周博士考察拾零（七十五）大跨度保温塑料大棚的实践与创新（上）

总结和梳理，以供广大的温室设施研究和生产者借鉴，也期望该文的总结能成为国内研究和实践大跨度保温大棚的一个新的起点。

保温塑料大棚建筑形式

按照屋面建筑形式分类

传统的塑料大棚按建筑形式可分为无侧立墙的落地拱棚和有侧立墙的直立拱棚，2种形式大棚都是以屋脊为中心线的左右对称结构。大跨度保温塑料大棚也继承了这种结构形式，称为对称结构大棚（图1a），但同时也借鉴了传统日光温室的结构形式，形成非对称结构大棚（图1b）。

由于大棚单体建筑形式不同，在场区总平面布局中，单体大棚的布置方向也有差异。对称结构大棚的屋脊一般为南北向布局，而非对称结构大棚的屋脊是东西向布局（和传统的日光温室的布局形式完全一致）。但对称结构大棚，由于采用了屋面外保温，屋脊东西走向布局，通过分别控制南北两侧屋面保温被的启闭也能实现传统日光温室的管理模式（冬季北屋面保温被长期覆盖，相当于传统日光温室的保温后屋面和后墙；南屋面保温被白天卷起夜间覆盖，相当于传统日光温室的前屋面）。

对称结构大棚继承了传统塑料大棚的性能特点，屋脊南北走向布置时室内温光分布均匀，而且通过分别控制东西两侧保温被还可以早晨提早打开东侧保温被抢阳，傍晚提早覆盖东侧保温被保温。虽然给日常管理提出了更高的要求，但如果实现自动化控制后，其采光和节能的效果将更优于传统的日光温室。

按照山墙的建筑材料分类

大跨度保温大棚按照山墙的建筑材料不同可分为土建结构山墙和组装钢结构山墙两种形式。其中土建结构山墙又可进一步分为机打土墙结构山墙和砖墙结构山墙（图2）。

机打土墙山墙结构大棚完全采用了机打土墙结构日光温室的建造形式，墙体厚度在3～5 m，墙面保护采用塑料薄膜或针刺毡、无纺布等材料覆盖。这种墙体建造速度快、建造成本低、保温性能好，但和机打土墙结构日光温室一样墙体占地面积大、对土壤的破坏严重、墙体使用寿命短。

砖墙山墙结构大棚的墙体材料可采用烧结红机砖、蒸压灰砂砖或空心砖等，一般厚度为240 mm或370 mm，按照保温性能要求还可以在墙体外侧增设保温板。这种建筑做法，墙体占地面积小、建筑材料标准化程度高、使用寿命长，但相比机打土墙结构，其墙体建造速度慢、建造成本高，保温性能一般也比机打土墙结构差。

不论是机打土墙结构山墙还是砖砌结构山墙，除了大棚屋脊南北走向的北山墙外，大棚的土建结构山墙总是会或多或少阻挡室外阳光进入大棚，尤其是大棚屋脊南北走向布置时的南部山墙，遮光影响最大。

为了解决土建山墙给大棚内部造成的遮光问题，生产实践中创造了一种既保温又透光的双层结构装配式钢结构山墙（图3）。屋脊南北走向布置的大棚，北侧山墙采用日光温室保温被或其他保温材料做山墙的围护材料（图3a），加强保温；而南侧山墙则用透光的塑料薄膜或中空PC板围护，保持足够的透光还能有良好的保温（图3b）。当然，对于屋脊南北走向的大棚，北侧山墙也可以做成土建的山墙，可进一步降低造价，提高保温性能。

对装配式钢结构山墙，除了提高围护材料自身的保温性能外，合理设计双层结构也是加强保温的重要措施（图3c、图3d）。双层结构可通过增加空气隔热层来提高墙体的整体保温性能。从传热理论来分析，双层结构内部的空气处于干燥、静止状态时的隔热性能最好（一般保持空气处于静止状态，要求空气间层的空间尺寸应小于25 cm），但为了墙体结构和围护材料施工安装方便，生产实践中双层结构之间的间距多在1 m左右，这样大的空气间层，实际上其内部空气对流强度是很大的，虽然也有良好的保温性能，但距离静止绝热空气的要求还有很大距离，为此，北侧山墙可采用非透光保温材料，进一步增强其保温性能，而南侧山墙则可以采用活动式内保温幕等方式，白天卷起避免遮光，夜间展开增强保温，可获得采光和保温二者兼得的效果。此外，合理安排双层结构的空间，还可以用于存放农资和农具，既减少空气流通空间，又增加了辅助生产设施的面积，并充分利用了空间。

