【关 键 词】开合屋顶，风荷载，雪荷载，地震作用。
【内容摘要】本文浅要介绍了国内外开合屋顶的几个案例和风荷载、雪荷载、地震作用设计要点。
什么是开合屋顶 开合屋顶（Retractable Roof Structure）又称移动天幕，是一种在短时间内（一般为20～25min）部分或全部屋顶可以移动或开合的结构形式，它使建筑物在屋顶开启、关闭和部分开闭等状态下都可以使用（图1、图2），是一种动态建筑。 体育和游泳运动的发展，建造一个全天候的屋顶可开合的体育场和游泳馆越来越被人们所追求。根据气候的变化而开闭的屋顶更能够满足人们对阳光、空气的需要，改变春、夏、秋、冬四季都要通过大型空调方式来维持对空气、温度和湿度的要求，也节约了能源。开合屋顶也就应运而生。 开合屋项的发展 1950年以前的开合结构以小型结构为主，主要用在非建筑领域。1950～1988年的发展以膜褶皱型式的开合结构为主。80年代末90年代初以来的开合屋顶结构思想，均来源于1961年美国建成的用现代牵引技术驱动的刚性开合结构的匹兹堡（Pittsburgh）（图19）市民体育场，其跨度为127m，由可开合的八瓣不锈钢屋盖组成，至今仍具有开拓性意义。 之后，世界上建造了上百个带有刚性开合单元的开合屋顶建筑。欧洲各国建造的开合式屋顶特点是，均采用了拱架、拱形网壳、部分球壳或平板网架等刚性钢结构作为移动屋盖单元的受力结构，由于膜材料轻质高强的特性，一般大规模开合屋顶的结构都是钢结构和索结构，上铺膜材料或轻型板材。屋顶采用张拉索穹顶作为支撑结构，开合屋顶采用半刚性膜屋面，屋顶系统分成若干个单元片，通过单元片的移动、转动，使之各片之间搭结、迭放来实现屋顶的开合。这种开合单元组成的开合屋顶克服了膜褶皱型式开合方式的缺陷，是大跨度屋顶结构的主要开合型式。 1989年加拿大多伦多建成了直径208m的天空穹顶(Sky Dome)多功能体育场，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度开合屋顶的新浪潮。该场馆至今仍作为多轮多申办奥运会的主场馆。 日本于1991年建成了跨度136m的阿瑞卡体育场（Ariake Coliseum）；1993年建成了日本海洋穹顶（Ocean Dome）；1993年日本又建成了直径218m的福冈棒球场(Fukuoka Dome)，该馆的建成再一次引起了世界的广泛注意。 至此，大跨度开合屋盖技术得到了进一步的发展和完善，世界上对建造大型开合屋顶的疑虑逐渐消失，并对其前景和建造的必要性逐渐看好。1999年美国建成跨度200m的西雅图新太平洋西北棒球场(New Pacific Northwest Baceball Park) ，2000年澳大利亚建成245m×215m椭圆形的墨尔本市民体育场(Melbourne Colonial Stadium) ，2001年美国建成扇形直线边长180m的米勒棒球场(Miller Park) ,2001年日本建成为2002年世界杯足球赛的大分县体育场，直径达274m。 目前，世界上相继建成或正在建设的带有开合屋盖的大型体育场有近20座，面积超过1万m2的大型开合屋盖结构有近10座。这些大规模的开合结构的实现和规划产生了非常好的经济社会效果，其市场越来越好，引起了国际体育界的广泛关注，许多建筑已成为所在地的标志性建筑。开合屋顶建筑已成为体育建筑的一个重要发展趋势，正在开拓新的应用领域，堪称为"第三代体育建筑"或"现代动态建筑"。 