iStructure(id：iStructure2017）
作者：李彦鹏
开合屋面在我们日常生活中很常见。如果你家有个小院，天晴时希望享受阳光，下雨时希望遮风挡雨，就可以在屋顶上拉个帘子，这就是简单的开合屋面。再比如酒店、商场、游泳池等公共场所，处处可以看到它的身影。
20世纪50年代至70年代的开合屋盖结构发展，以膜折叠的开合方式为主。1954年，德国学者Frei Otto领导的一个工作小组，开创性地研究和发展了开合膜结构，在欧洲利用这种技术建成了许多这种类型的建筑物。
1976年，这种技术被应用在加拿大蒙特利尔奥运会体育场中，该体育场中央开口直径为120m，面积为1.8万平，呈椭圆形。通过悬臂斜柱上悬挂的斜拉索将膜屋面折叠收缩于柱顶，屋面材料为PVC膜材。20世纪80年代以前的开合屋盖结构大多采用这种方式。
▲The big “O”Olympic stadium，柔性折叠型开合屋盖
20世纪80年代以后的大部分开合屋盖结构思想，来源于1961年美国建成的匹兹堡市民体育场，该结构属于刚性开合屋盖结构，其跨度127m，由八瓣不锈钢屋盖组成。之后，世界上建造了上百个刚性开合屋盖。1989年加拿大多伦多建成了直径205m的天空穹顶，在世界上产生了很大的轰动效应，掀起了世界上建造现代大跨开合屋盖结构的新浪潮。
▲CivicArena in Pittsburgh，建成于1961年
之后，日本于1991年建成了跨度136m的有明体育馆，1993年建成了直径222m的福冈穹顶，这批开合屋盖结构的成功建成再一次引起了世界的广泛注意。而后世界上相继建成的带有开合屋盖的大型体育场有近二十座，面积超过1万平的大型可展屋盖结构有近十座，实现了良好的社会效果，许多建筑已成为所在地的标志性建筑。
▲日本福冈穹顶，建成于1993年
开合屋面从结构形式上划分可分为刚性开合与柔性开合，其中刚性开合指受力结构为桁架、网架等结构等刚性钢结构作为移动屋盖单元，其屋面材料为膜材料、金属板及其他轻质材料，通过各单元之间的移动或转动实现屋面的开合；而柔性开合指屋面为膜材等柔性材料，通过张开和收起柔性材料实现屋面的开合。
▲南通会展中心体育场，刚性开合
▲TennisStadium Rothenbaum，柔性开合
从开合方式上可分为：滑移式，提升式，旋转式，折叠式，混合式。为方便大家更直观得了解各种开合方式的不同，请看下面示意图。
▲滑移式开合屋面
▲提升式开合屋面
▲旋转式开合屋面
▲折叠式开合屋面
▲混合式开合屋面
下面就为大家介绍几个经典的开合屋盖案例。
Mercedes Benz stadium
（梅赛德斯奔驰体育中心）
▲梅赛德斯奔驰体育场
梅赛德斯奔驰体育场是一个多功能体育场，位于亚特兰大市大名鼎鼎的Levy穹顶旁，是美国国家橄榄球联盟（NFL）亚特兰大猎鹰队和美国职业足球大联盟（MLS）亚特兰大联队足球俱乐部的主场。
▲梅赛德斯奔驰体育场和Levy穹顶合影
体育馆由HOK 设计，耗时三年时间，耗资15亿美元。可开合屋面是其设计的最大亮点，设计理念来自于猎鹰翅膀。屋面为刚性旋转型开合屋面，由八片刚性结构单元构成，采用空间桁架结构体系，上部覆盖ETFE充气膜。开启时各单体沿着各个轨道同步移动，整个开合过程就像相机光圈，每次开启仅需要8分钟。
▲梅赛德斯奔驰体育场开合过程
屋面虽然炫酷，但是建造过程确并非一帆风顺，预计开放日期被推迟了三次。体育场原定于2017年3月1日开放，后来延迟到2017年6月1日，又被延迟到2017年7月30日，最后直到2017年8月26日才正式开放，开放后又发现有屋面漏水的情况，而后赛会期间屋面处于常闭状态。可见开合屋面与正常屋面相比，设计难度和建造难度都更高，同时正常使用时屋面防水等问题也更为突出。
联邦德国一座建于1972年的800平米游泳池，采用开合屋盖，屋面拱结构间铺设骨架膜，结构建成后三年开始渗漏，到第五年漏水严重，以至于不能开合。最后，膜材和张拉索全部损坏，结构报废。
▲梅赛德斯奔驰体育场鸟瞰
▲梅赛德斯奔驰体育场内部
National Stadium, Warsaw（华沙国家体育馆）
▲华沙国家体育馆
华沙国家体育馆位于波兰华沙，主要用于举办足球比赛，是波兰国家足球队的主场。球场有58,500个座位，是波兰全国最大的足球场。体育场在2008年开始兴建，于2011年11月完工。
▲华沙国家体育馆屋面开启状态
▲华沙国家体育馆屋面闭合状态
国家体育场是由德国、奥地利、波兰三国企业团共同建造。体育场的总建筑面积（不含屋顶）约20万平方米，底部边缘总长度924米。中央的尖顶标高约100米。屋盖大小为240×270米，为柔性折叠型开合屋盖，屋面支撑结构为钢索，总重约1200吨，屋面覆盖材料为PTFE膜材。
▲中部屋面半开启状态
▲中部屋面闭合状态
屋面开合是通过沿钢索拉伸或收缩膜材实现的，开启或关闭过程大约需要20分钟，只能在5°C以上的温度下进行，而且打开过程不能下雨。其建造完工日期同样经历了数次延迟，体育馆原定于2011年7月22日对外开放，可由于屋面建造于调试，直到当年11月29日才正式完工。
TOYOTA Stadium（丰田体育场）
▲丰田体育场
丰田体育场（Toyota Stadium）是一个位于爱知县丰田市的足球场。球场于2001年建成可以容纳45,000人。丰田球场是日本职业足球联赛球队名古屋鲸八足球俱乐部的主场，其赞助商丰田汽车亦拥有球场的冠名权。
▲丰田体育场内部
开合屋盖为滑移型屋盖，数榀空间桁架支承于屋面轨道上，桁架上覆盖膜材。当屋面闭合时桁架依次顺轨道滑动，同时膜材被张紧；当屋面开启时桁架依次滑移至屋面一侧，同时膜材由于重力作用垂挂在两榀桁架之间。因此属于刚性与柔性混合型开合屋盖。
▲屋盖闭合状态
▲屋盖开启状态
丰田体育场开合屋盖同样命运多舛，2007年11月，屋盖由于机械故障需要大修，修理一直持续了10个月才完成，修理好之后故障还是时有发生。因此，2015年之后，运营方考虑到维护成本，决定保持屋顶一直开放。