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[分享]让屋盖动起来——开合屋盖
作者：李彦鹏
近日某项目要设计开合屋盖，于是小i搜集了一些关于开合屋盖的资料，并做了一些归纳整理，今天就以本文分享给需要的朋友，希望对你有所帮助。
开合屋面在我们日常生活中很常见。如果你家有个小院，天晴时希望享受阳光，下雨时希望遮风挡雨，就可以在屋顶上拉个帘子，这就是简单的开合屋面。再比如酒店、商场、游泳池等公共场所，处处可以看到它的身影。
20世纪50年代至70年代的开合屋盖结构发展，以膜折叠的开合方式为主。1954年，德国学者Frei Otto领导的一个工作小组，开创性地研究和发展了开合膜结构，在欧洲利用这种技术建成了许多这种类型的建筑物。
1976年，这种技术被应用在加拿大蒙特利尔奥运会体育场中，该体育场中央开口直径为120m，面积为1.8万平，呈椭圆形。通过悬臂斜柱上悬挂的斜拉索将膜屋面折叠收缩于柱顶，屋面材料为PVC膜材。20世纪80年代以前的开合屋盖结构大多采用这种方式。
▲The big “O”Olympic stadium，柔性折叠型开合屋盖
20世纪80年代以后的大部分开合屋盖结构思想，来源于1961年美国建成的匹兹堡市民体育场，该结构属于刚性开合屋盖结构，其跨度127m，由八瓣不锈钢屋盖组成。之后，世界上建造了上百个刚性开合屋盖。1989年加拿大多伦多建成了直径205m的天空穹顶，在世界上产生了很大的轰动效应，掀起了世界上建造现代大跨开合屋盖结构的新浪潮。
▲CivicArena in Pittsburgh，建成于1961年
之后，日本于1991年建成了跨度136m的有明体育馆，1993年建成了直径222m的福冈穹顶，这批开合屋盖结构的成功建成再一次引起了世界的广泛注意。而后世界上相继建成的带有开合屋盖的大型体育场有近二十座，面积超过1万平的大型可展屋盖结构有近十座，实现了良好的社会效果，许多建筑已成为所在地的标志性建筑。
▲日本福冈穹顶，建成于1993年
开合屋面从结构形式上划分可分为刚性开合与柔性开合，其中刚性开合指受力结构为桁架、网架等结构等刚性钢结构作为移动屋盖单元，其屋面材料为膜材料、金属板及其他轻质材料，通过各单元之间的移动或转动实现屋面的开合；而柔性开合指屋面为膜材等柔性材料，通过张开和收起柔性材料实现屋面的开合。
▲南通会展中心体育场，刚性开合
▲TennisStadium Rothenbaum，柔性开合
从开合方式上可分为：滑移式，提升式，旋转式，折叠式，混合式。为方便大家更直观得了解各种开合方式的不同，请看下面示意图。
▲滑移式开合屋面
▲提升式开合屋面
▲旋转式开合屋面
▲折叠式开合屋面
▲混合式开合屋面
下面小i就为大家介绍几个经典的开合屋盖案例。
Mercedes Benz stadium
（梅赛德斯奔驰体育中心）
▲梅赛德斯奔驰体育场
梅赛德斯奔驰体育场是一个多功能体育场，位于亚特兰大市大名鼎鼎的Levy穹顶旁，是美国国家橄榄球联盟（NFL）亚特兰大猎鹰队和美国职业足球大联盟（MLS）亚特兰大联队足球俱乐部的主场。
▲梅赛德斯奔驰体育场和Levy穹顶合影
体育馆由HOK 设计，耗时三年时间，耗资15亿美元。可开合屋面是其设计的最大亮点，设计理念来自于猎鹰翅膀。屋面为刚性旋转型开合屋面，由八片刚性结构单元构成，采用空间桁架结构体系，上部覆盖ETFE充气膜。开启时各单体沿着各个轨道同步移动，整个开合过程就像相机光圈，每次开启仅需要8分钟。
▲梅赛德斯奔驰体育场开合过程
屋面虽然炫酷，但是建造过程确并非一帆风顺，预计开放日期被推迟了三次。体育场原定于2017年3月1日开放，后来延迟到2017年6月1日，又被延迟到2017年7月30日，最后直到2017年8月26日才正式开放，开放后又发现有屋面漏水的情况，而后赛会期间屋面处于常闭状态。可见开合屋面与正常屋面相比，设计难度和建造难度都更高，同时正常使用时屋面防水等问题也更为突出。
联邦德国一座建于1972年的800平米游泳池，采用开合屋盖，屋面拱结构间铺设骨架膜，结构建成后三年开始渗漏，到第五年漏水严重，以至于不能开合。最后，膜材和张拉索全部损坏，结构报废。
▲梅赛德斯奔驰体育场鸟瞰
