改進的大跨度Venlo溫室屋蓋結構體系

趙欣+于紅燕

【摘要】溫室建筑從最初的生產型向商業型方向發展。Venlo溫室是傳統的生產型溫室，結構體系受力合理，傳力明確，用鋼量經濟。對傳統Venlo溫室進行改進，開發出一種新型的大跨度Venlo型溫室屋蓋體系。與傳統溫室進行對比分析，驗證新型溫室結構的合理性，用鋼量的經濟性。通過此研究可顯著擴大溫室結構的適用跨度，促進商業型溫室的研究及工程應用。

近年來，現代設施農業溫室的建設和使用已經從單一生產型溫室發展到多元化商業型溫室[1]。溫室不再僅僅種植蔬菜和花卉，而是出現了集農業園藝生產和休閑娛樂餐飲于一體的商業溫室，也可稱為溫室類公共建筑。商業型溫室有別于生產型溫室，其對通風采光等方面的要求有很大放松的同時，對結構的安全性、經濟性、適用跨度等方面都提出了更高的要求。將傳統生產型溫室結構用于商業溫室后，安全性需要提高，跨度和室內空間需要擴大。因此有必要對傳統溫室結構進行改進。

Venlo型溫室是中國大型連棟溫室采用的主要結構形式。筆者對傳統Venlo型溫室結構進行了改進，提出一種新型大跨度溫室屋蓋結構體系，以適應溫室商業化的發展趨勢。最后結合溫室實際工程項目，通過SAP2000有限元軟件對傳統Venlo溫室和改進的Venlo溫室進行了受力分析和對比，驗證了新型大跨度溫室結構受力的合理性，用鋼量的經濟性，為今后溫室類公共建筑推廣應用提供了一種高性價比的結構。

傳統Venlo溫室結構組成及特點

Venlo溫室屬于雙坡多屋面連棟溫室，起源于荷蘭，在20世紀70年代末引入中國[2]。溫室主要由柱子、桁架、三角形屋面龍骨和天溝組成，其中屋面覆蓋在屋面龍骨上并與天溝連接，天溝連接在桁架上的小立柱或柱子上，而桁架則與柱子連接。國內生產型標準Venlo型溫室跨度為6.4 m，進深為4 m，每個單元包括2個小屋頂[3]。目前常用的商業型Venlo溫室跨度可以做到8、9.6、12 m，進深為8 m，每個結構單元可以為二尖頂、三尖頂、四尖頂。如圖1所示為傳統二尖頂Venlo型溫室結構組成示意圖。橫向和縱向平面桁架組成一級骨架，支撐在桁架之上的天溝及屋面龍骨小屋架等組成二級骨架。圖2為某Venlo溫室內景圖。

Venlo型溫室屋蓋主要受力骨架為平行弦平面桁架結構。Venlo型溫室標準化程度高，桁架跨度不超過12 m，可以在工廠制作完成，運輸至現場進行安裝。當Venlo型溫室以玻璃為覆蓋材料時，可產生蒙皮效應，剛度有所增加但并不是很顯著[4]。傳統Venlo溫室由于采用的是平面結構體系，空間受力傳力作用差，跨度受限，內部空間不能靈活布置。Venlo溫室跨度超過12 m時，若仍采用傳統體系，結構用鋼量會大幅度提高，從而增加了溫室的建筑成本。

改進大跨度溫室屋蓋結構體系

空間管桁架結構是目前大跨度空間結構中應用最廣泛的結構形式之一，通常采用三角形斷面，與平面桁架相比具有跨度大、穩定性好、抗扭轉剛度大、外表美觀等優點。側向剛度和穩定性的提高，可顯著減少側向支撐構件數量。跨度大時，經濟效果更顯著。通過研究，筆者采用空間桁架結構對傳統Venlo溫室結構進行改進，開發出一種新型的大跨度Venlo型溫室屋蓋體系。

