于家堡国际金融会议中心开合屋盖机械驱动系统设计与施工技术

鲁文博　王建勋　邓伟平　郭亮亮　宋衢

摘 要：本文就天津国际金融会议中心网球场和游泳场开合屋盖机械驱动系统进行了简要介绍。机械控制系统主要包括：承载轨道系统、支撑行走机构、驱动及传动系统、缓冲及制动装置、电气控制系统以及视频监控系统等几大部分。活动屋盖是采用多点支撑的超静定结构，作用于活动屋盖的荷载通过支撑行走机构（台车）传递至固定钢结构体系。活动屋盖的开合动力是来源于分布在其两侧的驱动组件，采用闭环控制算法实现驱动组件的同步运行，从而保证活动屋盖的稳定、可靠开合。

关键词：开合屋盖；机械驱动系统；同步控制

中图分类号：TU758.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0054-02

于家堡国际金融会议中心，位于天津市滨海新区于家堡金融区起步区03-04地块，建筑面积193000平米，地下2层，地上12层，建筑高度60米。12层屋顶为带有可启钢屋盖的网球场和游泳场，其中，北侧场馆为游泳场，南侧场馆为网球场。网球场和游泳场结构形式相同，互为对称的结构，每个场馆的投影面积约为600m2，可开启面积（水平面内投影）约为280m2。项目建筑效果如图1所示。

开合屋盖由固定屋盖、活动屋盖、开合机械控制系统等部分组成。本项目开合屋盖采用了链传动的驱动方式，驱动减速电机（含链轮）固定连接在固定屋盖的两侧边梁上，链条与活动屋盖固定连接，依靠链轮与链条的啮合实现开合动力的传递。每片活动屋盖由8台台车支撑，活动屋盖的自重荷载以及其他的结构荷载（风荷载、雪荷载、温度荷载等）通过台车经由轨道传递到固定屋盖；每片活动屋盖设置有两套独立的驱动装置，通过电气控制系统实现活动屋盖在两条平行的弧形轨道上同步开合。此外，还设置有制动装置、视频监控系统等，以确保系统运行的可靠性、安全性。

1 主要技术参数及性能指标

使用状态：全开启，半开启，全闭状态；

驱动装置设计使用年限：25年；

控制系统设计使用年限：10年；

正常开合移动线速度：3m/min（可无级变速）；

控制方式：自动开合，手动开合，并可实现两种操作模式之间的自由切换；

传动系统形式：链轮链条；

最大开启和闭合循环次数（次/年）：不小于200次/年。

2 机械驱动系统设计

2.1 机械系统设计

机械系统主要包括：承载轨道系统、支撑行走机构、驱动及传动系统、缓冲及制动装置等几大部分，如图2所示。

2.1.1 机械系统主要组成部分

承载轨道系统：主要由弧形轨道、压块组件、轨道垫板组成。其中，轨道垫板焊接在固定屋盖钢结构边梁上，垫板上设计有安装螺纹孔，弧线轨道通过轨道压块以高强度螺栓固定联接在轨道垫板上，从而实现轨道与固定屋盖的可靠联接。

驱动系统：主要包括三合一减速电机、带阻尼自适应调整和限位装置、安装支架等。三合一减速电机是由电机、齿轮变速箱、常闭制动器组成的整体，结构紧凑，安装方便。在减速电机的输出端安装有链轮，为整个活动屋盖的开合提供原始驱动力；减速电机输出端的另外一侧，配置有高分辨率绝对值多圈旋转编码器，用于实时检测和反馈活动屋盖的位置，实现驱动系统的闭环控制。

传动系统：是指短节距三排套筒滚子链及附属安装辅件。链条通过高强度螺栓固定于弧线形链条安装支架上，然后再将链条安装支架联接到活动屋盖边梁上。通过驱动链轮与链条的啮合实现活动屋盖沿弧线轨道的平移开合。

支撑行走机构：每片活动屋盖由8台台车支撑，其中四台为行走反钩台车，其余四台为行走导向台车，台车呈对称分布，将活动屋顶载荷均匀传递至轨道实现载荷平衡，并沿轨道行走。

导向限位及安全缓冲系统：导向限位组件是为了确保传动链轮和链条的良好啮合；中间缓冲器组件、端面缓冲器组件是为了确保整个结构的安全。

2.1.2 机械系统的匹配性设计

本项目钢结构体量不大，但结构形式较为复杂。固定屋盖和活动屋盖主体结构为矩形管截面空间桁架，还设置有拉杆和预应力钢绞线拉索；并且，活动屋盖开合移动的轨迹为弧线，两片活动屋盖位置关系不对称。

在固定屋盖弧形边梁上布置轨道，合理的利用有效的空间；活动屋盖由不带动力的台车进行支撑，台车结构简单紧凑，并具备导向和防风吸倾覆功能；活动屋盖的开合动力由固定的（与固定屋盖联接）驱动装置提供，依靠联接于活动屋盖上的链条及驱动装置上链轮的啮合实现动力传递。另外，为确保系统的安全，设置有常闭的辅助夹轨制动装置，与驱动电机上自带的电磁制动器互为冗余；开合行程末端布置限位缓冲装置。