▲梅赛德斯奔驰体育场内部
National Stadium, Warsaw（华沙国家体育馆）
▲华沙国家体育馆
华沙国家体育馆位于波兰华沙，主要用于举办足球比赛，是波兰国家足球队的主场。球场有58,500个座位，是波兰全国最大的足球场。体育场在2008年开始兴建，于2011年11月完工。
▲华沙国家体育馆屋面开启状态
▲华沙国家体育馆屋面闭合状态
国家体育场是由德国、奥地利、波兰三国企业团共同建造。体育场的总建筑面积（不含屋顶）约20万平方米，底部边缘总长度924米。中央的尖顶标高约100米。屋盖大小为240×270米，为柔性折叠型开合屋盖，屋面支撑结构为钢索，总重约1200吨，屋面覆盖材料为PTFE膜材。
▲中部屋面半开启状态
▲中部屋面闭合状态
屋面开合是通过沿钢索拉伸或收缩膜材实现的，开启或关闭过程大约需要20分钟，只能在5°C以上的温度下进行，而且打开过程不能下雨。其建造完工日期同样经历了数次延迟，体育馆原定于2011年7月22日对外开放，可由于屋面建造于调试，直到当年11月29日才正式完工。
TOYOTA Stadium（丰田体育场）
▲丰田体育场
丰田体育场（Toyota Stadium）是一个位于爱知县丰田市的足球场。球场于2001年建成可以容纳45,000人。丰田球场是日本职业足球联赛球队名古屋鲸八足球俱乐部的主场，其赞助商丰田汽车亦拥有球场的冠名权。
▲丰田体育场内部
开合屋盖为滑移型屋盖，数榀空间桁架支承于屋面轨道上，桁架上覆盖膜材。当屋面闭合时桁架依次顺轨道滑动，同时膜材被张紧；当屋面开启时桁架依次滑移至屋面一侧，同时膜材由于重力作用垂挂在两榀桁架之间。因此属于刚性与柔性混合型开合屋盖。
▲屋盖闭合状态
▲屋盖开启状态
丰田体育场开合屋盖同样命运多舛，2007年11月，屋盖由于机械故障需要大修，修理一直持续了10个月才完成，修理好之后故障还是时有发生。因此，2015年之后，运营方考虑到维护成本，决定保持屋顶一直开放。
更多案例
由于篇幅有限，以下案例小i就不逐一介绍了，下面就放一些图片与大家一起欣赏。
▲旗忠网球中心开合屋盖
▲旗忠网球中心内部
上海旗忠网球中心位于旗忠森林体育城内，体育馆平面为圆形直径144m，高度为35m，屋盖四周向内悬挑长度为61.5m，水平投影面积1.63万平，总建筑面积3.8万平。
结构设计在施加了环向预应力和径向预应力的钢筋混凝土主体结构上支承一个直径123m，24m宽，7m高钢结构空间桁架环梁，环梁上对应8榀开合屋盖结构每榀设置一个固定转轴及三同心旋转轨道结构。屋盖上表面为铝合金面板，下表面为膜结构。
▲Amsterdam Arena，刚性滑移型开合屋盖
▲Miller Park，刚性旋转型开合屋盖
▲Toronto “Skydome”，刚性滑移型开合屋盖
▲日本喜凯亚“海洋巨蛋”，刚性滑移型开合屋盖
▲日本札幌中央区地下商场屋顶，刚性折叠型开合屋盖
结语
对于开合屋盖我国已有相应的技术规程《开合屋盖结构技术规程》CECS417-2015，其中对荷载、体系、计算、驱动系统、控制系统、使用和维护都有相应的规定，有兴趣的读者可以深入阅读。
但从几个案例都可以看出，由于采用开合屋盖，诸多项目建造时间会比预期中长，屋盖的安装与调试会耗费大量的时间。并且开合屋盖造价相对较高，据HOK事务所测算，一个开合棒球场的造价相当于一个室外场与一个室内场造价的总和。
同时，屋盖的运营维护费用也非常高，开合屋面开合需要耗费大量的电力，而且机械系统还需要定期的维护保养，很多项目后期都因为高昂的维护费用，放弃开合屋盖而保持常闭或常开。因此，在选择开合方式和建筑结构方案时，宜采用相对较为稳定的开合方式。
参考资料：
1. [鉴赏]开合屋盖大全——还能找到别的算你赢！
2. TYPOLOGY OF RETRACTABLE ROOF STRUCTURES IN STADIUMS AND SPORTS HALLS. Andrej Mahovič
3. 现代屋盖结构分析与设计
4. 图片来源于谷歌图片
来源：结构 微信公众号 iStructure
来源：结构 微信公众号 iStructure
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