拱形钢架大棚设计与建造安装技术

张杰 冯青春 付祖科 钟贤红 别士平 梁劲松 邓士元 李涛 潘红梅

拱形塑料大棚主要起到春提前、秋延后的保温栽培作用。一般春季可提前30～35天，秋季能延后25～30天；在炎热的夏秋季覆盖遮阳网可进行遮荫降温和防雨、防风、防雹栽培；在寒冷的冬季采用“四膜”覆盖，可进行越冬栽培。最常见的拱形大棚，根据拱架材料分为竹木结构大棚、复合材料骨架大棚、水泥骨架大棚和钢管拱架大棚四种。竹木结构大棚抗风险能力差、使用寿命短、造价便宜，适宜有资源的丘陵山区，在城镇化的郊区趋于淘汰；复合材料骨架大棚抗压能力差，易折断、遮光率高，使用推广困难；水泥骨架大棚造价适中、推广发展面积大，但跨度不足、脊高有限，不适合机械入内作业，目前发展趋缓；钢管拱架大棚抵灾抗灾能力强、使用寿命长、空间大、跨度长、适合机械入内耕种，最近几年发展较快。荆门市2014年用于早春蔬菜生产的塑料大棚面积达1 400.7 hm2，较2013年增加5.2%，其增加的95%是钢架大棚。拱形大棚除了用于蔬菜、食用菌、花卉生产外，目前发展到矮化果树、林业育苗等经济林果的生产及畜牧渔业。一个标准单栋拱形钢架大棚，长度40 m、跨度8～8.5 m、高度3.1～3.5 m、造价成本0.8万～1.2万元，现介绍其设计与建造安装技术。

1 大棚位置选择

建造安装大棚应选择符合标准化生产要求、向阳背风、土层深厚、灌排方便、交通便利的地块。

1.1 符合标准化生产要求

大棚基地必须符合无公害或绿色食品、有机食品生产标准要求，避开土壤、水源、空气污染区，远离公路、工厂，防止汽车尾气、工业废气、废液、废渣、重金属及粉尘烟尘污染，保障产品质量安全。

1.2 向阳背风

地势开阔，地形空旷，东、南、西三个方向没有高大树木、建筑物或山岗遮阳，保证大棚具有充足光照条件。避开风口、风道、河谷、山川，因为这些地方修建大棚，不仅会加大大棚的散热量，使棚内温度难以维持，而且极易遭受风害，造成棚塌膜损。大棚北部如果没有山、丘陵作天然风障，最好栽植防风林或修建房屋以屏障北风，减少为害。

1.3 土层深厚

土层要深厚，土质要疏松肥沃，无盐渍化。一般黑色砂壤土吸收光热的能力强，容易提高地温，是建造大棚的最好土壤。地下水位要低，如果地下水位高，土壤含水量大，增加棚内的相对湿度，容易导致病害的发生。

1.4 灌排方便

收多收少在于肥，有收无收在于水。新建大棚基地水源要近、水质要好、供电要正常、排灌设施要齐全，以保证全天候能灌能排。

1.5 交通便利

路网发达，晴雨通车，交通方便，有利于产品运销和建立产地市场。

新建大棚基地是一种相对固定、使用时间较长的栽培设施，选好地块以后必须进行规划，尤其是面积较大、集中连片的大型基地，更要根据自然环境条件，对大棚的方向和布局，基地内的道路、沟渠、水池、电力、住房等设施进行科学合理统筹规划，才能开工建设，以保证土地的高效利用、生产管理的及时科学，实现高产高效优质目标。

2 拱形钢架大棚设计参数

2.1 大棚设计总体要求

①安全性 钢架大棚结构及其所有构件必须能安全承受包括恒载在内的可能的全部荷载组合，任何构件危险断面的设计不得超过钢管材料的许用应力，钢架大棚及其构件必须有足够的刚度以抵抗纵、横方向挠曲、振动和变形。