在不同的工况，不同的受力状态及运动状态下，固定屋盖（活动屋盖运行轨道）与活动屋盖的变形不一致；同时，加工制造及安装施工中均存在偏差。这样，链轮与链条会存在有啮合不顺畅、侧向负载偏大等，有时甚至会发生卡滞的现象。为适应活动屋盖与固定屋盖的竖向、侧向变形差，有效的消除施工误差带来的影响，驱动组件采用了带阻尼自适应装置，结构形式如图3所示。驱动电机及安装支架一体与固定屋盖之间为带阻尼浮动联接；同时，与活动屋盖边梁固定联接的弧形链条安装支架一侧（内圆弧上）布置链条和驅动链轮，另外一侧（外圆弧上）布置限位平衡轮，这样，可以保证链轮和链条的可靠啮合，竖向的偏差得到实时补偿。链轮与减速电机输出轴采用可动花键联接，在传递扭矩的同时可实现链轮与输出轴的侧向相对滑移，以补偿侧向偏差。于是，整个驱动装置像是附着在链条组件上一样，在活动屋盖与固定屋盖有较大变形差时，链传动装置仍然能保持良好的啮合，确保屋盖的正常开合以及停止状态时的啮合锁定。

2.2 电气系统设计

2.2.1 电气控制系统结构

电气控制系统拓扑结构如图4所示，设有一个控制中心（主站），每片屋盖左右两侧各设一个驱动装置（从站）。主站及驱动从站控制单元均采用西门子可编程控制器（PLC）。每套驱动装置上各装有一个计量编码器，都支持PROFINET总线协议。控制中心（主站）、驱动从站以及计量编码器之间，通过西门子PROFINET专用网线，采用星型连接的方式，组成系统的控制网络。控制中心分析、处理所有反馈信号，实时调整屋盖的空间姿态，保证屋盖同步、平稳、安全运行。

2.2.2 單片活动屋盖同步控制

减速电机采用变频器来驱动，可实现无级调速，并用编码器来检测屋盖两侧链条的移动位置，实时反馈给控制中心，控制中心PLC根据两侧驱动装置的反馈信息，利用内部PID控制器来控制单片活动屋盖两侧的同步运行。图5为单片活动屋盖闭环控制系统原理方框图。

3 机械控制系统施工

3.1 总体施工安装流程

钢结构自身的大变形和机械设备的高精度要求是开合屋盖建筑结构中需重点处理的问题，在设计、分析计算阶段以及施工阶段都必须采取切实可行的方案和手段。机械设备以及电气控制系统的安装施工与土建、钢结构、屋面维护系统的施工交叉作业，需结合结构特点，遵循合理的顺序。本项目中，主要设备安装顺序为：轨道—台车—缓冲器—链传动装置—驱动系统—夹轨制动器—电气控制系统。

3.2 施工关键控制点

3.2.1 轨道安装精度控制

本项目中，采用了弧形轨道，轨道的安装精度控制十分关键，影响到后续设备的安装以及整个体系运行的平稳。轨道安装精度控制主要着眼于两方面：单侧轨道的弧度、直线度；单片活动屋盖两侧轨道的跨距精度及一致性。

轨道安装流程如下：首先，对固定屋盖边梁（轨道安装基础）标高进行分段和整体复测验收；调整并确认无误后，找点放样轨道安装基准线，精确调整和确认轨道各处支撑垫板标高；初步定位并临时紧固，利用水准仪、经纬仪在轨道打点测量，并根据测量数据调整；轨道最终紧固，复测和局部微调。

3.2.2 驱动及传动系统安装精度控制

链轮链条传动系统精度要求高，为确保安装精度，降低现场施工难度，将弧形链条支座构件在工厂内分段加工制作，链条和链条支座在工厂内分段装配完成。而相邻的两段在工厂内进行预装配，并组配加工定位销孔，以联接板联接，然后拆开运抵现场。在现场施工时，找正第一分段与活动屋盖的位置关系，后续分段以第一分段为基准进行安装，并保证竖向位置尺寸要求。

传动链条组件安装完成后，再进行驱动系统组件的安装。保证驱动组件上的链轮和链条处于良好啮合的状态，通过调节垫板调整和保证驱动组件的竖向安装位置；通过调整驱动组件与链条的侧向相对位置，使链轮处于滑动联接处中心，以确保链轮双向（侧向）滑移量的均衡。

4 结语

于家堡国际金融会议中心开合屋盖，在安装施工完成后，进行全面的电气联动调试和试运行，机械系统各项性能指标均达到预期要求。该项目中，将一种独特的开式链传动机构引入开合屋盖建筑结构，并且采用了带阻尼自适应驱动装置，这些都是大胆的技术创新举措。实践表明，设计的开合机械动力系统能很好适用于该种类型的建筑结构体系。

参考文献

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