周博士考察拾零（七十五）大跨度保溫塑料大棚的實踐與創(chuàng)新（上）

塑料大棚是中國園藝設施中應用面積最大、適應地域最廣、造價最低的一種設施，從20世紀60年代在中國開始推廣應用以來，全國推廣面積已經(jīng)超過137萬hm2，其中工廠化生產(chǎn)的裝配式塑料大棚在中國也有30多年歷史，成為目前標準化程度最高、技術(shù)最成熟的大棚形式。

但傳統(tǒng)的裝配式鍍鋅鋼管大棚跨度多數(shù)為6、8、10 m，12、15 m跨度的大棚應用很少，20 m以上跨度的裝配式塑料大棚在生產(chǎn)中幾乎沒有，更談不上有標準化的大棚。

近年來，隨著勞動力價格的不斷上漲，設施農(nóng)業(yè)對機械化作業(yè)的需求越來越迫切。傳統(tǒng)的小跨度、低脊高、落地式塑料大棚已經(jīng)完全不能適應機械化作業(yè)的要求。此外，除了傳統(tǒng)的蔬菜種植外，一些植株高大的果樹（如冬棗、櫻桃、桃等）也開始大量在大棚中進行提早促成栽培。這些生產(chǎn)和種植要求都對加大塑料大棚的空間提出了迫切要求。

日光溫室保溫性能好、北方地區(qū)越冬生產(chǎn)能源消耗少，徹底消除了北方地區(qū)冬季蔬菜的生產(chǎn)淡季，具有良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，已經(jīng)成為了北方地區(qū)設施生產(chǎn)的主要形式和農(nóng)民增收的重要途徑。但日光溫室占地面積大、土地利用率低、機打土墻結(jié)構(gòu)溫室對土壤破壞嚴重、溫室鋼結(jié)構(gòu)加工安裝規(guī)范性差，而且室內(nèi)環(huán)境控制難度大、溫光分布不均勻、應對自然災害的能力差、機械化作業(yè)水平低。針對日光溫室結(jié)構(gòu)性能改造提升的呼聲也在不斷上漲。

將塑料大棚土地利用率高、結(jié)構(gòu)件加工和安裝標準化水平高以及日光溫室保溫節(jié)能的共同優(yōu)點結(jié)合在一起，并以實現(xiàn)機械化作業(yè)為目標，同時破解傳統(tǒng)塑料大棚和日光溫室跨度小、操作空間不足的難題，大跨度保溫塑料大棚的理念由此形成。

近年來，在日光溫室占主導地位的北方地區(qū)已經(jīng)開始了這一理念的探索和實踐，同時在傳統(tǒng)的塑料大棚優(yōu)勢區(qū)（主要在長江中下游地區(qū)），科研和生產(chǎn)者也加入了這一理念實踐者的隊伍。

該文就筆者在各地看到的不同形式的大跨度保溫大棚的形式及其配套環(huán)境控制設備做一系統(tǒng)總結(jié)和梳理，以供廣大的溫室設施研究和生產(chǎn)者借鑒，也期望該文的總結(jié)能成為國內(nèi)研究和實踐大跨度保溫大棚的一個新的起點。

保溫塑料大棚建筑形式

按照屋面建筑形式分類

傳統(tǒng)的塑料大棚按建筑形式可分為無側(cè)立墻的落地拱棚和有側(cè)立墻的直立拱棚，2種形式大棚都是以屋脊為中心線的左右對稱結(jié)構(gòu)。大跨度保溫塑料大棚也繼承了這種結(jié)構(gòu)形式，稱為對稱結(jié)構(gòu)大棚（圖1a），但同時也借鑒了傳統(tǒng)日光溫室的結(jié)構(gòu)形式，形成非對稱結(jié)構(gòu)大棚（圖1b）。

