周博士考察拾零（一百零六）非金屬材料溫室骨架

除溫室基礎和日光溫室墻體外，目前商業(yè)化的溫室結構用材大都采用鋼材或鋁合金等金屬材料，其中鋼材是最基礎的結構用材，而鋁合金材料主要用于連棟溫室天溝和鑲嵌玻璃的框架并承載玻璃面?zhèn)鬟f的風雪荷載。金屬材料材質均勻、強度高、韌性強、加工性能好、標準化和工業(yè)化水平高、適合遠距離運輸，因此在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應用。

但金屬材料也有自身的缺點：一是資源不可再生;二是防腐要求高（鋼材生產(chǎn)和熱浸鍍鋅表面防腐對環(huán)境都有一定的污染）;三是熱脹冷縮變形大;四是傳熱速度快（不僅增大了溫室的冷熱負荷，而且與其接觸的塑料或橡膠等有機材料容易被燙傷或老化）;五是造價相對較高。非金屬材料正好能彌補金屬材料上述缺陷，而且也具有一定的承載強度，因此，一些地方資源豐富的地區(qū)或對溫室造價要求較低的農(nóng)戶，也會大量采用非金屬材料做溫室承力結構，更有一些專業(yè)化企業(yè)專門開發(fā)和推廣非金屬材料溫室結構。本文系統(tǒng)梳理了當前在塑料大棚、日光溫室以及連棟塑料薄膜溫室結構中使用的各種承力結構用非金屬材料（不含溫室基礎和日光溫室的墻體材料）及其結構形式，包括鋼筋混凝土材料、竹木材料、塑料管材、玻璃鋼材料以及回收塑料二次加工材料等，供業(yè)內(nèi)同行研究和交流。

混凝土材料

混凝土材料是最基礎的建筑工程用材，工業(yè)與民用建筑、道路橋梁、水壩乃至農(nóng)田排水溝等無處不有混凝土的影子。作為溫室結構用材，除了基礎墊層外，一般均以鋼筋混凝土材料的形式出現(xiàn)。

與同類結構構件（梁、柱、檁條等）相比，鋼筋混凝土構件截面面積要遠遠大于金屬材料構件，而且由于鋼筋混凝土材料的抗壓強度遠較抗彎和抗剪強度高，所以用鋼筋混凝土材料替代鋼材做溫室立柱，具有構件長細比小、承壓能力強的特點，因此，無論是簡易的塑料大棚，還是現(xiàn)代的日光溫室和連棟塑料溫室都大量使用鋼筋混凝土材料做立柱（圖1）。

抗腐蝕性能好是鋼筋混凝土材料相比金屬材料另一個突出的優(yōu)點。溫室生產(chǎn)由于長期處于高溫高濕環(huán)境，金屬材料構件必須經(jīng)過表面防腐處理才能保證其較長的使用壽命，而高溫高濕環(huán)境對混凝土材料不僅不會造成表面腐蝕而且還有利于混凝土前期的固化和養(yǎng)護，如果不是刻意追求表面美觀，混凝土材料構件可以不做任何表面處理就能直接用于溫室結構構件，可大大節(jié)約構件表面處理的成本。

混凝土材料除了用在高溫高濕的溫室室內(nèi)空氣環(huán)境中具有良好的抗腐蝕性能外，在高濕、高鹽堿、高地下水位的土壤中也具有同樣優(yōu)異的抗腐蝕性能（鹽堿土或地下水位比較高的地區(qū)應在配方中添加相應的抗劑）。這一特性正好可以彌補金屬材料和竹木材料與混凝土或土壤接觸易生銹腐爛的缺點[1]。在生產(chǎn)實踐中，作為溫室結構承力構件的一部分，將鋼筋混凝土材料做成基礎短柱，下部埋入地基與基礎相連（或者本身就是基礎），上部伸出地面與室內(nèi)立柱或落地拱架相連（圖2），從而徹底消除了與土壤接觸鋼材或木材立柱/拱架的腐蝕問題，使溫室結構的使用壽命得到大大延長。一般鋼筋混凝土構件的使用壽命可達50年以上。

除了作為立柱或基礎短柱使用外，在塑料大棚和日光溫室等單跨結構的溫室設施中也有大量使用鋼筋混凝土材料做屋面拱架的案例（圖3）。用鋼筋混凝土材料做溫室屋面拱架，由于材料本身的熱惰性大，即使在炎熱的夏季，也不會對其表面覆蓋的塑料薄膜產(chǎn)生任何的燙傷，這是非金屬材料相比金屬材料最大的優(yōu)點。

