淺析開合屋蓋結構的發展與實踐

侯建民

摘 要：文章以簡單總結了開合屋蓋結構的發展歷程，列舉了開合屋蓋結構典型案例；最后分析開合屋蓋結構的特點，并提出開合屋蓋結構的發展趨勢。

關鍵詞：開合屋蓋結構；體育建筑；建筑技術

1 概述

開合屋蓋結構是指建筑屋蓋的結構形式，擁有這種屋蓋結構的建筑能在很短時間內全部或部分屋頂結構可以開合或移動，并且建筑物在屋頂開啟和關閉兩個狀態下都可以使用。大規模開合屋蓋結構的結構都是鋼結構或懸索結構，上鋪膜材料或輕型屋面板。這種屋蓋系統由若干個單元片組成，通過單元片的移動或轉動，并通過各片之間搭接、迭放來實現屋蓋的開合。當前，鋼結構開合屋蓋結構單元上鋪膜材料是大型開合結構常見方式。開合屋蓋采用張拉索穹頂作為支撐結構，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構中得到了發展。

開合屋蓋結構大量應用于體育建筑，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，開合屋蓋結構也廣泛應用于其他領域。開合結構的建筑技術也在不斷進步，隨著社會的發展和經濟實力不斷增強，空間剛結構型式不斷有高技術的開創性作品問世，人們不僅對建筑能很好地滿足使用功能的基本要求，而且對復歸自然的建筑意識更加需要，開合屋蓋結構建筑發展前景更為廣闊。

2 開合屋蓋結構的發展歷程

20世紀50年代以前的開合屋蓋結構主要以小型結構為主，而且主要用在非建筑領域。在1950-1988年間，開合結構的發展主要以膜褶皺型為主。20世紀80年代末以來的開合屋蓋結構思想，均來源于1961年美國建成的匹茲堡市民體育場。該體育場采用現代牽引技術驅動的剛性開合結構，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。日本對開合式屋蓋技術進行的開發多以游泳池為主，現在已有近200項體育設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典之作，被列入了日本同年出版的《開閉式屋蓋結構設計指針同解說及設計資料集》中。這座建筑的出現，使大跨度開合屋蓋技術得到了進一步的發展，人們對建造大型開合屋蓋結構的疑慮逐漸消除，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構，開合屋蓋結構取得進一步發展。

3 開合屋蓋結構的建筑實踐

開合屋蓋結構是建筑技術不斷進步和經濟社會實力不斷增強的具體表現。截止到目前，世界上已建成200余項不同規模的各類開合屋蓋結構建筑，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構的疑慮，大跨度開合屋蓋技術得到了進一步的發展和完善，并且使開合屋蓋迎來了新一輪開發熱潮。

當今世界規模及跨度最大的開合屋蓋結構是日本福岡體育館，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年福岡世界大學生運動會的主會場。開合屋蓋由三片網殼組成，其中最下面一片固定，中間及上面兩片可沿著圓的導軌移動。開合方式為回轉重疊式，全部開啟后可呈125度的扇形開口，屋蓋的各片網殼均為自支承結構形式，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，當地震儀接收到超過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，但因為經濟問題開合屋蓋結構直到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構，于1989年建成。建筑屋頂直徑達205m，面積32374平方米，為平行移動和回轉重疊式的空間開合鋼網殼結構。建筑屋蓋由四塊單獨鋼網殼組成，其中有三塊可以移動；中間部分為兩塊筒狀網殼，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180度。屋蓋賽場面積開啟率可達100%，當屋蓋開啟后91%的座位可露在外面，開閉時間可達20分鐘左右。

4 開合屋蓋結構的特點

4.1 在開啟狀態時，使室內外充分融為一體，在室內可盡情享受大自然帶來的舒適，同時可以節省室內的各種能源，減少日常能源消耗開支。關閉狀態下又可創造不受自然界的不利氣候影響。

4.2 結構體系新穎，目前在國內隨著大經濟環境的快速更新，人們對建筑形式更樂意欣賞和接受，如近期涌現的各種體育館的大跨結構，植物園的玻璃大面結構等等。

4.3 隨著開合結構不同的開啟方式，可充分發揮建筑師的想像力，打破建筑被稱為凝固藝術的限制。融合機械中奇妙的運動方式，達到建筑與結構完美的結合。

5 結束語

目前，我國在開合屋蓋結構研究與應用均處于起步階段，盡管有一定數量的開合屋蓋建筑，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”這種大型復雜開合屋蓋建筑還為數極少。然而我國許多城市都產生了建造大型開合屋蓋結構的設想，并且部分城市開合屋蓋結構建筑處于準備及施工階段，我國開合屋蓋結構建筑將會日漸增多。隨著社會的發展，空間剛結構型式不斷有高技術的開創性作品問世，人們不僅對建筑能很好地滿足使用功能的基本要求，而且對復歸自然的建筑意識更加需要。開合屋蓋結構除體育場館外，廣泛用于廠房、飛機庫、商場、倉儲建筑等大空間結構建筑。

開合屋蓋結構的研究涉及多方面，如屋蓋開啟狀態下的開啟、天空形狀、屋蓋陰影、屋蓋形狀及亮度對比；屋蓋關閉后的屋蓋性能、屋蓋的開合方式、屋蓋形狀、屋蓋的耐久性等。各種屋蓋結構體系力學性能的比較分析；開合屋蓋抗風設計研究；開合屋蓋抗震設計研究。開合屋蓋結構的應用與研究也將成為一種趨勢。

參考文獻

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