周長吉

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125）

塑料大棚自從20 世紀(jì)60 年代在國內(nèi)試驗(yàn)推廣以來，已經(jīng)遍布了全國各個(gè)省市自治區(qū)，成為了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣面積最大的設(shè)施形式，不僅應(yīng)用在蔬菜種植，而且在花卉、苗木、果樹、草莓、中藥材、食用菌、水稻育秧等生產(chǎn)中都有大量應(yīng)用，甚至在畜牧養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖中也經(jīng)常被使用。

在50 多年的發(fā)展歷程中，塑料大棚經(jīng)歷了竹木結(jié)構(gòu)、琴弦結(jié)構(gòu)、鋼筋/ 鋼管焊接結(jié)構(gòu)以及鍍鋅鋼管裝配結(jié)構(gòu)等材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，目前生產(chǎn)中使用的塑料大棚基本為鍍鋅鋼管裝配式結(jié)構(gòu)，而且隨著機(jī)械化水平的不斷提高，大棚的跨度和高度也在不斷增大。

塑料大棚在北方地區(qū)使用由于保溫性能差，主要用于春提早、秋延后生產(chǎn)，與露地種植相比，一般可提早或延后1 個(gè)月左右的時(shí)間。隨著中國人口的不斷增加以及土地資源的日趨緊張，延長設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)，提高土地利用率、增加產(chǎn)品供應(yīng)量已成為了對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切要求，由此，廉價(jià)、輕簡、對耕地破壞最小的外保溫大棚應(yīng)運(yùn)而生。所謂外保溫大棚就是在傳統(tǒng)塑料大棚的基礎(chǔ)上增設(shè)外保溫被，白天保溫被卷起，大棚采光通風(fēng)，夜間保溫被展開，覆蓋大棚棚面對大棚進(jìn)行保溫（圖1）。與傳統(tǒng)塑料大棚不同的是，這種大棚的跨度和高度進(jìn)一步加大，室內(nèi)溫光環(huán)境變化更平穩(wěn)，也更適應(yīng)于機(jī)械化作業(yè)。從性能來看，這種形式的大棚一般可在冬季最低溫度高于-10℃、日照百分率大于50% 的地區(qū)實(shí)現(xiàn)蔬菜的安全越冬生產(chǎn)，在種植葉菜、草莓等耐低溫作物時(shí)，甚至可以進(jìn)一步推廣到冬季溫度高于-15℃的地區(qū)，在種植要求春化作用的果樹等品種時(shí)更可將其推廣到室外溫度低于-20℃的地區(qū)，因此，保溫塑料大棚具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，在條件合適的地區(qū)已經(jīng)成為了替代當(dāng)?shù)厝展鉁厥业囊环N設(shè)施形式。

圖1 外保溫塑料大棚

在廣闊推廣前景的推動(dòng)下，各地設(shè)施生產(chǎn)企業(yè)及科研單位相繼開發(fā)了不同跨度、不同結(jié)構(gòu)的保溫大棚[1-4]，為這一傳統(tǒng)的設(shè)施形式增添了時(shí)代的活力。本文就筆者在走訪調(diào)研中所看到的各種保溫大棚的結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，供相關(guān)科研、開發(fā)和技術(shù)推廣人員學(xué)習(xí)和參考。

和日光溫室一樣，大棚結(jié)構(gòu)相對簡單，一是結(jié)構(gòu)為單跨；二是構(gòu)件的連接點(diǎn)少，相應(yīng)連接件數(shù)量和規(guī)格也比較統(tǒng)一。對單跨結(jié)構(gòu)而言，其承力結(jié)構(gòu)主要由屋面/ 側(cè)墻拱架和/ 或室內(nèi)立柱構(gòu)件組成。由此，本文主要介紹屋面拱架形式和室內(nèi)立柱等主要構(gòu)件，實(shí)際上也基本概括出了保溫塑料大棚的結(jié)構(gòu)輪廓。

屋面拱架結(jié)構(gòu)

