分開屋蓋的機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

房屋蓋的開放式結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)形式，房屋的部分或全部表面在短時間內(nèi)移動或關(guān)閉。根據(jù)一定的規(guī)律，將屋頂?shù)耐暾Y(jié)構(gòu)劃分為幾個可移動和固定的單元，并通過特定的機(jī)械裝置將動單元移動到預(yù)期的軌跡，以達(dá)到房屋的開口目的（見圖1）。開合屋蓋不僅賦予建筑物動態(tài)美感,更擴(kuò)展了其使用功能,目前世界上已建成的開合屋蓋已超過100個,開合屋蓋的設(shè)計(jì)越來越受到人們的關(guān)注。1機(jī)械裝置在中國的應(yīng)用屋蓋的開合運(yùn)動功能(移動、轉(zhuǎn)動、伸縮)是通過機(jī)械裝置來實(shí)現(xiàn)的,開合屋蓋的設(shè)計(jì)涉及建筑工程和機(jī)械工程2個領(lǐng)域的技術(shù)與方法。從機(jī)械設(shè)計(jì)的視角看,開合屋蓋結(jié)構(gòu)可視作是1種新型的可展結(jié)構(gòu)。雖然目前國外已建成了多座不同規(guī)模的開合屋蓋,但目前對開合屋蓋機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)理論研究嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐,國際上還沒有任何關(guān)于這類機(jī)械裝置設(shè)計(jì)的國家或地方的設(shè)計(jì)規(guī)范和方法。由于開合屋蓋的運(yùn)動方式與工程起重機(jī)有相似之處,故在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,常規(guī)載荷的設(shè)計(jì)計(jì)算、行走臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等可借鑒工程起重機(jī)的設(shè)計(jì)。但是,開合機(jī)械裝置在運(yùn)動驅(qū)動形式的多樣性等方面與起重機(jī)存在較大差異。開合機(jī)械裝置根據(jù)其驅(qū)動方式可分為剛性屋蓋開合機(jī)械裝置和柔性屋蓋開合機(jī)械裝置2大類。2復(fù)合運(yùn)動的對應(yīng)關(guān)系依據(jù)剛體的運(yùn)動形式,剛性屋蓋開合方式有:移動開合、轉(zhuǎn)動開合和復(fù)合運(yùn)動開合3種?？蓜游萆w的運(yùn)動也可用運(yùn)動副形式表達(dá),其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。因此,剛性屋蓋開合機(jī)械裝置根據(jù)開合方式分為:移動開合機(jī)械裝置、轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置、復(fù)合運(yùn)動開合機(jī)械裝置3類。2.1各自由度之間的約束剛性屋蓋移動開合機(jī)械裝置有1個沿軌道方向的自由度,其余的自由度則受到約束。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的不同,移動開合機(jī)械裝置分為輪軌移動開合機(jī)械裝置和導(dǎo)軌副移動開合機(jī)械裝置2大類。2.1.1自驅(qū)動開口機(jī)構(gòu)輪軌移動開合機(jī)械裝置可以承載大的載荷,有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,主要應(yīng)用于大中型開合屋蓋中。輪軌移動開合機(jī)械裝置的具體實(shí)現(xiàn)方式有以下幾種:(1)自驅(qū)動輪軌移動開合機(jī)械裝置自驅(qū)動輪軌移動開合機(jī)械裝置的自驅(qū)動裝置安裝在行走臺車上,通過輪軌的摩擦力驅(qū)動可動屋蓋運(yùn)動。開合機(jī)械裝置由行走導(dǎo)軌、自驅(qū)動裝置、行走臺車、導(dǎo)向輪軌等裝置組成,如圖2所示。自驅(qū)動輪軌開合機(jī)構(gòu)可以參考成熟的起重機(jī)行走技術(shù)。開合機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力來源于摩擦力,所以其開合必須保證足夠的摩擦力,適合運(yùn)用于平面開合的場合。此外,自驅(qū)動開合機(jī)構(gòu)還應(yīng)該考慮電路和控制線路的防纏繞問題。1993年5月竣工的日本宮琪市海洋穹頂采用了自驅(qū)動輪軌開合機(jī)構(gòu)。