楊福強(qiáng) 甘茂萌 趙文忠 張海斌 常勝剛 顏軍

導(dǎo)讀：綜合考慮蔬菜農(nóng)藝措施和生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展的需要，從空間結(jié)構(gòu)、通風(fēng)散熱性能、抵抗自然災(zāi)害能力等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)和建造一款滿足長(zhǎng)沙地區(qū)蔬菜栽培需要和宜機(jī)化程度高的蔬菜單棟大棚，以提高蔬菜生產(chǎn)的機(jī)械化水平。

湖南省是農(nóng)業(yè)大省，蔬菜產(chǎn)業(yè)是湖南省政府提出的十大千億產(chǎn)業(yè)之一，其栽培面積和產(chǎn)量穩(wěn)步增加[1]。2019年，全省蔬菜播種面積131.3萬(wàn)hm2，蔬菜產(chǎn)量3 669.44萬(wàn)t，蔬菜總產(chǎn)值1 301.11億元，占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的42.63%[2]，占比份額持續(xù)增加，是湖南省種植業(yè)第一大產(chǎn)業(yè)，成為湖南省農(nóng)民增收和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重要支撐。設(shè)施蔬菜是湖南蔬菜產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其能夠充分利用氣候條件，提高土壤利用效率，提升蔬菜栽培的產(chǎn)量和品質(zhì)，對(duì)于保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義[3]。湖南設(shè)施蔬菜栽培處于冬春季低溫、陰雨、寡日照，夏季高溫、暴雨、強(qiáng)日照不利條件，以溫室、塑料大棚、小拱棚等抗低溫冷害為主的保溫、避雨設(shè)施和以遮陽(yáng)網(wǎng)、防蟲網(wǎng)為主的遮陽(yáng)降溫、防暴雨避蟲設(shè)施為主[4]，主要分布在常德、懷化、長(zhǎng)沙等地，栽培設(shè)施結(jié)構(gòu)性能差，抵抗自然災(zāi)害的能力不足，機(jī)械化程度低。

目前，由于很多蔬菜單棟大棚因太低、太狹窄、門不夠?qū)挻?，因此農(nóng)業(yè)機(jī)械無(wú)法進(jìn)出，與機(jī)械化生產(chǎn)不匹配，而農(nóng)業(yè)機(jī)械化是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)村生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支撐。SPG-12-5.2型寬跨度宜機(jī)化蔬菜單棟大棚是綜合考慮長(zhǎng)沙地區(qū)蔬菜栽培農(nóng)藝需求和機(jī)械化生產(chǎn)需要，從保溫散熱性能、宜機(jī)化程度、抵抗自然災(zāi)害能力等角度出發(fā)，而設(shè)計(jì)建設(shè)的適合長(zhǎng)沙地區(qū)蔬菜栽培需要的單棟鋼架大棚。

1 單棟大棚設(shè)計(jì)的總體要求

1.1 通風(fēng)散熱性能良好

長(zhǎng)沙地區(qū)夏季高溫炎熱，蔬菜在散熱性能差的大棚中栽培其蒸騰作用明顯，中午易出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，影響蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，造成部分病害易發(fā)高發(fā)，不利于蔬菜生產(chǎn)。

1.2 宜機(jī)化性能突出

隨著蔬菜生產(chǎn)菜農(nóng)老齡化嚴(yán)重、生產(chǎn)成本投入增加，提高蔬菜生產(chǎn)的機(jī)械化水平對(duì)降低勞動(dòng)成本，提高生產(chǎn)效率和效益具有重要作用，也適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向。

1.3 抵抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)

單棟大棚設(shè)計(jì)能夠抵抗20年一遇的風(fēng)雪自然災(zāi)害，防止極端氣候造成的大棚損毀和作物受災(zāi)。

1.4 結(jié)構(gòu)經(jīng)久耐用

在設(shè)計(jì)允許荷載下，單棟大棚能保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，金屬構(gòu)件防腐防銹性能突出，使用年限≥10年。

2 單棟大棚結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

參考GB/T 19165-2003《日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能要求》對(duì)塑料大棚的結(jié)構(gòu)要求，綜合考慮蔬菜栽培農(nóng)藝措施和機(jī)械化生產(chǎn)的需要，單棟大棚外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：32 m×12 m×5.2 m，為滿足農(nóng)機(jī)進(jìn)出和機(jī)械化作業(yè)需求，大棚門采用推拉門設(shè)計(jì)，尺寸（寬×高）2.5 m×3.0 m，大棚中間無(wú)立柱，肩高≥2 m（圖1）。拱間距1 m，每組拱桿配置水平梁及隅撐，共計(jì)11道連桿，10道卡槽。

圖1 大棚橫截面設(shè)計(jì)

2.2 性能指標(biāo)

大棚能夠抵御風(fēng)、雨、雪等自然災(zāi)害，永久荷載和可變荷載（作物荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等）符合現(xiàn)行GB/T 51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，荷載量大小主要依據(jù)湖南長(zhǎng)沙20年一遇的雪壓值和風(fēng)壓值[5]，大棚承載力雪壓值0.36 kN/m2，風(fēng)壓值0.46 kN/m2。外棚覆蓋層透光率：早春或晚秋季節(jié)≥70%，冬季晴天中午≥65%。

3 大棚的選材和建造

3.1 建造選址

大棚應(yīng)盡量選擇生態(tài)環(huán)境良好，土層肥沃深厚，排灌條件良好，周圍無(wú)遮陽(yáng)物，交通便利的地塊建造。

3.2 大棚基礎(chǔ)