由于大棚單體建筑形式不同，在場區(qū)總平面布局中，單體大棚的布置方向也有差異。對稱結(jié)構(gòu)大棚的屋脊一般為南北向布局，而非對稱結(jié)構(gòu)大棚的屋脊是東西向布局（和傳統(tǒng)的日光溫室的布局形式完全一致）。但對稱結(jié)構(gòu)大棚，由于采用了屋面外保溫，屋脊東西走向布局，通過分別控制南北兩側(cè)屋面保溫被的啟閉也能實現(xiàn)傳統(tǒng)日光溫室的管理模式（冬季北屋面保溫被長期覆蓋，相當于傳統(tǒng)日光溫室的保溫后屋面和后墻；南屋面保溫被白天卷起夜間覆蓋，相當于傳統(tǒng)日光溫室的前屋面）。

對稱結(jié)構(gòu)大棚繼承了傳統(tǒng)塑料大棚的性能特點，屋脊南北走向布置時室內(nèi)溫光分布均勻，而且通過分別控制東西兩側(cè)保溫被還可以早晨提早打開東側(cè)保溫被搶陽，傍晚提早覆蓋東側(cè)保溫被保溫。雖然給日常管理提出了更高的要求，但如果實現(xiàn)自動化控制后，其采光和節(jié)能的效果將更優(yōu)于傳統(tǒng)的日光溫室。

按照山墻的建筑材料分類

大跨度保溫大棚按照山墻的建筑材料不同可分為土建結(jié)構(gòu)山墻和組裝鋼結(jié)構(gòu)山墻兩種形式。其中土建結(jié)構(gòu)山墻又可進一步分為機打土墻結(jié)構(gòu)山墻和磚墻結(jié)構(gòu)山墻（圖2）。

機打土墻山墻結(jié)構(gòu)大棚完全采用了機打土墻結(jié)構(gòu)日光溫室的建造形式，墻體厚度在3～5 m，墻面保護采用塑料薄膜或針刺氈、無紡布等材料覆蓋。這種墻體建造速度快、建造成本低、保溫性能好，但和機打土墻結(jié)構(gòu)日光溫室一樣墻體占地面積大、對土壤的破壞嚴重、墻體使用壽命短。

磚墻山墻結(jié)構(gòu)大棚的墻體材料可采用燒結(jié)紅機磚、蒸壓灰砂磚或空心磚等，一般厚度為240 mm或370 mm，按照保溫性能要求還可以在墻體外側(cè)增設保溫板。這種建筑做法，墻體占地面積小、建筑材料標準化程度高、使用壽命長，但相比機打土墻結(jié)構(gòu)，其墻體建造速度慢、建造成本高，保溫性能一般也比機打土墻結(jié)構(gòu)差。

不論是機打土墻結(jié)構(gòu)山墻還是磚砌結(jié)構(gòu)山墻，除了大棚屋脊南北走向的北山墻外，大棚的土建結(jié)構(gòu)山墻總是會或多或少阻擋室外陽光進入大棚，尤其是大棚屋脊南北走向布置時的南部山墻，遮光影響最大。

為了解決土建山墻給大棚內(nèi)部造成的遮光問題，生產(chǎn)實踐中創(chuàng)造了一種既保溫又透光的雙層結(jié)構(gòu)裝配式鋼結(jié)構(gòu)山墻（圖3）。屋脊南北走向布置的大棚，北側(cè)山墻采用日光溫室保溫被或其他保溫材料做山墻的圍護材料（圖3a），加強保溫；而南側(cè)山墻則用透光的塑料薄膜或中空PC板圍護，保持足夠的透光還能有良好的保溫（圖3b）。當然，對于屋脊南北走向的大棚，北側(cè)山墻也可以做成土建的山墻，可進一步降低造價，提高保溫性能。

