現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的演變

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的演變

1開合式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的形成隨著科學(xué)技術(shù)和空間結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)也迅速發(fā)展。在體育、禮堂、飛機(jī)庫(kù)、車間、倉(cāng)庫(kù)等建筑中，各種混合空間結(jié)構(gòu)和組合空間結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于體育館、教室、飛機(jī)庫(kù)、車間、倉(cāng)庫(kù)等建筑中，為建筑創(chuàng)造了新思路。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民物質(zhì)生活水平、精神生活水平的提高,人們對(duì)建筑事業(yè)不斷地提出新的要求.本世紀(jì)60年代以來(lái),在世界范圍內(nèi),先后建成了近20個(gè)開合結(jié)構(gòu)式建筑以滿足能在各種氣候條件下進(jìn)行體育、文藝、展出等活動(dòng)的要求.如德國(guó)的萊比錫游泳館(1961年),美國(guó)的匹茲堡會(huì)堂(1961年),法國(guó)的嘎納游泳館(1965年),德國(guó)的累根茨堡游泳館(1970年),德國(guó)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(guó)開合結(jié)構(gòu)還處于初步研究階段.開合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了“晴天在室外,雨天在室內(nèi)”的夢(mèng)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(jù)有關(guān)資料記載,早在公元1世紀(jì),古羅馬就有了開合結(jié)構(gòu)——羅馬柯羅席姆比賽場(chǎng).而現(xiàn)代意義的開合結(jié)構(gòu)的大發(fā)展是從本世紀(jì)60年代開始的.這期間在歐洲建成了不少中小型開合結(jié)構(gòu).進(jìn)入80年代,國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng),建筑技術(shù)水平的提高,建設(shè)大型開合結(jié)構(gòu)已成為可能.自加拿大多倫多天空穹頂這一大型開合結(jié)構(gòu)建成以后,開合結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)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(dòng)(如大型音樂(lè)會(huì)等)、商業(yè)活動(dòng)(如展覽會(huì)、博覽會(huì)等)、大型集會(huì)及其它一些活動(dòng).開合結(jié)構(gòu)還可以作為一個(gè)城市標(biāo)志性的象征物.2組合結(jié)構(gòu)的基本組成開合結(jié)構(gòu)為滿足全開啟、半開啟和全封閉三種狀態(tài)的功能要求,由建筑體系、機(jī)械體系、電氣體系、機(jī)械油壓體系構(gòu)成.2.1鋼筋混凝土下部結(jié)構(gòu)主要是指結(jié)構(gòu)受力體系,可分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ).上部結(jié)構(gòu)即屋頂一般采用空間結(jié)構(gòu),這一結(jié)構(gòu)形式以達(dá)到覆蓋大空間的目的.下部結(jié)構(gòu)一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).強(qiáng)大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一方面增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)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(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、緩沖裝置構(gòu)成.軌道固定在下部結(jié)構(gòu)上,行走小車在軌道上運(yùn)行,驅(qū)動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置安裝在行走小車上.行走小車有驅(qū)動(dòng)小車和從動(dòng)小車.通過(guò)銷拴將行走小車和上部結(jié)構(gòu)相連.2.3屋頂控制功能.主要是控制室的主是控制開合結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行、制動(dòng)(正常制動(dòng)與緊急制動(dòng))、安全性檢測(cè)等方面的控制體系.由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,發(fā)出執(zhí)行指令進(jìn)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?shù)碾姎馐曳謩e設(shè)有程序邏輯控制器.屋頂?shù)某绦蜻壿嬁刂破髦饕菍?duì)屋頂位置、運(yùn)行時(shí)屋頂是否對(duì)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(shí)鎖定軸是否鎖定、各片屋頂局部速度等進(jìn)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(dòng)完成開啟與閉合的各過(guò)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(dòng)方式由中心控制室發(fā)出指令,自動(dòng)地控制各屋頂按程序設(shè)定的次序進(jìn)行開啟與閉合.②遠(yuǎn)距離手動(dòng)控制由中心控制室通過(guò)遠(yuǎn)距離操縱臺(tái)發(fā)出指令,控制每片可動(dòng)屋頂各自獨(dú)立運(yùn)行.