(2)纜繩牽引輪軌移動開合機(jī)械裝置纜繩牽引輪軌移動開合機(jī)械裝置利用纜繩的牽引力驅(qū)動行走臺車實(shí)現(xiàn)開合運(yùn)動,開合機(jī)械裝置由卷筒裝置、纜索導(dǎo)向器、纜索張緊裝置、行走臺車、導(dǎo)軌等組成,如圖3所示。纜繩牽引輪軌移動開合機(jī)構(gòu)技術(shù)較為成熟,造價較低;牽引力安全可靠;供電、控制部分較簡單,可以和電機(jī)、減速器、卷筒等集中布置在下部結(jié)構(gòu)上。1991年竣工的日本東京有明體育館成功采用了纜繩牽引輪軌移動開合機(jī)構(gòu)。(3)齒輪齒條輪軌移動開合機(jī)械裝置齒輪齒條輪軌移動開合機(jī)械裝置的驅(qū)動力來源于齒輪齒條的嚙合力,通過齒輪齒條副把驅(qū)動原動件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。開合機(jī)械裝置一般由原動件、傳動機(jī)構(gòu)、齒輪齒條、行走臺車、導(dǎo)軌、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成,如圖4所示。齒輪齒條輪軌移動開合機(jī)構(gòu)控制和供電裝置簡單,動作控制精確,但對可動屋面的裝配精度要求高,一般應(yīng)用于直線移動開合的場合。浙江義烏商貿(mào)城的防火屋蓋采用了齒輪齒條輪軌移動開合機(jī)構(gòu)。2.1.2移動愈合機(jī)械裝置導(dǎo)軌移動開合機(jī)械裝置可以實(shí)現(xiàn)多樣化設(shè)計(jì),螺旋驅(qū)動裝置,齒輪齒條驅(qū)動裝置,帶、鏈、纜繩撓性裝置,連桿機(jī)構(gòu),液(氣)壓裝置等都可以和導(dǎo)軌副組成移動開合機(jī)械裝置。圖5是螺旋驅(qū)動導(dǎo)軌副移動開合機(jī)械裝置簡圖,圖6是液(氣)壓驅(qū)動導(dǎo)軌副移動開合機(jī)械裝置簡圖。相比輪軌機(jī)構(gòu),普通導(dǎo)軌副承載能力弱很多,要求的精度高很多,但具有結(jié)構(gòu)緊湊、低噪聲等優(yōu)點(diǎn),因此適用于小型民用開合屋蓋中。2.2剛性門蓋旋轉(zhuǎn)開孔機(jī)械根據(jù)回轉(zhuǎn)中心是否有樞軸可以分為繞軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置和無軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置2大類。2.2.1樞軸轉(zhuǎn)動閉合機(jī)構(gòu)在繞軸轉(zhuǎn)動開合方式中可動屋蓋圍繞著樞軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而完成開合動作。樞軸的作用為:對可動屋蓋起支撐作用,作為旋轉(zhuǎn)副對開合運(yùn)動起約束作用。繞軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置的具體實(shí)現(xiàn)方式有以下2種:(1)自驅(qū)動繞軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置采用自驅(qū)動行走臺車承載可動屋蓋在導(dǎo)軌上圍繞樞軸轉(zhuǎn)動,從而完成屋蓋的開合。開合機(jī)械裝置由自驅(qū)動裝置、行走臺車、導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)樞軸、旋轉(zhuǎn)樞軸承載裝置等組成,如圖7所示。轉(zhuǎn)動開合機(jī)構(gòu)和移動開合機(jī)構(gòu)的自驅(qū)動輪軌裝置是類似的,但自驅(qū)動轉(zhuǎn)動開合機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌則是圓弧,需要完成行走臺車通過曲線軌道的驗(yàn)算,以避免卡軌現(xiàn)象。1961年竣工的第1個現(xiàn)代剛性大型開合屋蓋建筑——美國匹茲堡市民體育場,采用的就是自驅(qū)動輪軌開合方式。(2)樞軸驅(qū)動繞軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置通過樞軸的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動可動屋蓋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。樞軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置由電機(jī)驅(qū)動裝置、旋轉(zhuǎn)輪系、回轉(zhuǎn)支撐裝置、回轉(zhuǎn)軸等組成,如圖8所示。