對裝配式鋼結(jié)構(gòu)山墻，除了提高圍護材料自身的保溫性能外，合理設計雙層結(jié)構(gòu)也是加強保溫的重要措施（圖3c、圖3d）。雙層結(jié)構(gòu)可通過增加空氣隔熱層來提高墻體的整體保溫性能。從傳熱理論來分析，雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空氣處于干燥、靜止狀態(tài)時的隔熱性能最好（一般保持空氣處于靜止狀態(tài)，要求空氣間層的空間尺寸應小于25 cm），但為了墻體結(jié)構(gòu)和圍護材料施工安裝方便，生產(chǎn)實踐中雙層結(jié)構(gòu)之間的間距多在1 m左右，這樣大的空氣間層，實際上其內(nèi)部空氣對流強度是很大的，雖然也有良好的保溫性能，但距離靜止絕熱空氣的要求還有很大距離，為此，北側(cè)山墻可采用非透光保溫材料，進一步增強其保溫性能，而南側(cè)山墻則可以采用活動式內(nèi)保溫幕等方式，白天卷起避免遮光，夜間展開增強保溫，可獲得采光和保溫二者兼得的效果。此外，合理安排雙層結(jié)構(gòu)的空間，還可以用于存放農(nóng)資和農(nóng)具，既減少空氣流通空間，又增加了輔助生產(chǎn)設施的面積，并充分利用了空間。

大跨度保溫塑料大棚的門斗設置

和傳統(tǒng)的日光溫室一樣，為了避免進出大棚作業(yè)時冷空氣直接灌入大棚，在大棚的山墻外緊貼山墻設置緩沖門斗是非常必要的。一般屋脊南北走向大棚，門斗設置在北山墻處；屋脊東西走向大棚，門斗可設置在東側(cè)或西側(cè)山墻，長度較長的大棚，也可在東、西兩側(cè)山墻均設置門斗。

門斗的入口方向一般應與大棚山墻上的入口方向垂直，這樣可完全避免室外冷空氣直接灌入大棚，但從對外交通便捷和建筑施工安裝方便的角度考慮，門斗的入口方向也可以和大棚山墻上的入口平行，這樣設計時，最好能將2個入口錯位布置，盡量避免將2個入口正對在一條線上，以最大限度減少或緩沖室外冷風直接灌入大棚。

大棚門斗的圍護材料可以是塑料薄膜、PC中空板或彩鋼板等（圖4）。由于大跨度保溫大棚的山墻長度較長、高度較高，可設計室外門斗的面積和空間也相應增大。除了能設計滿足緩沖冷空氣進入大棚的緩沖門斗外，在大棚的山墻外還可設計如配電室、水處理間、灌溉首部等生產(chǎn)輔助用房，從而進一步提高土地的利用率。

保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)形式

結(jié)構(gòu)是大棚的承力體系，是抵抗室外風雪荷載、室內(nèi)作物荷載及設備荷載（如保溫被、保溫幕、吊掛設備等）的承力構(gòu)件的集合，同時也是安裝塑料薄膜等圍護材料的載體。大棚的承力結(jié)構(gòu)按照室內(nèi)有無立柱分為多立柱、單立柱和無立柱結(jié)構(gòu)；按照屋面結(jié)構(gòu)用材和結(jié)構(gòu)形式又可分為多種形式。以下從大棚的屋面結(jié)構(gòu)形式和立柱的布置形式2個方面分別做一詳細歸納。

按照大棚屋面結(jié)構(gòu)形式分類

大跨度保溫塑料大棚的屋面結(jié)構(gòu)有的采用傳統(tǒng)塑料大棚結(jié)構(gòu)形式，也有的采用日光溫室屋面結(jié)構(gòu)形式，還有的采用連棟塑料溫室屋面結(jié)構(gòu)形式，應該說結(jié)構(gòu)種類繁多。圖5列出了筆者看到過的目前主要使用的大跨度保溫塑料大棚各種屋面承力結(jié)構(gòu)的形式。

圖5a是傳統(tǒng)琴弦式日光溫室的屋面結(jié)構(gòu)，兩榀鋼結(jié)構(gòu)桁架之間布置3～4根竹竿，并沿大棚屋面長度方向布置縱向鋼絲，間距30～50 cm，與大棚跨度方向的桁架形成雙向承力體系。由于大棚結(jié)構(gòu)的整體承載能力較弱，這種結(jié)構(gòu)必須在室內(nèi)布置多排立柱，和屋面桁架、琴弦鋼絲一起構(gòu)成三維空間的承力體系。這種結(jié)構(gòu)造價低廉、可就地取材，但結(jié)構(gòu)使用壽命短、室內(nèi)多柱，不便于機械化作業(yè)。

