周博士考察拾零（一百三十二）外保温塑料大棚的结构形式

周长吉

（农业农村部规划设计研究院，北京 100125）

塑料大棚自从20 世纪60 年代在国内试验推广以来，已经遍布了全国各个省市自治区，成为了设施农业生产中推广面积最大的设施形式，不仅应用在蔬菜种植，而且在花卉、苗木、果树、草莓、中药材、食用菌、水稻育秧等生产中都有大量应用，甚至在畜牧养殖和水产养殖中也经常被使用。

在50 多年的发展历程中，塑料大棚经历了竹木结构、琴弦结构、钢筋/ 钢管焊接结构以及镀锌钢管装配结构等材料和结构的改进，目前生产中使用的塑料大棚基本为镀锌钢管装配式结构，而且随着机械化水平的不断提高，大棚的跨度和高度也在不断增大。

塑料大棚在北方地区使用由于保温性能差，主要用于春提早、秋延后生产，与露地种植相比，一般可提早或延后1 个月左右的时间。随着中国人口的不断增加以及土地资源的日趋紧张，延长设施农业生产的季节，提高土地利用率、增加产品供应量已成为了对设施农业生产的迫切要求，由此，廉价、轻简、对耕地破坏最小的外保温大棚应运而生。所谓外保温大棚就是在传统塑料大棚的基础上增设外保温被，白天保温被卷起，大棚采光通风，夜间保温被展开，覆盖大棚棚面对大棚进行保温（图1）。与传统塑料大棚不同的是，这种大棚的跨度和高度进一步加大，室内温光环境变化更平稳，也更适应于机械化作业。从性能来看，这种形式的大棚一般可在冬季最低温度高于-10℃、日照百分率大于50% 的地区实现蔬菜的安全越冬生产，在种植叶菜、草莓等耐低温作物时，甚至可以进一步推广到冬季温度高于-15℃的地区，在种植要求春化作用的果树等品种时更可将其推广到室外温度低于-20℃的地区，因此，保温塑料大棚具有广阔的推广应用前景，在条件合适的地区已经成为了替代当地日光温室的一种设施形式。

图1 外保温塑料大棚

在广阔推广前景的推动下，各地设施生产企业及科研单位相继开发了不同跨度、不同结构的保温大棚[1-4]，为这一传统的设施形式增添了时代的活力。本文就笔者在走访调研中所看到的各种保温大棚的结构进行梳理，供相关科研、开发和技术推广人员学习和参考。

和日光温室一样，大棚结构相对简单，一是结构为单跨；二是构件的连接点少，相应连接件数量和规格也比较统一。对单跨结构而言，其承力结构主要由屋面/ 侧墙拱架和/ 或室内立柱构件组成。由此，本文主要介绍屋面拱架形式和室内立柱等主要构件，实际上也基本概括出了保温塑料大棚的结构轮廓。

屋面拱架结构

屋面拱架是支撑塑料薄膜和外保温被及其卷帘机的直接承力构件，也是承载和传递室外风雪荷载的构件，对于吊挂作物的大棚还是承载作物吊挂荷载的构件。外保温塑料大棚，为了便于卷放保温被，大多不设直立侧墙，所以，其屋面拱架将大棚屋面和侧墙结合成了一体。事实上，即使直立侧墙的大棚，屋面拱架和侧墙立柱也都是一体化构件。因此，从外形看，屋面拱架有圆弧落地拱架（简称落地拱架）和斜立（直立）侧墙圆弧屋面拱架（简称带肩拱架）两种形式。但由于外保温大棚跨度一般都较大（多在10 m 以上，最大跨度可达到20 m 以上），而且随着机械化耕作的要求越来越迫切，带肩拱架已经成为了这种大棚结构的主流。对于种植果树的保温大棚，侧墙甚至都采用直立侧墙[4]。

从屋面拱架的结构形式和用材看，主要有单管结构和桁架结构两种，其中单管结构又有椭圆管和外卷边C 形钢之分（图2）；桁架结构有钢管/钢筋焊接桁架（图3）以及钢管组装桁架和C 形钢组装桁架（图4），焊接桁架还分平面桁架（图3a）和三角形空间桁架（图3b），为节省钢材还有在焊接桁架结构上布设纵向钢丝的琴弦式结构（图3c）。

