多阵列屋面分布式光伏电站中光伏支架结构的分析研究

摘 要：针对建设在钢筋混凝土屋面上方的多阵列屋面分布式光伏电站，以其光伏支架结构设计中的若干影响因素为研究对象，从光伏支架的结构组成及设计流程出发，结合其受力特点和方式，研究阵列排布方式、相邻立柱间距、檩条间距、斜撑支撑点位置、光伏支架倾角、相邻光伏支架间距这6种因素对光伏支架承载力的影响。研究结果表明：在采用同样材料、规格光伏支架的前提下，这6种影响因素对光伏支架的承载力均存在具有一定规律的影响。1）同样列数的情况下，优先选用“竖向组件2行”的阵列排布方式，对应的光伏支架承载力性能较优且排布更为合理；2）相邻立柱间距设置在光伏组件长边水平投影长度的60%～70%范围内时，对应的光伏支架承载力性能较优；3）檩条间距设置为光伏组件长边水平投影长度的70%左右时，可以保证光伏组件自身的刚度和较大的承载力，且方便施工时的安装操作；4）当斜撑支撑点位置与斜梁高侧端点的距离为整个斜梁长度的35%～60%时，对应的光伏支架承载力性能较优；5）当采用配重式支架基础时，光伏支架倾角通常采用5˚～20˚的小角度，以减少产生的光伏附加荷载，从而确保光伏支架主体结构的安全性；6）当相邻光伏支架间距采用光伏组件短边长度的150%～200%（即每榀光伏支架承担约1.5～2.0块光伏组件）时，对应的光伏支架承载力性能较优，且经济性较好。所得结论和规律可为后续多阵列屋面分布式光伏电站的光伏支架结构设计提供参考。

关键词：屋面分布式光伏电站；多阵列；光伏支架结构；立柱；斜梁；檩条；承载力

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0" 引言

目前，国家大力推行2030年碳达峰和2060年碳中和的“双碳”减排政策，包括太阳能在内的新能源领域属于政策最有力的响应部分。如何有效利用太阳能资源，且不占用过多的地面资源成为当前研究的热点问题[1]。在既有建筑物屋面设置分布式光伏电站成为有效的解决途径，其中，光伏组件采用多阵列的布置形式（同一光伏支架上横向1行的光伏组件为1个阵列）可以更有效的利用屋面有限的空间资源[2]。基于此，本文针对设置在钢筋混凝土屋面上方的多阵列屋面分布式光伏电站，以其光伏支架结构设计中的若干影响因素为研究对象，分析研究阵列排布方式、相邻立柱间距、檩条间距、斜撑支撑点位置、光伏支架倾角、相邻光伏支架间距对光伏支架承载力的影响，并总结规律，以期在大规模推广屋面分布式光伏电站的背景下，为光伏支架结构设计提供经验和参考。

1" 光伏支架的结构组成及设计流程

1.1" 光伏支架的结构组成

光伏组件是直接接收太阳辐射，将太阳能转换为电能的关键部件，根据材料不同可分为非晶硅光伏组件、单晶硅光伏组件和多晶硅光伏组件。

对于屋面分布式光伏电站的光伏支架结构而言，其包括光伏支架和光伏支架的基础（即支架基础）两个部分。光伏支架由檩条、斜梁、立柱、斜撑及相关连接附件组成。根据构件的材质，光伏支架可以分为普通碳素结构钢材、不锈钢和铝合金光伏支架，其中，普通碳素结构钢材和铝合金光伏支架的应用较为广泛。两种材料各有优缺点，普通碳素结构钢材的受力性能好、价格较便宜、市场采购方便，但是其自重较大、耐腐蚀性较差，需要进行热浸镀锌处理；铝合金的自重较轻、耐腐蚀性较好，但是其受力性能不如普通碳素结构钢材，且价格偏高[3]。