圖5b是傳統(tǒng)的平面桁架屋面結(jié)構(gòu)。由于屋面結(jié)構(gòu)全部采用了平面桁架結(jié)構(gòu)，大棚屋面的承載能力得到大大提升，室內(nèi)立柱減少、使用壽命延長，是目前大棚使用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。圖5c是在圖5b平面桁架屋面結(jié)構(gòu)的基礎上為了進一步增強結(jié)構(gòu)的承載能力而改進的一種平面桁架和空間桁架組合的主副梁桁架結(jié)構(gòu)?？臻g桁架采用三角形截面桁架，上弦桿用單根鋼筋或鋼管，下弦桿用兩根鋼筋或鋼管，上下弦桿以及兩根下弦桿之間用腹桿連接，形成穩(wěn)定的空間三角形桁架結(jié)構(gòu)。兩相鄰空間桁架之間布置3道平面桁架，與室內(nèi)立柱構(gòu)成整體承力體系。

不論是單一的平面桁架結(jié)構(gòu)，還是空間桁架與平面桁架組成的主副梁桁架結(jié)構(gòu)，其共同的特點是承載能力強，可以不受條件限制在現(xiàn)場加工和安裝。但由于主體桁架結(jié)構(gòu)不是工廠化生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品，大部分甚至是在安裝現(xiàn)場焊接組裝，因此其產(chǎn)品的標準化水平較低，而且現(xiàn)場焊接后鋼結(jié)構(gòu)材料的表面防腐不能得到有效處理，有的采用了表面刷漆，但大部分沒有進行任何形式的材料表面防腐處理，結(jié)構(gòu)在安裝使用1年內(nèi)即銹跡斑斑，不僅直接影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，而且對表面覆蓋的塑料薄膜的壽命也會產(chǎn)生間接的影響。

為了解決焊接桁架材料表面防腐的問題，有人探索使用鍍鋅鋼板冷彎成型的組裝式平面桁架結(jié)構(gòu)（圖5d）。這種結(jié)構(gòu)保留了焊接桁架承載能力強的特點，同時又解決了鋼材表面銹蝕的問題，延長了結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時也保護了屋面覆蓋的塑料薄膜。只是這種結(jié)構(gòu)造價偏高，而且連接上下弦桿的相鄰腹桿的軸線不能與弦桿的軸線交匯在一點，容易在弦桿內(nèi)產(chǎn)生次應力，影響結(jié)構(gòu)的傳力，可能會造成弦桿局部失效。此外，使用螺栓副的壽命和安裝質(zhì)量將直接影響桁架結(jié)構(gòu)的壽命，往往是螺栓副的提早銹蝕或安裝位置不準造成桁架結(jié)構(gòu)的提早報廢或局部失效。使用中應注意觀察螺栓副的銹蝕狀況，及時發(fā)現(xiàn)并更換由于銹蝕而失效的螺栓副。

從根本上解決組裝平面桁架螺栓副銹蝕問題的另一種方法是采用單管熱浸鍍鋅管做屋面拱架（圖5e），如同傳統(tǒng)的裝配式單管骨架結(jié)構(gòu)，其使用壽命可達20年以上。但由于大跨度保溫塑料大棚跨度大、屋面荷載重，單純依靠單管難以滿足承力要求，必須設置多列室內(nèi)立柱與單管骨架共同組成結(jié)構(gòu)承力體系。室內(nèi)多柱必然會造成機械化作業(yè)的不便，而且結(jié)構(gòu)件增多，也必然會增大結(jié)構(gòu)失效的概率，為此，一種無立柱懸索結(jié)構(gòu)大棚應運而生（圖5f）。這種結(jié)構(gòu)徹底解決了大棚室內(nèi)立柱的問題，而且跨度可以達到20～30 m，室內(nèi)空間大、生產(chǎn)作業(yè)無障礙，非常有利于室內(nèi)種植作物的布局和機械化作業(yè)。