大跨度保温塑料大棚的门斗设置

和传统的日光温室一样，为了避免进出大棚作业时冷空气直接灌入大棚，在大棚的山墙外紧贴山墙设置缓冲门斗是非常必要的。一般屋脊南北走向大棚，门斗设置在北山墙处；屋脊东西走向大棚，门斗可设置在东侧或西侧山墙，长度较长的大棚，也可在东、西两侧山墙均设置门斗。

门斗的入口方向一般应与大棚山墙上的入口方向垂直，这样可完全避免室外冷空气直接灌入大棚，但从对外交通便捷和建筑施工安装方便的角度考虑，门斗的入口方向也可以和大棚山墙上的入口平行，这样设计时，最好能将2个入口错位布置，尽量避免将2个入口正对在一条线上，以最大限度减少或缓冲室外冷风直接灌入大棚。

大棚门斗的围护材料可以是塑料薄膜、PC中空板或彩钢板等（图4）。由于大跨度保温大棚的山墙长度较长、高度较高，可设计室外门斗的面积和空间也相应增大。除了能设计满足缓冲冷空气进入大棚的缓冲门斗外，在大棚的山墙外还可设计如配电室、水处理间、灌溉首部等生产辅助用房，从而进一步提高土地的利用率。

保温塑料大棚结构形式

结构是大棚的承力体系，是抵抗室外风雪荷载、室内作物荷载及设备荷载（如保温被、保温幕、吊挂设备等）的承力构件的集合，同时也是安装塑料薄膜等围护材料的载体。大棚的承力结构按照室内有无立柱分为多立柱、单立柱和无立柱结构；按照屋面结构用材和结构形式又可分为多种形式。以下从大棚的屋面结构形式和立柱的布置形式2个方面分别做一详细归纳。

按照大棚屋面结构形式分类

大跨度保温塑料大棚的屋面结构有的采用传统塑料大棚结构形式，也有的采用日光温室屋面结构形式，还有的采用连栋塑料温室屋面结构形式，应该说结构种类繁多。图5列出了笔者看到过的目前主要使用的大跨度保温塑料大棚各种屋面承力结构的形式。

图5a是传统琴弦式日光温室的屋面结构，两榀钢结构桁架之间布置3～4根竹竿，并沿大棚屋面长度方向布置纵向钢丝，间距30～50 cm，与大棚跨度方向的桁架形成双向承力体系。由于大棚结构的整体承载能力较弱，这种结构必须在室内布置多排立柱，和屋面桁架、琴弦钢丝一起构成三维空间的承力体系。这种结构造价低廉、可就地取材，但结构使用寿命短、室内多柱，不便于机械化作业。

图5b是传统的平面桁架屋面结构。由于屋面结构全部采用了平面桁架结构，大棚屋面的承载能力得到大大提升，室内立柱减少、使用寿命延长，是目前大棚使用最广泛的一种结构形式。图5c是在图5b平面桁架屋面结构的基础上为了进一步增强结构的承载能力而改进的一种平面桁架和空间桁架组合的主副梁桁架结构。空间桁架采用三角形截面桁架，上弦杆用单根钢筋或钢管，下弦杆用两根钢筋或钢管，上下弦杆以及两根下弦杆之间用腹杆连接，形成稳定的空间三角形桁架结构。两相邻空间桁架之间布置3道平面桁架，与室内立柱构成整体承力体系。

不论是单一的平面桁架结构，还是空间桁架与平面桁架组成的主副梁桁架结构，其共同的特点是承载能力强，可以不受条件限制在现场加工和安装。但由于主体桁架结构不是工厂化生产的工业产品，大部分甚至是在安装现场焊接组装，因此其产品的标准化水平较低，而且现场焊接后钢结构材料的表面防腐不能得到有效处理，有的采用了表面刷漆，但大部分没有进行任何形式的材料表面防腐处理，结构在安装使用1年内即锈迹斑斑，不仅直接影响结构的使用寿命，而且对表面覆盖的塑料薄膜的寿命也会产生间接的影响。