屋面拱架是支撐塑料薄膜和外保溫被及其卷簾機(jī)的直接承力構(gòu)件，也是承載和傳遞室外風(fēng)雪荷載的構(gòu)件，對于吊掛作物的大棚還是承載作物吊掛荷載的構(gòu)件。外保溫塑料大棚，為了便于卷放保溫被，大多不設(shè)直立側(cè)墻，所以，其屋面拱架將大棚屋面和側(cè)墻結(jié)合成了一體。事實(shí)上，即使直立側(cè)墻的大棚，屋面拱架和側(cè)墻立柱也都是一體化構(gòu)件。因此，從外形看，屋面拱架有圓弧落地拱架（簡稱落地拱架）和斜立（直立）側(cè)墻圓弧屋面拱架（簡稱帶肩拱架）兩種形式。但由于外保溫大棚跨度一般都較大（多在10 m 以上，最大跨度可達(dá)到20 m 以上），而且隨著機(jī)械化耕作的要求越來越迫切，帶肩拱架已經(jīng)成為了這種大棚結(jié)構(gòu)的主流。對于種植果樹的保溫大棚，側(cè)墻甚至都采用直立側(cè)墻[4]。

從屋面拱架的結(jié)構(gòu)形式和用材看，主要有單管結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)兩種，其中單管結(jié)構(gòu)又有橢圓管和外卷邊C 形鋼之分（圖2）；桁架結(jié)構(gòu)有鋼管/鋼筋焊接桁架（圖3）以及鋼管組裝桁架和C 形鋼組裝桁架（圖4），焊接桁架還分平面桁架（圖3a）和三角形空間桁架（圖3b），為節(jié)省鋼材還有在焊接桁架結(jié)構(gòu)上布設(shè)縱向鋼絲的琴弦式結(jié)構(gòu)（圖3c）。

圖2 單管式屋面拱架

圖3 焊接桁架式屋面拱架結(jié)構(gòu)

圖4 組裝桁架屋面拱架結(jié)構(gòu)

單管骨架結(jié)構(gòu)輕盈，遮光少，不論是橢圓管還是C 形鋼都可直接用鍍鋅鋼板加工成形，不需要二次鍍鋅，制造加工工藝簡單，結(jié)構(gòu)防腐能力強(qiáng)。但由于是單管，結(jié)構(gòu)的承載能力不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選用這種材料要么需要在室內(nèi)增加立柱，要么就是減小大棚跨度，這都給棚內(nèi)機(jī)械化作業(yè)帶來不便。

焊接桁架結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)，可以在無柱條件下加大棚體跨度，便于棚內(nèi)機(jī)械化作業(yè)，但結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)工程量大，不同的焊工焊接質(zhì)量也有差異，焊接拱架如果不采取整體二次鍍鋅則防腐蝕的能力較差，在高溫高濕的種植環(huán)境中銹蝕速度快，需要每年對拱架進(jìn)行防腐保養(yǎng)，日常的維護(hù)工作量也很大，由于保溫大棚拱架較高，除銹、防腐都要求高空作業(yè)，因此，從減少日常維護(hù)保養(yǎng)的角度看，鍍鋅的單管拱架和組裝拱架更有發(fā)展前景。

組裝式拱架具有與焊接桁架結(jié)構(gòu)相同或相近的承載能力，而且構(gòu)件防腐能力強(qiáng)，對規(guī)模較大的建設(shè)基地，構(gòu)件成型設(shè)備可以直接安裝在工地現(xiàn)場進(jìn)行構(gòu)件加工、組裝，從而可顯著節(jié)約材料的運(yùn)輸成本，由此可大大降低工程的整體造價(jià)，是未來重點(diǎn)發(fā)展的一種結(jié)構(gòu)形式。

有立柱大棚結(jié)構(gòu)

從大棚的承力結(jié)構(gòu)看，除了屋面拱架外，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力，大部分大跨度塑料大棚都在室內(nèi)設(shè)置了支撐屋面拱架的立柱。根據(jù)棚內(nèi)設(shè)置立柱的多少，大棚結(jié)構(gòu)可分為單立柱結(jié)構(gòu)（圖5）、雙立柱結(jié)構(gòu)（圖6）和多立柱結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖5 中央走道單立柱大棚結(jié)構(gòu)

單立柱結(jié)構(gòu)的屋面拱架支撐立柱一般設(shè)置在大棚的跨中，柱頂支撐屋脊，立柱一側(cè)地面設(shè)置室內(nèi)作業(yè)走道。單柱結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在各種屋面拱架結(jié)構(gòu)中，屋面拱架的結(jié)構(gòu)承載能力越強(qiáng)，大棚的跨度即可隨之增大。但大棚跨度與脊高應(yīng)相匹配，如果大棚跨度不斷加大而脊高不隨之升高，將會(huì)帶來大棚屋面坡度過小，不利于屋面排水，容易引起屋面積水。一般大棚的高跨比應(yīng)控制在1:3 左右。

