李一哲 魏曉俊 王川申 張正 張綱 齊帥

摘要：主要對比中國溫室規(guī)范與歐盟、荷蘭溫室規(guī)范中風、雪荷載的差異性，包括概念界定、參數(shù)取值、計算方法及公式等，然后以實際項目為算例，利用3種溫室規(guī)范及中國建筑荷載規(guī)范分別計算荷載作用效應設計值，并分析了其安全度之間的差異。對比結果顯示，對于風荷載，中國溫室規(guī)范的計算結果總體上低于歐盟與荷蘭標準;對于雪荷載，當基本雪壓為0.525 kN/m2時，中國溫室規(guī)范計算的雪荷載值介于歐盟與荷蘭之間，當基本雪壓高于0.525 kN/m2時，中國溫室的計算結果高于荷蘭，并且隨著基本雪壓的增大而增大。另外，歐盟溫室的平均安全度比我國溫室約高4%，荷蘭溫室的平均安全度比我國溫室高約2%。研究結果顯示，中歐荷溫室規(guī)范對風、雪荷載的設計思路基本相同，但計算公式與參數(shù)取值存在差異;我國溫室的安全度與歐盟、荷蘭溫室相近，并且歐盟溫室的安全水平隨永久荷載的增大逐漸高于荷蘭溫室標準。最后，對中國現(xiàn)行溫室荷載標準提出了一些改進意見。

關鍵詞：中國;歐洲;荷蘭;溫室規(guī)范;風荷載;雪荷載;規(guī)范對比;安全度

中圖分類號：S625.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）24-0232-07

近年來，我國的大型現(xiàn)代化智能溫室技術主要通過合作、合資或收購的方式從先進的溫室產業(yè)國引進，相應溫室的設計、建造、選材要點與標準也主要參考相應技術輸出國的標準及要求。歐盟標準委員會（CEN）于2001年12月發(fā)布了EN 13031-1 ∶ 2001[1]，適用于歐盟所有國家。其中，荷蘭經過長期的技術積累已經成為溫室結構設計最為先進的國家之一。荷蘭標準化委員會（NEN）以EN 13031-1 ∶ 2001 《溫室設計和建造 第一部分：商業(yè)溫室》為基礎，融合本國溫室先進技術，增加了10%的設計內容，并于2012年發(fā)布了適用于荷蘭的NEN 3859 ∶ 2012《溫室設計和建造 第一部分：商業(yè)溫室》[2]。

我國大型現(xiàn)代化溫室農業(yè)雖然起步較晚，但是其設計標準化問題備受業(yè)內重視。目前已發(fā)布實施的與溫室結構設計相關的一系列行業(yè)標準基本圍繞GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》和一般工業(yè)與民用建筑結構設計的相關規(guī)范展開，再增加一些針對農業(yè)溫室的條文，忽略了溫室結構使用年限低的情況，也未考慮到溫室結構自重小、受風荷載和雪荷載影響較大等特點，導致設計建造的溫室結構不完全合理[3]。針對這些情況，我國農業(yè)農村部和住房和城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合編制了GB/T 51183—2016《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》，并于2017年4月開始實施，對我國溫室結構設計荷載作出了統(tǒng)一、較為詳細的規(guī)定。

為了對比現(xiàn)行我國溫室規(guī)范中風、雪荷載與歐盟、荷蘭溫室規(guī)范存在的差異，方便設計人員合理改進溫室結構設計的同時提高其安全性，本研究對比分析風、雪荷載間的差異，以實際項目為算例，比較各國溫室荷載作用效應設計值的安全度，并對我國溫室規(guī)范的進一步修訂提出一些建議。由于歐盟溫室規(guī)范涉及地域較廣，不同地區(qū)有不同的參數(shù)取值，為了進行統(tǒng)一對比，本研究選擇歐盟規(guī)范中對荷蘭地區(qū)的參考值進行對比。

