來源：iStructure(id：iStructure2017）

作者：李彥鵬

開合屋面在我們日常生活中很常見。如果你家有個小院，天晴時希望享受陽光，下雨時希望遮風擋雨，就可以在屋頂上拉個簾子，這就是簡單的開合屋面。再比如酒店、商場、游泳池等公共場所，處處可以看到它的身影。

20世紀50年代至70年代的開合屋蓋結構發展，以膜折疊的開合方式為主。1954年，德國學者Frei Otto領導的一個工作小組，開創性地研究和發展了開合膜結構，在歐洲利用這種技術建成了許多這種類型的建筑物。

1976年，這種技術被應用在加拿大蒙特利爾奧運會體育場中，該體育場中央開口直徑為120m，面積為1.8萬平，呈橢圓形。通過懸臂斜柱上懸掛的斜拉索將膜屋面折疊收縮于柱頂，屋面材料為PVC膜材。20世紀80年代以前的開合屋蓋結構大多采用這種方式。

▲The big “O”Olympic stadium，柔性折疊型開合屋蓋

20世紀80年代以后的大部分開合屋蓋結構思想，來源于1961年美國建成的匹茲堡市民體育場，該結構屬于剛性開合屋蓋結構，其跨度127m，由八瓣不銹鋼屋蓋組成。之后，世界上建造了上百個剛性開合屋蓋。1989年加拿大多倫多建成了直徑205m的天空穹頂，在世界上產生了很大的轟動效應，掀起了世界上建造現代大跨開合屋蓋結構的新浪潮。

▲CivicArena in Pittsburgh，建成于1961年

之后，日本于1991年建成了跨度136m的有明體育館，1993年建成了直徑222m的福岡穹頂，這批開合屋蓋結構的成功建成再一次引起了世界的廣泛注意。而后世界上相繼建成的帶有開合屋蓋的大型體育場有近二十座，面積超過1萬平的大型可展屋蓋結構有近十座，實現了良好的社會效果，許多建筑已成為所在地的標志性建筑。

▲日本福岡穹頂，建成于1993年

開合屋面從結構形式上劃分可分為剛性開合與柔性開合，其中剛性開合指受力結構為桁架、網架等結構等剛性鋼結構作為移動屋蓋單元，其屋面材料為膜材料、金屬板及其他輕質材料，通過各單元之間的移動或轉動實現屋面的開合；而柔性開合指屋面為膜材等柔性材料，通過張開和收起柔性材料實現屋面的開合。

▲南通會展中心體育場，剛性開合

▲TennisStadium Rothenbaum，柔性開合

從開合方式上可分為：滑移式，提升式，旋轉式，折疊式，混合式。為方便大家更直觀得了解各種開合方式的不同，請看下面示意圖。

▲滑移式開合屋面

▲提升式開合屋面

▲旋轉式開合屋面

▲折疊式開合屋面

▲混合式開合屋面

下面就為大家介紹幾個經典的開合屋蓋案例。

Mercedes Benz stadium

（梅賽德斯奔馳體育中心）

▲梅賽德斯奔馳體育場

梅賽德斯奔馳體育場是一個多功能體育場，位于亞特蘭大市大名鼎鼎的Levy穹頂旁，是美國國家橄欖球聯盟（NFL）亞特蘭大獵鷹隊和美國職業足球大聯盟（MLS）亞特蘭大聯隊足球俱樂部的主場。

▲梅賽德斯奔馳體育場和Levy穹頂合影

體育館由HOK 設計，耗時三年時間，耗資15億美元。可開合屋面是其設計的最大亮點，設計理念來自于獵鷹翅膀。屋面為剛性旋轉型開合屋面，由八片剛性結構單元構成，采用空間桁架結構體系，上部覆蓋ETFE充氣膜。開啟時各單體沿著各個軌道同步移動，整個開合過程就像相機光圈，每次開啟僅需要8分鐘。

▲梅賽德斯奔馳體育場開合過程

 屋面雖然炫酷，但是建造過程確并非一帆風順，預計開放日期被推遲了三次。體育場原定于2017年3月1日開放，后來延遲到2017年6月1日，又被延遲到2017年7月30日，最后直到2017年8月26日才正式開放，開放后又發現有屋面漏水的情況，而后賽會期間屋面處于常閉狀態。可見開合屋面與正常屋面相比，設計難度和建造難度都更高，同時正常使用時屋面防水等問題也更為突出。

聯邦德國一座建于1972年的800平米游泳池，采用開合屋蓋，屋面拱結構間鋪設骨架膜，結構建成后三年開始滲漏，到第五年漏水嚴重，以至于不能開合。最后，膜材和張拉索全部損壞，結構報廢。