③局部手動(dòng)控制通過(guò)局部操縱臺(tái)手動(dòng)地控制各屋頂?shù)倪\(yùn)行狀態(tài).2.4機(jī)械油壓系統(tǒng)該體系是抵抗地震、強(qiáng)風(fēng)作用的阻尼體系與鎖定體系.3結(jié)構(gòu)與開口結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)、開口方法和開口特點(diǎn)3.1基本結(jié)構(gòu)的選擇和開敞結(jié)構(gòu)通常包括以下三種基本結(jié)構(gòu)的選擇(1)對(duì)東南角高爾夫球場(chǎng)和日本的東南角高爾夫球場(chǎng)的影響各片屋頂都是剛性的,能夠自己獨(dú)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(jié)構(gòu)受力明確,便于分析設(shè)計(jì),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(duì)機(jī)械體系、電氣體系有關(guān)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(jié)構(gòu)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(zhì)屋面板構(gòu)成.早在幾十年前,Fuller教授就試圖在曼哈頓用一個(gè)直徑為3km的短程線索穹覆蓋曼哈頓中心商業(yè)區(qū).盡管Fuller教授這一計(jì)劃未能實(shí)現(xiàn),但他的張拉穹頂(如圖3)的概念給人們以很大的啟發(fā),后來(lái)美國(guó)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(wèn)題.據(jù)M.Levy報(bào)道,對(duì)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(jié)構(gòu)屋頂總重量的1/6.(3)單元結(jié)構(gòu)是通過(guò)折疊與展開實(shí)現(xiàn)屋頂?shù)拈_啟與閉合的開合結(jié)構(gòu).3.2重疊式小疊式開合結(jié)構(gòu)的開合方式主要有移動(dòng)式、重疊式、折疊式和混合式四種.對(duì)于剛性、自承式開合結(jié)構(gòu)主要有水平重疊式(圖4(a)),回轉(zhuǎn)重疊式(圖4(b)),水平移動(dòng)式(圖4(c)).對(duì)于它承式開合結(jié)構(gòu)主要有上下重疊式(圖5(a)),上下移動(dòng)式(圖5(b)).對(duì)于折疊式開合結(jié)構(gòu)主要有水平折疊式(圖6(a)),回轉(zhuǎn)折疊式(圖6(b)),上下折疊式(圖6(c)).3.3可動(dòng)屋頂在工況對(duì)活動(dòng)區(qū)域和工況的影響分(1)各屋頂?shù)妮喞叽鐚?duì)開合結(jié)構(gòu)的受力特性有很大影響.因開合結(jié)構(gòu)的各片屋頂,相對(duì)于非開合結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),在一定程度上減弱了屋頂結(jié)構(gòu)作為空間結(jié)構(gòu)整體受力的特點(diǎn),甚至有可能蛻變?yōu)閱蜗蚴芰?(2)各片屋頂在開啟狀態(tài)、閉合狀態(tài)以及在開啟或閉合的過(guò)程中,其受載情況各不相同.在全封閉狀態(tài)與全開啟狀態(tài)受力較明確,完全可以應(yīng)用常規(guī)方法進(jìn)行分析.但在開啟或關(guān)閉的過(guò)程中,由于風(fēng)向與風(fēng)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(tài)相當(dāng)復(fù)雜,往往造成可動(dòng)屋頂在運(yùn)行過(guò)程中左右搖動(dòng)、上浮.因此,有必要對(duì)機(jī)械體系有關(guān)構(gòu)件進(jìn)行受力分析并作相應(yīng)的構(gòu)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(shè)有車輪,以承受上部屋頂?shù)姆戳?防止屋頂上浮和屋頂?shù)淖笥覔u晃.(3)風(fēng)向與風(fēng)速大小以及屋頂是否有積雪等因素對(duì)開合結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)(全開啟、半開啟、全封閉狀態(tài))起決定性作用.結(jié)合多倫多天空穹頂、福岡體育館等開合結(jié)構(gòu)的成功經(jīng)驗(yàn),筆者建議,開合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)做相應(yīng)的模型試驗(yàn),以確保結(jié)構(gòu)受力合理,使各可動(dòng)屋頂運(yùn)行安全可靠.4愈合結(jié)構(gòu)的故障迄今為至,有不少開合結(jié)構(gòu)因故障而影響其使用.前西德某一體育館起初設(shè)計(jì)為開合結(jié)構(gòu),使用兩年以后,因漏雨,最后干脆將各可動(dòng)屋頂全改為固定屋頂.據(jù)日本的石井一夫統(tǒng)計(jì),開合結(jié)構(gòu)的故障主要在可動(dòng)部件上,而且主要是機(jī)械故障和電氣故障.4.1大型愈合結(jié)構(gòu)需要特殊處理相對(duì)于非開合結(jié)構(gòu),開合結(jié)構(gòu)由于屋頂?shù)拈_啟與閉合,存在著許多技術(shù)難題.(1)開合結(jié)構(gòu)在不同的狀態(tài)(全開啟,半開啟,全封閉狀態(tài))以及在開啟、閉合的過(guò)程中,其受載情況各不相同,特別是在開啟或閉合的過(guò)程中,受載情況相當(dāng)復(fù)雜.合理地進(jìn)行各狀態(tài)受力分析是開合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的大難題.對(duì)于剛性、自承式開合結(jié)構(gòu),為防止在行走過(guò)程中屋頂上浮以及蛇行運(yùn)動(dòng),可在行走小車的上下左右四面分別安裝車輪以及相應(yīng)的軌道.(2)在構(gòu)造方面,應(yīng)確保開合結(jié)構(gòu)具有同非開合結(jié)構(gòu)同等的安全性、可能性.