专利名称：体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖及其控制方法
技术领域：
本发明涉及体育馆建筑结构和机械控制，特别是体育馆曲面空间超大型可开闭式 屋盖，以及该可开闭式屋盖的控制方法。
背景技术：
近年来，随着国家或地区经济实力的增强，市民对体育运动参与意识的提高，以及 可开闭屋盖技术的日臻完善，建造带有可开闭屋盖的大型体育建筑越来越成为一种必要和 时尚与常规体育场馆相比，可开闭屋盖建筑主要有两个方面的优点①复归自然，创造 既不受自然界的不利影响，又能保持自然气息，让阳光洒满场地和看台、人们重归自然怀抱 的运动环境。②开闭屋盖建筑可以保证诸如奥运会和世界杯开模式、比赛等大型体育、娱乐 活动得以如期举行。可开闭屋盖建筑有别于其他建筑体系，其核心问题是移动屋盖能否安全、平稳、持 久地运行，以保证相应建筑功能的实现。因为可开闭屋盖建筑是建筑项目中结构系统与机 械控制系统的集成，国际上已建开闭屋盖建筑中，不乏因为两者的协调关系没有处理好，而 造成运行困难、耐久性差以至于开闭功能丧失的情况。因此本发明就是处理好这两个系统之间的协调和配合，从建筑、结构、机械、控制 等多个层面进行技术的突破，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖及其控制方法， 以力学模型建立稳固的基础，活动屋盖位于刚度适配的固定屋盖上进行牵引，移动安全、平 稳、持久。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖，包括若干主拱、若干副拱、一对斜拱、 若干台车、屋盖；主拱为相互平行且横跨体育馆的弧形拱，一对斜拱为对称结构弧形拱，横 跨过所有主拱，与主拱形成节点；在每两个相邻主拱之间设有副拱，副拱是与斜拱形成节 点、且向外两侧发散的弧形拱，主拱、副拱和斜拱共同承担重力负荷，主拱之上架设有供台 车运行的轨道；屋盖为球冠形状，包括固定屋盖和活动屋盖，活动屋盖为球冠的顶部，是以 球冠中间线对称的两片，平面投影为两个对称的小半圆形；所述的每片活动屋盖下弧边上 设置有多个牵引点，每个牵引点受一套多点液压卷扬驱动系统驱动；台车的上端连接于活 动屋盖，台车下端位于主拱的轨道上，在多点液压卷扬驱动系统牵引活动屋盖时带动活动 屋盖行走。所述的多点液压卷扬驱动系统包括卷扬机和钢丝绳，钢丝绳固定在牵引点上，绕 过固定屋盖上的滑轮；每个轨道上配有多个台车，台车带有液压制动器，在每个轨道下方具 有限制台车向下行程的下挡块。
所述的主拱、副拱和斜拱为三角形圆钢管桁架，三角形圆钢管桁架的三根弦杆都 刚接于地基础环梁上。所述的活动屋盖为单层网壳结构，两片活动屋盖闭合后的对接边为圆管，台车的 上端连接于活动屋盖的网壳节点。所述的两片活动屋盖对接处锁止方式为插片和插销方式锁止，两片活动屋盖各自 具有带插销孔的插片，插销插入插片对准的插孔。一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖的控制方法，包括下述步骤， 1、设置中央控制系统，在主拱和活动屋盖安装检测活动屋盖位置信号的位置传感 器，在卷扬机钢丝绳上安装检测钢丝绳张力的压力传感器；2、其中开启过程包括以下步骤①解除锁止阶段，松开活动屋盖对接边的插销，中央控制系统控制卷扬机张紧钢 丝绳，钢丝绳压力传感器检测张力信号，当张力致使活动屋盖不下移时，台车液压制动器松 开，主拱和活动屋盖的位置传感器检测到插销与活动屋盖有间隙，则完全拔出插销，两片活 动屋盖分离，中央控制系统逐渐减小钢丝绳张力，使活动屋盖下移；②开启阶段，在活动屋盖下移过程中，中央控制系统控制卷扬机继续减小钢丝绳 张力，活动屋盖在重力作用下下移，并形成加速度，当活动屋盖达到正常下移速度时，卷扬 机产生制动，保持活动屋盖的下移速度均勻；③减速停止阶段，当活动屋盖快要到达完全打开位置时，中央控制系统开始加大 卷扬机牵引力，张紧钢丝绳使活动屋盖减速，当检测到台车靠紧下挡块时，中央控制系统控 制液压制动器产生制动力，使得活动屋盖停止移动，同时保持卷扬机钢丝绳的张力，然后控 制卷扬机制动器制动，停止电机运转，开启完成。