用鋼筋混凝土材料做屋面拱架，由于屋面構件的長度較長，為了運輸和制作方便，經(jīng)常將一根拱桿分為若干段預制，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后再用螺栓將其連接在一起，即形成完整的拱架結構。

鋼筋混凝土構件由于截面大、抗彎和抗剪強度低，作為溫室屋面拱桿，相比金屬材料構件對室內(nèi)地面的遮光面積大，尤其是連接構件各分段的螺栓在溫室高溫高濕的環(huán)境中易生銹，給溫室結構的安全造成很大隱患。此外，鋼筋混凝土屋面拱架由于構件長度長、自身長細比大，運輸和安裝過程中很容易發(fā)生開裂或扭斷，降低了構件實際使用的成品率，也相應增加了溫室結構的工程造價。工程實踐中應充分分析這種材料的利弊和優(yōu)劣，挖掘材料的特點，合理選擇和使用，在保證結構可靠的前提下，實現(xiàn)材料使用的最優(yōu)性價比。

竹木材料

竹木材料是一種古老的建筑材料，至今在我國的各類建筑中仍有大量使用。雖然近年來中國從保護生態(tài)的角度出發(fā)加強了對林木的保護，作為原木承重的木結構在民用建筑應用中幾近消失，但作為經(jīng)濟林發(fā)展的竹材卻大量應用于各類建筑中。

竹木材料，不僅可以用作溫室的屋面拱桿，而且也可以用作溫室的立柱。作為溫室立柱使用，主要采用原木形式，而且要求原木的截面較大;作為溫室屋面拱桿使用，可以是截面面積較小的原木形式或剖開大截面原木的竹片形式。

竹木材料，尤其是竹材，喜潮濕、耐高溫，非常適合于高溫高濕的溫室環(huán)境。雖然竹木材料自身強度較鋼材和鋼筋混凝土材料低，但竹材韌性好、易彎曲，尤其適用于溫室大棚的屋面拱桿，可以是竹材原木使用，也可以將原木竹材剖開后按竹片使用;既可以用作結構的承重構件，也可以用作結構中支撐和固定塑料薄膜的非承重構件。竹材用于溫室屋面構件支撐和固定塑料薄膜時也同樣具有與鋼筋混凝土屋面拱架不燙傷塑料薄膜相同的特性，因此在當今的塑料大棚和日光溫室中被大量使用。

代表中國設施農(nóng)業(yè)起步的塑料大棚和早期的日光溫室，其承力體系幾乎全部是竹木構件（圖4a、圖4b），在廣西、云南等竹材豐富的地區(qū)，甚至也有用竹材做連棟塑料薄膜溫室全部承力構件的案例（圖4c），這種立柱、屋面拱桿、構件支撐、縱向系桿等承力構件全部為竹木材料的溫室稱其為純竹木結構溫室或簡稱竹木結構溫室。

由于竹木材料的承載強度較金屬材料和鋼筋混凝土材料的低，直接影響了純竹木材料溫室結構的整體承載能力。為了進一步提升竹木結構溫室的承載能力，在后來的技術改進中，重點利用了竹材韌性好、易彎曲、不燙膜的特點，將其作為全部或部分屋面承重構件，一是用承載能力更強的鋼筋混凝土材料構件來替代竹木立柱（圖5a、圖5c）;二是采用主副拱結構，用承載能力更強的鋼結構材料做主承重拱架，用承載能力較弱的竹材做副承重拱架（圖5b）;三是采用懸索結構，用沿溫室大棚開間方向通長布置的縱向鋼絲來分擔部分屋面荷載（圖5b、圖5c），通過減小對竹木材料的承載要求來提高溫室大棚的整體承載能力。

懸索結構根據(jù)鋼索在屋面拱桿上的布置位置不同，又分為懸梁吊柱懸索結構（圖5b）和琴弦結構（圖5c）兩種形式。懸梁吊柱懸索結構的鋼索布置在屋面拱桿的下部，二者通過支撐短柱連接;琴弦結構的鋼索布置在屋面拱桿的上部或緊貼屋面拱桿的下部，二者一般通過上頂拱桿下接弦索的鋼絲捆綁連接。懸梁吊柱懸索結構由于鋼索布置在屋面拱桿下部且遠離屋面拱桿，給壓緊屋面覆蓋塑料薄膜留出了足夠空間，因此這種結構容易壓緊塑料薄膜，而且縱向鋼索也不會形成對屋面排水的阻擋。由于琴弦結構縱向鋼絲布置間距小，也省去了懸梁吊柱結構中的短柱，只要在安裝過程中將鋼絲繃緊，實際運行中也不會造成對屋面排水的阻擋，因此，從節(jié)省材料和安裝成本的角度出發(fā)，目前生產(chǎn)中更多還是使用琴弦結構。

