[分享]：开合结构

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开合结构（Retractable Structures）的出现与人类体育事业的发展密切相关,是当代人类物质文化生活水平发展到相当程度，人们对体育比赛场馆功能要求日益完美的结果。体育场空间本来是个开放的空间，古代的奥运会就是在有天然草皮的大地上，在阳光的照射与微风
的吹拂中召开的。然而，热衷于体育运动的现代人却发展成了室内体育馆，通过装备一些设备，将室外体育设施室内化，把体育赛事作为一种观赏项目开展起来。这样做不仅能在比较恶劣的环境条件下保护观众和运动员，而且实现了能在预定的时间内，进行预定的体育比赛，这是体育现代化的必然要求。这种建造大型运动场馆的技术早已具备，而且无数的体育场馆已投入使用。但是这些带有屋顶的运动场并非剧场，人们还是憧憬着大自然的天空，大自然的阳光，大自然的和风，如果条件允许，敞开式运动场是受观众和运动员欢迎的，因此开合式屋盖结构应运而生。
　　据统计国际上从本世纪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。
　　与固定式屋盖相比开合屋盖在技术上有很多特殊的问题必须慎重对待，如在结构形状不断改变的条件下设计荷载尤其是风荷载以及结构运动产生的冲击效应的评估与选择，屋盖走行部及轨道设计，屋盖运行故障检测及排除措施，屋盖的监控与安全保障系统设置等。为了经济安全，移动结构构造应简单并尽量轻型化；屋盖开启或关闭过程一般控制在20～25分钟，为尽量减少冲击力，应控制开始或停止时间在1～2分钟；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；屋盖应按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。说明开合结构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。
开合结构的开合方式有以下几种类型：
　　1.水平移动
　　单纯通过屋盖水平移动形成开合。
　　2.重叠方式
　　又可细分为：
　　　（1）水平重叠，通过数段屋盖水平重叠搭接形成开合；
　　　（2）上下重叠，将屋盖上下分成数段，底段固定，上面几段可上下滑动形成开合；
　　　（3）回转重叠，通过数块屋盖回转重叠形成开合；
　　　（4）水平回转移动重叠，既有水平移动又有回转移动，最后重叠搭接形成开合。
　　3.折叠方式
　　又可细分为：
　　　（1）水平折叠，构件水平方向折叠形成开合；
　　　（2）回转折叠，构件水平回转折叠形成开合;
　　　（3）上下折叠，一般采用膜屋面，类似于折叠伞，通过吊起或放下屋面形成开合。
　　4.混合方式
　　上述这些开合方式的组合。
　　对一个开合结构工程的评价是多方面的，应依据具体结构的功能及规模等进地，如屋盖开启状态下的开启率、天空形状、屋盖形状、屋盖阴影、亮度对比，屋盖关闭后的屋盖形状、屋盖性能、屋盖的耐久性、屋盖的开合方式、屋盖走行部的运转，工程费用高低、施工难度、建筑面积及工程占地面积等都应是开合结构评价的主要内容。
　　由于开合结构造价较高、施工难度大、以及其围护管理要求很高，所以在大跨度建筑中这种结构用的很少。但目前仅有的几座大型开合结构都产生了广泛的影响，造成过轰动效应，有的已经成为其所在城市的标志。1961年建成的美国匹兹堡会堂是世界上第一座大型开合结构，平面设计成圆形，直径127m，建筑高度33m，采用回转式开合屋盖，屋盖分8块，开启率为75％，观众席朝向街区，随着屋盖的慢慢开启，街区的楼群轮廓可浮现在观众面前。加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场1976年就完成了看台部分的施工，但因为经济问题开合屋盖结构直到1987年才竣工，屋盖采用上下折叠开合方式，开口部位长径180m，短径120m，面积18,000㎡,呈椭圆形。1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶（Sky Dome），如图3所示，一度是世界上跨度最大的开合结构，屋顶直径205m，覆盖面积32,374㎡,为平行移动和回转重叠式的空间开合钢网壳结构。整个屋盖由四块单独钢网壳组成，其中三块可以移动，中间部分为两块筒状网壳，可水平移动，两端为两块四分之一球壳，其中一块固定，一块可旋转移动180°。屋盖开启后91％的座位可露在外面，赛场面积开启率可达100%，开闭时间约20分。天空穹顶与著名的多伦多CN塔相临，屋盖开启后呈现在观众面前的是安大略湖和以高553m的CN塔为背景的空间多彩景色。当今世界规模及跨度最大的开合结构是跨度（直径）222m的日本福冈体育馆，见图4。该馆于1993年3月建成，建筑面积72740㎡，是1995年在福冈举行的世界大学生运动会的主会场。屋盖由三片网壳组成，最下一片固定，中间及上面两片可沿着圆的导轨移动，因此开合方式为回转重叠式，全部开启后可呈125°的扇形开口。各片网壳均为自支承，为避免在开合过程中振幅特别大的顶部引起装饰材料互相碰撞，在屋顶中心设置液压阻尼器减震。屋盖移动的轨道上装有地震仪，当地震仪接收到超过50gal（0.5m／s2）的加速度时，能自动停止移动。值得一提的是这么大工程仅用了两年多的时间，由此可看出施工队伍的综合施工水平是非常高的。