②耐久性 钢架大棚的金属结构零部件要采取必要的防腐、防锈措施，覆盖材料要有足够的使用寿命。

③稳定性 钢架大棚及其构件必须具有稳定性，在允许荷载、压力、推力下不得发生失稳现象。

④完整性 钢架大棚必须具有总体的完整性。因外力作用局部损坏时，钢架大棚结构作为一个整体应能保持稳定，不致于发生多米诺骨牌效应。

⑤总体指标要求 风载＞0.25 kN/m2；雪载＞0.2 kN/m2；恒载＞0.2 kN/m2；作物荷载＞0.15 kN/m2；大棚主体结构使用寿命10年以上。

2.2 田间设计参数

①大棚朝向 大棚的朝向是指大棚脊的走向。大棚的朝向应结合本地纬度及主风向综合考虑。在我国大部分纬度范围内，大棚的朝向宜取南北延长走向，使大棚内部各部位采光均匀。根据荆门地区气候条件采取南北走向并适当偏西，偏角不得超过5°。若限于条件，必须取东西走向，要考虑大棚骨架遮荫，对作物的正常生长发育产生的影响。

②排列方式 大棚之间呈东西向对称式排列，相邻大棚间距1～1.5 m。每排大棚之间修机耕道，棚头间距不少于4～5 m。这种排列方式通风速度快，相互遮光少，保温效果佳，机械作业便利。

2.3 四角定位

首先确定大棚的一条边线，在边线上定位2个角点，然后用勾股定理定位第三个角点，最后根据两条边线的长度定位第4个角点。4个角点的高度要用水平仪测量保持一致，大棚对边长度必须一样，保证4个大棚角是直角。一个标准拱形钢架大棚跨度 8～8.5 m，长度 40 m，棚内面积 320～340 m2。

2.3 结构设计参数

①长度 建造长度依地块而定，40～60 m为宜。

②跨度 2根6 m长的标准钢管刚好可以连接建造成一副拱架，跨度以8～8.5 m为宜。如加大跨度，需另加立柱或做桁架结构。

③肩高 用于蔬菜花卉育苗的可设计肩高为1～1.3 m；用于黄瓜、豇豆、果树等较高作物种植的大棚，肩高可以提高至1.6～1.9 m，同时需加装斜撑杆，以提高大棚的承载能力。

④脊高 脊高以3.1～3.5 m为宜。8～8.5 m跨度大棚脊、肩垂直高差以1.9 m为宜。此种设计，形成的拱面对太阳光反射角小、透光率高，能充分使用钢管的力学性能，最大化的利用拱架的抗拉、承压性能，同时能解决棚面过平导致“滴水”造成“打伤作物”诱发病害的问题。

⑤拱架间距 指相邻两道拱架之间的水平距离，以80～100 cm为宜。避风或风力不超过6级的地区，拱架间距应不大于100 cm。在风力较大的地区拱架间距应不大于80 cm。

3 拱形钢架大棚材料

3.1 主要材料

①拱架 拱架主要起支撑棚面覆盖物，承受风、雪、吊蔓载荷的作用，提供足够的内部空间。拱架多为碳素结构圆钢管、热镀锌、可直接焊接或装配，外径不得小于22 mm，壁厚不得小于1.2 mm。荆门地区钢管拱架多选用直径26 mm，壁厚2.5 mm的镀锌钢管。拱架基座可以用C20混凝土固定。

②拉杆 拉杆起连接拱架与立柱的作用，能将拱架所受的力传到立柱上，保证大棚骨架稳定性。拉杆安装在拱架下，不少于3道。拉杆为直径25 mm，壁厚2.5 mm的热镀锌钢管。

③立柱 大棚立柱是大棚骨架中最终受力部分，它可以将拱架顶部承受的力，如雪压、风压等传到立柱上来，起主要支撑作用。立柱采用热镀锌处理，具有防腐蚀的作用。立柱为圆钢管，长度不同，有2 m、3 m、4 m三种规格，外径26 mm，壁厚2.6～3.0 mm，两根立柱间距1.1～1.2 m。

