淺析開合屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展與實踐

侯建民

摘 要：文章以簡單總結(jié)了開合屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，列舉了開合屋蓋結(jié)構(gòu)典型案例；最后分析開合屋蓋結(jié)構(gòu)的特點，并提出開合屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：開合屋蓋結(jié)構(gòu)；體育建筑；建筑技術(shù)

1 概述

開合屋蓋結(jié)構(gòu)是指建筑屋蓋的結(jié)構(gòu)形式，擁有這種屋蓋結(jié)構(gòu)的建筑能在很短時間內(nèi)全部或部分屋頂結(jié)構(gòu)可以開合或移動，并且建筑物在屋頂開啟和關(guān)閉兩個狀態(tài)下都可以使用。大規(guī)模開合屋蓋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)都是鋼結(jié)構(gòu)或懸索結(jié)構(gòu)，上鋪膜材料或輕型屋面板。這種屋蓋系統(tǒng)由若干個單元片組成，通過單元片的移動或轉(zhuǎn)動，并通過各片之間搭接、迭放來實現(xiàn)屋蓋的開合。當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)開合屋蓋結(jié)構(gòu)單元上鋪膜材料是大型開合結(jié)構(gòu)常見方式。開合屋蓋采用張拉索穹頂作為支撐結(jié)構(gòu)，并采用半剛性膜屋面，并采用非褶皺空間移動方式開合使開合屋蓋結(jié)構(gòu)中得到了發(fā)展。

開合屋蓋結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于體育建筑，我國著名建筑師馬國馨院士曾把開合屋蓋體育建筑稱之為“第三代體育建筑”。除了體育建筑，開合屋蓋結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域。開合結(jié)構(gòu)的建筑技術(shù)也在不斷進(jìn)步，隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)實力不斷增強，空間剛結(jié)構(gòu)型式不斷有高技術(shù)的開創(chuàng)性作品問世，人們不僅對建筑能很好地滿足使用功能的基本要求，而且對復(fù)歸自然的建筑意識更加需要，開合屋蓋結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展前景更為廣闊。

2 開合屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代以前的開合屋蓋結(jié)構(gòu)主要以小型結(jié)構(gòu)為主，而且主要用在非建筑領(lǐng)域。在1950-1988年間，開合結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要以膜褶皺型為主。20世紀(jì)80年代末以來的開合屋蓋結(jié)構(gòu)思想，均來源于1961年美國建成的匹茲堡市民體育場。該體育場采用現(xiàn)代牽引技術(shù)驅(qū)動的剛性開合結(jié)構(gòu)，跨度127m，由可開合八瓣不銹鋼屋蓋組成，是具有開拓性意義的開合屋蓋形式。隨后，上百個帶有剛性開合單元的開合屋蓋建筑在全世界范圍出現(xiàn)。日本對開合式屋蓋技術(shù)進(jìn)行的開發(fā)多以游泳池為主，現(xiàn)在已有近200項體育設(shè)施采用了開合式屋蓋。1993年建成了海洋拱頂游樂場，作為日本開合屋蓋建筑的經(jīng)典之作，被列入了日本同年出版的《開閉式屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計指針同解說及設(shè)計資料集》中。這座建筑的出現(xiàn)，使大跨度開合屋蓋技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，人們對建造大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)的疑慮逐漸消除，并對其前景逐漸看好。之后，近20座大型體育場相繼采用開合屋蓋結(jié)構(gòu)，開合屋蓋結(jié)構(gòu)取得進(jìn)一步發(fā)展。

3 開合屋蓋結(jié)構(gòu)的建筑實踐

開合屋蓋結(jié)構(gòu)是建筑技術(shù)不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會實力不斷增強的具體表現(xiàn)。截止到目前，世界上已建成200余項不同規(guī)模的各類開合屋蓋結(jié)構(gòu)建筑，下面列舉幾個典型建筑。

3.1 日本開合屋蓋建筑

1993年建成的日本福岡棒球場，直徑218米。福岡棒球場的建成引起了世界的廣泛注意；它的建成，使人們打消對建造大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)的疑慮，大跨度開合屋蓋技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展和完善，并且使開合屋蓋迎來了新一輪開發(fā)熱潮。

