新型大跨度無立柱內保溫拱棚結構設計及配套內保溫系統研究

|摘要|目前，中國的大跨度無立柱拱棚內部均受限于結構的跨度要求，設置了一個或多個立柱，凈跨度較小，嚴重地限制了中國溫室內部的機械化作業。文章圍繞拱棚的結構及其配套內保溫系統展開了探索，設計研發了三角形空間桁架及大跨度無立柱拱棚，旨在為中國塑料大棚的發展提供參考。

前言

設施園藝產業是當今中國現代農業中最具活力的產業之一，“十八大”以來，中國高度重視推進農業供給側結構性改革，大力推動農業綠色發展，其技術提升將極大地增加經濟收益，帶動大批相關產業的發展。中國的園藝設施面積位居世界之首，農業農村部2019年11月22日公布的統計數據顯示，全國的溫室面積達到了189.42萬hm2，其中，日光溫室面積為57.74萬hm2，占比30.5%;塑料大棚126.24萬hm2，占比66.6%;連棟溫室5.43萬hm2，占比2.9%。因此，溫室結構和其配套設施的研究非常重要。

在西北地區應用拱棚設施具有補充和完善其他設施結構的意義。盡管拱棚目前尚不能滿足喜溫果蔬的安全越冬生產，卻已經可以給作物提供比露地生產更加適合和可控的生長環境，從而大幅提高果蔬的產量和品質。同時，拱棚能夠實現防災減災，給作物提供避風和避雨的環境，還可以在北方實現安全越夏生產，這一優勢是對日光溫室越冬生產的重要補充和完善。并且，由于拱棚設施具有空間大的特性，大跨度拱棚可以實現農機與農藝的有機融合，促進設施產業實現機械化和自動化生產，水平也不斷得到提升。大跨度拱棚不僅與其它設施結構相互補充，而且隨著其結構和環境控制配套設施的不斷研發，其功能也會不斷完善。

中國大跨度無立柱拱棚目前的經濟跨度一般為12～12.8 m，有部分溫室外觀跨度較大，達到16 m，甚至是26 m，但內部均受限于結構的跨度要求，設置了一個或多個立柱。與拱棚配套的保溫系統主要有外保溫被、內保溫被、內保溫幕等，配套的通風降溫設備一般為卷膜系統和小型風機。由于凈跨度較小，嚴重地限制了我國溫室結構內部的機械化作業，極大地制約了我國設施農業的發展。針對拱棚對于大跨度的產業發展需求，行業專家開發了各種結構來滿足跨度要求，但簡單從普通鋼結構的構型中選用，不僅安全性達不到塑料大棚的實際需求，而且整體造價也相對較高。采用替代的材料進行焊接，又會導致結構在溫室的濕熱環境中過快地銹蝕，造成安全隱患。

針對現有技術存在的不足，西北農林科技大學溫室結構研發團隊開發了一種三角形空間桁架及大跨度無立柱拱棚（圖1）。技術團隊聯合寧夏新起點現代農業科技有限公司的技術團隊，在寧夏回族自治區“十三五規劃”項目中的寧夏園藝產業園進行了新型大跨度無立柱拱棚的首次試驗性建造（圖2）。該拱棚結構解決現有技術中溫室空間桁架承載力不強、承載跨度小、結構易銹蝕等缺陷，進而解決了大跨度溫室必須采取立柱支撐，空間難以擴大的技術困境。

新型大跨度無立柱拱棚結構設計

三角形空間桁架及大跨度無立柱拱棚是由空間V型件和I型件相互裝配形成的，與上下弦桿呈30°～60°斜角的空間等腰三角形結構，進而每對所述的加強肋組件與上弦桿和下弦桿形成等腰四棱臺結構，該結構在保證空間結構穩固性的基礎上，同時具備結構形式標準化程度高，適合快速裝配建造的結構特點（圖3）。通過系統的結構安全檢測和試驗（圖4），西北農林科技大學溫室結構研發團隊研發的三角形空間桁架可以可靠地實現16、24、30 m的凈跨無立柱拱棚。

與現有溫室結構相比，該實用新型的三角形空間桁架及大跨度無立柱溫室采用了特殊設計的三角形空間桁架，該空間桁架利用創新設計的V型件和I型件相互裝配為具有一定空間三角形結構的加強肋組件，巧妙地在極少構件的情況下實現了三角形空間結構的幾何不變體系，解決了大跨度溫室結構的承載力問題，進而可使溫室跨度進一步提高至可以進行機械化種植耕作所需要的跨度。

同時，該溫室結構開創性地采用了幾字型或者C型結構的下弦桿設計，使溫室骨架的功能多樣化，節省了制作內部二層骨架的費用并簡化了溫室結構，同時為溫室內保溫提供了安裝平臺，克服了傳統兩層骨架內保溫的空間狹小問題，為溫室內部作物生長提供了必要的開闊生長空間，也為溫室的機械自動化種植耕作奠定了結構基礎。

新型的三角形空間桁架及大跨度無立柱溫室的結構的空間化、模塊化設計極大地簡化了裝配的難度，全面采用了裝配前熱鍍鋅和螺栓裝配的方式，保障了結構強度以及耐久性和安全性。并針對大跨度結構帶來的熱損失與通風除濕問題，設計了配套的蓄熱保溫墻和通風除濕換熱風通道，該蓄熱保溫墻和通風除濕換熱風通道與大跨度溫室的結構相結合，使得結構獲得更加優越的保溫和除濕功能。

