膜構知識庫
折疊開合式膜結構屋蓋建筑簡介
從20世紀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”，一年365天不受刮風下雨天氣的影響。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，使得建筑物的屋蓋可以選擇打開或關閉的一種結構形式。開合屋蓋又可分為剛性開合屋蓋和折疊開合式膜結構屋蓋兩類，前者以網(wǎng)殼、網(wǎng)架等剛性結構作為屋面結構；后者屋面結構采用張拉膜、支承結構由鋼、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構和開合結構的特點。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，應用比較廣泛。
折疊開合式膜結構屋蓋采用膜材有許多優(yōu)點：1）自重輕，屋面重量的降低，使下部的支撐結構和基礎的斷面尺寸也可以相應縮小，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.構成
折疊開合式膜結構屋蓋除了覆面膜結構可折疊外，膜的支承結構可采用折疊結構。結構的部分桿件需要以一定的方式連接形成鎖鉸。折疊結構根據(jù)展開成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為結構幾何自鎖式、結構構件自鎖式以及結構外加自鎖式。應用到建筑上，采用結構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)下應用為零。折疊結構邊界位置需附加約束才能形成靜定或超靜定結構。
此外，折疊結構也可以采用索、桿組成的張拉整體結構體系。在這種結構體系中需要給索施加預張力以提供結構剛度，桿件則受壓。
2.組成體系
折疊開合式膜結構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、索作支承結構。如此構成的屋架可以實現(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)葮嫵?，較常見的是鋼結構屋架與滑輪用螺栓相連，搭在鋼梁上。鋼梁鋪設軌道，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，用于折疊結構的安裝與拆卸。
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
折疊開合式膜結構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，鋼構架可以在平面的兩個方向進行拉伸折疊，當鋼結構完全展開時，膜材分兩個方向布置，一是沿側面呈垂直布置，一端接地，一端接鋼構架；另一方向是沿頂面呈水平布置作為覆面，膜兩端均接構件。
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構。膜材通常預先與桿件相接。
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，當屋蓋閉合時，膜面預應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60年代至今，使用膜材為覆蓋的開合結構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）折疊的膜結構屋蓋剛度偏小，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)格型折疊結構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開合式膜結構屋蓋相對于剛性開合屋蓋具有重量輕的優(yōu)點，能大大減輕下部結構與基礎的壓力，從而使整個結構輕量化。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。