图2 单管式屋面拱架

图3 焊接桁架式屋面拱架结构

图4 组装桁架屋面拱架结构

单管骨架结构轻盈，遮光少，不论是椭圆管还是C 形钢都可直接用镀锌钢板加工成形，不需要二次镀锌，制造加工工艺简单，结构防腐能力强。但由于是单管，结构的承载能力不强，结构设计中选用这种材料要么需要在室内增加立柱，要么就是减小大棚跨度，这都给棚内机械化作业带来不便。

焊接桁架结构承载能力强，可以在无柱条件下加大棚体跨度，便于棚内机械化作业，但结构焊接作业工程量大，不同的焊工焊接质量也有差异，焊接拱架如果不采取整体二次镀锌则防腐蚀的能力较差，在高温高湿的种植环境中锈蚀速度快，需要每年对拱架进行防腐保养，日常的维护工作量也很大，由于保温大棚拱架较高，除锈、防腐都要求高空作业，因此，从减少日常维护保养的角度看，镀锌的单管拱架和组装拱架更有发展前景。

组装式拱架具有与焊接桁架结构相同或相近的承载能力，而且构件防腐能力强，对规模较大的建设基地，构件成型设备可以直接安装在工地现场进行构件加工、组装，从而可显著节约材料的运输成本，由此可大大降低工程的整体造价，是未来重点发展的一种结构形式。

有立柱大棚结构

从大棚的承力结构看，除了屋面拱架外，为增强结构的承载能力，大部分大跨度塑料大棚都在室内设置了支撑屋面拱架的立柱。根据棚内设置立柱的多少，大棚结构可分为单立柱结构（图5）、双立柱结构（图6）和多立柱结构（图7）。

图5 中央走道单立柱大棚结构

单立柱结构的屋面拱架支撑立柱一般设置在大棚的跨中，柱顶支撑屋脊，立柱一侧地面设置室内作业走道。单柱结构可以应用在各种屋面拱架结构中，屋面拱架的结构承载能力越强，大棚的跨度即可随之增大。但大棚跨度与脊高应相匹配，如果大棚跨度不断加大而脊高不随之升高，将会带来大棚屋面坡度过小，不利于屋面排水，容易引起屋面积水。一般大棚的高跨比应控制在1:3 左右。

双立柱结构的立柱一般布置在大棚屋脊的两侧，两根立柱在地面上正好形成室内作业走道（亦即两根立柱在大棚跨度方向的间距为室内走道的宽度，图6），而柱顶又正好支撑卷起后的保温被和卷帘机。从结构受力的角度看，两根立柱对保温被的支撑更稳定；从室内生产作业看，立柱的设置基本不影响室内机械作业，也不影响种植垄的布置，是一种比较合理的结构形式。需要强调的是因为立柱位于大棚的中部，立柱的高度较高，为增强立柱的承载能力或为减小立柱的截面尺寸，一般应用斜撑将同一屋面拱架下的两根立柱沿大棚跨度方向相连（图6b），在大棚长度方向应按照平面排架平面外稳定的要求在大棚的两端及中部设置柱间斜撑。

图6 走道双立柱大棚结构

对于单管式屋面拱架，由于自身承载能力有限，为保障结构的承载能力，如要加大棚体的跨度，往往要在棚内沿跨度方向增设多道立柱（图7）。但室内多柱的设置也都遵从了室内单柱和双柱结构立柱设置的原则，首先在大棚跨中结合室内作业走道在屋面拱架的屋脊处或屋脊两侧设置立柱（中柱），之后再根据结构的承载能力在中柱两侧对称设置侧立柱，可以增设1 对侧立柱（图7a），也可以增设2 对侧立柱（图7b），根据大棚建设地区的风雪荷载大小通过结构强度分析确定。室内多柱大棚虽然保证了结构的强度，但室内多立柱非常不利于大棚内的机械作业和种植垄的布置，尤其是当棚内布置自走式喷灌车时由于立柱的阻挡需要增加设备的台数，而当大棚设置内保温幕时，立柱的存在又为各幅保温幕幅与幅之间的密封带来了困难，此外过多的保温幕连接密封条带也给室内带来更多的遮阴带，不利于棚内作物的采光。所以，在可能的条件下，大棚内应尽可能少设或不设立柱，在必须设立柱时也尽可能考虑仅设中部立柱（单柱或双柱）的方案。

