开合屋盖的应用面非常广阔,小到别墅、停车库、天文台,大到体育场、机场、桥梁等。最早的开合屋盖可以追溯到古罗马废墟中的遗址,它是由Vespusian于公元70 年开始设计,于公元 82 年由 Domitian完成的柯罗西姆椭圆形大剧场,从复原图的资料看,其上部由索结构支撑的亚麻遮阳蓬可以由奴隶们负责开启,虽然其具体的覆盖程度还存在种种的推测,但可以说是开合屋盖的最早雏形。
现代,开合屋盖结构更多地被应用到了体育建筑领域。由于具有开合屋盖的体育建筑既可以不受自然界不利气候的影响,又能够保持具有自然气息的运动环境,还可以保证奥运会、世界杯等重要比赛的如期举行,所以迅速地受到了各界的青睐。开合屋盖在体育建筑中的运用现代较早地出现于1961年美国匹兹堡市民体育场(会堂),这是一个直径127m的圆形大厅,有固定座位9200个,临时座位4400个,原为用于演出歌剧的室外剧场,此后随着对室内比赛如篮球、冰球的呼声越来越高,于是加建了可开合的八瓣不锈钢屋盖,其开合方式为钢结构支撑的刚性屋盖作平行和旋转搭接开合,屋面材料为铝合金板材(图1)。
近些年,世界各国普遍对开合屋盖体育建筑产生了很大的关注,产生了多个优秀的开合屋盖体育建筑,以日本、德国、加拿大、美国所建的开合屋盖体育建筑为代表,其中日本无论在开合屋盖结构的技术方面、还是在开合屋盖建筑的数量方面都具有很大优势。1989年在加拿大多伦多建成了直径 208m 的天空穹顶(Sky Dome)体育场,是开合屋盖的代表作之一,其屋面面积3.24万m2,钢结构与屋面材料总重量达到1万t,其中可移动的三块屋盖6348t,开启一次需要 20min。加拿大多伦多天空穹顶是世界上第一座采用现代驱动技术的大型带有开闭式屋盖的体育场。其屋盖采用钢结构,跨度为205.4m,最大高度为86m,覆盖面积32374m2,天空穹顶的开闭屋盖是由4块屋盖单元组成,由水平移动与水平旋转两种开闭方式的组合而成,目前仍是世界上规模最大的开闭金属屋盖(图2).
天空穹顶体育场的成功实现掀起了建造现代大跨度开合屋盖体育馆建筑的浪潮。日本于 1993年建成了直径为 218m的福冈穹顶(Fukuoka Dome),其屋面面积约 4.5万 m2,采用钢结构和金属钛屋面,总重量1.2万t(图3)。福冈穹顶平面呈圆形,屋盖为一个一分为三的球形穹顶,由三大块钢结构屋盖组成。建筑跨度222m,比赛场内部空间直径为 200.4m,顶高 68.1m,屋面材料由高耐久性钛板铺盖而成,开口率为60%,基本覆盖了比赛场地。屋盖的开启形式分全闭0°、全开120°及半开60 °状态,并利用自锁装置使之保持在各自轨道的结构体中,可转动的两块各重4000t,开启一次需 20min。
此后各国相继上马了数十个具有开合屋盖的体育场馆,如美国的亚利桑那州菲尼克斯棒球场(1998年)、日本大分县体育场(2001年)、丰田体育场(2001年,图4)、韩国釜山世界杯体育场(2002年)等。但由于开合屋盖结构技术要求复杂、建设费用高,建设总量上仍然较少,2006年德国世界杯的12座体育场中,只有法兰克福银行体育场和沙尔克盖尔森基兴体育场采用开合屋盖。从新近建设实践看,以PTEF膜为代表柔性屋面材料由于具有自重轻、具有伸缩性、自洁性、使用安全可靠、施工速度快、造型富有时代感等优点,被大量运用在开合屋盖的活动屋盖部分(表1)。
随着欧、美、日、韩等国相继在体育建筑的开合屋盖技术上取得重大进展,我国也借着2008年北京奥运会而实现“零”的突破。然而,国内对可开合屋盖结构体系的研究尚处于理论和实践摸索阶段,小跨度的开闭屋盖结构建筑有了一定的发展,近年建成了包括南通市体育会展中心体育场、上海旗忠网球中心、杭州黄龙网球馆在内的3座较大型开合屋盖体育建筑,其中,南通市体育会展中心体育场是国内目前已建成的规模最大的开合屋盖体育建筑。
总体看来,随着综合国力的增强和体育产业的发展,开合屋盖结构在我国会有更多的应用机会,而开合屋盖体育建筑作为大型公共建筑,其设计与建设应更加科学、客观。