④斜撑杆 斜撑杆长4 m，外径和壁厚与立柱相同，一个钢架大棚至少需要4根斜撑杆。大棚长度超过50 m需要增加斜撑杆。

3.2 配件材料

拱形钢架大棚配件材料主要有拱架连接弯头、拉杆压顶簧、拉杆管头护套、U型卡、夹褓、固膜卡槽、卡槽连接片、卡簧、卡槽固定器、门座、门锁、门包角、压膜卡、卷膜器、双梁卡、引线簧及专用螺栓和标准螺栓等。所有配件材料的设计和选用须满足强度要求，不应有明显的毛刺、压痕和划痕。固膜卡槽选用热镀锌或铝合金固膜卡槽，宽度28～30 mm，钢材厚度0.7 mm，长度4～6 m。卡簧用刚性钢丝弯曲成型，在卡槽铺上塑料薄膜后，将它嵌入槽内，可固定薄膜。

3.3 棚膜材料

棚膜首选乙烯－醋酸乙烯（E－VA）农用塑料薄膜，也可选用聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）膜，宽度12 m，厚度0.08 mm以上，透光率90%以上，使用寿命1年以上。棚膜于无风晴天覆盖，用卡槽固定。裙膜选用厚度0.04 mm，宽度0.6～1 m的中膜。一个标准单栋拱形钢架大棚需要棚膜48 kg，中膜5 kg。

棚体两侧每间隔3～5 m用压膜线连接预埋挂钩固定棚膜。压膜线采用内部添加高弹尼龙丝、聚丙丝线或钢丝的高强度压膜线，其抗拉性好，抗老化能力强，对棚膜的压力均匀。

3.4 灌溉材料

采用节水灌溉系统，由泵房设备（电动潜水泵、过滤器、施肥器及附属设备）、棚外管网（主支、毛管）及棚内管带（微型喷头、滴灌管带、渗灌管带、喷灌管带、灌水器滴头）三部分组成，溶解于水的化肥和农药可通过灌溉管网施用。荆门地区棚内管带材料多选用直径32 mm的喷灌带。

3.5 防虫网材料

防虫网安装在大棚两侧的通风口上，用卡簧固定在卡槽中，防止通风时害虫进入。防虫网的材料类型主要有：不锈钢网和黄铜网、聚乙烯单线网、聚丙烯多股网、尼龙网等。荆门地区防虫网一般选择幅宽1 m的40目尼龙防虫网。防虫网的颜色以白色和无色透明为主，也可以是黑色或银灰色的。白色和无色防虫网的透光性好，黑色防虫网的遮光效果好，银灰色防虫网则避蚜效果好，依据现场环境和需要而定。

4 拱形钢架大棚建造安装技术

4.1 拱架安装

拱架即镀锌半圆拱钢管，8～8.5 m宽大棚，单根拱架长6 m，直径22～26 mm，壁厚1.2 mm以上。为便于运输，拱架多采用现场加工，加工设备，可根据所需弧形和肩高，通过角铁焊接而成。安装时先在拱架一头30 cm处，统一标记插入泥土的深度，然后沿大棚两侧拉线，间隔60～90 cm用直径28～32 mm的钢钎或电钻打一深30 cm的洞孔，洞孔外斜5°，最后将拱架插入洞孔内，用眉形弯头连接拱架顶端即可。安装拱架要求插入深度一致，左右间距和内空间距一致，以保证大棚顶斜面和左右侧面平整。

4.2 拉杆安装

拉杆亦称纵向拉杆、横拉杆，俗称梁。一个大棚1道顶梁2道侧梁，风口等特殊位置需要加装2道，共安装5道拉杆。拉杆单根长5 m，40 m长的大棚，3道梁需要拉杆24根。连接拉杆时先将缩头插入大头，然后用螺杆插入孔眼并铆紧，以防止拉杆脱离或旋转。上梁时，先安装顶梁，并进行第一次调整，使顶部和腰部达到平直；再安装侧梁，并进行第二次、第三次调整，使腰部和顶部更加平直。如果整体平整度有变形，局部变形较大应重新拆装，直到达到安装要求。安装拉杆时，用压顶弹簧卡住拉杆压着拱架，使拉杆与拱架成垂直连接，相互牵牢。梁的始末两端用塑料管头护套，防止拉杆连接脱落和端头戳破棚膜。拉杆安装要求每道梁平顺笔直，两侧梁间距一致，拱架上下间距一致，拉杆与拱架的几个连接点形成的一个平面应与地面垂直。