按照立柱的布置形式分類

塑料大棚的跨度越大，屋面荷載也相應增大，單純依靠屋面拱架承載的結(jié)構(gòu)體系將造成用材不經(jīng)濟、成本增大等問題，因此，合理設置室內(nèi)立柱非常必要。大跨度保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)的立柱設置方法大體有3種：多柱（沿大棚跨度方向多于2根立柱）、雙柱和單柱（圖6）。由于大跨度保溫大棚的室內(nèi)走道多布置在大棚跨度方向的中部，所以，在立柱布置時就出現(xiàn)了沿走道雙側(cè)布置立柱和單側(cè)布置立柱的布置方式。由于保溫塑料大棚采用外保溫被覆蓋，使保溫被基本永久滯留在大棚的脊部位置，而且由于保溫被是沿大棚屋面以屋脊為界雙側(cè)卷放、獨立控制，所以，兩側(cè)保溫被卷放的位置在運行管理中基本不會出現(xiàn)以屋脊為對稱軸的對稱卷放，因此，保溫被荷載在屋面上幾乎不會出現(xiàn)屋脊兩側(cè)的對稱荷載，這樣，沿走道單側(cè)設置立柱的結(jié)構(gòu)將會或多或少地形成立柱的偏心受力，不利于提高立柱的結(jié)構(gòu)承載力，而走道雙側(cè)立柱的做法對這種偏心荷載的敏感度較低，更有利于增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。但雙柱結(jié)構(gòu)增加了一排立柱，相應結(jié)構(gòu)的用材量和造價也將隨之增加，從圖6所示的單柱和雙柱結(jié)構(gòu)也可以看出，雙柱結(jié)構(gòu)屋面保溫被鋪放在室內(nèi)形成的陰影帶也更寬，具體設計中應通過精細計算和系統(tǒng)比較確定采用最經(jīng)濟有效的立柱結(jié)構(gòu)布置方案。

保溫塑料大棚通風形式

大跨度保溫塑料大棚由于兼具了塑料大棚、日光溫室和連棟溫室的特點，所以在通風口設置時也直接采用了上述各類設施的設置方法，但總體來看，大棚的通風口主要包括屋面通風口和側(cè)墻通風口兩種形式，二者聯(lián)合工作形成熱壓通風和風壓通風。

屋面通風口設置與管理

對于大跨度保溫塑料大棚，由于保溫被長期固定在大棚屋脊（不論保溫被卷起還是展開，屋脊兩側(cè)一定范圍屋面始終處于保溫被覆蓋狀態(tài)），所以，在大棚自然通風效果最好的屋脊位置無法開設通風口，為此，屋面通風口（圖7）基本都在屋脊兩側(cè)離開屋脊一定距離的位置沿大棚長度方向通長設置。根據(jù)控制通風口開閉的方式不同，通風口距離屋脊的位置也有不同，但通風口的數(shù)量基本限制在屋脊兩側(cè)每側(cè)1條。與同跨度的連棟塑料溫室相比，大跨度保溫塑料大棚屋面上僅在屋脊雙側(cè)設置通風口的數(shù)量似乎不夠，難以滿足夏季最大通風量的需要，但這種設置對于冬季生產(chǎn)則完全可以滿足需要。在夏季比較炎熱的地區(qū)，僅靠自然通風難以滿足大棚降溫要求，這種情況下應結(jié)合如風機濕簾等強制降溫措施來降溫。