对于钢筋混凝土屋面结构，根据形式不同，支架基础可以分为光伏建筑一体化（BIPV）式、配重式、压重式和后锚固式，具体采用何种支架基础形式需结合项目的实际条件进行选择。

1）若项目建设在新建建筑上，在有条件的情况下优先采用BIPV式支架基础。此种支架基础能最大限度地满足屋面布设分布式光伏电站的需要，保证结构安全性，支架基础与屋面结构一体浇筑成型，防水保温性能好，耐久性高。

2）若项目建设在既有建筑上，当主体结构屋面预留荷载较富裕时，在确保主体结构安全性有保障的情况下，优先选择配重式和压重式支架基础。此种支架基础是工厂预制后运抵光伏电站现场，施工吊装及安装较为方便，可以加快施工进度；但这类支架基础的荷载偏大[4]，对既有建筑主体结构承载性能的要求较高，常需要进行安全性复核，并易破坏原建筑屋面的保温防水层，设计时需要采取一定的附加措施（例如：增设局部防水卷材），以保证建筑屋面面层功能的耐久性。

3）若项目建设在既有建筑上，当主体结构屋面预留荷载偏低、屋面结构梁布置间距较密时，可以采用后锚固式支架基础。此种支架基础产生的荷载较小，但其在施工中需要局部破坏或移除既有建筑屋面面层，暴露出结构面层，在屋面结构构件内设置后锚固螺栓，对既有建筑的结构构件有一定损伤，会一定程度降低屋面的使用耐久性，并且施工有一定难度，施工周期也较长[5]。

光伏组件安装在光伏支架上，通过紧固件与檩条连接，檩条与若干榀的光伏支架连接，光伏荷载（包括光伏发电系统荷载、风荷载、雪荷载、检修运维荷载等施加到光伏支架上的荷载）通过支架基础传递给主体结构的受力构件[6]。以“配重式支架基础+光伏组件竖向安装（下文简称为“竖向组件”）+2行”布置为例，其光伏支架结构侧面示意图如图1所示。

1.2" 光伏支架的结构设计流程

在光伏支架的结构设计中，安全性是各项工作顺利开展的前提。光伏支架结构设计的工作流程如图2所示。

光伏支架结构设计以现行国家规范和规程（例如：NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》[7]、GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[8]等）为依据进行计算分析，计算内容包括光伏支架本身承载力计算和稳定性验算，以及支架基础的抗滑移、抗倾覆及抗浮验算，然后汇总计算结果进行分析。

2" 光伏支架的影响因素分析

本文所选屋面分布式光伏电站位于北京市区内某栋钢筋混凝土框架结构的办公楼屋面，该办公楼的建筑高度为15 m，屋面形式为钢筋混凝土现浇屋面，建造时间为2006年。下文主要研究光伏支架采用不同设置条件时的受力结果，该结果主要包括光伏支架结构的最大应力比和最大位移两个部分，并通过对比分析总结光伏支架结构设计的规律和经验。

该屋面分布式光伏电站中，光伏支架上的横向1行光伏组件为1个阵列，每个阵列均为10块光伏组件；采用的光伏组件峰值功率为545 W，尺寸（长×宽×厚）为2278 mm×1134 mm×35 mm，单块重量为28.6 kg；所有光伏组件均采用竖向安装的方式。

为使各组算例的计算结果具有可比性，本文对光伏支架结构各构件的材质和规格进行了统一设置，具体为：1）光伏支架材质为Q235B钢材（进行热浸镀锌处理）；2）支架基础均采用配重式支架基础；3）立柱采用U型钢，截面尺寸为41.30 mm×72.00 mm×7.50 mm×2.75 mm；4）斜梁采用U型钢，截面尺寸为41.3 mm×82.0 mm×15.0 mm×2.5 mm；5）斜撑采用U型钢，截面尺寸为41.3 mm×41.3 mm×7.5 mm×2.0 mm；6）檩条采用U型钢，截面尺寸为41.3 mm×82.0 mm×15.0 mm×2.5 mm。

