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。

1 溫室建造要求

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。

1.1 溫室建造模型

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

1.2 鋼材料選擇

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。

1.3 荷載要求

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。

1.4 荷載組合

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。

2 溫室優(yōu)勢(shì)

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。

3 溫室應(yīng)用案例

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。