▲梅賽德斯奔馳體育場鳥瞰

▲梅賽德斯奔馳體育場內部

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National Stadium, Warsaw（華沙國家體育館）

▲華沙國家體育館

華沙國家體育館位于波蘭華沙，主要用于舉辦足球比賽，是波蘭國家足球隊的主場。球場有58,500個座位，是波蘭全國最大的足球場。體育場在2008年開始興建，于2011年11月完工。

▲華沙國家體育館屋面開啟狀態

▲華沙國家體育館屋面閉合狀態

國家體育場是由德國、奧地利、波蘭三國企業團共同建造。體育場的總建筑面積（不含屋頂）約20萬平方米，底部邊緣總長度924米。中央的尖頂標高約100米。屋蓋大小為240×270米，為柔性折疊型開合屋蓋，屋面支撐結構為鋼索，總重約1200噸，屋面覆蓋材料為PTFE膜材。

▲中部屋面半開啟狀態

▲中部屋面閉合狀態

屋面開合是通過沿鋼索拉伸或收縮膜材實現的，開啟或關閉過程大約需要20分鐘，只能在5°C以上的溫度下進行，而且打開過程不能下雨。其建造完工日期同樣經歷了數次延遲，體育館原定于2011年7月22日對外開放，可由于屋面建造于調試，直到當年11月29日才正式完工。

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TOYOTA Stadium（豐田體育場）

▲豐田體育場

豐田體育場（Toyota Stadium）是一個位于愛知縣豐田市的足球場。球場于2001年建成可以容納45,000人。豐田球場是日本職業足球聯賽球隊名古屋鯨八足球俱樂部的主場，其贊助商豐田汽車亦擁有球場的冠名權。

▲豐田體育場內部

開合屋蓋為滑移型屋蓋，數榀空間桁架支承于屋面軌道上，桁架上覆蓋膜材。當屋面閉合時桁架依次順軌道滑動，同時膜材被張緊；當屋面開啟時桁架依次滑移至屋面一側，同時膜材由于重力作用垂掛在兩榀桁架之間。因此屬于剛性與柔性混合型開合屋蓋。

▲屋蓋閉合狀態

▲屋蓋開啟狀態

豐田體育場開合屋蓋同樣命運多舛，2007年11月，屋蓋由于機械故障需要大修，修理一直持續了10個月才完成，修理好之后故障還是時有發生。因此，2015年之后，運營方考慮到維護成本，決定保持屋頂一直開放。

更多案例

由于篇幅有限，以下案例就不逐一介紹了，下面就放一些圖片與大家一起欣賞。

▲旗忠網球中心開合屋蓋

▲旗忠網球中心內部

上海旗忠網球中心位于旗忠森林體育城內，體育館平面為圓形直徑144m，高度為35m，屋蓋四周向內懸挑長度為61.5m，水平投影面積1.63萬平，總建筑面積3.8萬平。

結構設計在施加了環向預應力和徑向預應力的鋼筋混凝土主體結構上支承一個直徑123m，24m寬，7m高鋼結構空間桁架環梁，環梁上對應8榀開合屋蓋結構每榀設置一個固定轉軸及三同心旋轉軌道結構。屋蓋上表面為鋁合金面板，下表面為膜結構。

▲Amsterdam Arena，剛性滑移型開合屋蓋

▲Miller Park，剛性旋轉型開合屋蓋

▲Toronto “Skydome”，剛性滑移型開合屋蓋

▲日本喜凱亞“海洋巨蛋”，剛性滑移型開合屋蓋

▲日本札幌中央區地下商場屋頂，剛性折疊型開合屋蓋

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結語

對于開合屋蓋我國已有相應的技術規程《開合屋蓋結構技術規程》CECS417-2015，其中對荷載、體系、計算、驅動系統、控制系統、使用和維護都有相應的規定，有興趣的讀者可以深入閱讀。

但從幾個案例都可以看出，由于采用開合屋蓋，諸多項目建造時間會比預期中長，屋蓋的安裝與調試會耗費大量的時間。并且開合屋蓋造價相對較高，據HOK事務所測算，一個開合棒球場的造價相當于一個室外場與一個室內場造價的總和。

同時，屋蓋的運營維護費用也非常高，開合屋面開合需要耗費大量的電力，而且機械系統還需要定期的維護保養，很多項目后期都因為高昂的維護費用，放棄開合屋蓋而保持常閉或常開。因此，在選擇開合方式和建筑結構方案時，宜采用相對較為穩定的開合方式。

參考資料：

1. [鑒賞]開合屋蓋大全——還能找到別的算你贏！

2. TYPOLOGY OF RETRACTABLE ROOF STRUCTURES IN STADIUMS AND SPORTS HALLS. Andrej Mahovi?

3. 現代屋蓋結構分析與設計

4.  圖片來源于谷歌圖片