李 波
(山東啟迪農(nóng)業(yè)科技股份有限公司/壽光市設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)研究院,山東 壽光 262700)
日光溫室是我國(guó)北方地區(qū)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要設(shè)施,具有塑料大棚和加溫溫室所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn),在北方越冬蔬菜生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。我國(guó)日光溫室發(fā)展可以分為初創(chuàng)時(shí)期、大規(guī)模發(fā)展初期、全面提升與發(fā)展期和現(xiàn)代化發(fā)展期4個(gè)階段。在初創(chuàng)時(shí)期日光溫室主要是土木結(jié)構(gòu)玻璃溫室,山墻和后墻用土壘成或用草泥垛成,后屋面用柁和檁構(gòu)成屋架,柁下用柱支撐,3 m為1個(gè)柁,即3 m為1個(gè)開(kāi)間;屋架上用秫秸稈和草泥覆蓋,前屋面用玻璃覆蓋,晚間用紙被、草苫保溫,這種生產(chǎn)方式從20世紀(jì)初期一直延續(xù)到20世紀(jì)80年代初期。自20世紀(jì)80年代初期至末期,是日光溫室大規(guī)模發(fā)展時(shí)期,這一時(shí)期的日光溫室結(jié)構(gòu)主要采用竹木結(jié)構(gòu),拱圓形或一坡一立式,典型結(jié)構(gòu)有海城感王式、瓦房店琴弦式和鞍型日光溫室,日光溫室前屋面覆蓋材料開(kāi)始由玻璃改為塑料薄膜,其中海城感王式和鞍型日光溫室被稱為第1代普通型日光溫室。全面提升與發(fā)展期起始于20世紀(jì)90年代,直到21世紀(jì)初期,這一時(shí)期大面積推廣第1代和第2代節(jié)能型日光溫室,其中前期大面積推廣了以瓦房店琴弦式為代表的第1代節(jié)能型日光溫室,各地在這種類型的基礎(chǔ)上研發(fā)出其他適于當(dāng)?shù)氐念愋?;后期大面積推廣了以遼沈?yàn)榇淼牡?代節(jié)能型日光溫室,同樣各地在這種類型的基礎(chǔ)上研發(fā)出其他適于當(dāng)?shù)氐念愋汀_M(jìn)入21世紀(jì),隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新科技的發(fā)展,溫室大棚也凸顯出智能化、數(shù)字化的特色,智能溫室、大跨度溫室、裝配式溫室逐漸成為現(xiàn)代溫室的主流,也推動(dòng)了我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;?、品質(zhì)化的發(fā)展。
C919裝配式冬暖式溫室適應(yīng)我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)由碎片化向規(guī)?;?、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、智能化方向發(fā)展的趨勢(shì),是由山東啟迪農(nóng)業(yè)科技股份有限公司董事長(zhǎng)李波率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心研發(fā)的一種新型裝配式冬暖式溫室。該冬暖式溫室斷面為“C”字型,高度9 m,前坡面寬度19 m,后坡面寬度9 m,所以定名“C919”冬暖式溫室。該溫室結(jié)構(gòu)體為冬暖式、無(wú)外保溫、全天候智能控制溫室,建設(shè)內(nèi)容包括陽(yáng)光蔬菜工廠鋼鋁結(jié)構(gòu)、覆蓋材料、自然通風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、霧化風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)扇、滴灌施肥系統(tǒng)、移動(dòng)苗床、加溫系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)(溫控、光控、水肥一體、遠(yuǎn)程視頻等),適用于我國(guó)高寒(-40 ℃以內(nèi))及長(zhǎng)江流域以南多雨地區(qū),可使日照時(shí)數(shù)2 000 h以上、有效積溫1 200 h以上地段實(shí)現(xiàn)全日光能源種植。
裝配式鋼結(jié)構(gòu)冬暖式日光溫室填補(bǔ)了高寒(-40 ℃以內(nèi))及長(zhǎng)江流域以南多雨地區(qū)大跨度、裝配式、全日光能源溫室的空白,設(shè)計(jì)壽命50年。
C919日光溫室的設(shè)計(jì)理念為:科學(xué)、實(shí)用,堅(jiān)持提高土地資源使用率、節(jié)能、節(jié)水、高效,結(jié)構(gòu)用材以及設(shè)備選購(gòu)先進(jìn)、可靠、適用。采用大角度、全時(shí)段采光,外高阻、內(nèi)高儲(chǔ)原理;配套使用機(jī)械化種植、自動(dòng)植保裝備,實(shí)現(xiàn)全日光能源種植。C919日光溫室對(duì)建造模型、鋼材料選擇、荷載要求、荷載組合及穩(wěn)定性等有嚴(yán)格要求。