雙立柱結(jié)構(gòu)的立柱一般布置在大棚屋脊的兩側(cè)，兩根立柱在地面上正好形成室內(nèi)作業(yè)走道（亦即兩根立柱在大棚跨度方向的間距為室內(nèi)走道的寬度，圖6），而柱頂又正好支撐卷起后的保溫被和卷簾機(jī)。從結(jié)構(gòu)受力的角度看，兩根立柱對保溫被的支撐更穩(wěn)定；從室內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)看，立柱的設(shè)置基本不影響室內(nèi)機(jī)械作業(yè)，也不影響種植壟的布置，是一種比較合理的結(jié)構(gòu)形式。需要強(qiáng)調(diào)的是因?yàn)榱⒅挥诖笈锏闹胁?，立柱的高度較高，為增強(qiáng)立柱的承載能力或?yàn)闇p小立柱的截面尺寸，一般應(yīng)用斜撐將同一屋面拱架下的兩根立柱沿大棚跨度方向相連（圖6b），在大棚長度方向應(yīng)按照平面排架平面外穩(wěn)定的要求在大棚的兩端及中部設(shè)置柱間斜撐。

圖6 走道雙立柱大棚結(jié)構(gòu)

對于單管式屋面拱架，由于自身承載能力有限，為保障結(jié)構(gòu)的承載能力，如要加大棚體的跨度，往往要在棚內(nèi)沿跨度方向增設(shè)多道立柱（圖7）。但室內(nèi)多柱的設(shè)置也都遵從了室內(nèi)單柱和雙柱結(jié)構(gòu)立柱設(shè)置的原則，首先在大棚跨中結(jié)合室內(nèi)作業(yè)走道在屋面拱架的屋脊處或屋脊兩側(cè)設(shè)置立柱（中柱），之后再根據(jù)結(jié)構(gòu)的承載能力在中柱兩側(cè)對稱設(shè)置側(cè)立柱，可以增設(shè)1 對側(cè)立柱（圖7a），也可以增設(shè)2 對側(cè)立柱（圖7b），根據(jù)大棚建設(shè)地區(qū)的風(fēng)雪荷載大小通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析確定。室內(nèi)多柱大棚雖然保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但室內(nèi)多立柱非常不利于大棚內(nèi)的機(jī)械作業(yè)和種植壟的布置，尤其是當(dāng)棚內(nèi)布置自走式噴灌車時(shí)由于立柱的阻擋需要增加設(shè)備的臺(tái)數(shù)，而當(dāng)大棚設(shè)置內(nèi)保溫幕時(shí)，立柱的存在又為各幅保溫幕幅與幅之間的密封帶來了困難，此外過多的保溫幕連接密封條帶也給室內(nèi)帶來更多的遮陰帶，不利于棚內(nèi)作物的采光。所以，在可能的條件下，大棚內(nèi)應(yīng)盡可能少設(shè)或不設(shè)立柱，在必須設(shè)立柱時(shí)也盡可能考慮僅設(shè)中部立柱（單柱或雙柱）的方案。

圖7 室內(nèi)多立柱結(jié)構(gòu)

減少棚內(nèi)立柱的另一種做法是在立柱上設(shè)V 形斜撐（圖8），將屋面荷載通過斜支撐傳遞到立柱，同時(shí)也通過增設(shè)支撐點(diǎn)減小屋面拱架的計(jì)算長度。這種做法可減少立柱的數(shù)量，但相應(yīng)需要增大立柱的截面尺寸。實(shí)踐中，在立柱上設(shè)置V 形斜撐的方式有2 種：一種是沿大棚跨度方向設(shè)置（圖8a），主要是為了減少大棚沿跨度方向的立柱數(shù)量；另一種是沿大棚長度方向設(shè)置（圖8b），主要是為了減少大棚沿長度方向的立柱數(shù)量。斜撐在立柱上的設(shè)置位置應(yīng)高于作物冠層，不影響室內(nèi)作業(yè)，如果安裝室內(nèi)保溫幕應(yīng)與保溫幕安裝高度相結(jié)合。沿大棚跨度方向斜撐在屋面拱架上的安裝位置應(yīng)結(jié)合大棚屋面天窗的設(shè)置位置（一般可設(shè)置在屋面天窗的下沿）以及相同結(jié)構(gòu)無斜撐時(shí)屋面拱架包絡(luò)圖內(nèi)力最大的位置。斜撐與水平面的傾斜角度應(yīng)控制在30°～60°，盡可能靠近45°。