參考GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，大棚基礎(chǔ)采用C25點(diǎn)式基，采用水平儀確?；A(chǔ)在一個(gè)水平面上。基礎(chǔ)深度0.6 m，直徑0.4 m，預(yù)埋40 mm×60 mm×2 mm×750 mm熱鍍鋅管地腳連接件，基礎(chǔ)地腳連接件與拱桿采用M 10 mm×60 mm螺母固定。

3.3 大棚骨架

大棚采用輕鋼結(jié)構(gòu)，所有鋼構(gòu)件采用熱鍍鋅管材或高鋅層（熱鍍鋅275 g/m2）板料成型，主體拱架采用2個(gè)70 mm×45 mm×1.5 mm×8 489 mm“幾”字形熱鍍鋅卷板拼接而成，拱桿間距為1 m，脊部采用40 mm×60 mm×2 mm×260 mm熱鍍鋅管脊部連接件連接，對(duì)應(yīng)拱桿間采用42 mm×1.5 mm×7 890 mm水平梁連接，另采用32 mm×1.5 mm×2 000 mm一頭拍扁的熱鍍鋅管“V”撐和32 mm×1.5 mm×1 200 mm一頭拍扁鍍鋅管吊桿連接固定（圖2）。鋼結(jié)構(gòu)連接部位牢固可靠，采用M 10 mm×60 mm螺母連接。

圖2 大棚主體結(jié)構(gòu)

3.4 頂開(kāi)窗及通風(fēng)口

為提高大棚通風(fēng)散熱性能，滿足夏季蔬菜生產(chǎn)需要，大棚采用雙頂開(kāi)窗和雙通風(fēng)口設(shè)計(jì)，配備電動(dòng)卷膜開(kāi)窗機(jī)。頂開(kāi)窗位于棚脊下方1.85 m處，設(shè)計(jì)規(guī)格32 m×1 m。側(cè)通風(fēng)口位于地面上25 cm處，設(shè)計(jì)規(guī)格32.0 m×1.8 m。

3.5 卡槽的安裝

綜合考慮頂開(kāi)窗和側(cè)通風(fēng)覆蓋材料安裝需求，單棟大棚棚脊兩側(cè)1.85、2.85、4.65、6.45、8.25 m處各固定“U”形卡槽1個(gè)，卡槽間用卡槽連接片，用M 5.5 mm×19 mm鉆尾絲固定。

3.6 棚門的安裝

棚門采用雙側(cè)推拉門設(shè)計(jì)，寬×高=2.5 m×3.0 m，位于單棟大棚兩頭。棚頭采用8根40 mm×60 mm熱鍍鋅方管固定支撐，與拱架相連，中間2根為門柱，間距2.5 m，離地面3 m處安裝推拉門橫梁，然后將推拉門安裝到橫梁上。

3.7 覆蓋材料

大棚主體結(jié)構(gòu)建好后，選晴天無(wú)風(fēng)天氣扣膜，薄膜大小裁剪時(shí)應(yīng)預(yù)留卡槽卡扣尺寸，薄膜采用日本進(jìn)口希愛(ài)10絲（1絲=0.01 mm）PO膜，頂膜1塊，大小為5.7 m×32.5 m，設(shè)計(jì)2道卡槽固定，下端固定在頂開(kāi)窗卷膜桿上。中膜2塊，大小為6.5 m×32.5 m，每塊采用3道卡槽固定，下端固定在側(cè)通風(fēng)卷膜桿上。裙膜2塊，大小為1 m×32.5 m，每塊采用1道卡槽固定。頂開(kāi)窗采用40目、大小1 m×32.5 m的防蟲網(wǎng)，側(cè)通風(fēng)采用40目、大小1.8 m×32.5 m的防蟲網(wǎng)，拱桿之間拉1條壓膜線。

3.8 智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

利用智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)單棟大棚灌溉的水肥一體化控制，監(jiān)控單棟大棚蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程中栽培信息（作物種類、光照、土壤溫度、土壤濕度、EC值等），發(fā)現(xiàn)適宜蔬菜栽培的相關(guān)環(huán)境和土壤指標(biāo)的適宜閾值，并進(jìn)行智能調(diào)控，提高蔬菜生產(chǎn)的智能化水平。

4 結(jié)論

SPG-12-5.2型寬跨度宜機(jī)化蔬菜單棟大棚在綜合考慮長(zhǎng)沙夏季高溫炎熱、便于機(jī)械作業(yè)和抵抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的設(shè)計(jì)建設(shè)，并通過(guò)了湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站的檢驗(yàn)。大棚采用雙頂開(kāi)窗和雙側(cè)通風(fēng)設(shè)計(jì)，散熱性能良好，能有效調(diào)節(jié)夏季炎熱高溫時(shí)棚室氣溫，滿足瓜果類、茄果類、葉菜類等蔬菜生產(chǎn)需求。大棚中間無(wú)立柱，肩高較高，空間和進(jìn)出口設(shè)計(jì)綜合考慮蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化的需要，方便農(nóng)機(jī)進(jìn)出和作業(yè)，有效提高了大棚蔬菜宜機(jī)性能，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)投入，順應(yīng)了蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)湖南長(zhǎng)沙20年一遇的雪壓值和風(fēng)壓值，滿足蔬菜栽培作物荷載需求，并且經(jīng)受住了2021年冬季雪災(zāi)的考驗(yàn)（圖3）。由于專門定制構(gòu)建和鋼材價(jià)格的升高，大棚平均造價(jià)約160元/m2，需進(jìn)一步優(yōu)化單棟大棚的改進(jìn)方案，降低建造成本，并利用智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)大棚的主要性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，探索大棚高效使用方式方法和農(nóng)藝措施。

圖3 大棚抗雪災(zāi)性能