新型大跨度无立柱内保温拱棚结构设计及配套内保温系统研究

|摘要|目前，中国的大跨度无立柱拱棚内部均受限于结构的跨度要求，设置了一个或多个立柱，净跨度较小，严重地限制了中国温室内部的机械化作业。文章围绕拱棚的结构及其配套内保温系统展开了探索，设计研发了三角形空间桁架及大跨度无立柱拱棚，旨在为中国塑料大棚的发展提供参考。

前言

设施园艺产业是当今中国现代农业中最具活力的产业之一，“十八大”以来，中国高度重视推进农业供给侧结构性改革，大力推动农业绿色发展，其技术提升将极大地增加经济收益，带动大批相关产业的发展。中国的园艺设施面积位居世界之首，农业农村部2019年11月22日公布的统计数据显示，全国的温室面积达到了189.42万hm2，其中，日光温室面积为57.74万hm2，占比30.5%;塑料大棚126.24万hm2，占比66.6%;连栋温室5.43万hm2，占比2.9%。因此，温室结构和其配套设施的研究非常重要。

在西北地区应用拱棚设施具有补充和完善其他设施结构的意义。尽管拱棚目前尚不能满足喜温果蔬的安全越冬生产，却已经可以给作物提供比露地生产更加适合和可控的生长环境，从而大幅提高果蔬的产量和品质。同时，拱棚能够实现防灾减灾，给作物提供避风和避雨的环境，还可以在北方实现安全越夏生产，这一优势是对日光温室越冬生产的重要补充和完善。并且，由于拱棚设施具有空间大的特性，大跨度拱棚可以实现农机与农艺的有机融合，促进设施产业实现机械化和自动化生产，水平也不断得到提升。大跨度拱棚不仅与其它设施结构相互补充，而且随着其结构和环境控制配套设施的不断研发，其功能也会不断完善。

中国大跨度无立柱拱棚目前的经济跨度一般为12～12.8 m，有部分溫室外观跨度较大，达到16 m，甚至是26 m，但内部均受限于结构的跨度要求，设置了一个或多个立柱。与拱棚配套的保温系统主要有外保温被、内保温被、内保温幕等，配套的通风降温设备一般为卷膜系统和小型风机。由于净跨度较小，严重地限制了我国温室结构内部的机械化作业，极大地制约了我国设施农业的发展。针对拱棚对于大跨度的产业发展需求，行业专家开发了各种结构来满足跨度要求，但简单从普通钢结构的构型中选用，不仅安全性达不到塑料大棚的实际需求，而且整体造价也相对较高。采用替代的材料进行焊接，又会导致结构在温室的湿热环境中过快地锈蚀，造成安全隐患。

针对现有技术存在的不足，西北农林科技大学温室结构研发团队开发了一种三角形空间桁架及大跨度无立柱拱棚（图1）。技术团队联合宁夏新起点现代农业科技有限公司的技术团队，在宁夏回族自治区“十三五规划”项目中的宁夏园艺产业园进行了新型大跨度无立柱拱棚的首次试验性建造（图2）。该拱棚结构解决现有技术中温室空间桁架承载力不强、承载跨度小、结构易锈蚀等缺陷，进而解决了大跨度温室必须采取立柱支撑，空间难以扩大的技术困境。

新型大跨度无立柱拱棚结构设计

三角形空间桁架及大跨度无立柱拱棚是由空间V型件和I型件相互装配形成的，与上下弦杆呈30°～60°斜角的空间等腰三角形结构，进而每对所述的加强肋组件与上弦杆和下弦杆形成等腰四棱台结构，该结构在保证空间结构稳固性的基础上，同时具备结构形式标准化程度高，适合快速装配建造的结构特点（图3）。通过系统的结构安全检测和试验（图4），西北农林科技大学温室结构研发团队研发的三角形空间桁架可以可靠地实现16、24、30 m的净跨无立柱拱棚。

与现有温室结构相比，该实用新型的三角形空间桁架及大跨度无立柱温室采用了特殊设计的三角形空间桁架，该空间桁架利用创新设计的V型件和I型件相互装配为具有一定空间三角形结构的加强肋组件，巧妙地在极少构件的情况下实现了三角形空间结构的几何不变体系，解决了大跨度温室结构的承载力问题，进而可使温室跨度进一步提高至可以进行机械化种植耕作所需要的跨度。

同时，该温室结构开创性地采用了几字型或者C型结构的下弦杆设计，使温室骨架的功能多样化，节省了制作内部二层骨架的费用并简化了温室结构，同时为温室内保温提供了安装平台，克服了传统两层骨架内保温的空间狭小问题，为温室内部作物生长提供了必要的开阔生长空间，也为温室的机械自动化种植耕作奠定了结构基础。

新型的三角形空间桁架及大跨度无立柱温室的结构的空间化、模块化设计极大地简化了装配的难度，全面采用了装配前热镀锌和螺栓装配的方式，保障了结构强度以及耐久性和安全性。并针对大跨度结构带来的热损失与通风除湿问题，设计了配套的蓄热保温墙和通风除湿换热风通道，该蓄热保温墙和通风除湿换热风通道与大跨度温室的结构相结合，使得结构获得更加优越的保温和除湿功能。