1 風荷載的比較方法

1.1 風荷載的計算方法

自然風通常對建筑物表面產生隨機動力，為了確保設計過程的簡潔性和結構設計結果的安全性，中歐荷溫室規(guī)范均采用等效靜力或風荷載標準值表示風的隨機脈動作用[4]。荷蘭溫室風荷載的計算方法是在現(xiàn)行歐洲風荷載規(guī)范的基礎上根據(jù)溫室的設計使用年限添加概率因子作為折減，而我國溫室風荷載的計算方法和公式則基于我國建筑荷載規(guī)范。童樂為等進行了中歐風荷載計算公式的比較，結果顯示，中歐對于風荷載的計算思路基本一致，但不同參數(shù)的確定及計算公式存在差異[5]。由于農業(yè)溫室的高度基本小于10 m，因此我國不考慮脈動風壓對結構的影響，在計算中直接將風振系數(shù)（βz）的取值設為1[6-7]，而歐盟及荷蘭需要考慮暴露因子（Ce）的計算。溫室風荷載標準值的不同根本在于重要參數(shù)的計算方法和取值不同。

1.2 地形分類及基本風壓

我國和歐盟國家對地形的分類略有不同。我國將地面粗糙度分為4類，而歐盟標準則把地形類別分為5類，我國的A類地形對應歐盟標準的0類和Ⅰ類地形，我國其余的B、C、D類地形分別對應歐盟標準的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類。各國溫室一般不會在D類或Ⅳ類場地建造。

基本風壓的確定是計算風荷載的重要基礎。中歐荷基本風壓的確定主要與標準地貌類別、標準高度、重現(xiàn)期等因素有關，具體參數(shù)如表1所示。

通過對比可知，我國溫室規(guī)范中對基本風壓的重現(xiàn)期取值稍高于溫室的設計使用年限，而歐盟、荷蘭溫室的重現(xiàn)期直接對應其設計的使用年限，取值更合理。這可能是受我國實際環(huán)境和數(shù)據(jù)統(tǒng)計因素的影響，編制人員將重現(xiàn)期提高以確保溫室設計的安全性，并明確最小風荷載的設計值不得低于0.25 kN/m2，等同于8級風[6]。此外，考慮到溫室結構本身較輕，一般的瞬時陣風就可能導致溫室坍塌，因此我國溫室將確定溫室基本風壓的平均時距從建筑規(guī)范的600 s減小至3 s，區(qū)別于歐盟風荷載規(guī)范中以Ⅱ類地形距離地面10 m處的600 s平均風速。

1.3 風壓高度變化系數(shù)

風壓高度變化系數(shù)是決定風荷載大小的重要參數(shù)，直接受地面粗糙度的影響。由表2可知，中國建筑荷載規(guī)范中風壓高度變化系數(shù)（μz）的計算公式主要取決于地形粗糙度，而μz對應歐盟風荷載規(guī)范中的暴露因子Ce，計算公式取決于截斷高度（z），相關計算公式詳見表2。

比較表2的計算公式可以看出，我國建筑規(guī)范的風壓高度變化系數(shù)以冪函數(shù)的形式表示，而歐盟規(guī)范用截斷高度表示，表現(xiàn)為較復雜的對數(shù)函數(shù)關系。我國考慮到溫室一般不會在D類地形上建造，因此直接給出了A、B、C 3類地形由3～10 m風壓高度變化系數(shù)的取值。本研究在童樂為等研究[5]的基礎上，對比了中國建筑、中國溫室及歐盟標準的風壓高度變化系數(shù)，詳見圖1。

