膜構(gòu)知識庫
折疊開合式膜結(jié)構(gòu)屋蓋建筑簡介
從20世紀(jì)60年代至今，全世界已建成了200多座開合式屋蓋建筑。開合式屋蓋使這些建筑“晴天是室外，雨天變室內(nèi)”，一年365天不受刮風(fēng)下雨天氣的影響。那么什么是開合式屋蓋呢？下面就隨小編來了解一下吧。
開合式屋蓋是通過機械與自動化技術(shù)，使得建筑物的屋蓋可以選擇打開或關(guān)閉的一種結(jié)構(gòu)形式。開合屋蓋又可分為剛性開合屋蓋和折疊開合式膜結(jié)構(gòu)屋蓋兩類，前者以網(wǎng)殼、網(wǎng)架等剛性結(jié)構(gòu)作為屋面結(jié)構(gòu)；后者屋面結(jié)構(gòu)采用張拉膜、支承結(jié)構(gòu)由鋼、鋁合金等可折疊的金屬桿系組成，通過可折疊桿系的收放將膜材折疊收起或者展開來實現(xiàn)屋蓋的開合。折疊開合式膜屋蓋糅合了折疊結(jié)構(gòu)和開合結(jié)構(gòu)的特點。從已完工的工程來看，其工程項目大到體育場館，小到游泳池，跨度由幾米到四五十米不等，應(yīng)用比較廣泛。
折疊開合式膜結(jié)構(gòu)屋蓋采用膜材有許多優(yōu)點：1）自重輕，屋面重量的降低，使下部的支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的斷面尺寸也可以相應(yīng)縮小，在造價及安全性方面都有優(yōu)越性；2）減少能源消耗，節(jié)省費用，膜材透光率取決于材質(zhì)和涂層，使用范圍從幾乎全透明到完全不透明，一般建筑膜材的透光率在15%左右，所以即使在屋蓋閉合時也可充分利用自然光，可減少人工照明；3）施工速度快。
1.構(gòu)成
折疊開合式膜結(jié)構(gòu)屋蓋除了覆面膜結(jié)構(gòu)可折疊外，膜的支承結(jié)構(gòu)可采用折疊結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的部分桿件需要以一定的方式連接形成鎖鉸。折疊結(jié)構(gòu)根據(jù)展開成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為結(jié)構(gòu)幾何自鎖式、結(jié)構(gòu)構(gòu)件自鎖式以及結(jié)構(gòu)外加自鎖式。應(yīng)用到建筑上，采用結(jié)構(gòu)外加自鎖式會有更高的安全儲備，并可以滿足大跨度的要求。桿件只有在折疊狀態(tài)下應(yīng)用為零。折疊結(jié)構(gòu)邊界位置需附加約束才能形成靜定或超靜定結(jié)構(gòu)。
此外，折疊結(jié)構(gòu)也可以采用索、桿組成的張拉整體結(jié)構(gòu)體系。在這種結(jié)構(gòu)體系中需要給索施加預(yù)張力以提供結(jié)構(gòu)剛度，桿件則受壓。
2.組成體系
折疊開合式膜結(jié)構(gòu)屋蓋一般由建筑體系、機械體系和電氣體系三部分組成。
1）建筑體系
如上所述，屋面采用膜材，同時配以金屬桿件、索作支承結(jié)構(gòu)。如此構(gòu)成的屋架可以實現(xiàn)大跨度、覆蓋大空間的目的。
2）機械體系
主要分為傳動機械和施工機械。前者一般由軌道、滑輪滑架、絞盤、千斤頂?shù)葮?gòu)成，較常見的是鋼結(jié)構(gòu)屋架與滑輪用螺栓相連，搭在鋼梁上。鋼梁鋪設(shè)軌道，滑輪可以帶動鋼屋架沿軌道行駛。而施工機械則主要是起重機、吊車、塔吊等，用于折疊結(jié)構(gòu)的安裝與拆卸。
3）電氣體系
主要是用來控制開合屋蓋的正常運行、制動、安全性檢測等方面的控制體系。通過計算機系統(tǒng)，所有設(shè)備和裝置在建筑物的中央管理系統(tǒng)控制下順利運行。
3.開合方式
折疊開合式膜結(jié)構(gòu)屋蓋的開合方式有很多種，主要有水平伸縮折疊、剪式折疊、上下折疊和徑向折疊四種。
1）水平伸縮折疊
屋蓋水平分為幾段，通過單向或者雙向平移伸縮重疊搭接形成開合，鋼構(gòu)架可以在平面的兩個方向進行拉伸折疊，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)完全展開時，膜材分兩個方向布置，一是沿側(cè)面呈垂直布置，一端接地，一端接鋼構(gòu)架；另一方向是沿頂面呈水平布置作為覆面，膜兩端均接構(gòu)件。
2）剪式折疊
桿件通過采用剪式單元形成空間網(wǎng)格，并采用外加自鎖式形成結(jié)構(gòu)。膜材通常預(yù)先與桿件相接。
3）上下折疊
通過吊起或落下膜而形成屋蓋的開合。如加拿大蒙特利爾奧林匹克體育場。在膜平面外有26根主索，他們一端與屋面膜上的26個控制點連接，另一端則接在高168米的懸臂鋼筋混凝土主塔上，當(dāng)屋蓋閉合時，膜面預(yù)應(yīng)力的施加是通過懸臂主塔上的千斤頂對主索進行張拉，提高膜面26個控制點并形成高點而實現(xiàn)，混凝土屋蓋錨點和主塔控制點的拉索處共裝有43個絞盤，通過絞盤對索進行固定和放松來實現(xiàn)屋面開合。
4）徑向折疊
適用于圓形屋蓋，索系呈輻射式布置，在圓形平面中心設(shè)有中心拉環(huán)，通過索對膜材的徑向收放可以形成屋蓋的開合。
4.折疊開合式膜屋蓋與剛性開合屋蓋的比較
從20世紀(jì)60年代至今，使用膜材為覆蓋的開合結(jié)構(gòu)中比較有名的就是加拿大蒙特利爾奧林匹克體育館。自1961年美國建成了剛性開合的匹茲堡穹頂以后，這種以剛性單元為開合屋蓋的大跨度建筑一直被采用并流行至今。其主要原因是：
1）折疊的膜結(jié)構(gòu)屋蓋剛度偏小，而剛性開合屋蓋剛度大，在各種荷載作用下有較好的安全性。
2）網(wǎng)格型折疊結(jié)構(gòu)在開合時仍需要人工和機械，而剛性屋蓋的開合則已實現(xiàn)自動化。
3）膜材本身的強度和耐久性不足，容易在開合過程中出現(xiàn)撕裂。
盡管剛性開合屋蓋可以克服折疊開合屋蓋的這些缺陷，但不足之處就是屋蓋的重量過大?？梢娬郫B開合式膜結(jié)構(gòu)屋蓋相對于剛性開合屋蓋具有重量輕的優(yōu)點，能大大減輕下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的壓力，從而使整個結(jié)構(gòu)輕量化。而建筑膜材的強度及耐久性能也能隨著科技的發(fā)展得到進一步的提升。