除溫室基礎(chǔ)和日光溫室墻體外，目前商業(yè)化的溫室結(jié)構(gòu)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(chǔ)的結(jié)構(gòu)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(fēng)雪荷載。金屬材料材質(zhì)均勻、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、加工性能好、標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化水平高、適合遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，因此在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

但金屬材料也有自身的缺點(diǎn)：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(fù)荷，而且與其接觸的塑料或橡膠等有機(jī)材料容易被燙傷或老化）;五是造價(jià)相對較高。非金屬材料正好能彌補(bǔ)金屬材料上述缺陷，而且也具有一定的承載強(qiáng)度，因此，一些地方資源豐富的地區(qū)或?qū)厥以靸r(jià)要求較低的農(nóng)戶，也會(huì)大量采用非金屬材料做溫室承力結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。本文系統(tǒng)梳理了當(dāng)前在塑料大棚、日光溫室以及連棟塑料薄膜溫室結(jié)構(gòu)中使用的各種承力結(jié)構(gòu)用非金屬材料（不含溫室基礎(chǔ)和日光溫室的墻體材料）及其結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(jié)構(gòu)用材，除了基礎(chǔ)墊層外，一般均以鋼筋混凝土材料的形式出現(xiàn)。

與同類結(jié)構(gòu)構(gòu)件（梁、柱、檁條等）相比，鋼筋混凝土構(gòu)件截面面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬材料構(gòu)件，而且由于鋼筋混凝土材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)較抗彎和抗剪強(qiáng)度高，所以用鋼筋混凝土材料替代鋼材做溫室立柱，具有構(gòu)件長細(xì)比小、承壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。溫室生產(chǎn)由于長期處于高溫高濕環(huán)境，金屬材料構(gòu)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(huì)造成表面腐蝕而且還有利于混凝土前期的固化和養(yǎng)護(hù)，如果不是刻意追求表面美觀，混凝土材料構(gòu)件可以不做任何表面處理就能直接用于溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可大大節(jié)約構(gòu)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(yīng)在配方中添加相應(yīng)的抗劑）。這一特性正好可以彌補(bǔ)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(diǎn)[1]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，作為溫室結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件的一部分，將鋼筋混凝土材料做成基礎(chǔ)短柱，下部埋入地基與基礎(chǔ)相連（或者本身就是基礎(chǔ)），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(jié)構(gòu)的使用壽命得到大大延長。一般鋼筋混凝土構(gòu)件的使用壽命可達(dá)50年以上。

除了作為立柱或基礎(chǔ)短柱使用外，在塑料大棚和日光溫室等單跨結(jié)構(gòu)的溫室設(shè)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(huì)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(diǎn)。

用鋼筋混凝土材料做屋面拱架，由于屋面構(gòu)件的長度較長，為了運(yùn)輸和制作方便，經(jīng)常將一根拱桿分為若干段預(yù)制，運(yùn)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(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土構(gòu)件由于截面大、抗彎和抗剪強(qiáng)度低，作為溫室屋面拱桿，相比金屬材料構(gòu)件對室內(nèi)地面的遮光面積大，尤其是連接構(gòu)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(jié)構(gòu)的安全造成很大隱患。此外，鋼筋混凝土屋面拱架由于構(gòu)件長度長、自身長細(xì)比大，運(yùn)輸和安裝過程中很容易發(fā)生開裂或扭斷，降低了構(gòu)件實(shí)際使用的成品率，也相應(yīng)增加了溫室結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)。工程實(shí)踐中應(yīng)充分分析這種材料的利弊和優(yōu)劣，挖掘材料的特點(diǎn)，合理選擇和使用，在保證結(jié)構(gòu)可靠的前提下，實(shí)現(xiàn)材料使用的最優(yōu)性價(jià)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(hù)生態(tài)的角度出發(fā)加強(qiáng)了對林木的保護(hù)，作為原木承重的木結(jié)構(gòu)在民用建筑應(yīng)用中幾近消失，但作為經(jīng)濟(jì)林發(fā)展的竹材卻大量應(yīng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件，也可以用作結(jié)構(gòu)中支撐和固定塑料薄膜的非承重構(gòu)件。竹材用于溫室屋面構(gòu)件支撐和固定塑料薄膜時(shí)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(dāng)今的塑料大棚和日光溫室中被大量使用。

代表中國設(shè)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(gòu)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(gòu)件的案例（圖4c），這種立柱、屋面拱桿、構(gòu)件支撐、縱向系桿等承力構(gòu)件全部為竹木材料的溫室稱其為純竹木結(jié)構(gòu)溫室或簡稱竹木結(jié)構(gòu)溫室。

