2.1.2 繞樞軸轉動方式

繞豎向樞軸轉動也稱水平旋轉方式，指活動屋蓋在水平的圓弧形軌道上繞豎直方向的樞軸轉動，包括繞豎向樞軸轉動和繞水平樞軸轉動。樞軸數量與布置方式根據旋轉單元數量與旋轉方向確定，工程中通常采用繞單一中心樞軸旋轉、繞雙樞軸旋轉和繞多個樞軸旋轉的方式。圖2為扇形屋蓋，五片活動屋蓋繞各自樞軸旋轉，可疊放在兩側固定屋蓋的上方。圖3屋蓋由 8片花瓣狀單元組成，分別設置一個固定轉軸與三同心旋轉軌道，可水平旋轉 45°。 

圖2  米勒運動場

圖3  上海旗忠網球中心

2.1.3 折疊移動方式

折疊移動通常包括水平折疊、空間折疊和放射狀折疊等形式。水平折疊與空間折疊方式的活動屋蓋多采用單跨桁架，屋蓋開合通過各榀桁架之間的相對運動實現，如圖4所示。

圖4  剛性折疊結構

在工程應用上，索網收納是柔性折疊收納的主流形式，屋蓋結構由鋼索與織物薄膜構成，中心范圍內采取可伸縮式的索膜結構，展開后可覆蓋于整個賽場上空，閉合后收納于球場上空的巢中，如圖5所示。

圖5  放射形折疊結構

2.1.4 組合移動方式

隨著時代發展，建筑的開合方式不斷取得新的突破。組合移動方式的屋蓋開始被廣泛采用，如圖6~圖7所示。

圖6  溫布利足球場活動屋蓋開合模式

                                                                                                                   平 面                                                                              剖 面

                                                                                                              活動屋蓋1的開合方式                                             活動屋蓋2、3的開合方式

圖7  亞特蘭大梅賽德斯奔馳體育場

2.2 屋蓋開啟率

開啟率指開合屋蓋結構的活動屋蓋處于全開狀態時，開口投影面積與整個屋面投影面積比值的百分率。開啟率是開合屋蓋的重要指標，可按下式計算:

                                                                                                 α=A0/A                                                                                             

式中：α為開啟率；A0為整體屋面的投影面積；A為活動屋蓋覆蓋開口的投影面積。

開合屋蓋工程建造費用較高,早期可開合結構的開啟率較大，導致工程造價和占用土地面積增加。開啟率與活動屋蓋重量以及驅動系統有關，較小的開口面積可以有效減小活動屋蓋尺寸與重量，降低對驅動力的需求，減小結構地震響應，降低設計施工難度，縮短工期，節約造價，方便后期使用以及維護。

2.3 開合運行時間

活動屋蓋開合運行時間是開合屋蓋的重要指標,對于小型活動屋蓋開啟時間一般控制在10min以內,對大、中型活動屋蓋，其開啟時間一般控制在30min 以內。

開合屋蓋結構體系

3.1 活動屋蓋

3.1.1 剛性結構

剛性結構通過活動屋蓋單元的平動與轉動實現屋蓋開合，受力性能可靠，對建筑造型適應性強。活動屋蓋多采用沿跨度方向受力為主的單跨結構，少量工程采用多跨連續形式。桁架作為傳力最簡明的單向受力體系，是活動屋蓋最常用的結構體系。門式桁架用于軌道置于混凝土支承結構或直接置于地面的情況。活動屋蓋作用于臺車頂部的水平推力對臺車、驅動系統和支承結構均有顯著影響，故此應盡量消除或減小活動屋蓋在自重作用下的水平推力。邊桁架既是活動屋蓋的邊緣構件，也是各臺車之間的聯系構件，減小邊桁架剛度可有效降低運行過程中各臺車的差異變形引起邊桁架內力的變化。