樞軸驅(qū)動繞軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置對載荷的要求比較嚴(yán)格,驅(qū)動的載荷也不宜過大。樞軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置也被用于轉(zhuǎn)動展開開合屋蓋的轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置,旋轉(zhuǎn)展開裝置中的各運(yùn)動單元繞各自樞軸等速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開合動作。2.2.2無軸轉(zhuǎn)動愈合機(jī)械裝置在無軸轉(zhuǎn)動開合方式中,可動屋蓋旋轉(zhuǎn)中心沒有旋轉(zhuǎn)樞軸裝置,可動屋蓋的支撐和旋轉(zhuǎn)約束都依靠圓弧導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn),從某種意義上說,無軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置也可以歸為移動開合機(jī)械裝置。無軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置的驅(qū)動方式一般采用纜繩牽引驅(qū)動,如圖9所示。無軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置具有形式美觀、牽引力可靠、供電控制簡單等優(yōu)點(diǎn),一般應(yīng)用于空間開合屋蓋中。同時,因?yàn)槠淅|繩需要和圓弧形軌道匹配,因此纜繩布置具有一定的復(fù)雜性。1961年竣工的日本大分穹頂采用了纜繩牽引無軸轉(zhuǎn)動開合機(jī)械裝置。2.3復(fù)合運(yùn)動式閉合屋蓋相對于前2類開合機(jī)械裝置,剛性屋蓋復(fù)合開合機(jī)械裝置運(yùn)動更加復(fù)雜。雖然在目前的文獻(xiàn)中還沒提到復(fù)合開合的工程實(shí)例,但是剛性屋蓋復(fù)合運(yùn)動式開合屋蓋是開合屋蓋研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。目前,剛性屋蓋復(fù)合開合機(jī)械裝置主要的研究對象為平面可展開合機(jī)構(gòu)。平面可展開合機(jī)構(gòu)一般由一系列類同的剛體子單元組成,這些剛體子單元共同組成1個開合空間,其復(fù)合運(yùn)動共同組合成屋蓋的展開或閉合運(yùn)動。目前,能實(shí)現(xiàn)平面可展運(yùn)動的復(fù)合運(yùn)動開合機(jī)械裝置有獨(dú)立旋移展開機(jī)構(gòu)和角桿徑向開啟展開機(jī)構(gòu)2類,其子單元的運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖如圖10所示。(1)移動4桿構(gòu)的運(yùn)動單元獨(dú)立旋移展開機(jī)構(gòu)的各運(yùn)動單元在自己固定的扇形區(qū)域內(nèi)做旋移復(fù)合運(yùn)動實(shí)現(xiàn)開合動作,如圖10(a)所示。獨(dú)立旋移展開機(jī)構(gòu)的運(yùn)動單元為自由度為1的四桿機(jī)構(gòu),桿件2為活動屋蓋,移動副1、3分別在各自導(dǎo)軌上運(yùn)動。當(dāng)屋蓋閉合時,移動副1位于2導(dǎo)軌的交點(diǎn)o處,當(dāng)移動副1沿導(dǎo)軌背離o點(diǎn)運(yùn)動時,屋蓋展開。獨(dú)立旋移展開機(jī)構(gòu)的運(yùn)動單元是在扇形區(qū)域做獨(dú)立運(yùn)動,不會和別的單元發(fā)生干涉。圖11所示的是獨(dú)立旋移展開機(jī)構(gòu)的三維模型,目前獨(dú)立開啟板式機(jī)構(gòu)在開合屋蓋領(lǐng)域還沒有工程實(shí)例。(2)方向可開啟板式結(jié)構(gòu)rrps角桿徑向開啟展開機(jī)構(gòu)是可展開合屋蓋領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn),源于角桿機(jī)構(gòu)的研究。角桿機(jī)構(gòu)如圖10(b)所示,AOD和CO′B為2角桿,它們分布在上下2個平面內(nèi),中間用鉸鏈連接,2角桿的2端點(diǎn)分別在各自導(dǎo)軌上移動。當(dāng)A、C2點(diǎn)重合時,ABODA成為一閉合空間,當(dāng)A、C背離運(yùn)動時,2導(dǎo)軌構(gòu)成的扇形空間內(nèi)將出現(xiàn)開啟空間。