此外，该温室在下弦杆钩挂用于钩挂安装遮阳保温设施的滑动吊装件，遮阳保温设施收起时，向温室一侧收拢，并最终收拢在温室一侧，不会对温室内部主体部分产生遮荫，同时加强了温室的保温性能，有利于温室温光性能的进一步提高。

新型大跨度无立柱拱棚配套内

保温系统研发

由于中国西北地区气候条件复杂，昼夜温差大，因此，在中国西北地区的拱棚均利用外保温被来进行保温。在过去的10年里外保温被部分解决了中国西北地区拱棚的冬季保温问题，但是由于外保温被本身处在温室外部，因此长期以来存在以下几个方面的严重问题：

（1）保温被厚重，卷铺困难。即使是用了电动卷铺设备，依旧存在卷铺不稳定的问题，而温室外保温平直度会影响温室的采光面积。同时，厚重的温室外保温还会导致卷铺设备负载大，容易出现故障。而且，由于外保温依靠自身重力停靠在温室顶部，一旦出现卷帘机过卷，就会造成比较严重的事故，很难修复。

（2）保温被使用寿命短。由于外部风吹日晒，加之雨雪侵蚀，保温被的寿命仅能维持2～3年，使用成本高，维护成本也高。

（3）中国西北地区多风，外保温被存在工程隐患，经常面临被风整体掀起的风险。会造成外保温系统的整体失效，还会严重影响温室生产。

（4）现有外保温无法实现全自动化控制，因此大跨度无立柱拱棚自动化生产无法实现。

因此，从以上几点来分析，外保温被已经成为了拱棚特别是超大跨度拱棚大跨度优化和实现自动化的严重障碍，亟待解决。

为此，设计团队对该新型大跨度无立柱拱棚的悬挂内保温系统（图5）及地下换热通风降温系统进行了改良，采用了分组闭合的锁链传动技术，可以在实现拱棚悬挂内保温系统稳定开启闭合的同时，为拱棚内部植物创造开阔的生长空间。

该日光拱棚的悬挂内保温及通风降温系统结构合理，与现有温室保温设施相比不仅不增加成本，还可以大大提高大跨度无立柱拱棚的保温和通风降温功能。同时也克服了困扰西北大跨度无立柱拱棚保温通风发展的种种结构性问题，结合实践中对温室的要求来看，其优点在于：

（1）该拱棚采用了特殊设计的温室骨架下弦闭合鎖链系统传动，使得该悬挂内保温系统稳定可靠，不但克服了拱棚外保温面临的寿命短和不抗风的问题，同时也克服了传动二层骨架内保温的空间狭小问题，为拱棚内部作物生长提供了必要的开阔的生长空间（图6）。

（2）开创性地采用了几字型钢或者C型钢骨架下弦设计，将原来拱棚骨架的功能多样化，省掉了制作内部二层骨架的费用并简化了拱棚结构。最终，不但减少了结构材料的耗费，也降低了安装的复杂度，同时扩大了拱棚内部空间。

（3）由于采用了运行稳定、控制容易的单元锁链闭合传动系统，内保温被的开启和闭合非常容易准确控制，因此为大跨度无立柱拱棚的全面自动化打好了设备的基础。

（4）温室内保温被开启后，保温被收拢在温室骨架的屋脚位置，因此不但对温室内部不产生任何遮荫，也加强了拱棚的保温性能，有利于温室温光性能的进一步提高。

（5）整个系统运行只有2台1.1 kW的减速电机驱动，造价低，运行的费用低，效率高，在实践生长中容易推广和保持长时间稳定运行。

总结

结合中国大跨度拱棚的实际产业需求，中国设施农业温室结构领域亟待开发一种结构合理，安装工艺完善，既可以保障结构在大跨度条件下的承载力要求，也可以保证在整个安装过程中不用焊接，进而实现在温室全生命周期内的安全抗锈蚀，同时配套全新的保温和通风降温系统，解决了现有技术中温室空间桁架由于承载力不强、承载跨度小、结构易锈蚀等缺陷导致的大跨度温室必须采取立柱支撑的问题。本结构的研究针对解决该问题进行了探索，为丰富国内的温室结构类型添砖加瓦。

参考文献

[1]张勇.一种悬挂内保温系统的超大跨度无立柱拱棚[P].CN207284407U，2018-05-01.

[2]张勇.一种三角形空间桁架及大跨度无立柱温室[P].CN208387423U，2018-06-15.

*项目支持：陕西省重点研发计划项目（2018TSCXL-NY-05-05）;宁夏回族自治区十三五重点研发计划重大项目（2016BZ0901）;节能日光温室结构优化与配套技术开发研究（2017ZDXM-NY-057）;设施农业采光蓄热技术提升研究与示范（2016KTCL02-02）。

作者简介：张勇（1977-），男，博士，副教授，主要从事温室建筑结构及光热环境和建筑园艺研究。E-mail： Landscape@nwsuaf.edu.cn。

[引用信息]张勇，金鑫，邹志荣.新型大跨度无立柱内保温拱棚结构设计及配套内保温系统研究[J].农业工程技术，2020，40（10）：22-25.