通過對比可知，我國建筑規(guī)范下，4類地形的截斷高度分別定為5、10、15、30 m，中國溫室將截面高度最低值降至3 m，而歐盟風荷載規(guī)范將5種類型的截斷高度分別定義為1、1、2、5、10 m，比我國規(guī)范的劃分更精細。由圖1可知，中國溫室規(guī)范中對A類地形5 m以下的風壓高度變化系數(shù)低于建筑規(guī)范中的計算結果，5 m以上則與建筑規(guī)范的計算結果基本吻合;B類地形10 m以下低于建筑規(guī)范的規(guī)定，而10 m以上與建筑規(guī)范基本吻合;C類地形僅在9 m處存在變化?8 m 以下的風壓高度變化系數(shù)保持不變，但均低于建筑規(guī)范要求。我國溫室規(guī)范中規(guī)定，風壓高度變化系數(shù)比建筑規(guī)范計算的結果在截斷高度以下整體偏小，說明我國溫室規(guī)范的編制已經充分考慮到風壓高度變化系數(shù)對低矮建筑物的影響。從整體上看，歐盟標準對風壓高度變化系數(shù)的取值大于我國建筑及溫室的規(guī)定，這是因為暴露因子Ce的計算結果考慮了脈動風效應[5，8]，并且隨著高度變化表現(xiàn)出不同的風壓，而我國通過系數(shù)βz來表現(xiàn)脈動風效應對結構的影響。

1.4 風荷載體型系數(shù)

自然風對建筑結構外表面產生的作用力與來流風的速度壓之比為風荷載體型系數(shù)，主要取決于建筑物的形狀、尺寸等[9]。本研究針對目前常見的Venlo文洛型農業(yè)溫室的結構形式，對比中歐溫室的風荷載體型系數(shù)。歐盟、荷蘭溫室規(guī)定了屋面水平夾角（α）在20°～26°之間的風荷載體型系數(shù)，其取值與溫室結構尺寸的高跨比（h/s）和高長比（h/w）有關[1-2]，不同尺寸導致風荷載體型系數(shù)的取值不同。對于雙坡單跨及雙坡雙跨的溫室形式，我國溫室對各受風面體形系數(shù)的取值與我國建筑規(guī)范一致，歐盟風荷載的體形系數(shù)在整體上高于我國標準的要求，表現(xiàn)偏安全[5，10-11]。對于雙坡三跨溫室，體形系數(shù)略微不同。為了方便比較，本研究以雙坡三跨文洛型溫室為例，取屋面水平角為22.5°，h/w、h/s分別大于0.6、0.8，分別對比0°風向和90°風向的體形系數(shù)。

如圖2至圖5所示，當風向角為0°時，我國溫室與相應建筑規(guī)范所取的體形系數(shù)基本一致，僅C、F坡面略大。由于中國溫室規(guī)范參考的是歐盟標準，C、F坡面的取值接近或相同，而迎風面和側立面的風荷載體型系數(shù)依然采用中國建筑標準的規(guī)定，其值大于歐盟溫室規(guī)范的參考值。當溫室的連跨數(shù)不多于3跨時，中間跨的體形系數(shù)隨跨數(shù)的增加而逐漸減小;當溫室的連跨數(shù)多于3跨時，中間跨體形系數(shù)不再改變[6]。中國建筑規(guī)范中未對風向角為90°時的情況作出明確規(guī)定，但其溫室規(guī)范借鑒歐盟溫室標準進行了補充，雙坡單跨、多跨屋面及側墻的風荷載體型系數(shù)采用歐盟溫室標準的規(guī)定值。荷蘭溫室中風荷載體型系數(shù)的規(guī)定完全遵從歐盟溫室的規(guī)定。

