項目將一條固定軌道梁安裝在固定屋蓋上，兩條活動軌道梁安裝在活動屋蓋上，在主動輪與從動輪的共同作用下來完成這個過程。臺車裝置用于支撐活動屋蓋的結構，根據(jù)輪壓和支撐點反力確定了布置形式，軌道梁用于安裝固定軌道，同時是保證水平約束和防傾覆裝置起作用的受力支撐結構，軌道梁還承擔活動屋蓋結構和固定屋蓋結構之間荷載的傳遞作用，承擔機械驅(qū)動系統(tǒng)的動力傳遞作用，在活動屋蓋系統(tǒng)中起過渡和連接的作用，最終通過研究與軌道梁的幾何關系確定了整個驅(qū)動系統(tǒng)。

15 閉合及開啟狀態(tài)室內(nèi)效果

16 中心端部節(jié)點示意效果圖

17 屋蓋平面示意圖

18 固定屋蓋與車臺裝置系統(tǒng)圖

19 固定屋蓋與車臺裝置系統(tǒng)效果圖

20 屋蓋開啟過程效果圖

21 屋蓋開啟過程單元示意圖

打開屋蓋流程為：接通電源——中心封閉裝置上升——屋蓋前端閉鎖機構開鎖——驅(qū)動機構閉鎖打開——接通打開開關把屋蓋打開——打開到位后停止——驅(qū)動機構閉鎖鎖緊——切斷電源；關閉屋蓋流程為：接通電源——打開驅(qū)動機構閉鎖——接通關閉開關把屋蓋關閉——關閉到位后停止——驅(qū)動機構閉鎖鎖緊——屋蓋前段閉鎖機構鎖緊——中心封閉裝置下降——切斷電源。

4 結語

“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參與者的堅持、開拓與進取，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公司在體育場館設計定軸旋轉開啟屋蓋建筑的第一例，也因造型特殊、難度高而成為技術含量最高的體育場館之一。我們從零開始，充分整合國內(nèi)外資源，經(jīng)過一系列學習、研究、實驗等終于將概念變?yōu)楝F(xiàn)實，填補了公司定軸旋轉開啟屋面技術的空白，為我司尖端技術領域又摘得一枚桂冠。相信在2022年杭州亞運會上，“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，為人們帶來更多精彩的體驗。