現代建筑結構的演變

1開合式基礎結構的形成隨著科學技術和空間結構理論的發展，國內外空間結構也迅速發展。在體育、禮堂、飛機庫、車間、倉庫等建筑中，各種混合空間結構和組合空間結構已廣泛應用于體育館、教室、飛機庫、車間、倉庫等建筑中，為建筑創造了新思路。隨著國民經濟的發展,人民物質生活水平、精神生活水平的提高,人們對建筑事業不斷地提出新的要求.本世紀60年代以來,在世界范圍內,先后建成了近20個開合結構式建筑以滿足能在各種氣候條件下進行體育、文藝、展出等活動的要求.如德國的萊比錫游泳館(1961年),美國的匹茲堡會堂(1961年),法國的嘎納游泳館(1965年),德國的累根茨堡游泳館(1970年),德國的紐霍夫游泳館(1972年)等.1989年,加拿大多倫多(Toronto)建成了直徑為203m的開合式天空穹頂(Sky-Dome),如圖1所示.1993年,日本福岡(Fukoca)建成了直徑為222m的開合式福岡穹頂(FukocaDome)體育館,如圖2所示.而在我國開合結構還處于初步研究階段.開合結構的出現,實現了“晴天在室外,雨天在室內”的夢想,讓人們“從打開的屋頂望到黑色的夜空”,有“科幻電影”的感覺.據有關資料記載,早在公元1世紀,古羅馬就有了開合結構——羅馬柯羅席姆比賽場.而現代意義的開合結構的大發展是從本世紀60年代開始的.這期間在歐洲建成了不少中小型開合結構.進入80年代,國家經濟實力的增強,建筑技術水平的提高,建設大型開合結構已成為可能.自加拿大多倫多天空穹頂這一大型開合結構建成以后,開合結構因其結構新穎、外形活潑;具有多功能性、多目的性,還可在任何氣候條件下舉辦體育比賽(如足球、棒球、田徑、車賽等)、文藝活動(如大型音樂會等)、商業活動(如展覽會、博覽會等)、大型集會及其它一些活動.開合結構還可以作為一個城市標志性的象征物.2組合結構的基本組成開合結構為滿足全開啟、半開啟和全封閉三種狀態的功能要求,由建筑體系、機械體系、電氣體系、機械油壓體系構成.2.1鋼筋混凝土下部結構主要是指結構受力體系,可分為上部結構、下部結構和基礎.上部結構即屋頂一般采用空間結構,這一結構形式以達到覆蓋大空間的目的.下部結構一般采用鋼筋混凝土結構.強大的鋼筋混凝土結構一方面增強了結構的整體穩定性,又在一定程度上起到減震及消除噪音的作用.另一方面采用鋼筋混凝土這一建筑材料,可將其加工成所需要的任一形狀(如軌道梁).2.2軌道式小列車主要由軌道、行走小車、驅動裝置、制動裝置、緩沖裝置構成.軌道固定在下部結構上,行走小車在軌道上運行,驅動裝置和制動裝置安裝在行走小車上.行走小車有驅動小車和從動小車.通過銷拴將行走小車和上部結構相連.2.3屋頂控制功能.主要是控制室的主是控制開合結構正常運行、制動(正常制動與緊急制動)、安全性檢測等方面的控制體系.由計算機進行數據處理,發出執行指令進行控制.例如,多倫多天空穹頂體育館的中心控制室和每片屋頂的電氣室分別設有程序邏輯控制器.屋頂的程序邏輯控制器主要是對屋頂位置、運行時屋頂是否對稱、嵌封各片屋頂各空隙的嵌封套是否充氣、各片屋頂停止在某一位置時鎖定軸是否鎖定、各片屋頂局部速度等進行控制,并向中心控制室的程序邏輯控制器反饋信息.中心控制室的程序邏輯控制器主要是控制屋頂自動完成開啟與閉合的各過程,是屋頂開啟與閉合程序化的控制器.屋頂控制操作多采用以下三種方式:①全自動方式由中心控制室發出指令,自動地控制各屋頂按程序設定的次序進行開啟與閉合.②遠距離手動控制由中心控制室通過遠距離操縱臺發出指令,控制每片可動屋頂各自獨立運行.