落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室

研究背景

日光溫室是我國特有的栽培設(shè)施，是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要載體。我國溫室設(shè)施面積超過205.84萬hm2，在保供給、促增收等方面做出巨大貢獻(xiàn)。近年來，遼寧設(shè)施農(nóng)業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，設(shè)施總面積39.94萬hm2，居全國前列，尤其是日光溫室面積25.84萬hm2更是居全國首位，為增加農(nóng)民收入、農(nóng)村穩(wěn)定、促進(jìn)農(nóng)民就業(yè)起到了積極作用。從20世紀(jì)五六十年代到現(xiàn)在，日光溫室發(fā)展經(jīng)歷了由簡易設(shè)施到原始節(jié)能日光溫室，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了以鞍II型為代表的第一代節(jié)能日光溫室、遼沈I型為代表的第二代節(jié)能日光溫室，這些溫室改進(jìn)主要集中在對(duì)采光曲面的優(yōu)化、墻體材料及骨架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等方面。目前采光曲面的優(yōu)化理論與實(shí)踐已十分成熟；墻體由土、磚、石的單一材料，向復(fù)合異質(zhì)墻體（如聚苯板夾心墻體）轉(zhuǎn)變，大大改善了墻體的保溫、蓄熱性能；骨架結(jié)構(gòu)由竹木、有支柱結(jié)構(gòu)逐漸被無支柱的鋼桁架結(jié)構(gòu)所代替，承載能力、耐久年限、抵御自然災(zāi)害能力明顯提高。然而從根本上講，日光溫室并沒有實(shí)質(zhì)意義的發(fā)展：南坡面采光、永久的圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體和后坡，依靠南坡面骨架、墻體承重，同時(shí)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體材料保溫、蓄熱。

從日光溫室應(yīng)用情況來看，目前廣泛采用的土筑墻溫室對(duì)土壤耕作層破壞嚴(yán)重且極難恢復(fù)，地面下臥易產(chǎn)生內(nèi)澇、土墻體易坍塌、穩(wěn)定性差、承載能力差；磚石結(jié)構(gòu)日光溫室建造成本高、一次性投入大，建設(shè)過程產(chǎn)生不可再生建筑垃圾等，也存在對(duì)土地的破壞問題。同時(shí)普遍存在溫室施工周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝隨意性大、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題。

本研究結(jié)合主持單位承擔(dān)的農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)“適合西北非耕地園藝作物栽培的溫室結(jié)構(gòu)與建造技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化示范”（201203002）等項(xiàng)目，從日光溫室骨架結(jié)構(gòu)入手，完成不同跨度落地裝配式全鋼骨架的優(yōu)化設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，解決承載能力問題；采用新型的保溫、蓄熱結(jié)構(gòu)，摒棄磚石材料，最大可能不破壞土壤層，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；最終達(dá)到結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、建設(shè)裝配化。

落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室

落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室設(shè)計(jì)

日光溫室用落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工速度快，能拆卸并重新安裝，重復(fù)利用；承載能力、抵抗變形能力強(qiáng)；在溫室高濕環(huán)境下不銹蝕，耐久性好。

落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)包括前坡面骨架、后立柱、連接件及縱向系桿，見圖1；前坡面及后立柱骨架采用軋制成型的異型鋼管?？v向系桿采用軋制成型的鋼管，骨架與系桿通過連接件連接。異型鋼管橫截面形狀為上、下呈弧形，兩側(cè)為直線銜接，見圖2。異型鋼管內(nèi)外表面熱浸鍍鋅層。骨架與系桿之間的連接件為連接在骨架上的預(yù)埋件，通過螺栓或銷栓連接骨架與系桿，見圖3～5。

設(shè)計(jì)實(shí)例

該溫室跨度8.3 m，脊高3.8 m，剖面見圖6。各部位材料形狀規(guī)格見表1。外維護(hù)結(jié)構(gòu)采用稻草磚，兼作保溫層，溫室后部1.0～1.5 m高度范圍內(nèi)可根據(jù)需要培土，以加強(qiáng)保溫。該示范溫室于2011年建成，主要用于草莓生產(chǎn)，見圖7。

落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室骨架性能試驗(yàn)