隨著研究的深入,在角桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了廣義角桿機(jī)構(gòu),又在廣義角桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上得出徑向可開啟板式結(jié)構(gòu)(RRPS)。以上所述的是剛性開合屋蓋的開合機(jī)械裝置,需要指出的是很多開合屋蓋并不是采用單一的開合方式,而是多種開合方式的組合,如加拿大的天空穹頂采用了移動開合和轉(zhuǎn)動開合2種開合機(jī)械裝置。3機(jī)械裝置工作原理柔性屋蓋利用可動屋蓋柔性材料的可折疊性實(shí)現(xiàn)屋蓋的開合,柔性材料在機(jī)械裝置作用下展開或折疊。柔性屋蓋開合機(jī)械裝置分為索膜開合機(jī)械裝置和折疊開合機(jī)械裝置2類,如表2所示。3.1開、防治的動作索膜開合裝置通過繩索裝置對膜材料進(jìn)行展開、折疊完成開合動作。根據(jù)膜材料的運(yùn)動類型和驅(qū)動方式,索膜開合機(jī)械裝置分多點(diǎn)驅(qū)動開合機(jī)械裝置和卷繞開合機(jī)械裝置2類。(1)移動開運(yùn)動學(xué)多點(diǎn)驅(qū)動開合機(jī)械裝置起著懸掛索膜和驅(qū)動索膜運(yùn)動的功能。其常見的運(yùn)動方式有移動開合、中心輻射開合、圓周移動開合等,如圖12所示。1997年完工的加拿大蒙特利爾奧運(yùn)會體育場采用了此類開合機(jī)械裝置。(2)索膜愈合機(jī)械裝置卷繞開合機(jī)械裝置通過卷筒裝置對膜材進(jìn)行卷繞完成柔性屋蓋的展開或折疊動作,如圖13所示。在實(shí)際應(yīng)用中,這種開合機(jī)械裝置更多地應(yīng)用于門窗的開合。索膜開合機(jī)械裝置的行走裝置一般為自驅(qū)動爬行小車或滑輪裝置。自驅(qū)動爬行小車依附在繩索上運(yùn)行,依靠輪子與繩索的摩擦力前進(jìn),所以輪子需夾緊裝置用來夾緊繩索。圖14所示為滑輪裝置機(jī)構(gòu)簡圖,動滑輪帶動懸掛行走裝置在支撐繩索上運(yùn)動。這種索膜材料折疊形式的開合屋蓋結(jié)構(gòu)存在著一定的內(nèi)在缺陷,風(fēng)雨的影響會使開合運(yùn)行出現(xiàn)故障或膜材料被撕裂。但是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省材質(zhì)、動作噪聲小等優(yōu)點(diǎn),因此在小型開合屋蓋中得到一定的應(yīng)用。3.2材料和評論員相結(jié)合利用折疊機(jī)構(gòu)的可折疊性實(shí)現(xiàn)開合動作,柔性材料和折疊機(jī)構(gòu)相互結(jié)合組成開合屋蓋。折疊開合機(jī)械裝置根據(jù)運(yùn)動類型可以分為桁架折疊開合機(jī)械裝置和可展網(wǎng)架開合機(jī)械裝置2類。(1)柔性屋面材料配比桁架折疊開合機(jī)械裝置通過桁架支撐和驅(qū)動柔性屋面材料實(shí)現(xiàn)折疊運(yùn)動,如圖15所示。桁架可以獨(dú)立運(yùn)動,也可以通過剪式單元連接形成一整體機(jī)構(gòu)。(2)anpablo現(xiàn)實(shí)要求可展網(wǎng)架根據(jù)空間形態(tài)可以分為平面網(wǎng)架和空間網(wǎng)架,圖16所示為一空間網(wǎng)架的展開過程。西班牙的sanpablo游泳館利用網(wǎng)架開合機(jī)械裝置建成可展開合屋蓋。可展網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要和一定的柔性屋面材料結(jié)合在一起使用才能作為開合屋蓋,而柔性屋面材料和可展網(wǎng)架的配合非常復(fù)雜,是一個技術(shù)難題。像BuckminsterFuller設(shè)計(jì)的可移動歌劇院只是做了模型,并沒有運(yùn)用到實(shí)際工程中。4開口屋蓋的開口機(jī)械裝置隨著越來越多的開合屋蓋被成功運(yùn)用到國民生活領(lǐng)域中,開合屋蓋技術(shù)得到不斷的發(fā)展和完善。本文對開合屋蓋的開合機(jī)械裝置進(jìn)行了分析概括,總結(jié)歸納了剛性和柔性2類開合屋蓋的開合機(jī)械裝置。隨著開合屋蓋技術(shù)的進(jìn)一步完善,開合屋蓋將從以下幾個方面得到不斷的豐富和發(fā)展。(1)打開家庭屋頂應(yīng)用的擴(kuò)展隨著開合屋蓋的新功能的發(fā)掘,開合屋蓋將被越來越多地應(yīng)用于新興領(lǐng)域,如防火屋蓋的出現(xiàn)就是開合屋蓋運(yùn)用的一個很好的