由于竹木材料的承載強(qiáng)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(jié)構(gòu)的整體承載能力。為了進(jìn)一步提升竹木結(jié)構(gòu)溫室的承載能力，在后來的技術(shù)改進(jìn)中，重點(diǎn)利用了竹材韌性好、易彎曲、不燙膜的特點(diǎn)，將其作為全部或部分屋面承重構(gòu)件，一是用承載能力更強(qiáng)的鋼筋混凝土材料構(gòu)件來替代竹木立柱（圖5a、圖5c）;二是采用主副拱結(jié)構(gòu)，用承載能力更強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，用沿溫室大棚開間方向通長布置的縱向鋼絲來分擔(dān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（圖5b）和琴弦結(jié)構(gòu)（圖5c）兩種形式。懸梁吊柱懸索結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由于鋼索布置在屋面拱桿下部且遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)容易壓緊塑料薄膜，而且縱向鋼索也不會(huì)形成對屋面排水的阻擋。由于琴弦結(jié)構(gòu)縱向鋼絲布置間距小，也省去了懸梁吊柱結(jié)構(gòu)中的短柱，只要在安裝過程中將鋼絲繃緊，實(shí)際運(yùn)行中也不會(huì)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(jié)構(gòu)。

竹木材料最大的缺點(diǎn)是縱橫截面的承載力不同，而且構(gòu)件個(gè)體之間差異較大，竹材還存在大小兩個(gè)端頭，中間為漸變直徑，因此，構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，結(jié)構(gòu)用材必須精挑細(xì)選。此外，竹木是有機(jī)材料，未經(jīng)過表面防護(hù)的構(gòu)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(jié)構(gòu)容易開裂，也影響其使用壽命，一般溫室竹木結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)件使用壽命也可達(dá)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(bào)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(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。

塑料管由于自身強(qiáng)度低，作為非承重構(gòu)件替代竹竿是完全可行的，但是否能用于溫室主體承力結(jié)構(gòu)構(gòu)件呢？生產(chǎn)實(shí)踐中，確有民間工匠設(shè)計(jì)建造了完全用塑料管做結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連棟塑料溫室，而且結(jié)合塑料管材的特點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)的管材連接件設(shè)計(jì)了各構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)（圖7）。雖然筆者無法考證這種溫室結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)構(gòu)想還是非常值得科研人員思考和借鑒的。

該設(shè)計(jì)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(jìn)三通的直管中，短桿穿進(jìn)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(gòu)件，則采用了拱桿穿進(jìn)交叉管的連接方式，十字交叉的節(jié)點(diǎn)拱桿完全穿透交叉管（圖7b、圖7c），丁字交叉的節(jié)點(diǎn)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(qiáng)連接。

立柱與基礎(chǔ)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(gè)翅，每個(gè)翅上開圓孔用以插入螺栓，從基礎(chǔ)預(yù)埋件上伸出的3根預(yù)埋螺栓分別從3個(gè)翅孔中穿出加墊片后用螺母擰緊即實(shí)現(xiàn)立柱與基礎(chǔ)的牢固固定（圖7d）。

這種設(shè)計(jì)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化水平高、材料來源豐富、構(gòu)件不需要做表面防腐處理，溫室建設(shè)的總體造價(jià)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(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此，這種結(jié)構(gòu)的溫室更適合用作臨時(shí)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(xì)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(shè)施中，用玻璃鋼材料的設(shè)備有盛水的容器、風(fēng)機(jī)的葉片和邊框，20世紀(jì)80年代我國還曾從日本和美國引進(jìn)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(shè)施中的應(yīng)用早已司空見慣了。

玻璃鋼材料通過調(diào)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(qiáng)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(huì)發(fā)生燙傷，材料強(qiáng)度高、韌性好、變形能力強(qiáng)。基于上述特點(diǎn)，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(gòu)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(gòu)件全部采用玻璃鋼材料，而且連接各構(gòu)件的連接件也經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)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(qiáng)度都較低，因此，同規(guī)格尺寸的構(gòu)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(gòu)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(huì)造成皮膚瘙癢;玻璃鋼材料在長期紫外線照射下會(huì)造成玻璃絲斷裂，影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(fēng)化和微生物分解的能力很強(qiáng)，因此這種溫室更適合在如重慶等周年光照強(qiáng)度較弱的地區(qū)使用。不過與之相伴的是構(gòu)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(gòu)件處理不當(dāng)會(huì)造成環(huán)境污染。選擇使用這種材料時(shí)應(yīng)綜合分析其性能特點(diǎn)，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(jì)90年代國內(nèi)還推廣應(yīng)用過用鎂菱土材料做粘結(jié)劑，內(nèi)部配玻璃絲或竹絲做骨料的有機(jī)復(fù)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(qiáng)、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(shí)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(shí)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(huì)對塑料制品用量的不斷增大，為節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，回收和利用廢舊塑料已經(jīng)成為當(dāng)今生態(tài)保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的一種必然要求。

廢舊塑料材料的形式多樣，成分復(fù)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(diào)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(zhì)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(guān)的詳細(xì)制作工藝和溫室性能筆者在相關(guān)文獻(xiàn)中已經(jīng)做過報(bào)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jì)和更適合溫室結(jié)構(gòu)用途的新型非金屬建筑材料，為中國溫室工程建設(shè)增添新的選擇。

參考文獻(xiàn)

[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(chǔ)連接處的銹蝕問題不可忽視[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（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(jié)構(gòu)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(shù)（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(shù)（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(shù)（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(shù)，2020，40（19）：36-41.