为了解决焊接桁架材料表面防腐的问题，有人探索使用镀锌钢板冷弯成型的组装式平面桁架结构（图5d）。这种结构保留了焊接桁架承载能力强的特点，同时又解决了钢材表面锈蚀的问题，延长了结构的使用寿命，同时也保护了屋面覆盖的塑料薄膜。只是这种结构造价偏高，而且连接上下弦杆的相邻腹杆的轴线不能与弦杆的轴线交汇在一点，容易在弦杆内产生次应力，影响结构的传力，可能会造成弦杆局部失效。此外，使用螺栓副的寿命和安装质量将直接影响桁架结构的寿命，往往是螺栓副的提早锈蚀或安装位置不准造成桁架结构的提早报废或局部失效。使用中应注意观察螺栓副的锈蚀状况，及时发现并更换由于锈蚀而失效的螺栓副。

从根本上解决组装平面桁架螺栓副锈蚀问题的另一种方法是采用单管热浸镀锌管做屋面拱架（图5e），如同传统的装配式单管骨架结构，其使用寿命可达20年以上。但由于大跨度保温塑料大棚跨度大、屋面荷载重，单纯依靠单管难以满足承力要求，必须设置多列室内立柱与单管骨架共同组成结构承力体系。室内多柱必然会造成机械化作业的不便，而且结构件增多，也必然會增大结构失效的概率，为此，一种无立柱悬索结构大棚应运而生（图5f）。这种结构彻底解决了大棚室内立柱的问题，而且跨度可以达到20～30 m，室内空间大、生产作业无障碍，非常有利于室内种植作物的布局和机械化作业。

按照立柱的布置形式分类

塑料大棚的跨度越大，屋面荷载也相应增大，单纯依靠屋面拱架承载的结构体系将造成用材不经济、成本增大等问题，因此，合理设置室内立柱非常必要。大跨度保温塑料大棚结构的立柱设置方法大体有3种：多柱（沿大棚跨度方向多于2根立柱）、双柱和单柱（图6）。由于大跨度保温大棚的室内走道多布置在大棚跨度方向的中部，所以，在立柱布置时就出现了沿走道双侧布置立柱和单侧布置立柱的布置方式。由于保温塑料大棚采用外保温被覆盖，使保温被基本永久滞留在大棚的脊部位置，而且由于保温被是沿大棚屋面以屋脊为界双侧卷放、独立控制，所以，两侧保温被卷放的位置在运行管理中基本不会出现以屋脊为对称轴的对称卷放，因此，保温被荷载在屋面上几乎不会出现屋脊两侧的对称荷载，这样，沿走道单侧设置立柱的结构将会或多或少地形成立柱的偏心受力，不利于提高立柱的结构承载力，而走道双侧立柱的做法对这种偏心荷载的敏感度较低，更有利于增加结构的稳定性和承载能力。但双柱结构增加了一排立柱，相应结构的用材量和造价也将随之增加，从图6所示的单柱和双柱结构也可以看出，双柱结构屋面保温被铺放在室内形成的阴影带也更宽，具体设计中应通过精细计算和系统比较确定采用最经济有效的立柱结构布置方案。

保温塑料大棚通风形式

大跨度保温塑料大棚由于兼具了塑料大棚、日光温室和连栋温室的特点，所以在通风口设置时也直接采用了上述各类设施的设置方法，但总体来看，大棚的通风口主要包括屋面通风口和侧墙通风口两种形式，二者联合工作形成热压通风和风压通风。

屋面通风口设置与管理

对于大跨度保温塑料大棚，由于保温被长期固定在大棚屋脊（不论保温被卷起还是展开，屋脊两侧一定范围屋面始终处于保温被覆盖状态），所以，在大棚自然通风效果最好的屋脊位置无法开设通风口，为此，屋面通风口（图7）基本都在屋脊两侧离开屋脊一定距离的位置沿大棚长度方向通长设置。根据控制通风口开闭的方式不同，通风口距离屋脊的位置也有不同，但通风口的数量基本限制在屋脊两侧每侧1条。与同跨度的连栋塑料温室相比，大跨度保温塑料大棚屋面上仅在屋脊双侧设置通风口的数量似乎不够，难以满足夏季最大通风量的需要，但这种设置对于冬季生产则完全可以满足需要。在夏季比较炎热的地区，仅靠自然通风难以满足大棚降温要求，这种情况下应结合如风机湿帘等强制降温措施来降温。

