[摘 要] 开合屋盖体育场是建筑、结构、机械、控制技术的集成。针对不同开合屋盖，其机械系统一般采用：卷扬机牵引式、承载台车自驱式、绕枢轴转动式和齿轮齿条驱动式。本文结合具体工程实例，对开合屋盖承载系统、驱动系统、检测控制系统、安全系统进行了介绍，为今后相关工程的实践提供参考。
      [关键词] 开合屋盖机械系统；卷扬机牵引；自驱式；绕枢轴转动；开合屋盖体育场机械系统应用探讨

 
      1 引言
      开合建筑结构是将传统的建筑分为可动单元和固定单元，通过机电系统承载可动单元按预定轨道移动，从而实现不同的开合形式。
      开合建筑结构主要应用在桥梁、体育场、步行街、娱乐中心、厂房等领域。其中应用最广泛的是开合屋盖体育场，与常规体育场相比，其主要优点是：
      （1）不受恶劣天气影响保证比赛顺利进行；
      （2）满足全天候使用要求，人与自然和谐统一；
      （3）减少照明与通风设备，节能环保绿色运营；
      （4）吸引观众提高入座率，增加收益。
      2 典型开合屋盖机械系统介绍
      按照开合屋盖不同的移动方式，主要分为：水平移动、水平旋转、空间移动、绕枢轴转动等。开合屋盖机械系统主要包括：承载系统、驱动系统、检测控制系统、安全系统。
      结合工程实例，现介绍几种国内外最新的开合屋盖机械系统。
      2.1 卷扬机牵引系统
      2.1.1工程概况
      鄂尔多斯东胜体育中心，如图1~2。开启面积为9,300?，轨道梁拱最大跨度达251m。
      两片活动屋盖采用卷扬机牵引对拉的方式，单片屋盖重量为700t。

图1 鄂尔多斯东胜体育场 



图2 卷扬机牵引系统组成
 

    2.1.2 机械系统组成
      （1）承载系统：两片屋盖由28部台车支撑，每部台车装有液压调整系统；
      （2）驱动系统：采用4套双倍率卷扬机系统驱动，卷扬机电机功率110kw；
      （3）控制系统：位移、转速、压力闭环检测，变频同步控制；
      （4）安全系统：锁销、车档等。
      2.1.3 关键技术
      （1）屋盖开合运行时，活动屋盖与固定屋盖间的相对位移变形较小，但活动屋盖的卸载和安装承载台车时需要一个承载和位移调整机构，针对此工况，台车竖向调整采用一个能承受支点荷载150t，位移调整50mm的超高压千斤顶结构，此超高压油缸只需用手动液压泵进行控制调整，具有结构紧凑、承载可靠、调整方便的应用优点；
      （2）台车行走过程中采用双液压缸适时对侧向位移进行调整，防止侧向卡轨；
      （3）通过对卷扬机转速、钢丝绳拉力、台车位移的检测反馈，保证两侧轨道牵引同步；
      （4）机械零部件、电子元器件、液压件、密封件选用耐低温材料，液压系统内设有油液加热装置，保证系统可靠性、耐久性。
      鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖机械系统运用先进的机电液技术，通过实时检测、反馈、控制、驱动系统，保证开合屋盖正常、可靠工作见图3`4。
      2.2 自驱式系统
      2.2.1 工程概况
      昆山游泳馆网球场工程总建筑面积24145 m2，网球馆开启面积6525m2，屋面桁架跨度66m。
      2.2.2机械系统组成
      网球馆活动屋盖在两条水平轨道上运行，每条轨道上有4部台车承载驱动，在轨道梁端部装有缓冲限位装置。

           

图3  自驱式机械系统组成



图4  昆山网球馆活动屋盖施工图
 

2.2.3 关键技术
      （1）台车采用后轮驱动，通过变频调速保证行走同步；
      （2）活动屋盖施工卸载后竖向挠度为30mm左右，因此台车与活动屋盖联接处采用被动调整，安装关节轴承释放弯矩，侧向采用位移缓冲装置；
      （3）开合屋盖由减速电机上的电机制动器、电动推杆式的插销结构、前后车档、监测系统和控制系统构成安全系统；
      该机械系统结构紧凑、简单，既能保证顺利开合运行，又可减小维护、保养费用，性价比较高。
      2.3 绕枢轴转动系统
      2.3.1工程概况
上海旗忠网球中心屋盖采用8片可绕各自枢轴转动45°的活动屋盖组成，形状类似一朵玉兰花如图5。赛场直径144m。活动屋盖向内悬挑61.5m，屋盖总质量约为1440t。