3.1.2 剛性折疊結構

剛性折疊結構通過自身各組件的相對運動，屋面以折疊/展開的方式實現開啟與關閉。剛性折疊結構應重點關注鉸頁部件與圍護結構的特殊需求。剛性折疊活動屋蓋可采用多榀桁架的形式，通過鉸頁進行連接折疊鉸頁機構應具有足夠的強度和剛度，防止出現較大的彎曲變形，保證連接部件在折疊/展開過程中平穩自如。折疊結構在折疊與展開過程中為可變體系，在折疊或展開完成后，應通過鎖定裝置形成穩定的結構體系。

3.1.3 柔性折疊結構

柔性折疊結構依靠膜材的展開與折疊收納實現活動屋蓋的開合，在開合建筑中應用較早。膜材材質與膜結構設計是柔性折疊結構的重點。選用可折疊性優良的膜材，膜面折疊與展開運動自如，保證高頻度使用狀態下結構安全可靠。柔性折疊結構的幾何形態應保證屋蓋關閉時能夠形成所需的曲面形態，與支承結構緊密貼合。索系和膜材預應力形成的幾何剛度是構成柔性折疊結構剛度的主要部分，索系或膜材松弛將導致結構剛度下降，在風荷載作用下容易出現劇烈振動，甚至導致膜材撕裂。此外，膜材松弛會導致膜材褶皺，影響建筑美觀和排水。所以，需要通過對邊界索系與膜材施加適當的預張力，避免在不利荷載作用下膜面松弛。

在固定屋蓋洞口邊緣應設置剛性環梁，以平衡索膜的預張力。根據建筑造型及邊界條件等因素，活動屋蓋的膜材一般收納于屋蓋的中央，如圖8所示。

 圖8  波蘭華沙新國家體育場

3.2 支承結構

3.2.1 剛性支承結構

活動屋蓋的支承條件主要取決于建筑的功能與造型，直接支承活動屋蓋的混凝土結構、專用軌道支架或地面軌道系統，稱為剛性支承結構；當活動屋蓋支承于大跨度屋蓋時，將固定屋蓋稱為柔性支承結構。

出于使用功能與經濟性的考慮，體育場館的主體結構多采用混凝土結構體系，除可支承上部大跨度結構外，還作為觀眾看臺，具有結構剛度大、經濟性好等優點。當活動屋蓋直接支承于地面軌道時，通常在地面標高以下設置專用的軌道溝槽。為了避免對場地使用的影響，可將活動屋蓋的驅動系統設置在軌道溝槽內，并在溝槽頂面設置可移動蓋板，在活動屋蓋非運行狀態用蓋板封閉溝槽，保證人流和車輛正常通行。

3.2.2 柔性支承結構

活動屋蓋直接支承于固定屋蓋之上，是近年開合屋蓋最常見的形式。固定屋蓋的幾何形態應與活動屋蓋的運行需求相一致，優先采用豎向剛度大的結構形式，固定屋蓋可采用桁架、雙層或多層網架等多種結構形式。活動屋蓋荷載通過軌道傳給固定屋蓋，在沿軌道受力集中的部位布置主桁架或采用相應的加強措施。

固定屋蓋設計時，除需考慮結構自重、建筑屋面做法、天溝馬道、照明音響等吊掛荷載及檢修荷載外，還需要考慮活動屋蓋的移動荷載。固定屋蓋充足的剛度是確保活動屋蓋順暢運行的重要前提，應嚴格控制支承軌道主桁架與軌道梁的剛度，保證活動屋蓋行走過程中的變形不超過限值要求。此外，固定屋蓋需要通過預起拱等措施保證施工精度，為軌道安裝精度與活動屋蓋單元運行調試提供前提條件。

3.3 圍護結構

開合屋蓋的圍護結構除應滿足抗風、抗震、防水、密閉及遮陽等基本功能外，還應具備對變形的適應能力。建筑內部應盡量利用日光照明，優先采用透光性好的材料，可顯著降低照明能耗。常閉狀態的開合屋蓋應考慮保溫隔熱等熱工性能的要求，預防結露與冷凝水，必要時還應考慮場地的聲學效果。屋面圍護通常采用膜材、聚碳酸酯板或金屬板等輕質材料，小型開合屋蓋也可采用玻璃。