控制屋面通風口啟閉的方式基本采用了日光溫室和連棟溫室的屋面通風口控制模式，包括手動扒縫通風、手動卷膜通風和電動卷膜通風等。圖7a是日光溫室早期使用的一種屋脊手動扒縫通風的通風口啟閉方法，這里直接引用到了大跨度保溫大棚上。由于人工手動扒縫需要操作人員站立在屋脊處的保溫被上操作通風口的啟閉，受操作人員身高、臂長的限制，為了盡量減少保溫被卷起時在室內(nèi)形成的陰影帶寬度，屋面通風口應盡量設置在靠近屋脊位置，且通風口的寬度不宜過寬，但同時要考慮保溫被由于卷放不整齊而造成通風口不能開啟的問題。人工扒縫通風的工作量大，費時費力，而且還不能根據(jù)室內(nèi)外溫度的變化隨時調(diào)整通風口的大小和啟閉，所以，有一定投資能力的生產(chǎn)者都不采用這種模式的通風口。

圖7b是一種不用塑料薄膜覆蓋的敞口式屋面通風口。這種做法是直接在屋面上永久敞開一個通風口，控制通風口的啟閉以及控制通風口的大小均通過控制保溫被卷放來完成。完全關(guān)閉通風口時，將保溫被覆蓋通風口即可實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)保溫被覆蓋通風口面積的多少可控制通風量的大小。這種通風口取消了通風口的活動膜和卷膜通風設備，節(jié)省了成本，也克服了由于通風口塑料薄膜的污染和老化帶來的透光率下降形成的室內(nèi)弱光帶的問題。但這種控制通風的方式需要經(jīng)常性地控制保溫被卷放，由于卷被電機的功率大，運行能耗也較大，此外，保溫被覆蓋通風口將增加屋面遮光，加大室內(nèi)陰影帶，影響室內(nèi)作物的采光，出現(xiàn)卷被軸彎曲時還可能直接影響通風口的開啟面積，造成室內(nèi)通風降溫的不均勻。當遇到雨雪天氣時，為避免雨水進入大棚，必須用保溫被覆蓋通風口，一方面影響大棚內(nèi)作物的采光，另一方面也直接封閉了屋面通風口，直接影響大棚的通風，這個問題在夏季的影響或許是比較嚴重的。

除上述2種屋面通風口操控系統(tǒng)外，大部分的大跨度保溫大棚屋面通風均采用連棟塑料溫室中常用的卷膜開窗的方式，包括手動卷膜開窗和電動卷膜開窗（圖7e），其中手動卷膜開窗，由于屋面通風口距離地面的高度較高，必須借助機械臂來完成操作，常用的開窗機構(gòu)包括搖臂式卷膜開窗機（圖7c）和鏈輪式卷膜開窗機（圖7d），這些都是大家熟知的，這里不多贅述。

側(cè)墻通風口設置與管理

大跨度保溫塑料大棚的側(cè)墻通風口設置方式和傳統(tǒng)的塑料大棚側(cè)墻通風口以及日光溫室前屋面通風口和連棟塑料溫室側(cè)墻通風口設置基本相同。一般是在距離地面50 cm以上設通風口（圖8a），寬度多為80～100 cm，沿大棚長度方向通長設置。為保證通風口的密封，在靠近山墻的1～2 m范圍內(nèi)不開通風口。

側(cè)墻通風口的控制和傳統(tǒng)塑料大棚以及日光溫室前屋面和連棟塑料溫室的側(cè)墻通風口控制基本相同，采用卷膜通風開窗的方式，所用卷膜器有手動卷膜器（圖8b）和電動卷膜器，其中電動卷膜器還包括擺臂式卷膜器（圖8c）和爬桿式卷膜器（圖8d）等。如果大棚長度較短（60 m之內(nèi)），在大棚的山墻一側(cè)安裝卷膜器即可，如果大棚長度較長（超過60 m），則需要在大棚兩側(cè)山墻均安裝卷膜器，以保證卷膜軸運行平直和通風口開口均勻。（未完待續(xù)，下期將繼續(xù)介紹大跨度保溫塑料大棚的內(nèi)外保溫形式及環(huán)境調(diào)控技術(shù)）。

[引用信息]周長吉.周博士考察拾零（七十五）大跨度保溫塑料大棚的實踐與創(chuàng)新（上）[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（34）：20-27.