竹木材料最大的缺點是縱橫截面的承載力不同，而且構件個體之間差異較大，竹材還存在大小兩個端頭，中間為漸變直徑，因此，構件的標準化程度低，結構用材必須精挑細選。此外，竹木是有機材料，未經(jīng)過表面防護的構件容易遭受蟲蛀，在干濕循環(huán)的環(huán)境中（生產(chǎn)季節(jié)覆蓋薄膜溫室內(nèi)高濕;休閑季節(jié)或揭開薄膜后溫室內(nèi)干熱）竹木結構容易開裂，也影響其使用壽命，一般溫室竹木結構構件的使用壽命多在5～10年，但經(jīng)過表面碳化處理（圖6）或熱浸涂覆瀝青的竹木構件使用壽命也可達到20年以上。

塑料管材

塑料管作為溫室的骨架材料，筆者曾報道過將其用于日光溫室采光面替代竹竿的做法[2]。用塑料管替代竹片或竹竿后，屋面上不再出現(xiàn)由于單根竹竿長度不夠而搭接的現(xiàn)象。用塑料管替代竹竿做日光溫室采光面輔助支撐拱桿具有構件標準化程度高、溫室屋面平整光潔、便于屋面開窗和排水等優(yōu)點。

塑料管由于自身強度低，作為非承重構件替代竹竿是完全可行的，但是否能用于溫室主體承力結構構件呢？生產(chǎn)實踐中，確有民間工匠設計建造了完全用塑料管做結構構件的連棟塑料溫室，而且結合塑料管材的特點，用標準的管材連接件設計了各構件的連接節(jié)點（圖7）。雖然筆者無法考證這種溫室結構的承載能力及其使用壽命，但這種大膽沖破傳統(tǒng)建材約束的設計構想還是非常值得科研人員思考和借鑒的。

該設計在同一平面垂直交叉的兩根桿連接統(tǒng)一采用了三通連接（圖7b中的屋脊梁與吊桿、圖7e中的吊桿與弦桿、圖7f中的弦桿與柱頂梁），長桿穿進三通的直管中，短桿穿進三通的旁通中，用自攻自鉆螺釘固定即可;拱桿和與之相交叉的構件，則采用了拱桿穿進交叉管的連接方式，十字交叉的節(jié)點拱桿完全穿透交叉管（圖7b、圖7c），丁字交叉的節(jié)點拱桿端頭插入交叉管（圖7f），在重要的屋脊梁部位還特別采用了四通管（圖7b）以加強連接。

立柱與基礎的連接采用了一種特殊的連接管件，管件的中部為圓孔供圓管插入，從中間圓管上相隔120°伸出3個翅，每個翅上開圓孔用以插入螺栓，從基礎預埋件上伸出的3根預埋螺栓分別從3個翅孔中穿出加墊片后用螺母擰緊即實現(xiàn)立柱與基礎的牢固固定（圖7d）。

這種設計構件標準化水平高、材料來源豐富、構件不需要做表面防腐處理，溫室建設的總體造價不高，但由于使用管材的截面不大，整體承載能力或許不高，而且管材在長期的室外環(huán)境暴露中容易老化，也會直接影響結構的使用壽命，因此，這種結構的溫室更適合用作臨時性建筑或作為承載要求不高的網(wǎng)室使用。

玻璃鋼

玻璃鋼是用高分子樹脂材料在高溫下熔化包裹細小的玻璃絲后制成的材料。根據(jù)不同的模具形狀，可做成片材、板材、棒材以及各種用途和造型的材料。溫室設施中，用玻璃鋼材料的設備有盛水的容器、風機的葉片和邊框，20世紀80年代我國還曾從日本和美國引進過用玻璃鋼作溫室透光覆蓋材料的連棟溫室。由此可見，玻璃鋼材料在溫室設施中的應用早已司空見慣了。

玻璃鋼材料通過調整玻璃絲的直徑和密度以及樹脂材料的成分可制成滿足各種強度和耐久性的材料。相比金屬材料，玻璃鋼材料表面防腐性能好，在室外高溫下對其表面覆蓋的塑料薄膜也不會發(fā)生燙傷，材料強度高、韌性好、變形能力強。基于上述特點，有企業(yè)專門研究開發(fā)了一套用全玻璃鋼材料做溫室主體承力構件的連棟塑料薄膜溫室，包括圓拱屋面溫室和鋸齒屋面溫室（圖8）。溫室的立柱、屋面拱桿、屋架腹桿、弦桿、屋面系桿、天溝等承力構件全部采用玻璃鋼材料，而且連接各構件的連接件也經(jīng)過特殊設計全部采用玻璃鋼材料（圖9）。

