水上乐园作为主题公园的一种，以独有的文化内涵、科技含量以及强大的娱乐功能，成为当下都市最炙手可热的旅游产品。开合屋盖作为一种较为新颖的建筑形式，打破了传统室内与室外空间的界限，可根据使用功能和天气情况在室内与室外环境之间进行灵活切换，使用者既能够尽情享受阳光新鲜空气，又可以避免风雨等恶劣天气的影响，满足全天候的需求。在经济发达的城市，人民生活水平相对较高，对体育、休闲游乐设施的期望也较高，开合屋盖在工业建筑中的应用也越来越广泛。

开合屋盖多状态设计、活动屋盖边界条件模拟、水上乐园防腐是开合屋合设计的重难点，本文通过开展对多状态模型分析对比、防腐环境分析并参考相关文献，对某水上乐园开合屋盖的设计施工和运维展开介绍。

某旅游度假项目位于浙江省，水上乐园为项目南侧的一个单体(图1右侧单体)。水上乐园为单层大空间结构，占地面积约7 680 m2，主柱距为 16.8 m，跨度为60 m。墙面为玻璃幕墙和砌体围护体系，固定屋盖部位屋面采用采光玻璃和金属屋面围护体系，活动屋盖第二开间和第六开间处，活动屋盖对称因结构的采用聚碳酸酯板。

开合屋盖开口尺寸为14.8 m×30.6 m。项目整体效果如图1所示，开合区域如图2所示。

图1 项目整体效果

图2 建成后现场照片(开合区域)

表1列出了本工程的荷载信息。建筑所处地区抗震设防烈度为6度，设计地震基本加速度为0.05g。建筑室内外温差为±20 ℃。

表1 模拟台车边界条件

基于以上建筑条件，本方案固定屋盖可供选择的结构形式有架、桁架、桁架+网壳，各种可选的结构形式如图3所示。

a—四角锥网架结构；b—正交平面桁架结构；c—立体钢桁架+网壳组合结构。图3 固定屋盖可选结构形式

根据业主和设计需求，结合国内类似已有工程如：成都天堂岛海洋乐园中央游艺区、绍兴金沙·东方山水主题公园游乐场馆和青岛海上嘉年华淡水浴场等已建工程的经验，固定屋盖的结构形式最终选用“立体钢桁架+网壳”结构形式。

初步设计活动屋盖时，将活动屋盖单独建模，同时用单根杆件模拟台车，三维模型如图4所示。

图4 活动屋盖三维模型

分别采用4种不同边界条件(表2)对此活动屋盖进行模拟分析。

表2 模拟台车边界条件

经过计算分析，得出各模型计算结果如表3所示。

表3 不同边界条件各模型计算结果

注：Zmax为竖向位移最大值，负号表示方向向下；σmax为应力比；Nmax为台车轴向压力；Vmax为台车剪力。

根据表2、表3的模型对比结果可知：

1)边界①与其他3种边界条件竖向变形相比差别较大，建议考虑活动屋盖支承结构的刚度。

2)边界③固定屋盖竖向刚度计算发现，固定屋盖中部刚度一般在10～20 kN/mm之间。

3)台车支座竖向刚度对活动屋盖竖向变形、活动屋盖应力比、台车内力影响较小，在30%以内，且台车支座竖向刚度无穷大时，台车内力最大；在方案设计阶段，可使用边界②进行简化计算，提取内力设计机械台车和固定屋盖。