3、关闭过程为开启过程的反过程，包括下述步骤①启动阶段，中央控制系统首先控制卷扬机产生张力，然后松开导轨上的液压制 动器，继续控制电动卷扬机增加牵引力，拉动活动屋盖上移；②关闭阶段，活动屋盖上移过程中，形成加速度，当活动屋盖上移速度达到正常速 度时，控制卷扬机张力，保持活动屋盖勻速上移；③停止锁止阶段，当活动屋盖即将达到关闭位置时，控制系统控制卷扬机减小牵 引力，使活动屋盖减速，当检测到可以锁止的位置信号，一边减小卷扬机牵引力，一边启动 插销电机，将插销完全紧固与插孔中；检测到两片活动屋盖之间的距离小于设定值，则控制 液压制动器制动，活动屋盖静止，钢丝绳松弛，卷扬机制动，关闭完成。所述的开启和关闭过程中，在台车的台车轮配有阻尼油缸，在台车顶部配有主顶 油缸，分别安装用于检测横向和纵向压力的压力传感器，中央控制系统对根据压力传感器 数据，计算出台车的载荷，实时判断台车运行状态，并根据状态调整移动方案，保证活动屋 盖的顺畅移动。所述的开启和关闭过程中，在所有台车主顶油缸和阻尼油缸上安装检测台车纵向 和横向位置偏移的位置传感器，中央控制系统实时检查每辆台车姿态和动作，当统计到任 何一片活动屋盖上超过一定数量的台车同时或者相继作出同一方向横向偏移，判断出活动 屋盖发生整体侧滑，此时停止活动屋盖行走，以手动或者自动方式纠正台车偏移，然后继续 活动屋盖行走。
采用上述方案后，本发明中为国内对于体育馆可开闭式屋顶技术上形成了破突破 性的技术成功，给相关领域中提供了重要经验参考，解决一直困扰的技术难题，真正实现活 动屋盖移动安全、平稳、持久。本发明中依托于环梁基础_固定屋盖_台车-活动屋盖为一体的复杂系统力学模 型，提供了一个结构变形的准确范围以及超大型空间结构，体育场馆基础坚固，持久耐用， 寿命长。本发明中活动屋盖和固定屋盖相对变形具有高度自适应性，同时台车能接受反 馈-控制指令对实际姿势(位移)和状态(荷载)进行调解保障，整个系统具有反馈-调 整_设备自保护等，满 足结构安全需求。说明书附1是本发明较佳实施例的俯视图；图2是本发明较佳实施例的A向示意图；图3是本发明较佳实施例的台车结构示意图；图4是本发明较佳实施例的台车位于固定屋盖的结构示意图；图5是本发明较佳实施例中活动屋盖对接处固定方式结构示意图；图6是本发明较佳实施例中活动屋盖半开状态示意图；图7是本发明较佳实施例中活动屋盖全开状态示意图。
具体实施例方式结合附图
，对本发明较佳实施例做进一步详细说明。本发明较佳实施例中的结构体系包括三大部分，钢屋盖、承重桁架、钢筋混凝土基 础环梁。钢屋盖几何形状为球冠，分为固定屋盖1和活动屋盖2。其中，固定屋盖1上表面构 件轴线位于半径204m的球面上，球冠高度为54m。活动屋盖2的构件轴线位于半径206. 8m 的同心球面上。固定屋盖1为拱支单层网壳体系，其承重桁架为三角形桁架拱，包括6道东西向主 拱3、介于两个主拱之间的副拱4、以及南北向的斜拱5。所有拱的拱脚落在体育馆外圈的钢 筋混凝土基础环梁10上。固定屋盖1的开口以外为三向单层网壳。固定屋盖1上载两片 活动屋盖2，可沿东西方向移动。活动屋盖1采用周边圆钢管加强的单层网壳结构。主拱3分为A、B、C、D、E、F拱，中心距为40m，承担着整个屋盖的大部分重量，同时 上方铺设轨道，作为台车6运行的支承结构。其中C、D拱跨度最大262m，矢高55. 4m，位于 开口部分的最大无侧向支撑长度为100m。主拱3桁架截面为倒置三角形，高4m，宽约3. 9m, 拱脚刚接。副拱4和主拱3 —起承担重力负荷，在每两个主拱3中间设立一个副拱4。副拱4 也采用主拱3相同的三角形圆钢管桁架，以斜拱5为支承点，拱脚落入在基础环梁10上。斜拱5作为副拱4的上部支撑，调整各主拱3内力分配，同时作为主拱3侧向支撑， 提高结构整体稳定性。