新型大跨度溫室屋蓋結構體系由橫向布置的空間倒三角形空間管桁架，以及在屋蓋周邊沿縱向布置的空間桁架組成，縱、橫向空間桁架形成閉合框，有效地增加了屋蓋結構的整體剛度，并能提高溫室的縱橫向剛度。橫向空間桁架間距可為6 m，跨度可在15 m以上。兩榀橫向空間桁架之間布置三角形平面小屋架，作為屋面龍骨。屋面坡度可依據采光和排水的要求而定。柱子布置在整個結構的周邊，由于跨度的增加，內部柱子數量大大減少，內部空間增大，布置靈活。

屋面的排水可在橫向空間桁架上弦平面找坡，根據跨度大小設為單坡或雙坡，坡度為5‰，屋面找坡可借鑒平板網架結構屋面排水的做法（圖3），通過在桁架上弦節點設置不等高小支托，屋面檁條及屋面板安裝后，即可形成排水坡度。屋面排水的路徑是先由三角形屋脊排入倒三角形桁架的上弦平面，1.5 m寬的上弦平面作為一個“大天溝”，然后再利用屋面橫向坡，將水排到溫室兩側，利用雨水管排出。遮陽網支架也安裝在縱、橫向空間桁架上弦節點。

由此可見，改進的Venlo型溫室屋蓋體系（圖4）省去了天溝及其支撐次桁架，結構布置更加簡潔，傳力途徑簡單明確，構件種類數量減少，骨架陰影率降低，有效改善了溫室的透光率；桁架跨度增大，立柱數量減少，室內可形成更大的自由空間，很好地適應了溫室商業化的需求。

改進大跨度溫室屋蓋受力分析對比

本文以某傳統Venlo溫室實際工程為對比分析對象，將其改進為新型大跨度空間桁架Venlo溫室屋蓋結構，對改進前后2個溫室屋蓋的受力性能進行對比和用鋼量分析，驗證新型溫室屋蓋受力性能及經濟指標的合理性。

傳統venlo溫室屋蓋受力分析

某傳統Venlo連棟溫室實際工程，平面尺寸48 m×24 m，4棟相連，天溝為南北向；跨度為12 m，進深8 m，每棟溫室3個進深。屋蓋結構構件尺寸見表1。

永久荷載 包括結構自重，永久設備荷載、作物荷載。永久設備荷載按均布荷載考慮，取值為0.07 kN/m2。綜合考慮除結構自重外，取附加恒荷載為0.25 kN/m2。

活荷載 對于連棟溫室，可取0.3 kN/m2[5]。

雪荷載 基本雪壓取0.4 kN/m2，加熱影響系數取0.6，均勻分布雪荷工況，屋面積雪分布系數取為1.0，不均勻分布雪荷工況，屋面凹處積雪分布系數取1.4，屋脊部分積雪分布系數取0.94。

風荷載 基本風壓取值為0.35 kN/m2，相應體形系數如圖5。

采用SAP2000通用有限元分析軟件對傳統Venlo溫室屋蓋進行建模分析，有限元模型如圖6所示。內力分析時主要考慮了以下幾種工況：工況① 1.2恒載+1.4活載；工況② 1.2恒載+1.4不均勻分布雪載；工況③ 1.0恒載+1.4風載（吸力）。不同工況下計算結果見表2。

由不同工況下的計算結果可知，在豎向荷載下對于桁架的最不利組合為工況①。因此本文僅對2種模型在1.2恒載+1.4活載下的受力變形結果進行對比分析。結構的內力變形計算結果見表3。一級骨架變形形式如圖7所示。由以上計算結果中可以看出，傳統Venlo溫室屋蓋結構（跨度不大于12 m時）內力分布均勻，剛度較大，材料利用率較高。

改進的Venlo溫室屋蓋受力分析

改進的溫室屋蓋結構相應建筑平面仍為24 m×48 m；橫向布置9榀倒三角形斷面空間桁架，桁架跨度為24 m，間距為6 m；桁架高度為1.5 m，上弦平面寬度為1.5 m，上弦節間長度為1.6 m；在屋蓋周邊布置兩榀縱向空間桁架。縱、橫向空間桁架弦桿、腹桿截面尺寸相同。作為屋面龍骨的三角形平面小屋架直接與空間桁架的上弦節點相連，小屋面坡度為23°。大跨度空間桁架可以在工廠分段制作，運至現場后，可通過螺栓連接節點進行拼裝。桿件截面及整體用鋼量的統計見表4。