③局部手動控制通過局部操縱臺手動地控制各屋頂的運行狀態.2.4機械油壓系統該體系是抵抗地震、強風作用的阻尼體系與鎖定體系.3結構與開口結構的基本結構、開口方法和開口特點3.1基本結構的選擇和開敞結構通常包括以下三種基本結構的選擇(1)對東南角高爾夫球場和日本的東南角高爾夫球場的影響各片屋頂都是剛性的,能夠自己獨立承載的,是主要受力體系.加拿大的多倫多天空穹頂和日本的福岡穹頂體育館就屬于這一類.剛性、自承式開合結構受力明確,便于分析設計,但屋頂自重大,如福岡體育館屋頂總重量約12000t,每片屋頂約重4000t,對機械體系、電氣體系有關裝置提出較高的要求.(2)索h.索涯sa主客觀以整體張拉索穹(TensegrityDome)、主拱或其它結構為屋頂主要受力體系,屋蓋由若干片可開啟的聚四氟乙烯(Teflon)等輕質屋面板構成.早在幾十年前,Fuller教授就試圖在曼哈頓用一個直徑為3km的短程線索穹覆蓋曼哈頓中心商業區.盡管Fuller教授這一計劃未能實現,但他的張拉穹頂(如圖3)的概念給人們以很大的啟發,后來美國的M.Levy基于這一概念提出了借助于索穹(CableDome)解決如何用自重最輕的屋頂覆蓋大空間的問題.據M.Levy報道,對于直徑為240m的穹頂,屋頂重量為50kg/m2,是同樣大小的剛性、自承式開合結構屋頂總重量的1/6.(3)單元結構是通過折疊與展開實現屋頂的開啟與閉合的開合結構.3.2重疊式小疊式開合結構的開合方式主要有移動式、重疊式、折疊式和混合式四種.對于剛性、自承式開合結構主要有水平重疊式(圖4(a)),回轉重疊式(圖4(b)),水平移動式(圖4(c)).對于它承式開合結構主要有上下重疊式(圖5(a)),上下移動式(圖5(b)).對于折疊式開合結構主要有水平折疊式(圖6(a)),回轉折疊式(圖6(b)),上下折疊式(圖6(c)).3.3可動屋頂在工況對活動區域和工況的影響分(1)各屋頂的輪廓尺寸對開合結構的受力特性有很大影響.因開合結構的各片屋頂,相對于非開合結構來說,在一定程度上減弱了屋頂結構作為空間結構整體受力的特點,甚至有可能蛻變為單向受力.(2)各片屋頂在開啟狀態、閉合狀態以及在開啟或閉合的過程中,其受載情況各不相同.在全封閉狀態與全開啟狀態受力較明確,完全可以應用常規方法進行分析.但在開啟或關閉的過程中,由于風向與風速變化、溫度、雪載引起的偏心荷載,軌道摩擦以及行走速度、軌道接縫、緩沖裝置、軌道安裝誤差引起的沖擊力,甚至地震力的作用,其受力狀態相當復雜,往往造成可動屋頂在運行過程中左右搖動、上浮.因此,有必要對機械體系有關構件進行受力分析并作相應的構造處理.多倫多天空穹頂和福岡穹頂體育館的行走小車的上下左右四面都分別設有車輪,以承受上部屋頂的反力,防止屋頂上浮和屋頂的左右搖晃.(3)風向與風速大小以及屋頂是否有積雪等因素對開合結構所處的狀態(全開啟、半開啟、全封閉狀態)起決定性作用.結合多倫多天空穹頂、福岡體育館等開合結構的成功經驗,筆者建議,開合結構的設計應做相應的模型試驗,以確保結構受力合理,使各可動屋頂運行安全可靠.4愈合結構的故障迄今為至,有不少開合結構因故障而影響其使用.前西德某一體育館起初設計為開合結構,使用兩年以后,因漏雨,最后干脆將各可動屋頂全改為固定屋頂.據日本的石井一夫統計,開合結構的故障主要在可動部件上,而且主要是機械故障和電氣故障.4.1大型愈合結構需要特殊處理相對于非開合結構,開合結構由于屋頂的開啟與閉合,存在著許多技術難題.