新型大跨度無立柱內(nèi)保溫拱棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配套內(nèi)保溫系統(tǒng)研究＊

張 勇，金 鑫，鄒志榮（.西北農(nóng)林科技大學(xué)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 700；.寧夏新起點(diǎn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司，銀川 750000）

前言

設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中最具活力的產(chǎn)業(yè)之一，“十八大”以來，中國高度重視推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，其技術(shù)提升將極大地增加經(jīng)濟(jì)收益，帶動大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國的園藝設(shè)施面積位居世界之首，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2019年11月22日公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國的溫室面積達(dá)到了189.42萬hm2，其中，日光溫室面積為57.74萬hm2，占比30.5%；塑料大棚126.24萬hm2，占比66.6%；連棟溫室5.43萬hm2，占比2.9%。因此，溫室結(jié)構(gòu)和其配套設(shè)施的研究非常重要。

在西北地區(qū)應(yīng)用拱棚設(shè)施具有補(bǔ)充和完善其他設(shè)施結(jié)構(gòu)的意義。盡管拱棚目前尚不能滿足喜溫果蔬的安全越冬生產(chǎn)，卻已經(jīng)可以給作物提供比露地生產(chǎn)更加適合和可控的生長環(huán)境，從而大幅提高果蔬的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時，拱棚能夠?qū)崿F(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)，給作物提供避風(fēng)和避雨的環(huán)境，還可以在北方實(shí)現(xiàn)安全越夏生產(chǎn)，這一優(yōu)勢是對日光溫室越冬生產(chǎn)的重要補(bǔ)充和完善。并且，由于拱棚設(shè)施具有空間大的特性，大跨度拱棚可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有機(jī)融合，促進(jìn)設(shè)施產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)，水平也不斷得到提升。大跨度拱棚不僅與其它設(shè)施結(jié)構(gòu)相互補(bǔ)充，而且隨著其結(jié)構(gòu)和環(huán)境控制配套設(shè)施的不斷研發(fā)，其功能也會不斷完善。

中國大跨度無立柱拱棚目前的經(jīng)濟(jì)跨度一般為12～12.8 m，有部分溫室外觀跨度較大，達(dá)到16 m，甚至是26 m，但內(nèi)部均受限于結(jié)構(gòu)的跨度要求，設(shè)置了一個或多個立柱。與拱棚配套的保溫系統(tǒng)主要有外保溫被、內(nèi)保溫被、內(nèi)保溫幕等，配套的通風(fēng)降溫設(shè)備一般為卷膜系統(tǒng)和小型風(fēng)機(jī)。由于凈跨度較小，嚴(yán)重地限制了我國溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)部的機(jī)械化作業(yè)，極大地制約了我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。針對拱棚對于大跨度的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，行業(yè)專家開發(fā)了各種結(jié)構(gòu)來滿足跨度要求，但簡單從普通鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)型中選用，不僅安全性達(dá)不到塑料大棚的實(shí)際需求，而且整體造價也相對較高。采用替代的材料進(jìn)行焊接，又會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在溫室的濕熱環(huán)境中過快地銹蝕，造成安全隱患。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，西北農(nóng)林科技大學(xué)溫室結(jié)構(gòu)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種三角形空間桁架及大跨度無立柱拱棚（圖1）。技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合寧夏新起點(diǎn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在寧夏回族自治區(qū)“十三五規(guī)劃”項(xiàng)目中的寧夏園藝產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行了新型大跨度無立柱拱棚的首次試驗(yàn)性建造（圖2）。該拱棚結(jié)構(gòu)解決現(xiàn)有技術(shù)中溫室空間桁架承載力不強(qiáng)、承載跨度小、結(jié)構(gòu)易銹蝕等缺陷，進(jìn)而解決了大跨度溫室必須采取立柱支撐，空間難以擴(kuò)大的技術(shù)困境。