 
图5 上海旗忠网球中心
 

2.3.2 机械系统组成
       旗忠网球中心在固定环梁上安装8套开合屋盖机械传动系统，每套系统组成如下：
      （1）承载系统：1根固定转轴、3部台车、3个同心旋转轨道；
      （2）驱动系统：驱动链轮、链条、平衡论；
      （3）控制系统：同步控制、故障检测系统；
      （4）安全系统：缓冲器、插销装置。
      2.3.3 关键技术
      （1）每片悬挑屋盖通过台车、同心轨道采用3点支撑，降低了屋盖结构加工、拼装难度；
      （2）转动心轴采用关节轴承联接，轴承内孔与枢轴采用间隙配合，可沿轴承上下移动，承受活动屋盖叶瓣竖向不均匀受力而产生的弯矩和扭矩；
      （3）驱动部分采用链传动，其中链条安装在固定曲梁上，链轮与平衡轮安装在支撑平台上，支撑平台可沿大型燕尾槽滑动。燕尾槽可补偿半径方向的变形，平衡轮与链轮成对安装可保证，链轮链条很好的啮合。同时链轮与驱动轴采用花键连接，间隙配合，可沿轴向运动，补偿高度方向的偏差；
      （4）屋盖在开启时3组台车都承受压力，当关闭状态时，屋盖叶瓣是悬臂结构，末端台车承受拉力，因此安装反钩滚轮装置见图6~7。
      旗忠网球中心开合屋盖机械系统把传统机械、结构设计与计算分析仿真相结合，把复杂问题简单化、分解处理，实现建筑结构、机械一体化开合技术，值得借鉴。

 
图6 绕枢轴转动剖视图
 

图7 活动屋盖承载台车
 

2.4 齿轮齿条系统
      2.4.1 工程概况
      阿布扎比体育馆活动屋盖共重7500吨，屋盖呈拱形结构，宽度290m,长度128m，每侧有9个支撑点，两侧共18个支撑点，支撑点的最大计算载荷为1100吨，侧支撑点最大载荷为500吨，运行行程约140 m。
      2.4.2 机械系统组成
      每片活动屋盖由18台运行小车支撑，每侧在水平地面布置4根重型轨道，竖直墙面布置2根导向轨道，如图8~9。

图8 阿布扎比体育场图

        
9 齿轮齿条驱动台车
 

      单片屋盖每侧主要机械系统组成如下：
      （1）承载系统：9台支撑小车、4根重型轨道、2根导向轨道；
      （2）驱动系统：驱动小车、齿轮齿条、连接梁；
      （3）控制系统：现场实时全自动控制、智能型手动可控制；
      （4）安全系统：联锁功能、防风检测、故障诊断。
      2.4.3 关键技术
      （1）由于活动屋盖总跨度290m，每跨桁架之间的刚度比较小，为保证驱动台车的同步性，采用齿轮齿条精确啮合方式，见图11。
      （2）驱动台车与支撑台车之间用连接梁固定，两端采用铰接，既能保证沿轨道方向的刚度，又能适应轨道竖向变形；
      （3）支撑台车与活动屋盖之间采用铰接，可释放结构支点弯矩；见图10。
      （4）控制系统设置多级联锁、故障诊断、自动排除功能，提高了系统可靠性；
      （5）采用变频同步控制系统，即可对位移控制，也可对速度进行控制，并在运行中采用实时监控，进行安全保护。

图10  承载台车剖视图 


图11 齿轮齿条驱动台车平面图
 

3 结论

采用何种开合屋盖机械系统首先取决于活动屋盖的移动方式和整体结构形式，一般卷扬机牵引方式适用于对驱动转矩比较大的空间移动屋盖；自驱式机械系统主要用于水平轨道，驱动力主要克服摩擦阻力；绕枢轴转动机械系统一般用于水平旋转开合移动方式，且结构跨度比较小；齿轮齿条驱动方式对轨道精度要求比较高，当需要保证活动屋盖结构沿轨道方向变形比较小、同步性较高时使用。
      同时机械系统的设计依据主要有4大部分:1、建筑结构提供的支座反力标准值，决定机械零部件结构强度和刚度；2、开合条件下的综合荷载，决定驱动系统的功率、转矩；3、建筑结构形式、刚度、挠度、施工方法，决定机械系统适应性调整自由度和位移值；4、开合条件和环境要求，决定控制策略等。开合屋盖机械系统设计、施工人员应与建筑、结构专业紧密配合，无间隙的沟通反馈，把现代设计仿真技术与传统机械设计方法相结合，对设计、施工、运行、失效、维护全过程进行分析，这样才能保证开合屋盖系统整体的可靠性、安全性、经济性、耐久性、适应性。

      参考文献：
      [1] 刘锡良.现代空间结构[M].天津大学出版社，2003
      [2] IASS（International Association for Shell and Spatial Structures）. Structural       Design of Retractable Roof Structures,Edited by Ishii,K,.WIT Press,Southampton,Boston,2000.
      [3] 管军.移动屋盖机械系统研究.[硕士学位论文].杭州：浙江大学，2005.
      [4] 张军，董年才.南通体育场开合屋盖机械驱动系统原理及运行维护[J].建筑施工，2008，30（3）：191-194.
      [5] 翁新华，王春香，朱爱.变频调速在大型动态建筑构件上的实时控制.制造业自动化，2002,24（II）：3-6.
      [6] 张质文，虞和谦，王金诺.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001
      [7] 智浩，李同进.上海旗忠网球中心活动屋盖的设计与施工—机械结构一体化技术探索与实践.建筑结构，2007,37（4）：95-100.
      [作者简介]  张锋（1985-），男，江苏南通人，浙江精工中国建筑金属结构信息网有限公司工程师，硕士，建筑机械工程