4.3 斜撑杆安装

拉杆安装完后，在棚头两侧用斜撑杆将5个拱架用U型卡连接起来，防止拱架受力后向一侧倾倒。斜撑杆斜着紧靠在拱架里面，呈“八”字形。每个大棚至少安装4根斜撑杆，棚长超过50 m，每增加长度10 m需要加装4根。斜撑杆上端在侧梁位置用夹褓与门拱连接，下端在第5根拱管入土位置，用U型卡锁紧，中部用U型卡锁在第2、3、4根拱架上。

4.4 卡槽安装

卡槽又称固膜卡槽、压膜槽，安装在拱架外面，分为上下2行，上行距地面高150 cm，下行距地面高60～80 cm。安装时校正拱架间距，用卡槽固定器逐根卡在拱架上固定，卡槽头用夹褓连接在门拱或立柱上。卡槽单根长3 m，用卡槽连接片连接。安装前先在拱架上做出标记或拉上细绳子，这样安装的卡槽才会纵向平直，高低一致，不会歪斜。

4.5 棚门安装

棚门安装在棚头，作为出入通道和用于通风，南头安装2扇门，竖4根棚头立柱，2根为门柱，2根为边柱，起加固作用；北头安装1扇门，竖6根棚头立柱，中间2根为门柱，两侧各竖2根边柱。立柱垂直插入泥土，上端抵达门拱，用夹褓固定。大棚门高 170～180 cm，门框宽 80～100 cm，门上安装有卡槽。棚门用门座安装在门柱上，高度不低于棚内畦面。门锁安装铁柄在门外，铁片朝内。

4.6 棚膜安装

覆盖棚膜前要细心检查拱架和卡槽的平整度。拱形钢架大棚塑料薄膜宽12 m，棚膜幅宽不足时需粘合。粘合时可用粘膜机或电熨斗进行，一般PVC膜粘合温度130℃，EVA及PE膜粘合温度110℃，接缝宽4 cm。粘合前须分清膜的正反面。粘接要均匀，接缝要牢固而平展。裙膜宽度60～100 cm。覆盖棚膜要选无风的晴天，并分清棚膜正反面。上膜时将薄膜铺展在大棚一侧或一头，然后向另一侧或一头拉直绷紧，并依次固定于卡槽内，两头棚膜上部卡在卡槽内，下部埋于土中。

4.7 通风口安装

通风口设在拱架两侧底边处，宽度80～100 cm。选用卷膜器通风时，卷膜器安装在棚膜的下端，向上摇动卷轴通风。安装卷轴时，用卡箍将棚膜下端固定于卷轴上，每隔80 cm卡一个卡箍，摇动卷膜器摇把，可直接卷放通风口。大棚两侧底通风口下卡槽内安装40～60 cm高的挡风膜。

4.8 防虫网安装

在通风口及棚门位置安装防虫网。安装防虫网时，截取与大棚等长的防虫网，宽度1 m，防虫网上下两面固定于卡槽内，两端固定在大棚两端卡槽上。

4.9 内膜安装

大棚冬春季种植除覆盖地膜、小拱棚膜和棚膜外，还可加设一层内膜。内层膜安装在外层膜下15～25 cm处，内层拱架可选用竹竿，间距3～5 m。棚内每畦用竹竿或竹片起拱，高0.8～1.2 m，覆盖小拱棚膜，畦面覆盖地膜。

4.10 灌溉设备安装

灌溉设备安装采用半固定管道式喷灌系统。泵房设备、棚外主支管网等常年固定不动，棚内管带一季作物罢园后拆除，待土地耕整作畦后再安装。这种安装方式投资适中，操作和管理较为方便，是目前使用较为普遍的一种管道式喷灌安装系统。

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