2.1" 阵列排布方式

由于受光照及建筑屋面使用功能的影响，屋面区域内可以利用太阳能的范围经常受到限制，因此，同一光伏支架上的光伏组件通常以竖向单行（即单阵列）和竖向多行（即多阵列）的方式排布。

将光伏支架倾角统一设置为15°，阵列排布方式分别采用“竖向组件1行×10列”“竖向组件2行×10列”“竖向组件3行×10列”“竖向组件4行×10列”（其光伏组件布置示意图见图3），对比不同阵列排布方式对光伏支架受力的影响。不同阵列排布方式的光伏支架侧面示意图如图4所示，不同阵列排布方式下光伏支架结构各部件受力情况的计算结果如表1所示。

根据表1的计算结果，绘制出不同阵列排布方式下光伏支架的承载力对比曲线，如图5所示。

从表1和图5可以看出：在“竖向组件1行× 10列”阵列排布方式下，光伏支架立柱的应力比最大；在“竖向组件2行×10列”阵列排布方式下，斜梁的应力比最大；不同阵列排布方式下檩条和斜撑的应力比有所变化，但相差不大。随着阵列数量（即光伏组件行数）的增加，光伏支架的承载力呈线性增加。在“竖向组件1行×10列”与“竖向组件2行×10列”阵列排布方式下光伏支架的承载力相差不大，主要原因是“竖向组件1行×10列”阵列排布方式时光伏支架材料的应力富余量较大，而“竖向组件2行×10列”阵列排布方式虽然多出1行立柱，但光伏支架材料的应力富余量与“竖向组件1行×10列”阵列排布方式相比较少。

综上可知，在同样材料、规格光伏支架情况下，阵列排布方式采用“竖向组件1行×10列”和“竖向组件2行×10列”时光伏支架的承载力相差不大；但考虑到相邻光伏支架间均需设置检修通道，因此“竖向组件2行×10列”阵列排布方式所占屋面区域更少，更为合理。

2.2" 相邻立柱间距

在既有建筑屋面上建设分布式光伏电站，光伏支架作为光伏组件与屋面之间力的传递纽带，将光伏荷载顺利传递给既有结构。因此，光伏支架立柱的位置受屋面结构安全性的限制，设计时需按现场实际条件进行相应的调整，需要考虑同一榀光伏支架中不同的相邻立柱间距对光伏支架受力的影响。

将光伏支架倾角统一设置为15°，阵列排布方式采用“竖向组件2行×10列”；每榀光伏支架对应设置3根立柱，相邻立柱间距的变化范围设置为1000～1900 mm，以100 mm为变化梯度，计算不同相邻立柱间距下光伏支架结构各部件的受力情况，结果如表2所示。

根据表2的计算结果，绘制出不同相邻立柱间距下光伏支架的承载力对比曲线，如图6所示。

从表2和图6可以看出：当光伏支架相邻立柱间距为1000 mm时，斜梁的悬挑部分在所有模型中最长，此时其应力比最大，且位移最大。相邻立柱间距在1000～1900 mm范围内变动时，斜撑的应力比呈现增大的趋势，立柱、檩条的应力比基本一致。当相邻立柱间距为1500 mm时，光伏支架的承载力最大，此间距为光伏组件长边水平投影长度的65%左右；随着相邻立柱间距由此距离逐渐减少，光伏支架承载力曲线下降的幅度较陡；随着相邻立柱间距由此距离逐渐增大，光伏支架承载力曲线下降的幅度较缓。

综合分析得出，当相邻立柱间距取值在光伏组件长边水平投影长度的60%～70%范围内时，对应的光伏支架承载力性能较优。

2.3" 檩条间距

檩条位于光伏组件和光伏支架斜梁之间，为保证檩条与光伏组件紧密连接，每块光伏组件下均应设置不少于4个紧固件，将光伏组件与檩条连接固定。檩条的间距影响着紧固件的设置位置，因此需要考虑不同檩条距离对光伏支架受力的影响。