采用三角形圆钢管桁架，拱脚刚接。活动屋盖2为单层网壳结构，为对称的两片，平面投影呈小半圆形，其中边线为圆 管。网壳杆件中心线位于半径206. 8m的球面上，平面呈月牙形圆弧边为由斜撑的平面桁架，以加强刚度，便于与建筑外装连接。每片活 动屋盖2由22台台车6支承在固定屋盖的主拱上行走。如图3所示，台车 6包括台车轮61、导向轮62、阻尼油缸63，台车6上端通过主顶油缸64的输出法兰连接于 活动屋盖2的网壳节点上，台车轮61在固定屋盖1轨道上运行，导向轮62支承在固定屋盖 1主拱的轨道梁上，为台车6进行导向。阻尼油缸63连接两个台车轮61，控制两个台车轮 的横向运行。台车轮61上具有液压制动器65。如图4所示，22台台车6行驶在固定屋盖1的6条主拱轨道上，其中A、F拱各2 台台车6，B、E拱各4台台车，C、D拱个5台台车6，每个轨道梁的下方具有限制活动屋盖2 最低行程的下挡块7。B、E、C、D拱各配有一套多点液压卷扬驱动系统来实现对活动屋盖2 的牵引。多点液压卷扬驱动系统位于每个拱脚的地下室，主要包括卷扬机91、液压动力单 元(图中未示出)、钢丝绳93、上转向滑轮92、多点导向托轮94等。在活动屋盖2的下弧边 上，对应B、E、C、D拱处设置4个牵引点，钢丝绳93绕过安装在固定屋盖1上的上转向滑轮 92，然后再由多点导向托轮94引导钢丝绳93的牵引位置。在两片活动屋盖2的对接边是以插销的方式固定。参见图5两片活动屋盖2的对 接边圆管上都套有套环81，套环81与插片基板82固结，在其中一边的插片基板82上等间 距布设有三个插片83，插片83上具有对齐的插孔84，在插片83的一边还具有可插入插孔 84上的插销85。在另一边的插片基板82上也具有带插孔84的插片83，对接后，两个活动 屋盖2上的插孔84都对齐，然后插销85插入后，实现锁止。其中插销85的动作是通过电 机驱动实现。本发明实现活动屋盖2在固定屋盖1上的移动的控制方式是，设立中央控制系统， 配合各类传感器，进行活动屋盖2启闭的自动控制。首先，在每个活动屋盖上安装4个位置传感器，在B、C、D、E拱上各安装2个位置 传感器，一共八个，活动屋盖2上的位置传感器和B、C、D、E拱上的位置传感器配合，检测活 动屋盖2位置信号。然后在卷扬机钢丝绳上安装检测钢丝绳张力的压力传感器，在台车阻 尼油缸上安装检测横向和纵向压力的压力传感器，以及安装检测台车横向和纵向位置偏移 的位置传感器。结合图6图7，活动屋盖2开启的控制包括以下步骤1、解除锁止阶段，中央控制系统控制插销电机动作，松开活动屋盖2对接边的插 销85，中央控制系统控制卷扬机慢慢张紧钢丝绳，钢丝绳的张力由其上的压力传感器实时 检测，当检测到张力达到一定值，使得活动屋盖2不会下移时，中央控制系统控制液压制动 器65松开，主拱3和活动屋盖2的位置传感器检测到插销85与活动屋盖2有间隙，则控制 插销电机完全拔出插销85，两片活动屋盖2彻底分离，中央控制系统逐渐减小钢丝绳张力， 使活动屋盖2慢慢下移。2、开启阶段，在活动屋盖2下移过程中，中央控制系统控制卷扬机继续减小钢丝 绳张力，活动屋盖2在重力作用下自动缓缓下移，并形成加速度，当活动屋盖2达到正常下 移速度时，中央控制系统就控制卷扬机产生制动，使得活动屋盖的保持均勻下移。3、减速停止阶段，当活动屋盖2快要到达完全打开位置时，中央控制系统就开始 加大卷扬机牵引力，张紧钢丝绳使活动屋盖2速度逐渐降低，当活动屋盖2下弧边上的传感 器检测到最下方的台车6靠紧下挡块时，中央控制系统控制液压制动器65产生制动力，使得活动屋盖2停止移动，同时保持卷扬机钢丝绳的张力，然后中央控制系统控制卷扬机制 动器制动，停止电机运转，开启完成，钢丝绳此时可以松弛。活动屋盖2关闭过程为开启的反过程，包括下述步骤1、启动阶段，中央控制系统首先控制卷扬机产生张力，然后松开导轨上的液压制 动器，继续控制卷扬机增加牵引力，拉动活动屋盖2慢慢上移。 