當(dāng)今世界規(guī)模及跨度最大的開合屋蓋結(jié)構(gòu)是日本福岡體育館，其跨度為直徑222米。該館于1993年建成，建筑面積72740平方米。該建筑曾作為1995年福岡世界大學(xué)生運動會的主會場。開合屋蓋由三片網(wǎng)殼組成，其中最下面一片固定，中間及上面兩片可沿著圓的導(dǎo)軌移動。開合方式為回轉(zhuǎn)重疊式，全部開啟后可呈125度的扇形開口，屋蓋的各片網(wǎng)殼均為自支承結(jié)構(gòu)形式，為避免在開合過程中頂部振幅過大，引起裝飾材料互相碰撞，在屋頂中心處設(shè)置了液壓阻尼器來減震。并且在屋蓋移動的軌道上裝有地震儀，當(dāng)?shù)卣饍x接收到超過50gal（0.5m/s2）的加速度時，能自動停止移動。

3.2 加拿大開合屋蓋建筑

加拿大蒙特利爾奧林匹克體育場，于1976年完成了看臺部分的施工，但因為經(jīng)濟(jì)問題開合屋蓋結(jié)構(gòu)直到1987年才竣工。屋蓋采用上下折疊開合方式，開口部位長徑180m，短徑120m，面積18000平方米，建筑呈橢圓形。

加拿大多倫多天空穹頂，一度是世界上跨度最大的開合屋蓋結(jié)構(gòu)，于1989年建成。建筑屋頂直徑達(dá)205m，面積32374平方米，為平行移動和回轉(zhuǎn)重疊式的空間開合鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。建筑屋蓋由四塊單獨鋼網(wǎng)殼組成，其中有三塊可以移動；中間部分為兩塊筒狀網(wǎng)殼，可水平移動，兩端為兩塊四分之一球殼，其中一塊固定，另一塊可移動旋轉(zhuǎn)180度。屋蓋賽場面積開啟率可達(dá)100%，當(dāng)屋蓋開啟后91%的座位可露在外面，開閉時間可達(dá)20分鐘左右。

4 開合屋蓋結(jié)構(gòu)的特點

4.1 在開啟狀態(tài)時，使室內(nèi)外充分融為一體，在室內(nèi)可盡情享受大自然帶來的舒適，同時可以節(jié)省室內(nèi)的各種能源，減少日常能源消耗開支。關(guān)閉狀態(tài)下又可創(chuàng)造不受自然界的不利氣候影響。

4.2 結(jié)構(gòu)體系新穎，目前在國內(nèi)隨著大經(jīng)濟(jì)環(huán)境的快速更新，人們對建筑形式更樂意欣賞和接受，如近期涌現(xiàn)的各種體育館的大跨結(jié)構(gòu)，植物園的玻璃大面結(jié)構(gòu)等等。

4.3 隨著開合結(jié)構(gòu)不同的開啟方式，可充分發(fā)揮建筑師的想像力，打破建筑被稱為凝固藝術(shù)的限制。融合機械中奇妙的運動方式，達(dá)到建筑與結(jié)構(gòu)完美的結(jié)合。

5 結(jié)束語

目前，我國在開合屋蓋結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用均處于起步階段，盡管有一定數(shù)量的開合屋蓋建筑，但大部分跨度較小，到目前為止，象舉辦2008奧運會的國家體育場“鳥巢”這種大型復(fù)雜開合屋蓋建筑還為數(shù)極少。然而我國許多城市都產(chǎn)生了建造大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)想，并且部分城市開合屋蓋結(jié)構(gòu)建筑處于準(zhǔn)備及施工階段，我國開合屋蓋結(jié)構(gòu)建筑將會日漸增多。隨著社會的發(fā)展，空間剛結(jié)構(gòu)型式不斷有高技術(shù)的開創(chuàng)性作品問世，人們不僅對建筑能很好地滿足使用功能的基本要求，而且對復(fù)歸自然的建筑意識更加需要。開合屋蓋結(jié)構(gòu)除體育場館外，廣泛用于廠房、飛機庫、商場、倉儲建筑等大空間結(jié)構(gòu)建筑。

開合屋蓋結(jié)構(gòu)的研究涉及多方面，如屋蓋開啟狀態(tài)下的開啟、天空形狀、屋蓋陰影、屋蓋形狀及亮度對比；屋蓋關(guān)閉后的屋蓋性能、屋蓋的開合方式、屋蓋形狀、屋蓋的耐久性等。各種屋蓋結(jié)構(gòu)體系力學(xué)性能的比較分析；開合屋蓋抗風(fēng)設(shè)計研究；開合屋蓋抗震設(shè)計研究。開合屋蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究也將成為一種趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]楊治.開合屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[D].浙江大學(xué)，2005.

[2]王成剛，關(guān)朝江.開合屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展與設(shè)計特點[J].工程與建設(shè)，2007，4.

[3]張鳳文，劉錫良.開合屋蓋結(jié)構(gòu)行走機構(gòu)的應(yīng)用研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2002，9.

[4]關(guān)富玲，程媛，余永輝，等.開合屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005，4.