根據(jù)項(xiàng)目所給圖紙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),建立有限元模型,溫室采用高強(qiáng)度不銹鋼BFS600材料,頂部為窗式電動(dòng)通風(fēng),雙膜內(nèi)保溫,跨度28 m、長(zhǎng)度120 m、室內(nèi)最高處9 m,室內(nèi)面積3 360 m(圖1)。螺旋樁位置支座采取固結(jié)處理,底梁置于地面,與地面只有壓力,采用只壓支撐及鋼絞線與地面連接位置鉸接處理,且安裝時(shí)要張緊。
圖1 溫室建造模型
主副桁架和立柱采用BFS600高強(qiáng)鋼,屈服強(qiáng)度600 MPa,抗拉強(qiáng)度1 100 MPa,彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比υ=0.3,密度為7 850 kg/m3;立柱拉桿采用Q235B低碳鋼,鋼絞線采用公稱抗拉強(qiáng)度為1 270 MPa鋼絞線,最小破斷拉力43.66 kN。
在自重、吊裝荷載和風(fēng)荷載組合情況下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力需滿足強(qiáng)度要求,結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性需要滿足設(shè)計(jì)要求。在風(fēng)荷載作用下,結(jié)構(gòu)變形主要發(fā)生在主桁架局部位置,滿足整體使用需要。最大支反力發(fā)生在雙桁架底部,內(nèi)側(cè)受壓84.5 kN,外側(cè)受拉84.23 kN,這可為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1.3.1 外棚荷載
自重:恒荷載,采用1倍自重荷載,由軟件自動(dòng)施加;風(fēng)荷載,根據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:
式中:wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2);μs——風(fēng)荷載體形系數(shù);μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù),取0.97;w0——基本風(fēng)壓,取0.35 kN/m2。
根據(jù)規(guī)范,大棚體形系數(shù)取值:0°方向風(fēng)荷載下,取+0.36、-0.8、-0.5,90°方向風(fēng)荷載下,山墻取+0.7、-0.3,屋面?。?.3;wk1=0.36×0.97×0.35=0.12 kN/m2,折算成線荷載為0.12×1.2=0.144 kN/m;wk2=-0.8×0.97×0.35=0.27 kN/m2,折算成線荷載為0.27×1.2=0.324 kN/m;wk3=0.5×0.97×0.35=0.17 kN/m2,折算成線荷載為0.17×1.2=0.2 kN/m。
1.3.2 內(nèi)棚荷載
自重:恒荷載,采用1倍自重荷載,由軟件自動(dòng)施加;吊掛荷載:活荷載,取0.18 kN/m2。
荷載工況1:γ0×(1.0×G+1.2×Q);荷載工況2:γ0×(1.0×G+1.0×Qw+1.2×0.7×Q);荷載工況3:1.0×G+1.0×Qw+1.0×0.7×Q;
式中:G——永久荷載;Q——可變荷載;Qw——風(fēng)荷載;γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),取0.9。
1.4.1 承載能力極限狀態(tài)
(1)荷載工況1為無(wú)風(fēng)時(shí),自重和吊掛荷載共同作用的荷載組合,最大應(yīng)力為409 MPa(<600 MPa),發(fā)生在副桁架位置,滿足要求,最大支反力為16.89 kN。
(2)荷載工況2為自重、吊掛荷載和風(fēng)荷載共同作用,風(fēng)荷載起控制作用,包括風(fēng)從左側(cè)吹來(lái)和右側(cè)吹來(lái)2種情況。
A:左側(cè)風(fēng)向工況下,最大應(yīng)力為331 MPa(<600 MPa),發(fā)生在主桁架位置,滿足要求,最大支反力為84.5 kN和-84.23 kN,發(fā)生在雙桁架底部。
B:右側(cè)風(fēng)向工況下,最大應(yīng)力為360 MPa(<600 MPa),發(fā)生在桁架間連接梁位置,滿足要求,最大支反力為35.2 kN和-37.8 kN,發(fā)生在雙桁架底部。
1.4.2 正常使用極限狀態(tài)
荷載工況3為恒荷載、活荷載和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行撓度驗(yàn)算。
荷載工況3為自重、吊掛荷載和風(fēng)荷載共同作用,采用標(biāo)準(zhǔn)組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)變形,包括風(fēng)從左側(cè)吹來(lái)和右側(cè)吹來(lái)2種情況。