2、关闭阶段，活动屋盖2上移过程中，卷扬机增加牵引力使得活动屋盖2形成以一 定加速度上移，当活动屋盖2上移速度达到所设定的正常速度时，中央控制系统控制卷扬 机张力，保持活动屋盖2以正常速度勻速上移。3、停止锁止阶段，当活动屋盖2即将达到关闭位置时，中央控制系统控制卷扬机 减小牵引力，逐渐使活动屋盖2慢慢减速，当活动屋盖2的上弧边的位置传感器检测到两片 活动屋盖2之间的距离小于设定值时，控制系统得到锁止信号，此时中央控制系统一边减 小卷扬机牵引力，一边启动插销电机，将插销完全插入插孔84中，中央控制系统控制液压 制动器65制动，活动屋盖2静止，钢丝绳93松弛，卷扬机制动，关闭完成。为了确保活动屋盖2移动顺畅，对台车6载荷进行实时观察，同时采用视频监控系 统监视台车的运行状况。在台车6阻尼油缸63和主顶油缸64上安装检测横向和纵向压力 的压力传感器，中央控制系统对阻尼油缸63和主顶油缸64压力传感器的数据进行计算，计 算出台车6的载荷，再由PLC控制器通过运算准确判断活动屋盖2与轨道梁之间的相对位 移，控制系统实时判断台车6运行状态，并根据状态调整移动方案，保证活动屋盖2的顺畅 移动。同时，在所有台车6主顶油缸64和阻尼油缸63上安装检测台车纵向和横向位置 偏移的位置传感器，中央控制系统实时检查每辆台车6姿态和动作。当中央控制系统统计 到任何一片活动屋盖2上超过一定数量的台车6同时或者相继作出同一方向横向偏移，判 断出活动屋盖2发生整体侧滑，此时应立刻停止活动屋盖2继续行走，然后或者中央控制系 统以自动方式纠正台车6偏移，然后继续启动工作，台车6带动活动屋盖2继续行走。又或 者以手动进行调整，手动方式是防止自动方式出现故障而设置的，依据系统得到的反馈信 息和视频监控信息来调整。
权利要求
一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖，其特征在于包括若干主拱、若干副拱、一对斜拱、若干台车、屋盖；主拱为相互平行且横跨体育馆的弧形拱，一对斜拱为对称结构弧形拱，横跨过所有主拱，与主拱形成节点；在每两个相邻主拱之间设有副拱，副拱是与斜拱形成节点、且向外两侧发散的弧形拱，主拱、副拱和斜拱共同承担重力负荷，主拱之上架设有供台车运行的轨道；屋盖为球冠形状，包括固定屋盖和活动屋盖，活动屋盖为球冠的顶部，是以球冠中间线对称的两片，平面投影为两个对称的小半圆形；所述的每片活动屋盖下弧边上设置有多个牵引点，每个牵引点受一套多点液压卷扬驱动系统驱动；台车的上端连接于活动屋盖，台车下端位于主拱的轨道上，在多点液压卷扬驱动系统牵引活动屋盖时带动活动屋盖行走。
2.如权利要求1所述一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖，其特征在于所述的 多点液压卷扬驱动系统包括卷扬机和钢丝绳，钢丝绳固定在牵引点上，绕过固定屋盖上的 滑轮；每个轨道上配有多个台车，台车带有液压制动器，在每个轨道下方具有限制台车向下 行程的下挡块。
3.如权利要求1所述一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖，其特征在于所述的 主拱、副拱和斜拱为三角形圆钢管桁架，三角形圆钢管桁架的三根弦杆都刚接于地基础环 梁上。
4.如权利要求1所述一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖，其特征在于所述的 活动屋盖为单层网壳结构，两片活动屋盖闭合后的对接边为圆管，台车的上端连接于活动 屋盖的网壳节点。
5.如权利要求1所述一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖，其特征在于所述的 两片活动屋盖对接处锁止方式为插片和插销方式锁止，两片活动屋盖各自具有带插销孔的 插片，插销插入插片对准的插孔。