控制屋面通风口启闭的方式基本采用了日光温室和连栋温室的屋面通风口控制模式，包括手动扒缝通风、手动卷膜通风和电动卷膜通风等。图7a是日光温室早期使用的一种屋脊手动扒缝通风的通风口启闭方法，这里直接引用到了大跨度保温大棚上。由于人工手动扒缝需要操作人员站立在屋脊处的保温被上操作通风口的启闭，受操作人员身高、臂长的限制，为了尽量减少保温被卷起时在室内形成的阴影带宽度，屋面通风口应尽量设置在靠近屋脊位置，且通风口的宽度不宜过宽，但同时要考虑保温被由于卷放不整齐而造成通风口不能开启的问题。人工扒缝通風的工作量大，费时费力，而且还不能根据室内外温度的变化随时调整通风口的大小和启闭，所以，有一定投资能力的生产者都不采用这种模式的通风口。

图7b是一种不用塑料薄膜覆盖的敞口式屋面通风口。这种做法是直接在屋面上永久敞开一个通风口，控制通风口的启闭以及控制通风口的大小均通过控制保温被卷放来完成。完全关闭通风口时，将保温被覆盖通风口即可实现，通过调节保温被覆盖通风口面积的多少可控制通风量的大小。这种通风口取消了通风口的活动膜和卷膜通风设备，节省了成本，也克服了由于通风口塑料薄膜的污染和老化带来的透光率下降形成的室内弱光带的问题。但这种控制通风的方式需要经常性地控制保温被卷放，由于卷被电机的功率大，运行能耗也较大，此外，保温被覆盖通风口将增加屋面遮光，加大室内阴影带，影响室内作物的采光，出现卷被轴弯曲时还可能直接影响通风口的开启面积，造成室内通风降温的不均匀。当遇到雨雪天气时，为避免雨水进入大棚，必须用保温被覆盖通风口，一方面影响大棚内作物的采光，另一方面也直接封闭了屋面通风口，直接影响大棚的通风，这个问题在夏季的影响或许是比较严重的。

除上述2种屋面通风口操控系统外，大部分的大跨度保温大棚屋面通风均采用连栋塑料温室中常用的卷膜开窗的方式，包括手动卷膜开窗和电动卷膜开窗（图7e），其中手动卷膜开窗，由于屋面通风口距离地面的高度较高，必须借助机械臂来完成操作，常用的开窗机构包括摇臂式卷膜开窗机（图7c）和链轮式卷膜开窗机（图7d），这些都是大家熟知的，这里不多赘述。

侧墙通风口设置与管理

大跨度保温塑料大棚的侧墙通风口设置方式和传统的塑料大棚侧墙通风口以及日光温室前屋面通风口和连栋塑料温室侧墙通风口设置基本相同。一般是在距离地面50 cm以上设通风口（图8a），宽度多为80～100 cm，沿大棚长度方向通长设置。为保证通风口的密封，在靠近山墙的1～2 m范围内不开通风口。

侧墙通风口的控制和传统塑料大棚以及日光温室前屋面和连栋塑料温室的侧墙通风口控制基本相同，采用卷膜通风开窗的方式，所用卷膜器有手动卷膜器（图8b）和电动卷膜器，其中电动卷膜器还包括摆臂式卷膜器（图8c）和爬杆式卷膜器（图8d）等。如果大棚长度较短（60 m之内），在大棚的山墙一侧安装卷膜器即可，如果大棚长度较长（超过60 m），则需要在大棚两侧山墙均安装卷膜器，以保证卷膜轴运行平直和通风口开口均匀。（未完待续，下期将继续介绍大跨度保温塑料大棚的内外保温形式及环境调控技术）。

[引用信息]周长吉.周博士考察拾零（七十五）大跨度保温塑料大棚的实践与创新（上）[J].农业工程技术，2017，37（34）：20-27.

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