将光伏支架倾角统一设置为15°，阵列排布方式采用“竖向组件2行×10列”；檩条间距的变化范围设置为600～1800 mm，以200 mm为变化梯度，计算不同檩条间距下光伏支架结构各部件的受力情况，结果如表3所示。

根据表3的计算结果，绘制出不同檩条间距下光伏支架的承载力对比曲线，如图7所示。

从表3和图7可以看出：檩条间距会直接影响光伏支架斜梁的应力，当檩条间距为600 mm时，由于檩条所传递的集中荷载均传递至斜梁的中部区域，导致此时斜梁的应力比最大，且位移最大。随着檩条间距逐渐增大，斜梁的应力比逐渐下降，檩条的应力比呈现增大的趋势，立柱、斜撑的应力比和位移基本一致。位于光伏支架顶部的檩条设置时需要考虑光伏组件的布置情况，每块常规尺寸的光伏组件需要设置4个紧固件与檩条相连接。檩条间距在600～1000 mm范围内时，光伏支架的承载力变化不大，相对处于同一平台；当檩条间距超过1000 mm时，对应光伏组件长边水平投影长度的45%左右，光伏支架的承载力明显增大。

一般情况下，紧固件与光伏组件边缘悬挑段的距离不能过小，根据工程经验总结得出较为合适的距离在300～450 mm之间，相对于本工程中檩条间距为1600 mm时光伏支架结构各部件的受力结果，对应光伏组件长边水平投影长度的70%，不仅可以保证光伏组件自身的刚度和较大承载力，且方便施工时的安装操作。

2.4" 斜撑支撑点位置

光伏支架设置斜撑，可增加整体光伏支架的多余约束，保证其水平荷载顺利传递至支架基础。斜撑在斜梁上不同的支撑点位置通常会影响光伏支架的受力特性。

将光伏支架倾角统一设置为15°，阵列排布方式采用“竖向组件2行×10列”。以斜梁高侧端点为起始点，斜撑支撑点位置即为斜撑支撑点距斜梁高侧端点的距离，其变化范围设置为0～2029 mm（两个节点间的距离为2029 mm），以200 mm为变化梯度。其中，0 mm代表不设置斜撑的情况；因为2000 mm与2029 mm相差过小，因此以2029 mm作为满节点设置斜撑的情况（即斜撑上下连接到斜梁节点位置）。计算不同斜撑支撑点位置下光伏支架结构各部件的受力情况，结果如表4所示。

根据表4的计算结果，绘制出不同斜撑支撑点位置下光伏支架的承载力对比曲线，如图8所示。

从表4和图8可以看出：斜撑支撑点位置对光伏支架的立柱和斜梁的受力影响较为显著。当光伏支架不设置斜撑时，斜梁的应力比最大，且光伏支架承载力最低。当斜撑支撑点位置为800 mm（即占整个斜梁长度的40%）时，光伏支架的承载力达到峰值；然后随着斜撑支撑点位置逐渐远离斜梁高侧端点，光伏支架的承载力逐渐减小；但当斜撑支撑点位置在斜梁低侧节点时，光伏支架的承载力仍大于不设置斜撑时的承载力。因此，可以认为光伏支架设置斜撑能提升其整体稳定性和承载力。

一般情况下，光伏支架设置有一定的倾角，根据计算结果分析，在斜撑支撑点位置与斜梁高侧端点的距离占整个斜梁长度35%～60%的条件下，光伏支架的承载力较高。

2.5" 光伏支架倾角

光伏支架倾角通常与光伏组件安装倾角一致，其值的选择需要综合考虑项目所在地的大地纬度和太阳辐射量、所处屋面的坡度、光伏组件装机容量，以及相邻两个光伏支架间前一个光伏支架中的最后1行光伏组件对后一个光伏支架中的第1行光伏组件造成的阴影遮挡等因素的影响。在这些因素中，光伏组件装机容量通常是首位考虑因素，但是随着光伏支架倾角的递增，光伏支架结构中高侧的标高会相应增大，通过支架基础传递到既有结构屋面的光伏附加荷载也会相应增加，不利于运维操作，此时光伏支架倾角的选择需要考虑的主要因素是既有结构屋面承载的安全性因素。