由于活动屋盖在使用过程中可以处于全开、全闭以及运行过程等多种位置，因而需要对活动屋盖处于不同位置时的工况进行分析，以保证结构安全。

屋盖开合分为全闭状态、全开状态、半开状态、1/4开启状态、3/4开启状态共计5个状态。三维模型如图5所示。

a—全闭状态；b—全开状态；c—半开状态；d—1/4开启状态；e—3/4开启状态。图5 开合屋盖设计状态

4.2.1周 期

统计各状态周期如表4所示。

表4 不同开合状态下结构周期统计

4.2.2柱脚反力

统计各状态柱脚反力如表5所示。

表5 不同开合状态下柱脚反力统计kN

注：全闭和全开为基本组合包络值，开合过程中的反力为标准组合包络值。

4.2.3台车内力

统计各状态台车内力如表6所示。

表6 不同开合状态下台车内力统计kN

注：全闭和全开为基本组合包络值，开合过程中的反力为标准组合包络值。

4.2.4应力比

图6给出了开合屋盖各状态下的应力比。

4.2.5结构变形

统计各状态结构变形如表7所示。

表7 不同开合状态下结构变形统计mm

4.2.6结果分析

根据表4～表7结合图6结果，可以得出如下结论：1)不同开合状态下，对固定屋盖和活动屋盖而言，周期(表4)、柱脚反力(表5)、结构变形(表7)，均为全闭时最不利。2)不同开合状态下，活动屋盖下部台车的内力(表6)，全开时最不利。3)以上各种结果相差均较小，周期接近，应力比(图6)趋势一致。分析原因：1)全闭时，活动屋盖位于固定屋盖变形最大位置。2)全开时，台车位于刚度较大位置，台车下部固定屋盖变形较小，因此台车内力会大于其他状态。3)活动屋盖占整个屋盖比例较小，且活动屋盖使用了轻质围护材料，对固定屋盖影响较小。

a—全闭状态(应力比0.78)；b—全开状态(应力比0.80)；c—半开状态(应力比0.80)；d—1/4开启状态(应力比0.80)；e—3/4开启状态(应力比0.80)。图6 各状态应力比

对于钢结构工程来说，防腐设计非常重要，防腐设计的好坏直接决定钢构件维护年限的长短，进而影响钢构件的承载力，关系到整个结构的安全。鉴于该屋盖是在空气湿度较高的环境中使用，氯离子较多，比常规室内结构的防腐要求更高。结合规范及同业主、建筑设计沟通，最终采用防腐方案见表8。

表8 防腐设计

水上乐园桁架施工采用1 500 kN履带吊进入场地内部，采用“分段+分块”的吊装方案进行现场施工，在结构内部布置一条11 m宽的履带吊吊装行走路线，该路线采用200 mm碎石铺设，上部浇筑200 mm厚混凝土。在场外沿结构外南侧和东侧布置宽11 m的碎石混凝土施工道路，满足材料运输。在场内道路北侧和结构东侧共布置三块临时拼装堆放场地，场地满足两榀桁架间的构件拼装堆放。水上乐园钢结构施工阶段现场布置如图7所示。

图7 水上乐园钢结构施工阶段现场布置

水上乐园网壳采用分块吊装方式进行施工，由于网壳两端与主桁架上弦杆连接均为相贯口连接(相贯口存在使得网壳长度大于两榀主桁架之间净间距)，使得网壳安装比较困难。为保证网壳分段的顺利安装，将分块吊装网壳与主桁架连接的一端按相关规范要求在500 mm处断开，断开的500 mm网壳弦杆采用后补杆的方式施工。同时为保证网壳施工时，吊机能够及早松钩，提高吊机利用效率，在网壳后补杆端部设置临时固定措施，将吊装的网壳与主桁架临时固定，临时固定措施如图8所示。

图8 网壳后补杆端部临时固定措施示意

水上乐园活动屋盖安装时，因活动屋盖相关机械采购周期较长，活动屋盖下部的支承台车不能随钢结构一起安装，故钢结构安装时采用临时支撑固定活动屋盖，并预留台车安装空间。每个活动屋盖在轨道上共设置8个临时支撑，每侧4个；临时支撑通过瓦片与活动屋盖上弦杆连接，下部通过支撑管支于轨道上。活动屋盖临时支撑如图9所示。

图9 活动屋盖临时支撑措施示意

经过以上3个施工步骤，钢结构主体安装完成。

通过对浙江境内某一水上乐园开合屋盖的设计和施工过程的具体分析比较，得出了如下几点建议：

1)对于水上乐园要求屋面通透型建筑，宜优先选用“立体钢桁架+网壳”结构形式。

2)活动屋盖围护结构宜选取轻质材料。

3)在方案设计阶段，活动屋盖设计可采用台车轴向刚度无穷大的边界条件进行简化计算，提取内力设计机械台车和固定屋盖。

4)对于小型轻质围护活动屋盖的常规开合屋盖，可仅选取全闭和全开状态进行设计，活动屋盖是运动的，杆件布置尽可能对称均匀，不宜采用优选的方法进行布置。

5)活动屋盖施工时，一般采取临时支撑进行固定，后续再安装机械台车。

6)水上乐园为重度腐蚀环境，防腐设计需引起重视。

来源：江涛, 冯晓东, 刘中华, 等. 某水上乐园开合屋盖的一体化设计施工[J]. 钢结构, 2019, 34(7): 85-89.

doi: 10.13206/j.gjg201907017