中国国家体育场“鸟巢”方案 为世界上最大的开启屋顶 2008年北京奥运会主体育场——中国国家体育场的设计方案由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院联合设计，这个被称为“鸟巢”的方案（图20），展现了一个新颖、独特、庞大的异型钢结构建筑物，该方案预计消耗8万t各类钢材，最长的一条钢梁达300m，平均钢梁长度将在50～180m之间，巨型体育场的形象完美纯真，外观即结构，犹如树枝织成的鸟巢，其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖，其中包含着一个土红色的碗状体育场看台。碗形看台可拆可调,看台是一个完整的没有任何遮挡的碗形，共分三层，通过体育场顶部座位调整，来实现两万个临时坐席的设置，南区和北区的第三层看台的座位可以拆除。体育场外立面基本上不需封闭式的外墙，这使得体育场可能自然通风。滑动式的可开启屋顶合上时，体育场将成为一个室内的赛场。国家体育场在奥运会比赛时将容纳10万名观众，建成后将有望成为世界上最大的可开启屋顶的体育场。需要解决很多技术难题。 开合屋顶、尤其是大型开合屋顶比固定屋顶在技术上有很多特殊的问题，必须慎重对待。如多种工况状态下的风荷载、雪荷载、地震作用以及特有荷载评估与选择，屋顶行走部分及轨道设计，屋顶运行故障检测及排除措施，屋顶的监控与安全保障系统设置等。为了经济安全，可动结构构造应简单并尽量轻型化；屋顶开启或关闭过程一般控制在20～25min，为尽量减少冲击力，应控制开始或停止时间在1～2min；应装置地震传感器和风速仪，当超过特大风速和地震强度时，开关系统应能判别，以调整整个系统不会超载；屋顶应安装电视摄像及超声波传感系统，以便及时发现故障原因；控制装置设计应有富余，当装置的任何部分失灵时不至于整个系统失灵，为此应用一种双控制系统，既能自动也能手动；在开合功能失灵时，应能保障整个屋盖结构的安全。在已建成的开合结构中不乏打开合不上、合上开不了的例子，更有一些开合结构因开合功能故障最终不得不改为固定屋盖。说明开合屋顶确实是一种技术性很强的结构形式，对设计和施工都有很高的要求。 北京已建的三个开合屋顶：国家电力大楼投入使用已近四年，北京天亚花园投入使用已近3年，北京大厦投入使用已快1年，运行情况良好，这3个开合屋顶虽然也学习和参考了国外一些经验、技术，但主要还是中国的工程师结合中国国情和工程实际加以创造、开发、改进，这说明我们己掌握了中、小开合屋顶技术。 案 例 1．加拿大多伦多天空穹顶(Sky Dome Canada)。1989年建成，它是世界上第一座采用现代驱动技术大型开合金属屋顶，直径208m,高度86m，开合面积31525m2 ，关闭时间20min，建筑师：Rod Robbie，工程师：C. M.Allen, 开合屋顶由4块屋盖组成，第4号屋盖是固定的，第2号屋盖和第3号屋盖可水平移动，第1号屋盖可旋转180°，赛场开启率100%，座位开启率91%，设计允许每年开合200次，建成后最初3年开合300次以上，许多都是在场内举办活动时进行开合，按使用情况看，可以达到100年的设计有效寿命（图21～图24）。 2．日本海洋穹顶(Ocean Dome)。建筑师：Kobe Shipyard & Machinery Works Mitsubishi HeavyIndusries Ltd。，结构师：Mitsubishi Heavy Indusries Ltd。关闭时间：10min，高度38m，开合屋顶面积：22726m2, 钢网格屋顶结构，屋面材料：钛板+特氟隆，1993年建成。开合屋顶由4块独立的拱形板组成，矢跨比为0.21，开启时，中央两块拱形板分别向两相反方向平行移动，并与其相邻的拱形板重叠，两组两块重叠的拱形板再向两相反方向平行移动至开启终点。