A:左側(cè)風(fēng)向工況下,荷載、變形最大X向位移為15.7 mm,Y向位移為83.35 mm,Z向位移為84.45 mm,發(fā)生在局部主桁架位置。
B:右側(cè)風(fēng)向工況下,荷載、變形最大X向位移為11.2 mm,Y向位移為-75.3 mm,Z向位移為63 mm,發(fā)生在局部主桁架位置。
溫室的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在采用五防設(shè)計(jì),具有土地利用率高、建設(shè)周期短、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)、材料環(huán)保、建設(shè)成本使用周期費(fèi)用攤銷低、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低、機(jī)械作業(yè)用工少等優(yōu)點(diǎn),填補(bǔ)了高寒(-40 ℃以內(nèi))及長(zhǎng)江流域以南多雨地區(qū)大跨度、裝配式、全日光能源溫室的空白。具體而言:(1)五防設(shè)計(jì):防臺(tái)風(fēng)、防雨、防雪、防低溫、防高溫。(2)土地利用率高:標(biāo)準(zhǔn)C919溫室跨度28 m、長(zhǎng)度120 m、室內(nèi)最高處9 m,室內(nèi)種植面積3 360 m2;單體凈占地面積3 434 m2,土地利用率75%左右,是土墻溫室(土地利用率50%以內(nèi))的1.5倍。(3)建設(shè)周期短:C919溫室66.67 hm2(1 000畝)園區(qū)建設(shè)周期90 d,土墻溫室66.67 hm2(1 000畝)園區(qū)建設(shè)周期300 d以上。(4)設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng):C919溫室設(shè)計(jì)壽命50年,土墻溫室設(shè)計(jì)壽命15年。(5)環(huán)保材料:C919溫室骨架采用寶鋼BFS 600高強(qiáng)不銹鋼,強(qiáng)度高(Q195鍍鋅碳鋼的3倍以上)用料少、不銹鋼材質(zhì)壽命長(zhǎng);土墻溫室骨架采用Q195鍍鋅碳鋼,使用過(guò)程中容易腐蝕損壞、壽命短。(6)全天候施工:C919溫室基礎(chǔ)采用鋼制螺旋樁,全裝配化,冬雨季不影響施工;(7)全天候全區(qū)域種植:C919溫室采用雙膜內(nèi)保溫、頂置側(cè)通風(fēng)系統(tǒng)及地面對(duì)流側(cè)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),夏天不熱(比傳統(tǒng)冬暖式溫室低2~3 ℃),適應(yīng)長(zhǎng)江流域以南多雨地區(qū),填補(bǔ)了江南無(wú)冬暖式溫室的空白;冬天不不冷(比傳統(tǒng)冬暖式溫室高3~5℃),解決了高寒地區(qū)冬暖式溫室需供暖、增加能耗費(fèi)的問(wèn)題。(8)不破壞種植層:C919溫室不需要開(kāi)挖土層筑墻,不破壞種植層,土墻溫室則無(wú)法避免。(9)建設(shè)成本使用周期費(fèi)用攤銷少:C919溫室使用周期攤銷費(fèi)用是土墻溫室的70%。(10)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低:C919溫室骨架采用BFS 600高強(qiáng)不銹鋼,不生銹,沒(méi)有節(jié)點(diǎn)腐蝕,維護(hù)費(fèi)用是土墻溫室的50%。(11)機(jī)械作業(yè)人工用少:C919溫室空間高,跨度大,機(jī)械作業(yè)達(dá)到70%,減少人工60%以上。(12)全部標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì):整體結(jié)構(gòu)荷載及采光系統(tǒng)由寶鋼團(tuán)隊(duì)提供支持,采用大型有限元計(jì)算軟件MIDAS/gen2018進(jìn)行建模計(jì)算,所建模型與實(shí)際情況基本一致,按照50年一遇自然災(zāi)害設(shè)計(jì),內(nèi)保溫技術(shù)采光保溫性能提高30%以上,荷載安全性提高50%以上。
遼寧西豐C919裝配式冬暖溫室主要應(yīng)用于全自動(dòng)化育苗及反季節(jié)高品質(zhì)果蔬的種植,目前在山東壽光集成園區(qū)及遼寧西豐已建成育種溫室,可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化苗床配置和機(jī)械化作業(yè)。溫室面積3 360 m2,滾動(dòng)苗床土地利用率為83%,育苗面積2 788.8 m2,每平方米放72穴苗盤(pán)6個(gè),育苗量432株/m2(6個(gè)/m2),溫室單次總育苗量可達(dá)到120萬(wàn)株,年育苗次數(shù)4次,年產(chǎn)值約480萬(wàn)元,預(yù)估利潤(rùn)近100萬(wàn)元。