(1)開合結構在不同的狀態(全開啟,半開啟,全封閉狀態)以及在開啟、閉合的過程中,其受載情況各不相同,特別是在開啟或閉合的過程中,受載情況相當復雜.合理地進行各狀態受力分析是開合結構結構設計方面的大難題.對于剛性、自承式開合結構,為防止在行走過程中屋頂上浮以及蛇行運動,可在行走小車的上下左右四面分別安裝車輪以及相應的軌道.(2)在構造方面,應確保開合結構具有同非開合結構同等的安全性、可能性.一般地,在強風作用時,開合結構應處于全封閉狀態,因此,無論是開啟狀態還是閉合狀態都應以最大設計荷載進行設計顯然是不經濟的.但這必須以機械體系、電氣體系、機械油壓體系的安全與可靠為前提.(3)就已建成的開合結構來看,機械體系可動部件常有故障發生.如日本某一開合式游泳館,使用1年以后,因可動部件生銹而需要經常維修.因此,開合結構機械體系各構造應盡可能簡單,這樣即使有了故障也能確保安全,同時也便于維修管理.(4)在施工方面,大型開合結構對施工技術、測量技術、檢測技術提出更高的要求.對于剛性自承式與它承式開合結構,軌道的安裝精度對屋頂的運行性能有直接的影響.軌道不平整將會引起行走臺車上浮,可動部件蛇行運動而使屋頂左右搖晃、上下振動,甚至于因行走臺車車輪反力不均勻而引起車輪空轉、脫軌等事故,也有可能出現驅動小車動力不足、行走臺車受力不均勻、構件疲勞破壞等問題.(5)為適應多功能、多目的要求,如采光、通風、音響、空調、防災等,也是開合結構需要特殊處理的技術難題.4.2動態本構模型如何解決這些技術難題是成功地進行開合結構設計的關鍵.評價開合式建筑的優劣,可從開閉方式、開閉特點、經濟性、施工等方面進行評價.(1)開合結構的外形設計,可以借助于仿生學,根據大自然中物體的曲面形狀和構造,創造出富有自然美的新穎開合結構,使結構外形與建筑造型統一、協調.(2)由于開合結構是比較新的建筑結構,設計與施工經驗還不太多,在世界范圍內還沒有建造法規,往往需要特殊設計.特別是機械體系各構造應盡可能地簡單,以減少故障,確保屋頂運行安全、可靠.(3)根據建筑面積、用地面積以及建筑技術水平,確定屋頂結構類型與開啟方式.不同的屋頂結構類型、不同的開啟方式采用不同的構造.例如,對于水平重疊剛性自承式開合結構如圖4(a),為確保重疊緊密,同時為滿足各片屋頂運動的要求,各片屋頂之間要留有一定的空隙,因而各片屋頂可采用不同的高度,不同的行走軌道.(4)合理確定開合結構在一定控制風速下的開啟時間.該控制風速宜做試驗進行合理性檢驗.例如,多倫多天空穹頂在風速高達67km/h時,20min內可完成開啟.(5)為保證各可動屋頂安全運行,開合結構應有防止運行中屋頂相互撞的保護設施;有獲取屋頂當前位置、運行速度、運行中屋頂是否對稱等信息的設備;在突然斷電時,應有能使各可動屋頂停止在任一位置的自動制動器等設施.(6)為適應進行多種活動的要求,室內設計應統籌兼顧.如多倫多天空穹頂和福岡穹頂,為滿足不同活動占地大小的不同要求,室內設置了活動座席以調節場地的大小.(7)充分利用現代先進科學技術,盡可能地采用計算機自動化管理系統和控制系統.開合結構作為較新的結構形式,有其固有的獨到優點,但在經濟效益方面,開合結構的經濟性已有不少爭論.據美國HOK事務所報道,一個開合式棒球場的造價相當于一個室外場與一個室內場造價的總和.可見開合結構直接用于結構建造的費用的確不低.不過,據有關資料報道,東京后樂園帶充氣屋頂棒球場,由于能在全氣候條件下使用,除舉辦棒球賽外,還舉辦其它一些活動,其總收入比沒有加屋頂前增加了42%.另外,這類建筑作為綜合性建筑,往往在下部結構建有旅館、