安装了风速表，所测量的风速传送给中心控制室，防止强风损害。安装了地震仪，如果发生了地震，地震仪指令取消屋顶开合（图2 3．美国西雅图新太平洋西北棒球场(New Pacific North—westBaceball Park)。建筑师：美国NBBJ公司，建成时间：1999年，跨度200m, 屋顶面积40470m2，闭合时间：20min（图28和图29）。 4．美国威斯康星州米勒运动场（Miller Park）。结构师：John Hewitt. John T Roberts. Surinder Mann。叠放扇形屋顶，扇形平面直线边长180m, 旋转移动，关闭时间10min，屋面材料为特氟隆，2001年建成（图30、图31）。 开合屋顶结构的荷载 开合屋顶作为一种特殊建筑结构，除具有常规荷载和作用之外，还具有特殊荷载。常规荷载和作用：恒荷载、风荷载、雪荷载、使用荷载、地震作用和温度作用等。特殊荷载：开合屋顶启动、刹车荷载、轨道荷载（开合屋顶运动时因轨距和轨位的误差、轨道和轨道接头不平等引起的荷载）、结构变形作用导致的荷载等。 开合屋顶是一种动态建筑，和普通静态建筑不同，不是一种状态的荷载，而是多种状态下的荷载：全开、全闭、半开、部分开闭等停靠时的静态荷载、屋顶开合时的动态荷载等。这些都和开合屋顶的使用功能、地理位置、使用条件、规模大小等因素密切相关，我国地域广大、气候复杂，评估选择这些荷载除了要参考国外有关文献之外，还要结合国情和实际工程，研究、试验确定。 以风荷载而论：开合屋顶在全开、半开、全闭、运动等状态下的最大风荷载是不同的，有下列三种形式来确定最大设计风荷载：①结构能抵抗全部状态的最大风荷载；②结构能抵抗一种状态的最大风荷载；③结构能抵抗几种状态的最大风荷载。显然①种很安全，但经济性不好，特殊重要工程采用；②种和③种的经济性好或较好，但也要充分论证、研究和试验，确保其他状态下的安全前提下采用。 按建筑使用功能开合屋顶常规状态有三种：①正常条件全开，特殊条件全闭，如自然草坪的足球场；②正常条件全闭，特殊条件全开，如篮球馆；③其他：例如屋顶游泳池，冬天全闭、夏天全开，通风开合屋顶，室内的人很多时全开或部分开、室内的人很少时全闭或部分闭等。 按不利气候条件开合屋顶在停靠位置的开闭状态有三种：①大风、大雪超过限值时全开。例如我国南方冬天无雪、不采暖、在无台风地方可考虑冬天全开；我国北方夏天气温高、在无台风地方可考虑夏天全开；②大风、大雪超过限值时全闭。例我国沿海地区台风多，可考虑有台风季节全闭；我国北方冬天有大雪、要采暖可考虑冬天全闭；③其他：例如自然通风型的开合屋顶在“非典”流行期，可考虑全开或部分开；其他期间、可考虑全闭或部分闭等。总之，要根据国情、地情、实际工程情况，充分论证、研究、试验后综合选定开合屋顶的各种工况和状态进行设计。 参照文献2将开合屋顶的风荷载、雪荷载、地震作用的设计要点列于表1、表2、表3，以供参考。 风 荷 载 设 计 表1 项 目 设 计 要 点 开、闭、部分开及运动状态设计风荷载 根据结构特点和用途全面综合的评估选定结构在开、闭、部分开及运动状态下风荷载的设计值。