新型大跨度無立柱拱棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三角形空間桁架及大跨度無立柱拱棚是由空間V型件和I型件相互裝配形成的，與上下弦桿呈30°～60°斜角的空間等腰三角形結(jié)構(gòu)，進(jìn)而每對所述的加強(qiáng)肋組件與上弦桿和下弦桿形成等腰四棱臺結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在保證空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的基礎(chǔ)上，同時具備結(jié)構(gòu)形式標(biāo)準(zhǔn)化程度高，適合快速裝配建造的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（圖3）。通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全檢測和試驗(yàn)（圖4），西北農(nóng)林科技大學(xué)溫室結(jié)構(gòu)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的三角形空間桁架可以可靠地實(shí)現(xiàn)16、24、30 m的凈跨無立柱拱棚。

與現(xiàn)有溫室結(jié)構(gòu)相比，該實(shí)用新型的三角形空間桁架及大跨度無立柱溫室采用了特殊設(shè)計(jì)的三角形空間桁架，該空間桁架利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的V型件和I型件相互裝配為具有一定空間三角形結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)肋組件，巧妙地在極少構(gòu)件的情況下實(shí)現(xiàn)了三角形空間結(jié)構(gòu)的幾何不變體系，解決了大跨度溫室結(jié)構(gòu)的承載力問題，進(jìn)而可使溫室跨度進(jìn)一步提高至可以進(jìn)行機(jī)械化種植耕作所需要的跨度。

同時，該溫室結(jié)構(gòu)開創(chuàng)性地采用了幾字型或者C型結(jié)構(gòu)的下弦桿設(shè)計(jì)，使溫室骨架的功能多樣化，節(jié)省了制作內(nèi)部二層骨架的費(fèi)用并簡化了溫室結(jié)構(gòu)，同時為溫室內(nèi)保溫提供了安裝平臺，克服了傳統(tǒng)兩層骨架內(nèi)保溫的空間狹小問題，為溫室內(nèi)部作物生長提供了必要的開闊生長空間，也為溫室的機(jī)械自動化種植耕作奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

新型的三角形空間桁架及大跨度無立柱溫室的結(jié)構(gòu)的空間化、模塊化設(shè)計(jì)極大地簡化了裝配的難度，全面采用了裝配前熱鍍鋅和螺栓裝配的方式，保障了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及耐久性和安全性。并針對大跨度結(jié)構(gòu)帶來的熱損失與通風(fēng)除濕問題，設(shè)計(jì)了配套的蓄熱保溫墻和通風(fēng)除濕換熱風(fēng)通道，該蓄熱保溫墻和通風(fēng)除濕換熱風(fēng)通道與大跨度溫室的結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)獲得更加優(yōu)越的保溫和除濕功能。

此外，該溫室在下弦桿鉤掛用于鉤掛安裝遮陽保溫設(shè)施的滑動吊裝件，遮陽保溫設(shè)施收起時，向溫室一側(cè)收攏，并最終收攏在溫室一側(cè)，不會對溫室內(nèi)部主體部分產(chǎn)生遮蔭，同時加強(qiáng)了溫室的保溫性能，有利于溫室溫光性能的進(jìn)一步提高。

新型大跨度無立柱拱棚配套內(nèi)保溫系統(tǒng)研發(fā)

由于中國西北地區(qū)氣候條件復(fù)雜，晝夜溫差大，因此，在中國西北地區(qū)的拱棚均利用外保溫被來進(jìn)行保溫。在過去的10年里外保溫被部分解決了中國西北地區(qū)拱棚的冬季保溫問題，但是由于外保溫被本身處在溫室外部，因此長期以來存在以下幾個方面的嚴(yán)重問題：

（1）保溫被厚重，卷鋪困難。即使是用了電動卷鋪設(shè)備，依舊存在卷鋪不穩(wěn)定的問題，而溫室外保溫平直度會影響溫室的采光面積。同時，厚重的溫室外保溫還會導(dǎo)致卷鋪設(shè)備負(fù)載大，容易出現(xiàn)故障。而且，由于外保溫依靠自身重力?？吭跍厥翼敳?，一旦出現(xiàn)卷簾機(jī)過卷，就會造成比較嚴(yán)重的事故，很難修復(fù)。

（2）保溫被使用壽命短。由于外部風(fēng)吹日曬，加之雨雪侵蝕，保溫被的壽命僅能維持2～3年，使用成本高，維護(hù)成本也高。

（3）中國西北地區(qū)多風(fēng)，外保溫被存在工程隱患，經(jīng)常面臨被風(fēng)整體掀起的風(fēng)險(xiǎn)。會造成外保溫系統(tǒng)的整體失效，還會嚴(yán)重影響溫室生產(chǎn)。

