鄂尔多斯东胜体育场位于内蒙古鄂尔多斯市,共有观众席3.5万个,总建筑面积为86295平方米。该工程巧妙地采用钢管拱桥的设计理念,通过钢索将屋盖大部分重力荷载传给跨度330米、高度129米、倾斜6.1度的大拱。该体育场是目前国内规模最大的带有开闭顶的体育建筑。
国家网球中心新馆位于北京市朝阳区奥林匹克公园北区场馆群网球中心,建成后将成为承办中国网球公开赛的专用比赛场馆,也是北京地区最大、具有国际先进水平的网球比赛场馆。国家网球中心新馆赛时看台区总座席数为13598个,建筑最大高度约为46米,总建筑面积约51199平方米,大跨度屋盖中间带有可开启的活动屋盖。
活动屋盖开启方式:
目前,国内外已经建成的开合屋盖建筑有多种活动屋盖移动方式。活动屋盖的基本移动方式包括直线平行移动、旋转移动以及折叠移动等3种平面运动方式。通过对以上3种基本方式进行组合,可以形成更为复杂的开启方式。当活动屋盖沿着带有坡度的平行轨道移动时,形成空间移动方式。笔者认为,屋盖的开合方式应该根据建筑创意、使用功能、地理环境、气象条件、运营管理方式等条件综合确定,应尽量避免采取过于复杂的开启方式,降低设计与建造的难度,提高活动屋盖运行的可靠性。
开合屋盖根据可开启面积的不同分为全部开启、部分开启两种类型。对于中小型建筑,整个屋面可以成为可移动的屋面;对于大型建筑,综合考虑使用功能、工程造价、技术可靠性等因素,一般仅有部分屋面可以移动。在确定开启率与开启部分形状时,应考虑开启后的固定屋盖阴影对场地使用的影响。
鄂尔多斯东胜体育场设计时建筑平面呈椭圆形,体育场田径、足球场平面为矩形,东、西方向为主看台,根据观众视线与遮挡风雨等要求,采用活动屋盖沿固定屋盖圆弧面上平行轨道的移动方式。由于屋盖开启率相对较小,降低了活动屋盖结构自重,并采用膜结构作为屋面材料,有效地控制了开合屋盖的造价。国家网球中心新馆平面为圆形,观众席沿比赛场地环形布置。为了在圆形平面获得较大的开启面积,提出了一种折叠移动的开启方式,使屋盖开启率可以达到50%。活动屋盖采用张紧的PTFE膜材做为围护结构,有效地克服了在索结构中膜材皱褶开合方式长时间使用可靠性降低的缺点,建筑外观新颖别致。
确定开合基本状态的原则
开合屋盖根据活动屋盖所处的位置分为全闭状态、全开状态及半开状态,在进行开合屋盖设计时,应首先根据建筑的使用条件,明确规定活动屋盖在大多数情况下(非使用与夜间无人值守时)所在的位置,可以称之为开合基本状态。应根据开合基本状态进行结构计算分析,并制定相应的运行管理规定。确定开合基本状态对于建筑功能、开合操作管理、结构设计标准以及工程造价均有很大影响。
开合基本状态根据建筑使用情况通常分为常闭或常开两种。所谓常闭状态,即活动屋盖平时以全闭状态为主,一般作为室内空间使用,如游泳馆、网球馆、健身中心、练习馆等,室内可设空调,运动场配备人工草坪。在国家网球中心新馆设计时采用常闭状态。所谓常开状态,即活动屋盖平时以全开状态为主,一般用于田径比赛、足球等大型体育场,通常室内无空调设备,运动场育有天然草坪。在国家体育场原设计方案与鄂尔多斯东胜体育场设计时采用常开状态。
活动屋盖根据使用情况开启的频度有很大差异,从一年两次到每年数百次不等。从国内外实际使用情况来看,开合屋盖实际开启次数一般远小于设计年开启次数。从结构安全性与经济性的角度来看,将对结构抵抗荷载与作用最有利的开闭状态作为基本状态较为合理。比如,对某类开合屋盖形式,全开或全闭时的风荷载效应最大,在台风等风速很大时,可以将屋盖置于结构受力相对有利的全开或全闭状态,而在其他情况仅考虑较低风速的风荷载影响。由此可以看出,开合屋盖的使用管理与结构安全密切相关,这也是开合屋盖不同于普通建筑形式特有的问题。此外,需要对活动屋盖在风、雨、雪等天气条件下运行提出明确的规定。
开合屋盖建筑所处的环境与一般室内环境有很大不同,很多实际开合屋盖工程即使在全闭状态时也并不是完全密闭的。由于在开启状态时,场地内部暴露于室外大气环境中,可能经受风霜雨雪天气,建筑内表面也会受到风荷载的作用。因此,在选择材料性能与考虑结构构件的保护层或进行防腐涂层设计时,应充分考虑环境因素的影响,确保结构的耐久性。
由于目前国内尚未颁布开合屋盖建筑消防设计的相关规定,开合屋盖覆盖的空间作为室内或室外空间的界定尚不明确,一般需要通过专门的消防性能化设计确定相应的火灾防护措施。
活动屋盖基本性能的要求
在设计中应提出开合屋盖系统的预期性能特征和设计标准,其中包括机械装置和控制系统的性能标准,明确开合屋盖体系所能接受的最低性能,指导驱动控制元件的设计和开发,并确保屋盖在整个使用年限中系统性能和适用性能能够保持稳定,确保风荷载、温度和地震作用等可以从活动屋盖顺畅地传递到固定屋盖上,并使活动屋盖与固定屋盖的预期位移满足设计要求。
在国家体育场原设计方案、鄂尔多斯东胜体育场和国家网球中心新馆设计中,已考虑可能需要维修的所有部件的安全移除和重新安装。开合屋盖各组件的设计使用年限如下:活动屋盖结构构件为50年;驱动装置(车轮,支座,电动机等)为25年;控制系统(逻辑控制、限位开关和监控设备)为10年。
活动屋盖的运行速度与采用的驱动方式有关,但考虑到驱动力需求与运行安全性,一般速度不宜太快。活动屋盖在雨雪天气情况下可以运行,但当雪荷载较大时(如超过0.1kn/㎡)不得进行开合操作。在地震发生时,地震传感器将自动切断活动屋盖运行,使活动屋盖处于锁定状态。
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