一種新型陽光蔬菜工廠C系列919溫室

李 波

（山東啟迪農業(yè)科技股份有限公司/壽光市設施農業(yè)技術研究院，山東 壽光 262700）

日光溫室是我國北方地區(qū)蔬菜產業(yè)發(fā)展的重要設施，具有塑料大棚和加溫溫室所不具備的諸多優(yōu)點，在北方越冬蔬菜生產中發(fā)揮著重要的作用。我國日光溫室發(fā)展可以分為初創(chuàng)時期、大規(guī)模發(fā)展初期、全面提升與發(fā)展期和現代化發(fā)展期4個階段。在初創(chuàng)時期日光溫室主要是土木結構玻璃溫室，山墻和后墻用土壘成或用草泥垛成，后屋面用柁和檁構成屋架，柁下用柱支撐，3 m為1個柁，即3 m為1個開間；屋架上用秫秸稈和草泥覆蓋，前屋面用玻璃覆蓋，晚間用紙被、草苫保溫，這種生產方式從20世紀初期一直延續(xù)到20世紀80年代初期。自20世紀80年代初期至末期，是日光溫室大規(guī)模發(fā)展時期，這一時期的日光溫室結構主要采用竹木結構，拱圓形或一坡一立式，典型結構有海城感王式、瓦房店琴弦式和鞍型日光溫室，日光溫室前屋面覆蓋材料開始由玻璃改為塑料薄膜，其中海城感王式和鞍型日光溫室被稱為第1代普通型日光溫室。全面提升與發(fā)展期起始于20世紀90年代，直到21世紀初期，這一時期大面積推廣第1代和第2代節(jié)能型日光溫室，其中前期大面積推廣了以瓦房店琴弦式為代表的第1代節(jié)能型日光溫室，各地在這種類型的基礎上研發(fā)出其他適于當地的類型；后期大面積推廣了以遼沈為代表的第2代節(jié)能型日光溫室，同樣各地在這種類型的基礎上研發(fā)出其他適于當地的類型。進入21世紀，隨著物聯網、大數據、人工智能等新科技的發(fā)展，溫室大棚也凸顯出智能化、數字化的特色，智能溫室、大跨度溫室、裝配式溫室逐漸成為現代溫室的主流，也推動了我國設施農業(yè)工廠化、標準化、規(guī)?；?、品質化的發(fā)展。

C919裝配式冬暖式溫室適應我國設施農業(yè)由碎片化向規(guī)?；藴驶?、機械化、智能化方向發(fā)展的趨勢，是由山東啟迪農業(yè)科技股份有限公司董事長李波率領團隊潛心研發(fā)的一種新型裝配式冬暖式溫室。該冬暖式溫室斷面為“C”字型，高度9 m，前坡面寬度19 m，后坡面寬度9 m，所以定名“C919”冬暖式溫室。該溫室結構體為冬暖式、無外保溫、全天候智能控制溫室，建設內容包括陽光蔬菜工廠鋼鋁結構、覆蓋材料、自然通風系統(tǒng)、內遮陽系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、霧化風機降溫系統(tǒng)、循環(huán)風扇、滴灌施肥系統(tǒng)、移動苗床、加溫系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)（溫控、光控、水肥一體、遠程視頻等），適用于我國高寒（－40 ℃以內）及長江流域以南多雨地區(qū)，可使日照時數2 000 h以上、有效積溫1 200 h以上地段實現全日光能源種植。

裝配式鋼結構冬暖式日光溫室填補了高寒（－40 ℃以內）及長江流域以南多雨地區(qū)大跨度、裝配式、全日光能源溫室的空白，設計壽命50年。

1 溫室建造要求

C919日光溫室的設計理念為：科學、實用，堅持提高土地資源使用率、節(jié)能、節(jié)水、高效，結構用材以及設備選購先進、可靠、適用。采用大角度、全時段采光，外高阻、內高儲原理；配套使用機械化種植、自動植保裝備，實現全日光能源種植。C919日光溫室對建造模型、鋼材料選擇、荷載要求、荷載組合及穩(wěn)定性等有嚴格要求。