此外，該溫室在下弦桿鉤掛用于鉤掛安裝遮陽保溫設施的滑動吊裝件，遮陽保溫設施收起時，向溫室一側收攏，并最終收攏在溫室一側，不會對溫室內部主體部分產生遮蔭，同時加強了溫室的保溫性能，有利于溫室溫光性能的進一步提高。

新型大跨度無立柱拱棚配套內

保溫系統研發

由于中國西北地區氣候條件復雜，晝夜溫差大，因此，在中國西北地區的拱棚均利用外保溫被來進行保溫。在過去的10年里外保溫被部分解決了中國西北地區拱棚的冬季保溫問題，但是由于外保溫被本身處在溫室外部，因此長期以來存在以下幾個方面的嚴重問題：

（1）保溫被厚重，卷鋪困難。即使是用了電動卷鋪設備，依舊存在卷鋪不穩定的問題，而溫室外保溫平直度會影響溫室的采光面積。同時，厚重的溫室外保溫還會導致卷鋪設備負載大，容易出現故障。而且，由于外保溫依靠自身重力停靠在溫室頂部，一旦出現卷簾機過卷，就會造成比較嚴重的事故，很難修復。

（2）保溫被使用壽命短。由于外部風吹日曬，加之雨雪侵蝕，保溫被的壽命僅能維持2～3年，使用成本高，維護成本也高。

（3）中國西北地區多風，外保溫被存在工程隱患，經常面臨被風整體掀起的風險。會造成外保溫系統的整體失效，還會嚴重影響溫室生產。

（4）現有外保溫無法實現全自動化控制，因此大跨度無立柱拱棚自動化生產無法實現。

因此，從以上幾點來分析，外保溫被已經成為了拱棚特別是超大跨度拱棚大跨度優化和實現自動化的嚴重障礙，亟待解決。

為此，設計團隊對該新型大跨度無立柱拱棚的懸掛內保溫系統（圖5）及地下換熱通風降溫系統進行了改良，采用了分組閉合的鎖鏈傳動技術，可以在實現拱棚懸掛內保溫系統穩定開啟閉合的同時，為拱棚內部植物創造開闊的生長空間。

該日光拱棚的懸掛內保溫及通風降溫系統結構合理，與現有溫室保溫設施相比不僅不增加成本，還可以大大提高大跨度無立柱拱棚的保溫和通風降溫功能。同時也克服了困擾西北大跨度無立柱拱棚保溫通風發展的種種結構性問題，結合實踐中對溫室的要求來看，其優點在于：

（1）該拱棚采用了特殊設計的溫室骨架下弦閉合鎖鏈系統傳動，使得該懸掛內保溫系統穩定可靠，不但克服了拱棚外保溫面臨的壽命短和不抗風的問題，同時也克服了傳動二層骨架內保溫的空間狹小問題，為拱棚內部作物生長提供了必要的開闊的生長空間（圖6）。

（2）開創性地采用了幾字型鋼或者C型鋼骨架下弦設計，將原來拱棚骨架的功能多樣化，省掉了制作內部二層骨架的費用并簡化了拱棚結構。最終，不但減少了結構材料的耗費，也降低了安裝的復雜度，同時擴大了拱棚內部空間。

（3）由于采用了運行穩定、控制容易的單元鎖鏈閉合傳動系統，內保溫被的開啟和閉合非常容易準確控制，因此為大跨度無立柱拱棚的全面自動化打好了設備的基礎。

（4）溫室內保溫被開啟后，保溫被收攏在溫室骨架的屋腳位置，因此不但對溫室內部不產生任何遮蔭，也加強了拱棚的保溫性能，有利于溫室溫光性能的進一步提高。

（5）整個系統運行只有2臺1.1 kW的減速電機驅動，造價低，運行的費用低，效率高，在實踐生長中容易推廣和保持長時間穩定運行。

總結

結合中國大跨度拱棚的實際產業需求，中國設施農業溫室結構領域亟待開發一種結構合理，安裝工藝完善，既可以保障結構在大跨度條件下的承載力要求，也可以保證在整個安裝過程中不用焊接，進而實現在溫室全生命周期內的安全抗銹蝕，同時配套全新的保溫和通風降溫系統，解決了現有技術中溫室空間桁架由于承載力不強、承載跨度小、結構易銹蝕等缺陷導致的大跨度溫室必須采取立柱支撐的問題。本結構的研究針對解決該問題進行了探索，為豐富國內的溫室結構類型添磚加瓦。

參考文獻

[1]張勇.一種懸掛內保溫系統的超大跨度無立柱拱棚[P].CN207284407U，2018-05-01.

[2]張勇.一種三角形空間桁架及大跨度無立柱溫室[P].CN208387423U，2018-06-15.

*項目支持：陜西省重點研發計劃項目（2018TSCXL-NY-05-05）;寧夏回族自治區十三五重點研發計劃重大項目（2016BZ0901）;節能日光溫室結構優化與配套技術開發研究（2017ZDXM-NY-057）;設施農業采光蓄熱技術提升研究與示范（2016KTCL02-02）。

作者簡介：張勇（1977-），男，博士，副教授，主要從事溫室建筑結構及光熱環境和建筑園藝研究。E-mail： Landscape@nwsuaf.edu.cn。

[引用信息]張勇，金鑫，鄒志榮.新型大跨度無立柱內保溫拱棚結構設計及配套內保溫系統研究[J].農業工程技術，2020，40（10）：22-25.