1.5 風荷載算例

假設溫室為雙坡雙跨屋面溫室，對比計算中歐溫室規(guī)范各受壓面風荷載大小。30年重現(xiàn)期的基本風壓為0.64 kN/m2，風速為27.1 m/s[7]，溫室高為6 m，跨長為8 m，屋面水平角為22.5°。由圖6可以看出，中歐規(guī)范的計算結果顯示的規(guī)律性與童為樂等研究的風荷載體型系數(shù)對比規(guī)律[5]一致，即除迎風面、側立面的風荷載值大于歐盟溫室設計規(guī)范的計算結果外，其余受壓面均小于歐盟的計算結果，表明溫室結構的體形系數(shù)對風荷載起著關鍵作用。由于荷蘭溫室風荷載的計算引入了概率因子，因此各受壓面的計算結果略低于歐盟標準。此外，童樂為等進行了中歐風荷載實例計算，結果顯示，對于較低的建筑結構，利用我國規(guī)范計算出的風荷載及構件內力值遠低于歐盟規(guī)范計算的結果，然而隨著建筑高度的增加，其計算結果差值逐漸減小[5，10-11]，這與中歐間風壓高度變化系數(shù)的規(guī)律相似。

2 雪荷載比較

2.1 雪荷載計算方法

農業(yè)溫室與一般工業(yè)及民用建筑相比，結構構件截面積小，又因結構整體性能受雪荷載不均勻分布的影響較大，因此設計時需要考慮雪荷載分布是否均勻，分別按屋面積雪的均勻分布、不均勻分布情況計算?；狙?、屋面積雪分布系數(shù)和加熱影響系數(shù)是影響溫室雪荷載的主要因素，雪荷載的計算方法與各國的建筑荷載規(guī)范基本一致，詳見表3。

由于溫室覆蓋材料具有傳熱快、透光率高、表面光滑不易積雪等特點，因此在計算公式中添加了溫室特有的加熱影響系數(shù)以修正雪荷載設計值，另外歐盟溫室還加入了暴露系數(shù)（Ce），類似中國規(guī)范中的地形修正系數(shù)，其值的選取需要考慮未來環(huán)境變化對地形條件的影響。

2.2 基本雪壓

歐盟溫室規(guī)范依據(jù)歐盟雪荷載EN 1991-1-3對基本雪壓的計算仍基于50年重現(xiàn)期，對荷蘭所屬的中西部海平面雪壓規(guī)定為0.2～0.4 kN/m2，并隨海拔升高而增加[12]。荷蘭對于類型為A15、B15的園藝溫室，屋面上分布的雪荷載不應低于0.25 kN/m2，對于設計壽命為5、15年的類型溫室，ΨT分別取0.50、0.75對Psn進行折減[2]。中國溫室基本雪壓的計算基于現(xiàn)行《中國建筑荷載標準附錄E》中的方法，同時根據(jù)溫室設計使用年限，將50年重現(xiàn)期的基本雪壓進行折算，查表即可得到相應地區(qū)的參考值。

2.3 屋面積雪分布系數(shù)

屋面水平夾角和屋面形式決定了屋面積雪分布系數(shù)（μr）的取值。我國由于缺少對溫室屋面積雪分布影響的相關研究，因此在制定溫室規(guī)范時參考歐盟溫室規(guī)范。當溫室屋面為斜坡、水平夾角范圍為0°～30°時，均勻分布情況下的屋面積雪分布系數(shù)最大值為0.8，在屋面天溝處積雪分布不均勻的最大值通常為均勻分布情況的2倍[6]。各傾角對應的積雪分布系數(shù)見表4。

荷蘭溫室規(guī)范遵從歐盟規(guī)定，內容基本一致。因此，中歐荷對于屋面積雪分布系數(shù)的取值基本相同。針對屋面形式，我國溫室規(guī)范結合本國溫室屋面特點與常用類型，將屋面分為13種形式，而歐盟與荷蘭僅分為四大類，分別是雙坡單屋面、雙坡多屋面、單跨拱形屋面和多跨拱形屋面。相比四大類型的屋面，我國溫室的屋面形式種類更多，為工程人員設計建造不同屋面形式的溫室提供了更豐富的參考。

2.4 加熱影響系數(shù)