1.1 溫室建造模型

根據項目所給圖紙進行優(yōu)化設計，建立有限元模型，溫室采用高強度不銹鋼BFS600材料，頂部為窗式電動通風，雙膜內保溫，跨度28 m、長度120 m、室內最高處9 m，室內面積3 360 m（圖1）。螺旋樁位置支座采取固結處理，底梁置于地面，與地面只有壓力，采用只壓支撐及鋼絞線與地面連接位置鉸接處理，且安裝時要張緊。

圖1 溫室建造模型

1.2 鋼材料選擇

主副桁架和立柱采用BFS600高強鋼，屈服強度600 MPa，抗拉強度1 100 MPa，彈性模量E＝2.06×105MPa，泊松比υ＝0.3，密度為7 850 kg/m3；立柱拉桿采用Q235B低碳鋼，鋼絞線采用公稱抗拉強度為1 270 MPa鋼絞線，最小破斷拉力43.66 kN。

1.3 荷載要求

在自重、吊裝荷載和風荷載組合情況下，結構最大應力需滿足強度要求，結構構件穩(wěn)定性需要滿足設計要求。在風荷載作用下，結構變形主要發(fā)生在主桁架局部位置，滿足整體使用需要。最大支反力發(fā)生在雙桁架底部，內側受壓84.5 kN，外側受拉84.23 kN，這可為基礎設計提供依據。

1.3.1 外棚荷載

自重：恒荷載，采用1倍自重荷載，由軟件自動施加；風荷載，根據《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》，風荷載標準值按下式計算：

式中：wk——風荷載標準值（kN/m2）；μs——風荷載體形系數；μz——風壓高度變化系數，取0.97；w0——基本風壓，取0.35 kN/m2。

根據規(guī)范，大棚體形系數取值：0°方向風荷載下，取＋0.36、－0.8、－0.5，90°方向風荷載下，山墻?。?.7、－0.3，屋面取－0.3；wk1＝0.36×0.97×0.35＝0.12 kN/m2，折算成線荷載為0.12×1.2＝0.144 kN/m；wk2＝－0.8×0.97×0.35＝0.27 kN/m2，折算成線荷載為0.27×1.2＝0.324 kN/m；wk3＝0.5×0.97×0.35＝0.17 kN/m2，折算成線荷載為0.17×1.2＝0.2 kN/m。

1.3.2 內棚荷載

自重：恒荷載，采用1倍自重荷載，由軟件自動施加；吊掛荷載：活荷載，取0.18 kN/m2。

1.4 荷載組合

荷載工況1：γ0×（1.0×G＋1.2×Q）；荷載工況2：γ0×（1.0×G＋1.0×Qw＋1.2×0.7×Q）；荷載工況3：1.0×G＋1.0×Qw＋1.0×0.7×Q；

式中：G——永久荷載；Q——可變荷載；Qw——風荷載；γ0——結構重要性系數，取0.9。

1.4.1 承載能力極限狀態(tài)

（1）荷載工況1為無風時，自重和吊掛荷載共同作用的荷載組合，最大應力為409 MPa（＜600 MPa），發(fā)生在副桁架位置，滿足要求，最大支反力為16.89 kN。

（2）荷載工況2為自重、吊掛荷載和風荷載共同作用，風荷載起控制作用，包括風從左側吹來和右側吹來2種情況。

A：左側風向工況下，最大應力為331 MPa（＜600 MPa），發(fā)生在主桁架位置，滿足要求，最大支反力為84.5 kN和－84.23 kN，發(fā)生在雙桁架底部。

B：右側風向工況下，最大應力為360 MPa（＜600 MPa），發(fā)生在桁架間連接梁位置，滿足要求，最大支反力為35.2 kN和－37.8 kN，發(fā)生在雙桁架底部。

1.4.2 正常使用極限狀態(tài)

