膜構(gòu)知識庫
開合屋蓋膜結(jié)構(gòu)體系及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
以近年來我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人民物質(zhì)文化需求不斷提高為契機(jī)，作為新型體育文化建筑的開合屋蓋結(jié)構(gòu)具有很大的市場潛力。它是一種比較新穎的結(jié)構(gòu)形式，可以實(shí)現(xiàn)場與館的快速轉(zhuǎn)換，極大改善使用環(huán)境，充分利用日光照明，減少空調(diào)使用，提高建筑的利用率，節(jié)能環(huán)保。
開合屋蓋涉及機(jī)械與控制系統(tǒng)，技術(shù)難度、建造成本和維護(hù)保養(yǎng)要求均高于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。隨著工程經(jīng)驗(yàn)不斷積累，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，開合屋蓋技術(shù)日趨成熟。
中、小型開合屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)展?jié)摿艽?，通過向小型化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展普及，不斷降低建造成本，充分發(fā)揮其良好的社會(huì)效益。
老舊場館改造時(shí)增設(shè)開合屋蓋，可顯著改善場館使用功能，既可以作為體育活動(dòng)場地，又可以舉辦各種活動(dòng)和作為臨時(shí)避難場所等多功能使用。
活動(dòng)屋蓋與消防報(bào)警聯(lián)動(dòng)等新功能的開拓，為開合屋蓋應(yīng)用注入了新的活力。
剛性結(jié)構(gòu)
剛性結(jié)構(gòu)通過活動(dòng)屋蓋單元的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)屋蓋開合，受力性能可靠，對建筑造型適應(yīng)性強(qiáng)?；顒?dòng)屋蓋多采用沿跨度方向受力為主的單跨結(jié)構(gòu)，少量工程采用多跨連續(xù)形式。桁架作為傳力最簡明的單向受力體系，是活動(dòng)屋蓋最常用的結(jié)構(gòu)體系。門式桁架用于軌道置于混凝土支承結(jié)構(gòu)或直接置于地面的情況?；顒?dòng)屋蓋作用于臺(tái)車頂部的水平推力對臺(tái)車、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和支承結(jié)構(gòu)均有顯著影響，故此應(yīng)盡量消除或減小活動(dòng)屋蓋在自重作用下的水平推力。邊桁架既是活動(dòng)屋蓋的邊緣構(gòu)件，也是各臺(tái)車之間的聯(lián)系構(gòu)件，減小邊桁架剛度可有效降低運(yùn)行過程中各臺(tái)車的差異變形引起邊桁架內(nèi)力的變化。
剛性折疊結(jié)構(gòu)
剛性折疊結(jié)構(gòu)通過自身各組件的相對運(yùn)動(dòng)，屋面以折疊/展開的方式實(shí)現(xiàn)開啟與關(guān)閉。剛性折疊結(jié)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鉸頁部件與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特殊需求。剛性折疊活動(dòng)屋蓋可采用多榀桁架的形式，通過鉸頁進(jìn)行連接折疊鉸頁機(jī)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，防止出現(xiàn)較大的彎曲變形，保證連接部件在折疊/展開過程中平穩(wěn)自如。折疊結(jié)構(gòu)在折疊與展開過程中為可變體系，在折疊或展開完成后，應(yīng)通過鎖定裝置形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。
柔性折疊結(jié)構(gòu)
柔性折疊結(jié)構(gòu)依靠膜材的展開與折疊收納實(shí)現(xiàn)活動(dòng)屋蓋的開合，在開合建筑中應(yīng)用較早。膜材材質(zhì)與膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是柔性折疊結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)。選用可折疊性優(yōu)良的膜材，膜面折疊與展開運(yùn)動(dòng)自如，保證高頻度使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安全可靠。柔性折疊結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)應(yīng)保證屋蓋關(guān)閉時(shí)能夠形成所需的曲面形態(tài)，與支承結(jié)構(gòu)緊密貼合。索系和膜材預(yù)應(yīng)力形成的幾何剛度是構(gòu)成柔性折疊結(jié)構(gòu)剛度的主要部分，索系或膜材松弛將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，在風(fēng)荷載作用下容易出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，甚至導(dǎo)致膜材撕裂。此外，膜材松弛會(huì)導(dǎo)致膜材褶皺，影響建筑美觀和排水。所以，需要通過對邊界索系與膜材施加適當(dāng)?shù)念A(yù)張力，避免在不利荷載作用下膜面松弛。