光伏支架的阵列排布方式采用“竖向组件2行×10列”，光伏支架倾角的变化范围设置为0°～45°，以5°为变化梯度，计算不同光伏支架倾角下光伏支架结构各部件的受力情况，结果如表5所示。

根据表5的计算结果，绘制出不同光伏支架倾角下光伏支架的承载力对比曲线，如图9所示。

从表5和图9可以看出：在不同光伏支架倾角下，光伏支架承载力的变化呈现出一定的规律性。当光伏支架倾角为0˚时，光伏支架的承载力并未达到最低，然后随着光伏支架倾角的增大，光伏支架的承载力逐渐减小；当光伏支架倾角达到15˚时，光伏支架的承载力为最低；当光伏支架倾角超过15˚且逐渐增大时，光伏支架的承载力也随之增大；当光伏支架倾角达到40˚时，光伏支架的承载力达到最大；随后当光伏支架倾角继续增大，光伏支架的承载力随之降低。

但由于光伏支架倾角过大会增加配重式支架基础的尺寸，对既有结构屋面的安全性有较大影响，因此对于采用配重式支架基础的情况而言，通常以牺牲光伏支架承载力为前提，采用小角度的光伏支架倾角。综合分析后，光伏支架倾角选择5°～20°，以减少作用于既有结构屋面的光伏附加荷载，来确保光伏支架主体结构的安全性。

2.6" 相邻光伏支架间距

在既有建筑屋面上建设分布式光伏电站时，与相邻立柱间距一样，相邻光伏支架间距（即相邻两榀光伏支架之间的距离）同样受屋面结构安全性的限制，其示意图如图10所示，因此需要考虑不同的相邻光伏支架间距对光伏支架受力的影响。

将光伏支架倾角统一设置为15°，阵列排布方式采用“竖向组件2行×10列”。由于每个阵列的光伏组件数量相同，因此当相邻光伏支架间距变化时，光伏支架所包含的榀数不同，每榀所承担的光伏组件块数也不同。相邻光伏支架间距的变化范围设置为1500～3500 mm，以250 mm为变化梯度，计算不同相邻光伏支架间距下光伏支架结构各部件的受力情况，结果如表6所示。

根据表6的计算结果，绘制出不同相邻光伏支架间距下光伏支架的承载力对比曲线，如图11所示。

从表6和图11可以看出：相邻光伏支架间距对光伏支架承载力的影响较为显著。相同阵列排布方式的情况下，随着相邻光伏支架间距逐渐变小，光伏支架结构的榀数逐渐增多，光伏支架承载力也逐渐增大；当相邻光伏支架间距为1500 mm时，光伏支架的立柱、斜梁和檩条的应力比最小，且位移也相对较小，而此时光伏支架的承载力达到最大值。

从图11还可以看出：光伏支架承载力曲线下降趋势出现两处平台段。第1处平台段是在相邻光伏支架间距大约为1750～2250 mm时，即为光伏组件短边长度的150%～200%，此时每榀光伏支架承担约1.5～2.0块光伏组件；第2处平台段是在相邻光伏支架间距大约为2500～3000 mm时，即为光伏组件短边长度的220%～260%，此时每榀光伏支架承担2.2～2.7块光伏组件。另外，相邻光伏支架间距过大会导致材料用钢量的加大，影响屋面分布式光伏电站的投资建设成本。

综合考虑，认为相邻光伏支架间距位于第1处平台（即为光伏组件短边长度的150%～200%）时，每榀光伏支架承担约1.5～2.0块光伏组件，对应的光伏支架可以得到较高的承载力，且安全性、经济性较好。