荷載工況3為恒荷載、活荷載和風荷載標準組合進行撓度驗算。

荷載工況3為自重、吊掛荷載和風荷載共同作用，采用標準組合驗算結構變形，包括風從左側吹來和右側吹來2種情況。

A：左側風向工況下，荷載、變形最大X向位移為15.7 mm，Y向位移為83.35 mm，Z向位移為84.45 mm，發(fā)生在局部主桁架位置。

B：右側風向工況下，荷載、變形最大X向位移為11.2 mm，Y向位移為-75.3 mm，Z向位移為63 mm，發(fā)生在局部主桁架位置。

2 溫室優(yōu)勢

溫室的優(yōu)勢主要表現在采用五防設計，具有土地利用率高、建設周期短、設計壽命長、材料環(huán)保、建設成本使用周期費用攤銷低、運營維護成本低、機械作業(yè)用工少等優(yōu)點，填補了高寒（－40 ℃以內）及長江流域以南多雨地區(qū)大跨度、裝配式、全日光能源溫室的空白。具體而言：（1）五防設計：防臺風、防雨、防雪、防低溫、防高溫。（2）土地利用率高：標準C919溫室跨度28 m、長度120 m、室內最高處9 m，室內種植面積3 360 m2；單體凈占地面積3 434 m2，土地利用率75%左右，是土墻溫室（土地利用率50%以內）的1.5倍。（3）建設周期短：C919溫室66.67 hm2（1 000畝）園區(qū)建設周期90 d，土墻溫室66.67 hm2（1 000畝）園區(qū)建設周期300 d以上。（4）設計壽命長：C919溫室設計壽命50年，土墻溫室設計壽命15年。（5）環(huán)保材料：C919溫室骨架采用寶鋼BFS 600高強不銹鋼，強度高（Q195鍍鋅碳鋼的3倍以上）用料少、不銹鋼材質壽命長；土墻溫室骨架采用Q195鍍鋅碳鋼，使用過程中容易腐蝕損壞、壽命短。（6）全天候施工：C919溫室基礎采用鋼制螺旋樁，全裝配化，冬雨季不影響施工；（7）全天候全區(qū)域種植：C919溫室采用雙膜內保溫、頂置側通風系統(tǒng)及地面對流側通風系統(tǒng)設計，夏天不熱（比傳統(tǒng)冬暖式溫室低2～3 ℃），適應長江流域以南多雨地區(qū)，填補了江南無冬暖式溫室的空白；冬天不不冷（比傳統(tǒng)冬暖式溫室高3～5℃），解決了高寒地區(qū)冬暖式溫室需供暖、增加能耗費的問題。（8）不破壞種植層：C919溫室不需要開挖土層筑墻，不破壞種植層，土墻溫室則無法避免。（9）建設成本使用周期費用攤銷少：C919溫室使用周期攤銷費用是土墻溫室的70%。（10）運營維護成本低：C919溫室骨架采用BFS 600高強不銹鋼，不生銹，沒有節(jié)點腐蝕，維護費用是土墻溫室的50%。（11）機械作業(yè)人工用少：C919溫室空間高，跨度大，機械作業(yè)達到70%，減少人工60%以上。（12）全部標準化設計：整體結構荷載及采光系統(tǒng)由寶鋼團隊提供支持，采用大型有限元計算軟件MIDAS/gen2018進行建模計算，所建模型與實際情況基本一致，按照50年一遇自然災害設計，內保溫技術采光保溫性能提高30%以上，荷載安全性提高50%以上。

3 溫室應用案例

遼寧西豐C919裝配式冬暖溫室主要應用于全自動化育苗及反季節(jié)高品質果蔬的種植，目前在山東壽光集成園區(qū)及遼寧西豐已建成育種溫室，可實現全自動化苗床配置和機械化作業(yè)。溫室面積3 360 m2，滾動苗床土地利用率為83%，育苗面積2 788.8 m2，每平方米放72穴苗盤6個，育苗量432株/m2（6個/m2），溫室單次總育苗量可達到120萬株，年育苗次數4次，年產值約480萬元，預估利潤近100萬元。