相同荷載取值及工況下，新型溫室屋蓋結構的軸力云圖見圖8，變形形式見圖9，內力變形計算結果見表5。由改進溫室屋蓋內力變形計算結果可見，結構內力分布均勻，剛度較大，整體性強。

新型溫室屋蓋與Venlo溫室對比分析

結構布置 在24 m×48 m建筑面積內，傳統Venlo溫室跨度為12 m，建筑內部需要布置6根立柱，限制了空間的使用功能；改進Venlo溫室跨度為24 m，僅在周邊布置柱子，建筑內部無需設柱。屋頂同樣可使用PC板做采光屋面，尖頂坡度同為23°，能夠滿足植物生長所需光照和通風的條件、方便積雪滑落，且外形美觀。

強度剛度 在相同荷載下，傳統Venlo溫室屋蓋桁架最大撓度為跨度的1/480，改進Venlo溫室屋蓋結構中桁架的最大撓度為跨度的1/510。傳統Venlo溫室屋蓋桁架高跨比為1/12，改進Venlo溫室屋蓋桁架的高跨比為1/16，結構相對高度降低。二者結構構件的最大應力均接近鋼材強度設計值。

用鋼量 本研究中傳統Venlo溫室屋蓋的用鋼量為13.9 kg/m2，改進Venlo屋蓋用鋼量為10 kg/m2，有較明顯的經濟優勢。

傳力路徑 傳統Venlo溫室：PC板→屋面小屋架→天溝→小立柱→次桁架→主桁架→柱子；改進Venlo溫室：PC板→屋面小屋架→桁架→柱子。可見新型溫室的傳力路徑更加簡捷明確，便于設計分析及優化。

制作安裝 改進的Venlo溫室屋蓋省去了天溝、小立柱等構件，構件數量種類明顯減少，加工制作安裝工作量大大減少。

結論與展望

傳統Venlo溫室經濟，但跨度受限，很難滿足溫室商業化發展的需要。改進的Venlo型溫室屋蓋結構保留了傳統Venlo溫室的功能和外觀，采用了空間桁架作為受力骨架，由于結構布置合理，可滿足商業溫室對大跨度的需求。通過計算分析表明，本研究中改進的大跨度Venlo溫室屋蓋，內力分布均勻，整體剛度大，受力性能好，用鋼量經濟。

改進的Venlo溫室屋蓋體系構件規格種類少，大跨度空間桁架可以在跨中或三分點處斷開，分段在工廠制作，在現場完成拼裝；小尖頂處三角形屋面桁架跨度很小，運輸方便，在工廠加工完成，運至現場后可采用螺栓連接，安裝在縱、橫向空間桁架上弦。

綜上所述，采用空間桁架的改進Venlo型溫室屋蓋受力合理，制作安裝簡便，易于實現工廠化。本文的研究工作為溫室商業化發展奠定了一定的理論基礎，今后可進一步展開拼裝節點的開發與研究，對屋蓋結構進行深入的試驗和優化設計研究，并推進相應的工程應用實踐。

參考文獻

[1] 威邦塑膠建材有限公司.商業型溫室的聚碳酸酯板采光覆蓋材料[J].農業工程技術（溫室園藝），2008（11）：6.

[2] 周長吉.我國目前使用的主要溫室類型及性能[J].農村實用工程技術，2000（02）：8-9.

[3] 周長吉，王應寬.中國現代溫室的主要型式及其性能（英文）[J].農業工程學報，2001（01）：16-21.

[4] 金健，童樂為，周鋒. Venlo型溫室結構空間作用的分析與應用研究[C].2014年全國鋼結構設計與施工學術會議論文集，2014：4.

[5] 鄒志榮，周長吉.溫室建筑與結構[M].北京：中國農業出版社，2012（4）：41-45.

項目支持：河北省建設科學技術研究計劃“溫室類公共建筑新型結構體系受力性能研究”（2012-122）。

作者簡介：趙欣（1972-），女，海南文昌人，博士，副教授，碩士生導師。研究方向：鋼結構。

通信作者：于紅燕（1989-），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：鋼結構。