（4）現(xiàn)有外保溫?zé)o法實(shí)現(xiàn)全自動化控制，因此大跨度無立柱拱棚自動化生產(chǎn)無法實(shí)現(xiàn)。

因此，從以上幾點(diǎn)來分析，外保溫被已經(jīng)成為了拱棚特別是超大跨度拱棚大跨度優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)自動化的嚴(yán)重障礙，亟待解決。

為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對該新型大跨度無立柱拱棚的懸掛內(nèi)保溫系統(tǒng)（圖5）及地下?lián)Q熱通風(fēng)降溫系統(tǒng)進(jìn)行了改良，采用了分組閉合的鎖鏈傳動技術(shù)，可以在實(shí)現(xiàn)拱棚懸掛內(nèi)保溫系統(tǒng)穩(wěn)定開啟閉合的同時，為拱棚內(nèi)部植物創(chuàng)造開闊的生長空間。

該日光拱棚的懸掛內(nèi)保溫及通風(fēng)降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，與現(xiàn)有溫室保溫設(shè)施相比不僅不增加成本，還可以大大提高大跨度無立柱拱棚的保溫和通風(fēng)降溫功能。同時也克服了困擾西北大跨度無立柱拱棚保溫通風(fēng)發(fā)展的種種結(jié)構(gòu)性問題，結(jié)合實(shí)踐中對溫室的要求來看，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）該拱棚采用了特殊設(shè)計(jì)的溫室骨架下弦閉合鎖鏈系統(tǒng)傳動，使得該懸掛內(nèi)保溫系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，不但克服了拱棚外保溫面臨的壽命短和不抗風(fēng)的問題，同時也克服了傳動二層骨架內(nèi)保溫的空間狹小問題，為拱棚內(nèi)部作物生長提供了必要的開闊的生長空間（圖6）。

（2）開創(chuàng)性地采用了幾字型鋼或者C型鋼骨架下弦設(shè)計(jì)，將原來拱棚骨架的功能多樣化，省掉了制作內(nèi)部二層骨架的費(fèi)用并簡化了拱棚結(jié)構(gòu)。最終，不但減少了結(jié)構(gòu)材料的耗費(fèi)，也降低了安裝的復(fù)雜度，同時擴(kuò)大了拱棚內(nèi)部空間。

（3）由于采用了運(yùn)行穩(wěn)定、控制容易的單元鎖鏈閉合傳動系統(tǒng)，內(nèi)保溫被的開啟和閉合非常容易準(zhǔn)確控制，因此為大跨度無立柱拱棚的全面自動化打好了設(shè)備的基礎(chǔ)。

（4）溫室內(nèi)保溫被開啟后，保溫被收攏在溫室骨架的屋腳位置，因此不但對溫室內(nèi)部不產(chǎn)生任何遮蔭，也加強(qiáng)了拱棚的保溫性能，有利于溫室溫光性能的進(jìn)一步提高。

（5）整個系統(tǒng)運(yùn)行只有2臺1.1 kW的減速電機(jī)驅(qū)動，造價低，運(yùn)行的費(fèi)用低，效率高，在實(shí)踐生長中容易推廣和保持長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

總結(jié)

結(jié)合中國大跨度拱棚的實(shí)際產(chǎn)業(yè)需求，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)領(lǐng)域亟待開發(fā)一種結(jié)構(gòu)合理，安裝工藝完善，既可以保障結(jié)構(gòu)在大跨度條件下的承載力要求，也可以保證在整個安裝過程中不用焊接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在溫室全生命周期內(nèi)的安全抗銹蝕，同時配套全新的保溫和通風(fēng)降溫系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中溫室空間桁架由于承載力不強(qiáng)、承載跨度小、結(jié)構(gòu)易銹蝕等缺陷導(dǎo)致的大跨度溫室必須采取立柱支撐的問題。本結(jié)構(gòu)的研究針對解決該問題進(jìn)行了探索，為豐富國內(nèi)的溫室結(jié)構(gòu)類型添磚加瓦。