宜进行风洞试验确定 设计要全面 根据在风荷载作用下开合单元的强度、变形、振动等因素全面设计，确保各种状态的各种因素的安全性和可靠性 抗风设计重要环节 开合屋顶重量较轻，不利于抗风，各种状态下，尤其是全开、部分开的状态的抗负风压设计是抗风设计重要环节 面材和连接 不同屋盖高度处的风荷载作用复杂，对面材及连接产生较大局部应力，选材慎重，面材和连接的设计可靠 开合单元的飘移 开合单元在轨道上滑动时，在风荷载的作用下可能产生飘移，减小了轨道和轮子之间的摩擦力，特别是当轨道倾斜时，摩擦力减小，飘移可能会导致滑轮出轨 开合屋顶的膜材 膜材应进行张拉，消除风荷载引起的振动和飘动，要有防积雪、防积水和清洁的措施 索结构 应重视在风荷载作用下，索结构的稳定、振动和摇摆 驱动机械 在开启和关闭过程中，驱动单元的风荷载是不同的，应对每个驱动单元同步控制，防止摇摆 设计原则 宜采用“失效-安全”的设计原则，对各部附件进行‘剩余强度’设计，即开合屋顶的部分附件失效仍可维持整体结构最低安全 关 于 雪 荷 载 设 计 要 点 表2 项 目 设 计 要 点 各开合单元的性能 在雪荷载作用下，通常各独立可开合单元的结构变形是不同的，每个单元的变形特征应根据积雪情况分别加以分析，并在各单位之间留有合适间隙 长期荷载的作用 雪荷载较大地区的开合屋顶要注意长期荷载（积雪荷载）对结构蠕变和强度的作用。宜有融雪的装置和措施 屋面积雪、下滑、积水 必要时要防止屋面积雪下滑、扩散和冲击的雪荷载。防止面材变形引起的积雪、积水 开启、闭合、部分开启状态设计雪荷载 根据结构特点和用途全面综合地评估选定结构在开、闭、部分开及运动状态下雪荷载的设计值 轨道上积雪、结冰及索道上结冰 轨道上积雪和结冰，妨碍开合结构的移动，选择合适的融雪设备，采取有效的除雪措施 大雪时开合屋顶的移动 应制定合理的方案，以便在下大雪时和屋面有积雪情况下确保屋顶顺利开合 地 震 作 用 设 计 要 点 表3 项 目 抗 震 设 计 要 点 设计状态 以停靠状态为主，运动状态的设计视发生地震概率而定，必要时进行非线性动力反应验算。对于抗震设防烈度在7度以上的大型开合屋顶要有足够的防范，不仅要考虑水平作用，还要考虑竖向地震作用 开合屋顶的地震作用 大型开合屋顶应安装地震仪，在屋顶开合过程中，一旦发生地震并大于预定水准时，应立即采用制动器或其他措施停止单元开合；在经常发生小地震的情况下，也应采取适当防范措施，防止出轨、碰撞以及悬吊物件摆动。当在倾斜轨道上的开合结构由索牵引开合时，应考虑施加索上的冲击荷载 设计水准 宜按二水准设计：水准1，结构处在弹性阶段，不出现出轨等故障；水准2，结构可处在弹塑性阶段，但局部破坏不应引起倒塌、出轨、脱落、驱动失效等灾害性安全事故 相位差验算 为了确保安全，宜按地震时屋顶两侧支承结构的相位相反情况进行应力变化验算 到目前为止我国还没有建造过复杂大型开合屋顶，现代大型开合屋顶是集建筑、结构、机械、控制等诸多方面的综合体，如能在现有已掌握的中、小开合屋顶的技术和经验的基础上，借鉴国外技术和经验，把多学科有机地组合起来，借北京举办世界奥运会良机，攻克“鸟巢”开合屋顶的技术难题，实现大型开合屋顶“零”的突破，开拓开合屋顶应用，势必推动我国开合屋顶建筑与技术的迅速发展。
据统计国际上从20世纪60年代至今已建成200余座开合结构，但绝大多数属于中小型建筑，主要用于游泳馆、网球场等体育建筑。从这些工程应用中人们已充分领略到这种结构的优越性：当雷雨风雪时将屋盖关闭，享受一种温馨与热烈；当天高气爽时将屋盖打开，感受自然之美。此外屋盖开启后室内外融为一体，尤其在夜晚，夜色与灯光融合，更有一种特殊感受。目前开合结构不仅用于体育场馆，而且广泛用于飞机库、商场、厂房及需要晾晒的仓储建筑。近来我国将开合屋顶用于旧楼改造，改善室内的自然通风，开拓了新用途。开合屋顶造价较高、施工难度较大、维护管理较难，大型开合屋顶更为突出。不少开合屋顶建筑都产生广泛影响，造成轰动效应，有的已经成为其所在城市的标志。