溫室覆蓋材料決定傳熱系數(shù)的大小，與加熱方式共同影響溫室的加熱效果。當溫室中存在能夠自動融化屋頂積雪的加熱設備并帶有警告系統(tǒng)和應急供電系統(tǒng)時，視為加熱溫室，在其他情況下應作為非加熱溫室考慮。由表5可知，中歐荷對于加熱溫室的加熱影響系數(shù)取值略有差異，整體來說中國與荷蘭的取值基本一致，均高于歐盟標準的值，僅當覆蓋材料為雙層充氣膜時，我國溫室對加熱影響系數(shù)的取值偏低。由于多層塑料板的透光率較差，在我國使用得較少，我國溫室未對其進行規(guī)定。除加熱溫室外，非加熱溫室對雪荷載無折減影響。

2.5 雪荷載算例

假設溫室屋面水平角為22.5°，基本雪壓為0.26 kN/m2，覆蓋材料為單層高透光玻璃，配有融雪系統(tǒng)，且設置天溝排水。根據(jù)屋面形式，原則上應考慮荷載是否分布均勻，但是由于屋面坡度較小，溫室加熱融雪后雨水通過天溝及時排水，因此本研究只考慮均勻分布的情況，文洛型溫室雪荷載分布詳見圖7。

圖8顯示，均勻分布荷載時雪荷載最大值為荷蘭的0.252 kN/m2，而利用中、歐規(guī)范計算出的結果均偏小。我國溫室對單層玻璃加熱系數(shù)的取值高于歐盟溫室，因此計算結果始終高于歐盟。結合溫室規(guī)范，在相同溫室條件下，當基本雪壓低于 0.525 kN/m2 時，通過中國溫室規(guī)范計算的雪荷載值介于歐盟、荷蘭的計算結果之間，但是隨著基本雪壓的增大，我國與荷蘭的相對差值減小;若當?shù)鼗狙焊哂?0.525 kN/m?我國溫室的計算結果將高于荷蘭，并且隨著基本雪壓的增大而增大。我國約有10%的城市規(guī)定的基本雪壓在 0.525 kN/m2 以上[5]，當這些城市直接引進荷蘭溫室結構時，應充分考慮雪荷載是否會影響其結構安全。造成該差異的根本原因是中國溫室規(guī)范的編寫參考歐盟溫室設計的內容，并未將荷蘭標準納入?yún)⒖挤秶?，因此中歐與荷蘭標準的計算結果出現(xiàn)較大差異。

3 算例比較

為了更直觀地對比中歐荷溫室風、雪荷載對結構安全性的影響，采用安全度設計值判則進行比較。作用效應的設計取值反映了各因素的影響，并最終影響結構設計的安全度水平[13-15]。對A、B這2種不同國家的規(guī)范，作用效應設計值分別為Sd，A、Sd，B，二者比值可建立安全度判則，衡量設計的安全水平，具體定義見下式：

若ζSd>1.0，則規(guī)范A的設計安全度高于規(guī)范B;若ζSd=1.0，則規(guī)范A的設計安全度等于規(guī)范B;若ζSd<1.0，則規(guī)范A的設計安全度低于規(guī)范B。該判斷準則成為設計值判則，ζSd為安全度判值，其值越大，說明安全度設置水平越高[15]。

本研究以山東省德州市從荷蘭某公司引進的連棟文洛型溫室為例，比較不同溫室規(guī)范計算出的安全度。與前文算例條件一致，溫室種植番茄，設計使用年限類別為A15。各規(guī)范對于屋面活荷載取值差異不大，均可取0.15 kN/m2計算。因結構設置伸縮縫，在本研究中忽略溫度作用的影響。中歐荷溫室規(guī)范計算的活荷載平均值取值見表6，安全度如圖9所示。由于溫室永久荷載不易準確取值，將以永久荷載為因變量，根據(jù)溫室特點估算其取值范圍定在0.1～1.0 kN/m2。此外，本算例添加了現(xiàn)行中國建筑荷載規(guī)范的計算結果作為對比，不上人屋頂?shù)幕詈奢d取0.5 kN/m2進行計算。