相比鋼材，玻璃鋼材料不論抗壓、抗拉還是抗彎的強度都較低，因此，同規(guī)格尺寸的構件玻璃鋼的承載能力較低，或者在同等承載能力條件下玻璃鋼材料的構件截面將更大。此外，玻璃鋼材料表面的玻璃絲容易剝落，沾染到工作人員皮膚會造成皮膚瘙癢;玻璃鋼材料在長期紫外線照射下會造成玻璃絲斷裂，影響結構的強度和使用壽命（一般使用壽命在5～10年），但在紫外線弱或無紫外線照射的環(huán)境中抵抗自然風化和微生物分解的能力很強，因此這種溫室更適合在如重慶等周年光照強度較弱的地區(qū)使用。不過與之相伴的是構件破壞后無法再利用，在自然界中自我分解的速度也很慢，對廢舊構件處理不當會造成環(huán)境污染。選擇使用這種材料時應綜合分析其性能特點，趨利避害，優(yōu)化選擇。

除了上述玻璃鋼材料溫室骨架外，20世紀90年代國內(nèi)還推廣應用過用鎂菱土材料做粘結劑，內(nèi)部配玻璃絲或竹絲做骨料的有機復合材料做塑料大棚骨架的案例。由于這種材料屬于脆性材料，承載能力不很強、破壞無征兆，而且破壞后的廢舊材料難以回收利用，在遼寧、海南等地推廣一段時間后就銷聲匿跡了。

回收塑料

廢舊塑料材料不能開發(fā)利用是垃圾，有效開發(fā)利用后就是資源。塑料材料大都是石油產(chǎn)品，原料屬于有限、不可再生資源，如果將廢棄塑料材料棄置于自然環(huán)境，被自然分解的時間很長或者根本分解不了，又對生態(tài)和環(huán)境造成污染。隨著社會對塑料制品用量的不斷增大，為節(jié)約資源、保護環(huán)境，回收和利用廢舊塑料已經(jīng)成為當今生態(tài)保護和社會發(fā)展的一種必然要求。

廢舊塑料材料的形式多樣，成分復雜，給其回收利用帶來很大困難。目前大量的用途是粉碎制粒再摻加調理成分后熔鑄或擠壓成各種線材或板材。將其熔融擠壓成“工”字截面線材，可用于溫室和大棚的承重骨架。圖10a是用廢舊硬質塑料材料粉碎、配料、熱熔、擠壓成型后制作的塑料大棚骨架[3];圖10b是用回收塑料薄膜為原料制成的日光溫室前屋面承力骨架[4]。相關的詳細制作工藝和溫室性能筆者在相關文獻中已經(jīng)做過報道，這里不多贅述。

總之，非金屬材料是一系列傳統(tǒng)或新型的建筑材料，有些材料已經(jīng)使用數(shù)百年，有些材料可能剛剛開始開發(fā)使用。不論是古老的傳統(tǒng)材料，還是新型的創(chuàng)新材料，只要具有一定的承載能力，都有可能成為溫室整體或局部部位的結構構件。廣大讀者可以挖掘身邊的資源，期冀未來能像日光溫室墻體材料一樣，開發(fā)出更多、更經(jīng)濟和更適合溫室結構用途的新型非金屬建筑材料，為中國溫室工程建設增添新的選擇。

參考文獻

[1] 周長吉.周博士考察拾零（四十七）日光溫室鋼管骨架在混凝土基礎連接處的銹蝕問題不可忽視[J].農(nóng)業(yè)工程技術（溫室園藝），2015，35（22）：26-27.

[2] 周長吉.周博士考察拾零（二十四）“琴弦式”結構日光溫室用塑料管替代竹竿支撐屋面的新做法[J].農(nóng)業(yè)工程技術（溫室園藝），2013，33（4）：46-47.

[3] 周長吉.周博士考察拾零（六十三）合成木骨架塑料大棚[J].農(nóng)業(yè)工程技術（溫室園藝），2016，36（34）：9-11.

[4] 周長吉.周博士考察拾零（二十二）利用回收廢舊農(nóng)膜加工制造溫室骨架[J].農(nóng)業(yè)工程技術（溫室園藝），2013，33（1）：26-30.

[引用信息]周長吉.周博士考察拾零（一百零六）非金屬材料溫室骨架[J].農(nóng)業(yè)工程技術，2020，40（19）：36-41.