图7 室内多立柱结构

减少棚内立柱的另一种做法是在立柱上设V 形斜撑（图8），将屋面荷载通过斜支撑传递到立柱，同时也通过增设支撑点减小屋面拱架的计算长度。这种做法可减少立柱的数量，但相应需要增大立柱的截面尺寸。实践中，在立柱上设置V 形斜撑的方式有2 种：一种是沿大棚跨度方向设置（图8a），主要是为了减少大棚沿跨度方向的立柱数量；另一种是沿大棚长度方向设置（图8b），主要是为了减少大棚沿长度方向的立柱数量。斜撑在立柱上的设置位置应高于作物冠层，不影响室内作业，如果安装室内保温幕应与保温幕安装高度相结合。沿大棚跨度方向斜撑在屋面拱架上的安装位置应结合大棚屋面天窗的设置位置（一般可设置在屋面天窗的下沿）以及相同结构无斜撑时屋面拱架包络图内力最大的位置。斜撑与水平面的倾斜角度应控制在30°～60°，尽可能靠近45°。

图8 立柱设V 形加强斜撑

大棚的立柱可以是圆管，也可以是方管（矩形管）。立柱与斜撑的连接以及立柱与屋面拱架的连接最好采用专用连接件连接，尽量避免采用焊接形式连接。

无立柱大棚结构

无立柱塑料大棚室内空间大，机械化作业方便，作物种植垄布置灵活，是种植者比较青睐的结构形式。但由于受结构承载能力和建设成本的限制，传统的单管拱架和桁架式拱架大棚的跨度一般都不超过15 m（图9），只有采用悬索结构时，大棚的跨度才可能超过20 m，甚至达到30 m（图10）。

图9 单管和桁架屋面拱架无立柱大棚结构

图10 悬索屋架无立柱大棚结构

桁架式屋面拱架截面均匀，承载能力强，作为无立柱结构的承力构件可在屋面构件上不用附加其他杆件（图9a），而对于单管屋面拱架，为提高拱架结构的承载能力就需要在屋面拱架上增设水平弦杆或在增设水平弦杆的基础上再增设弦杆与屋面拱杆之间的倾斜腹杆，其中倾斜腹杆的设置方式有V 形腹杆（图9b）和M 形腹杆（图9c），甚至“之字”形腹杆，在屋面拱杆的屋脊处还可以设置与水平弦杆垂直的中吊杆（图9b、图9c），甚至在中吊杆两侧还可以增设侧吊杆。这些腹杆的设置方法基本可参照连栋塑料温室屋面拱架上腹杆设置方法[5]。

需要指出的是，和上述立柱上设置斜撑一样，屋面拱架上水平弦杆设置位置首先也应在作物冠层高度的上方，如果大棚安装有室内保温幕时，最好与保温幕的安装高度相结合；其次要考虑屋面拱架在风雪荷载作用下的反弯点位置，尽量选择结构内力较大的位置。同时也必须注意，屋面拱架局部的加强应与拱架整体结构承力相协调，如果过分强调加强拱架的上部屋面部位而忽视了拱架侧墙部位，则可能由于侧墙部位的承载能力不足而使对结构上部的加强构件实际上变成为无效构件，进而造成结构用材量增大、造价提升、室内阴影面积增多而结构的强度却没有相应提高的“伪加强”结构。

悬索结构是增强结构承载能力而又可减少屋面拱架构件截面尺寸的一种有效的方法。这种结构充分利用了金属构件抗拉性能强的特点，用拉索作为水平弦杆可大大减轻结构的自重，而且这种悬索杆不仅可用于沿大棚跨度方向的水平拉杆（图10a），而且还可以使用在屋面拱架的纵向连系梁上（图10b）。将屋面拱架的纵向连系梁做成拉索结构的支撑梁，如同上述平面桁架上铺设纵向钢索一样，可与屋面拱架形成双向承力体系，从而可大大提升结构的承载能力，而且构件截面小，室内阴影面积少，尤其适用于大跨度的单跨大棚。