由圖9可知，我國溫室的平均作用效應設計安全水平約比荷蘭溫室低2%，比歐盟溫室的平均安全度低4%左右，而中國建筑荷載規(guī)范比中國溫室規(guī)范的設計平均安全度約高10%。導致荷蘭溫室安全水平始終高于中國溫室的原因一方面是雪荷載計算結果較大，另一方面是其組合系數(shù)略高。此外，由于中國溫室規(guī)范參考歐盟溫室標準制定，安全度曲線呈正比例變化趨勢，歐盟溫室的安全水平逐漸高于我國溫室。我國與荷蘭在溫室荷載分項系數(shù)的取值上相差不大[2，6]，其安全度變化基本趨于穩(wěn)定，但荷蘭溫室的安全水平始終高于我國溫室。當永久荷載較小時，荷蘭溫室與中國建筑的安全度水平接近，高于歐盟標準;當永久荷載大于 0.3 kN/m2 時，各溫室規(guī)范計算出的作用效應設計值均處于安全水平;當永久荷載為0.38 kN/m2時，中歐荷溫室荷載安全度基本持相同水平;當永久荷載超過0.38 kN/m2時，歐盟溫室的安全水平逐漸高于荷蘭標準。若改變溫室建造的地理位置后，風荷載和雪荷載將會發(fā)生變化，安全度判值也隨之改變，但安全度曲線的變化趨勢與本例基本一致。通過以上分析得出，基于中國建筑荷載規(guī)范計算出的作用效應設計值過于保守，中國溫室規(guī)范計算的荷載大小和安全度與歐盟、荷蘭溫室規(guī)范計算的結果相差不大，且歐盟溫室的安全水平隨永久荷載的增大逐漸高于荷蘭溫室的安全水平。

4 結論

本研究對中、歐、荷溫室規(guī)范中風、雪荷載的內容進行了異同性對比，并通過實際算例對3種規(guī)范的作用效應設計值的安全性進行對比分析，結論與建議如下：（1）中國溫室規(guī)范參考歐盟溫室規(guī)范完善了風荷載的計算，補充了90°風向時的情況。相比于歐盟、荷蘭溫室，中國溫室規(guī)范雖然考慮到了 10 m 以下低矮結構形式的風壓變化，但仍未考慮到3 m以下受風壓影響的情況。在我國溫室中僅迎風面、側立面的風荷載體型系數(shù)大于歐盟、荷蘭溫室，而其余受壓面相等或偏低，總體上低于歐盟、荷蘭溫室的安全水平。（2）對于雪荷載，我國根據(jù)溫室設計年限對雪荷載的重現(xiàn)期進行折算，對屋面積雪分布系數(shù)的取值參考歐盟溫室規(guī)范。我國與荷蘭溫室的加熱影響系數(shù)取值相近，整體上高于歐盟的參考值。在相同溫室條件下，若直接引進荷蘭溫室結構，應注意當?shù)鼗狙簽?.525 kN/m2的臨界情況。另外，歐盟溫室在計算雪荷載時添加了暴露系數(shù)（Ce），考慮雪荷載受不同地形的影響，對于溫室建造在特殊地形上時，我國溫室可參考歐盟標準，添加影響因子修正雪荷載標準值。（3）中國溫室規(guī)范計算的荷載大小和安全度與歐盟、荷蘭溫室規(guī)范計算的結果相近，說明我國溫室的設計思路已經開始與歐洲先進的國家和地區(qū)靠近。此外，荷蘭溫室的安全水平在一定程度上高于我國溫室，將來中國溫室荷載規(guī)范進一步修訂時，可綜合考慮荷蘭溫室規(guī)范進一步提高設計的安全性和合理性，做到保證安全的同時減少現(xiàn)代化溫室的建造成本，從而大力推進我國現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展。

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