驅動與控制系統

4.1 驅動系統

驅動系統與控制系統分別屬于機械工程與自動控制領域，是開合屋蓋結構的重要組成部分。驅動系統為活動屋蓋運行提供動力，控制系統負責發出指令，隨時發現并處理運行中的各種問題。

驅動系統主要由行走機構（軌道、臺車等）與驅動機構（電動機、減速器、聯軸器、制動裝置等）兩部分組成。通常將活動屋蓋安裝在行走機構之上，通過動力裝置驅動行走機構在軌道上移動。迄今，在開合屋蓋結構中應用較多、可靠性較高的有輪驅動、鋼絲繩牽引驅動、齒輪齒條驅動、鏈輪鏈條驅動與液壓驅動等五種形式。

 4.2 控制系統

開合屋蓋結構的控制系統是實現活動屋蓋開啟與閉合動作的精密管控體系，具有監測、反饋及調節功能，向驅動系統發出各種運行指令，及時消除屋蓋運行中出現的卡軌、干涉、蛇行等隱患。活動屋蓋控制系統的框架圖如圖9所示。

圖9 活動屋蓋控制系統的框架

主要控制內容包括同步控制、臺車均在載控制和運行糾偏控制。同步控制的對象主要為電動機與液壓馬達。對電機的控制多利用變頻技術實現調速，液壓馬達則通過伺服系統對流量的控制實現調速。大型開合屋蓋結構可通過在臺車上安裝壓力傳感器和位移傳感器，對臺車的行程和壓力隨時進行監測。主控設備在對臺車壓力傳感器和位移傳感器數據進行分析的基礎上，使用編碼器進行糾偏，可及時調整臺車動作和驅動力，隨時糾正活動屋蓋的運行姿態。

4.3 驅動控制系統要點

驅動控制系統要點涵蓋驅動系統的工作級別、設計使用年限與設計方法、運行速度與加速度、運行噪聲、安全應急保障和運行管理與維修保養等。

開合屋蓋技術標準

開合屋蓋工程涵蓋建筑結構、機械、自動控制等多個技術領域，是當前科技含量最高的建筑形式之一。在開合結構設計理論方面，國內外系統性的研究成果和專著均較少，關鍵技術主要來源于具體的工程案例。

國外有關開合屋蓋技術標準的資料有《空氣支承結構設計建議》《開閉式屋根構造設計指針·同解說及設計資料集》《開閉式膜構造設計指針》《Structural Design of Retractable Roof Structure》等。

我國近年來在陸續完成多個大型開合屋蓋工程的基礎上，不斷探索開合結構設計方法，總結工程技術與施工經驗。于2015正式發布我國首部開合屋蓋結構技術標準——CECS 417：2015《開合屋蓋結構技術規程》。為了適應開合屋蓋結構快速發展的情況，滿足重大工程設計、施工與驗收的要求，行業標準JGJ442-2019《開合屋蓋結構技術標準》于2019年正式發布。

展 望

1）開合屋蓋可以實現“場”與“館”的快速轉換，極大改善使用環境，充分利用日光照明，減少空調使用，提高建筑的利用率，節能環保。

2）以近年來我國經濟高速發展、人民物質文化需求不斷提高為契機，作為新型體育文化建筑的開合屋蓋結構具有很大的市場潛力。

3）開合屋蓋涉及機械與控制系統，技術難度、建造成本和維護保養要求均高于傳統的結構形式。隨著工程經驗不斷積累，相關技術標準不斷完善，開合屋蓋技術日趨成熟。

4）中、小型開合屋蓋結構發展潛力很大，通過向小型化、標準化發展普及，不斷降低建造成本，充分發揮其良好的社會效益。

5）老舊場館改造時增設開合屋蓋，可顯著改善場館使用功能，既可以作為體育活動場地，又可以舉辦各種活動和作為臨時避難場所等多功能使用。

6）活動屋蓋與消防報警聯動等新功能的開拓，為開合屋蓋應用注入了新的活力。