一般地,在強(qiáng)風(fēng)作用時(shí),開合結(jié)構(gòu)應(yīng)處于全封閉狀態(tài),因此,無(wú)論是開啟狀態(tài)還是閉合狀態(tài)都應(yīng)以最大設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)顯然是不經(jīng)濟(jì)的.但這必須以機(jī)械體系、電氣體系、機(jī)械油壓體系的安全與可靠為前提.(3)就已建成的開合結(jié)構(gòu)來(lái)看,機(jī)械體系可動(dòng)部件常有故障發(fā)生.如日本某一開合式游泳館,使用1年以后,因可動(dòng)部件生銹而需要經(jīng)常維修.因此,開合結(jié)構(gòu)機(jī)械體系各構(gòu)造應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單,這樣即使有了故障也能確保安全,同時(shí)也便于維修管理.(4)在施工方面,大型開合結(jié)構(gòu)對(duì)施工技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)提出更高的要求.對(duì)于剛性自承式與它承式開合結(jié)構(gòu),軌道的安裝精度對(duì)屋頂?shù)倪\(yùn)行性能有直接的影響.軌道不平整將會(huì)引起行走臺(tái)車上浮,可動(dòng)部件蛇行運(yùn)動(dòng)而使屋頂左右搖晃、上下振動(dòng),甚至于因行走臺(tái)車車輪反力不均勻而引起車輪空轉(zhuǎn)、脫軌等事故,也有可能出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)小車動(dòng)力不足、行走臺(tái)車受力不均勻、構(gòu)件疲勞破壞等問(wèn)題.(5)為適應(yīng)多功能、多目的要求,如采光、通風(fēng)、音響、空調(diào)、防災(zāi)等,也是開合結(jié)構(gòu)需要特殊處理的技術(shù)難題.4.2動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型如何解決這些技術(shù)難題是成功地進(jìn)行開合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.評(píng)價(jià)開合式建筑的優(yōu)劣,可從開閉方式、開閉特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、施工等方面進(jìn)行評(píng)價(jià).(1)開合結(jié)構(gòu)的外形設(shè)計(jì),可以借助于仿生學(xué),根據(jù)大自然中物體的曲面形狀和構(gòu)造,創(chuàng)造出富有自然美的新穎開合結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)外形與建筑造型統(tǒng)一、協(xié)調(diào).(2)由于開合結(jié)構(gòu)是比較新的建筑結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)還不太多,在世界范圍內(nèi)還沒(méi)有建造法規(guī),往往需要特殊設(shè)計(jì).特別是機(jī)械體系各構(gòu)造應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)單,以減少故障,確保屋頂運(yùn)行安全、可靠.(3)根據(jù)建筑面積、用地面積以及建筑技術(shù)水平,確定屋頂結(jié)構(gòu)類型與開啟方式.不同的屋頂結(jié)構(gòu)類型、不同的開啟方式采用不同的構(gòu)造.例如,對(duì)于水平重疊剛性自承式開合結(jié)構(gòu)如圖4(a),為確保重疊緊密,同時(shí)為滿足各片屋頂運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)在一定控制風(fēng)速下的開啟時(shí)間.該控制風(fēng)速宜做試驗(yàn)進(jìn)行合理性檢驗(yàn).例如,多倫多天空穹頂在風(fēng)速高達(dá)67km/h時(shí),20min內(nèi)可完成開啟.(5)為保證各可動(dòng)屋頂安全運(yùn)行,開合結(jié)構(gòu)應(yīng)有防止運(yùn)行中屋頂相互撞的保護(hù)設(shè)施;有獲取屋頂當(dāng)前位置、運(yùn)行速度、運(yùn)行中屋頂是否對(duì)稱等信息的設(shè)備;在突然斷電時(shí),應(yīng)有能使各可動(dòng)屋頂停止在任一位置的自動(dòng)制動(dòng)器等設(shè)施.(6)為適應(yīng)進(jìn)行多種活動(dòng)的要求,室內(nèi)設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧.如多倫多天空穹頂和福岡穹頂,為滿足不同活動(dòng)占地大小的不同要求,室內(nèi)設(shè)置了活動(dòng)座席以調(diào)節(jié)場(chǎng)地的大小.(7)充分利用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù),盡可能地采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng).開合結(jié)構(gòu)作為較新的結(jié)構(gòu)形式,有其固有的獨(dú)到優(yōu)點(diǎn),但在經(jīng)濟(jì)效益方面,開合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性已有不少爭(zhēng)論.據(jù)美國(guó)HOK事務(wù)所報(bào)道,一個(gè)開合式棒球場(chǎng)的造價(jià)相當(dāng)于一個(gè)室外場(chǎng)與一個(gè)室內(nèi)場(chǎng)造價(jià)的總和.可見開合結(jié)構(gòu)直接用于結(jié)構(gòu)建造的費(fèi)用的確不低.不過(guò),據(jù)有關(guān)資料報(bào)道,東京后樂(lè)園帶充氣屋頂棒球場(chǎng),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(dòng),其總收入比沒(méi)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(jié)構(gòu)建有旅館、