圖8 立柱設(shè)V 形加強(qiáng)斜撐

大棚的立柱可以是圓管，也可以是方管（矩形管）。立柱與斜撐的連接以及立柱與屋面拱架的連接最好采用專用連接件連接，盡量避免采用焊接形式連接。

無立柱大棚結(jié)構(gòu)

無立柱塑料大棚室內(nèi)空間大，機(jī)械化作業(yè)方便，作物種植壟布置靈活，是種植者比較青睞的結(jié)構(gòu)形式。但由于受結(jié)構(gòu)承載能力和建設(shè)成本的限制，傳統(tǒng)的單管拱架和桁架式拱架大棚的跨度一般都不超過15 m（圖9），只有采用懸索結(jié)構(gòu)時(shí)，大棚的跨度才可能超過20 m，甚至達(dá)到30 m（圖10）。

圖9 單管和桁架屋面拱架無立柱大棚結(jié)構(gòu)

圖10 懸索屋架無立柱大棚結(jié)構(gòu)

桁架式屋面拱架截面均勻，承載能力強(qiáng)，作為無立柱結(jié)構(gòu)的承力構(gòu)件可在屋面構(gòu)件上不用附加其他桿件（圖9a），而對于單管屋面拱架，為提高拱架結(jié)構(gòu)的承載能力就需要在屋面拱架上增設(shè)水平弦桿或在增設(shè)水平弦桿的基礎(chǔ)上再增設(shè)弦桿與屋面拱桿之間的傾斜腹桿，其中傾斜腹桿的設(shè)置方式有V 形腹桿（圖9b）和M 形腹桿（圖9c），甚至“之字”形腹桿，在屋面拱桿的屋脊處還可以設(shè)置與水平弦桿垂直的中吊桿（圖9b、圖9c），甚至在中吊桿兩側(cè)還可以增設(shè)側(cè)吊桿。這些腹桿的設(shè)置方法基本可參照連棟塑料溫室屋面拱架上腹桿設(shè)置方法[5]。

需要指出的是，和上述立柱上設(shè)置斜撐一樣，屋面拱架上水平弦桿設(shè)置位置首先也應(yīng)在作物冠層高度的上方，如果大棚安裝有室內(nèi)保溫幕時(shí)，最好與保溫幕的安裝高度相結(jié)合；其次要考慮屋面拱架在風(fēng)雪荷載作用下的反彎點(diǎn)位置，盡量選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大的位置。同時(shí)也必須注意，屋面拱架局部的加強(qiáng)應(yīng)與拱架整體結(jié)構(gòu)承力相協(xié)調(diào)，如果過分強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)拱架的上部屋面部位而忽視了拱架側(cè)墻部位，則可能由于側(cè)墻部位的承載能力不足而使對結(jié)構(gòu)上部的加強(qiáng)構(gòu)件實(shí)際上變成為無效構(gòu)件，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)用材量增大、造價(jià)提升、室內(nèi)陰影面積增多而結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度卻沒有相應(yīng)提高的“偽加強(qiáng)”結(jié)構(gòu)。

懸索結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力而又可減少屋面拱架構(gòu)件截面尺寸的一種有效的方法。這種結(jié)構(gòu)充分利用了金屬構(gòu)件抗拉性能強(qiáng)的特點(diǎn)，用拉索作為水平弦桿可大大減輕結(jié)構(gòu)的自重，而且這種懸索桿不僅可用于沿大棚跨度方向的水平拉桿（圖10a），而且還可以使用在屋面拱架的縱向連系梁上（圖10b）。將屋面拱架的縱向連系梁做成拉索結(jié)構(gòu)的支撐梁，如同上述平面桁架上鋪設(shè)縱向鋼索一樣，可與屋面拱架形成雙向承力體系，從而可大大提升結(jié)構(gòu)的承載能力，而且構(gòu)件截面小，室內(nèi)陰影面積少，尤其適用于大跨度的單跨大棚。