6.一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖的控制方法，其特征在于包括下述步骤设置中央控制系统，在活动屋盖上弧边和下弧边安装检测活动屋盖位置信号的位置传 感器，在卷扬机钢丝绳上安装检测钢丝绳张力的压力传感器；其中开启过程包括以下步骤①解除锁止阶段，松开活动屋盖对接边的插销，中央控制系统控制卷扬机张紧钢丝绳， 钢丝绳压力传感器检测张力信号，当张力致使活动屋盖不下移时，台车液压制动器松开，主 拱和活动屋盖的位置传感器检测到插销与活动屋盖有间隙，则完全拔出插销，两片活动屋 盖分离，中央控制系统逐渐减小钢丝绳张力，使活动屋盖下移；②开启阶段，在活动屋盖下移过程中，中央控制系统控制卷扬机继续减小钢丝绳张力， 活动屋盖在重力作用下下移，并形成加速度，当活动屋盖达到正常下移速度时，卷扬机产生 制动，保持活动屋盖的下移速度均勻；③减速停止阶段，当活动屋盖快要到达完全打开位置时，中央控制系统开始加大卷扬 机牵引力，张紧钢丝绳使活动屋盖减速，当检测到台车靠紧下挡块时，中央控制系统控制液 压制动器产生制动力，使得活动屋盖停止移动，同时保持卷扬机钢丝绳的张力，然后控制卷 扬机制动器制动，停止电机运转，开启完成。关闭过程为开启过程的反过程，包括下述步骤①启动阶段，中央控制系统首先控制卷扬机产生张力，然后松开导轨上的液压制动器， 继续控制电动卷扬机增加牵弓I力，拉动活动屋盖上移；②关闭阶段，活动屋盖上移过程中，形成加速度，当活动屋盖上移速度达到正常速度 时，控制卷扬机张力，保持活动屋盖勻速上移；③停止锁止阶段，当活动屋盖即将达到关闭位置时，控制系统控制卷扬机减小牵引力， 使活动屋盖减速，当检测到可以锁止的位置信号，一边减小卷扬机牵引力，一边启动插销电 机，将插销完全紧固与插孔中；检测到两片活动屋盖之间的距离小于设定值，则控制液压制 动器制动，活动屋盖静止，钢丝绳松弛，卷扬机制动，关闭完成。
7.如权利要求6所述的一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖的控制方法，其特 征在于所述的开启和关闭过程中，在台车的台车轮配有阻尼油缸，在台车顶部配有主顶油 缸，分别安装用于检测横向和纵向压力的压力传感器，中央控制系统对根据压力传感器数 据，计算出台车的载荷，实时判断台车运行状态，并根据状态调整移动方案，保证活动屋盖 的顺畅移动。
8.如权利要求6所述的一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖的控制方法，其特征 在于所述的开启和关闭过程中，在所有台车主顶油缸和阻尼油缸上安装检测台车纵向和 横向位置偏移的位置传感器，中央控制系统实时检查每辆台车姿态和动作，当统计到任何 一片活动屋盖上超过一定数量的台车同时或者相继作出同一方向横向偏移，判断出活动屋 盖发生整体侧滑，此时停止活动屋盖行走，以手动或者自动方式纠正台车偏移，然后继续活 动屋盖行走。
全文摘要
本发明主要公开了一种体育馆曲面空间超大型可开闭式屋盖及其控制方法，通过大型多点液压驱动卷扬机牵引活动屋盖使其实现打开和闭合，活动屋盖由安装在场馆主拱轨道上的台车支撑带动移动，在中央控制系统的控制下，由卷扬机牵引活动屋盖使其沿主拱轨道运行完成屋盖的向中心合拢或向两侧展开，并在移动的过程中，根据体育场拱架相对设计高度和左右偏差的大小，边移边调整各支撑台车的前后左右位置和高度，确保滑移屋盖的顺利开启和体育场整体结构的安全。本发明以力学模型建立稳固的基础，从建筑、结构、机械、控制多个层面进行技术的突破，使体育馆活动屋顶移动安全、平稳、持久。
文档编号E04B7/16GK101962976SQ20101029027
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月18日 优先权日2010年9月18日
发明者俞荣华, 刘中华, 刘代龙, 姜峰, 沈李强, 王留成, 胡向萍, 钱建平, 陆海松, 陈国栋 申请人:浙江精工钢结构有限公司