通過吊沙袋模擬集中荷載；通過鋪草苫模擬均布荷載，測(cè)定預(yù)期使用荷載作用下前龍骨最大豎向位移、后龍骨頂點(diǎn)最大水平位移及龍骨各節(jié)點(diǎn)處局部變形現(xiàn)象。

破壞試驗(yàn)結(jié)果：集中荷載25 kg/個(gè)×3、均布荷載21.5 kg/m2，骨架間距0.9 m，折合作用在骨架上的荷載為28.73 kg/m，即281.5 N/m。

采用的異型截面設(shè)計(jì)，其平面內(nèi)外剛度、強(qiáng)度適宜；優(yōu)化的溫室骨架結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能；承載能力達(dá)到0.3 kN/m，可以抵御15年一遇的風(fēng)雪荷載。

經(jīng)濟(jì)性分析

以遼沈Ⅳ型10.0 m日光溫室為對(duì)照，對(duì)鋼平面桁架、落地裝配式全鋼骨架，采用費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值對(duì)新型日光溫室進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

遼沈Ⅳ型10.0 m日光溫室平面見圖8，剖面見圖9，細(xì)部構(gòu)造略。

以建筑面積750 m2（凈栽培面積667 m2）日光溫室為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。遼沈Ⅳ型10.0 m

日光溫室（含工作間）土建造價(jià)為265.44元/m2，合計(jì)206513.63元，為消除不同結(jié)構(gòu)日光溫室差異，在經(jīng)濟(jì)性分析是只考慮骨架部分造價(jià)，見表2。遼沈Ⅳ型10.0 m日光溫室鋼桁架總造價(jià)51706.36元，折合每榀骨架646.33元（68.94元/m2）。骨架造價(jià)占總造價(jià)的25.0%。

落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室工程造價(jià)109276.00元，其中骨架結(jié)構(gòu)部分（含系桿、地梁等）總造價(jià)51276.00元，折合每榀骨架643.20元，見表3。骨架造價(jià)占總造價(jià)的47.1%。

綜合評(píng)價(jià)?？紤]不同結(jié)構(gòu)日光溫室骨架的初期投資費(fèi)用及每年投入的費(fèi)用主要為骨架結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)，日光溫室使用年限按20年計(jì)算，年利率按10%計(jì)算，費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值分別按總造價(jià)、骨架造價(jià)計(jì)算，落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室的費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值比遼沈Ⅳ型10.0 m日光溫室低40.5%和33.6%。

落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室總用鋼量僅為桁架結(jié)構(gòu)的57%，同時(shí)節(jié)省了墻體材料的投入，總體造價(jià)僅為鋼桁架、磚墻溫室的52.9%。不含工作間其造價(jià)僅為鋼桁架、磚墻溫室的34.5%。

結(jié)論

“落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室”從日光溫室骨架結(jié)構(gòu)入手，解決承載能力問題；采用新型的保溫、蓄熱結(jié)構(gòu)，摒棄磚石材料，最大可能不破壞土壤層，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、建設(shè)裝配化。

前坡面采用兩段圓弧設(shè)計(jì)，提高采光的同時(shí)，也很好的解決了骨架結(jié)構(gòu)的制作問題。

異型骨架截面設(shè)計(jì)、用鋼量低。采用的異型截面設(shè)計(jì)，其平面內(nèi)外剛度、強(qiáng)度適宜；優(yōu)化的溫室骨架結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能；承載能力達(dá)到0.3 kN/m，可以抵御15年一遇的風(fēng)雪荷載。落地裝配式全鋼骨架結(jié)構(gòu)日光溫室總用鋼量僅為桁架結(jié)構(gòu)的57%，同時(shí)節(jié)省了墻體材料的投入，總體造價(jià)僅為鋼桁架、磚墻溫室的34.5%。

安裝簡易、拆卸方便。結(jié)構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工速度快，能拆卸并重新安裝，棚室可根據(jù)需要移動(dòng)位置重建，重復(fù)利用；采用骨架整體熱鍍鋅技術(shù)，在溫室高濕環(huán)境下不易銹蝕，耐久性好。

項(xiàng)目支持：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研項(xiàng)目（201203002）。

作者簡介：白義奎（1968 -），男，教授，從事設(shè)施環(huán)境工程研究。