在固定屋蓋洞口邊緣應(yīng)設(shè)置剛性環(huán)梁，以平衡索膜的預(yù)張力。根據(jù)建筑造型及邊界條件等因素，活動(dòng)屋蓋的膜材一般收納于屋蓋的中央。
支承結(jié)構(gòu)
剛性支承結(jié)構(gòu)
活動(dòng)屋蓋的支承條件主要取決于建筑的功能與造型，直接支承活動(dòng)屋蓋的混凝土結(jié)構(gòu)、專用軌道支架或地面軌道系統(tǒng)，稱為剛性支承結(jié)構(gòu)；當(dāng)活動(dòng)屋蓋支承于大跨度屋蓋時(shí)，將固定屋蓋稱為柔性支承結(jié)構(gòu)。
出于使用功能與經(jīng)濟(jì)性的考慮，體育場館的主體結(jié)構(gòu)多采用混凝土結(jié)構(gòu)體系，除可支承上部大跨度結(jié)構(gòu)外，還作為觀眾看臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)剛度大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)活動(dòng)屋蓋直接支承于地面軌道時(shí)，通常在地面標(biāo)高以下設(shè)置專用的軌道溝槽。為了避免對場地使用的影響，可將活動(dòng)屋蓋的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置在軌道溝槽內(nèi)，并在溝槽頂面設(shè)置可移動(dòng)蓋板，在活動(dòng)屋蓋非運(yùn)行狀態(tài)用蓋板封閉溝槽，保證人流和車輛正常通行。
柔性支承結(jié)構(gòu)
活動(dòng)屋蓋直接支承于固定屋蓋之上，是近年開合屋蓋最常見的形式。固定屋蓋的幾何形態(tài)應(yīng)與活動(dòng)屋蓋的運(yùn)行需求相一致，優(yōu)先采用豎向剛度大的結(jié)構(gòu)形式，固定屋蓋可采用桁架、雙層或多層網(wǎng)架等多種結(jié)構(gòu)形式。活動(dòng)屋蓋荷載通過軌道傳給固定屋蓋，在沿軌道受力集中的部位布置主桁架或采用相應(yīng)的加強(qiáng)措施。
固定屋蓋設(shè)計(jì)時(shí)，除需考慮結(jié)構(gòu)自重、建筑屋面做法、天溝馬道、照明音響等吊掛荷載及檢修荷載外，還需要考慮活動(dòng)屋蓋的移動(dòng)荷載。固定屋蓋充足的剛度是確保活動(dòng)屋蓋順暢運(yùn)行的重要前提，應(yīng)嚴(yán)格控制支承軌道主桁架與軌道梁的剛度，保證活動(dòng)屋蓋行走過程中的變形不超過限值要求。此外，固定屋蓋需要通過預(yù)起拱等措施保證施工精度，為軌道安裝精度與活動(dòng)屋蓋單元運(yùn)行調(diào)試提供前提條件。
開合屋蓋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足抗風(fēng)、抗震、防水、密閉及遮陽等基本功能外，還應(yīng)具備對變形的適應(yīng)能力。建筑內(nèi)部應(yīng)盡量利用日光照明，優(yōu)先采用透光性好的材料，可顯著降低照明能耗。常閉狀態(tài)的開合屋蓋應(yīng)考慮保溫隔熱等熱工性能的要求，預(yù)防結(jié)露與冷凝水，必要時(shí)還應(yīng)考慮場地的聲學(xué)效果。屋面圍護(hù)通常采用膜材、聚碳酸酯板或金屬板等輕質(zhì)材料，小型開合屋蓋也可采用玻璃。
開合屋蓋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
開合屋蓋工程涵蓋建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械、自動(dòng)控制等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是當(dāng)前科技含量最高的建筑形式之一。在開合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面，國內(nèi)外系統(tǒng)性的研究成果和專著均較少，關(guān)鍵技術(shù)主要來源于具體的工程案例。
國外有關(guān)開合屋蓋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的資料有《空氣支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議》《開閉式屋根構(gòu)造設(shè)計(jì)指針·同解說及設(shè)計(jì)資料集》《開閉式膜構(gòu)造設(shè)計(jì)指針》《Structural Design of Retractable Roof Structure》等。
我國近年來在陸續(xù)完成多個(gè)大型開合屋蓋工程的基礎(chǔ)上，不斷探索開合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，總結(jié)工程技術(shù)與施工經(jīng)驗(yàn)。于2015正式發(fā)布我國首部開合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——CECS 417：2015《開合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。為了適應(yīng)開合屋蓋結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的情況，滿足重大工程設(shè)計(jì)、施工與驗(yàn)收的要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ442-2019《開合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》于2019年正式發(fā)布。