3" 结论

本文针对建设在钢筋混凝土屋面上方的多阵列屋面分布式光伏电站，对其光伏支架结构设计中的若干因素对光伏支架承载力的影响进行了分析研究，并总结了规律。在采用同样材料、规格光伏支架的前提下，阵列排布方式、相邻立柱间距、檩条间距、斜撑支撑点位置、光伏支架倾角、相邻光伏支架间距这6种影响因素对光伏支架的承载力均存在具有一定规律的影响，具体结论为：

1）阵列排布方式的影响。同样列数的情况下，光伏支架的阵列排布方式采用“竖向组件1行”与“竖向组件2行”时的承载力基本一致；随着阵列数量的逐渐增加，光伏支架的承载力呈线性增大。若屋面可利用区域允许，光伏支架优先采用多阵列排布方式。若仅适用“竖向组件1行”和“竖向组件2行”的阵列排布方式，优先选用“竖向组件2行”的阵列排布方式，此时对应的光伏支架承载力性能较优且排布更为合理。

2）相邻立柱间距的影响。光伏支架相邻立柱间距不宜过大或过小，当相邻立柱间距为光伏组件长边水平投影长度的65%左右时，所得光伏支架的承载力最大。光伏支架设计时，相邻立柱间距设置在光伏组件长边水平投影长度的60%～70%范围内时，对应的光伏支架承载力性能较优。

3）檩条间距的影响。每块常规尺寸的光伏组件均需要设置4个紧固件与檩条相连接。随着檩条间距增大，光伏支架的承载力呈线性增大。檩条间距设置为光伏组件长边水平投影长度的70%左右，紧固件与光伏组件边缘悬挑段的距离可控制在300～450 mm范围内，此时可以保证光伏组件自身的刚度和较大的承载力，且方便施工时的安装操作。

4）斜撑支撑点位置的影响。光伏支架斜梁下设置斜撑可以有效提高光伏支架结构的整体稳定性，并提高其承载力，对光伏支架立柱和斜梁的影响较为显著。当斜撑支撑点位置与斜梁高侧端点的距离为整个斜梁长度的35%～60%时，对应的光伏支架承载力性能较优。

5）光伏支架倾角的影响。当光伏支架倾角为15°时，光伏支架的承载力最低；当光伏支架倾角达到40°时，光伏支架的承载力达到最大。但光伏支架倾角过大会增加配重式支架基础的尺寸，对屋面结构的安全性有较大影响，因此对于采用配重式支架基础的情况而言，通常以牺牲光伏支架承载力为前提，采用5°～20°的小角度光伏支架倾角，以减少产生的光伏附加荷载，来确保光伏支架主体结构的安全性。

6）相邻光伏支架间距的影响。相邻光伏支架间距对光伏支架承载力的影响较为显著。当相邻光伏支架间距采用光伏组件短边长度的150%～200%，即每榀光伏支架承担约1.5～2.0块光伏组件时，对应的光伏支架承载力性能较优，且经济性较好。

需要说明的是，在光伏支架结构设计过程中还存在其他影响因素，例如：屋面类型、光伏组件安装方向、多层檩条布置、紧固件位置等，但光伏支架结构设计应以主体房屋结构和光伏支架结构的安全性作为首要前提，并且应考虑光伏支架被破坏后相应的防坠落措施。本研究所得结论适用于采用竖向光伏组件排布的多阵列屋面分布式光伏电站的光伏支架结构设计，可为后续此类设计提供参考。

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ANALYSIS AND RESEARCH ON PV BRACKET STRUCTURE IN MULTI-ARRAY ROOF DISTRIBUTED PV POWER STATION

Zheng Yu1，Gong Zheng1，Yan Dong2，Wang Feng3

（1. Architectural Design amp; Research Institute of Tsinghua University Co.，Ltd.，Beijing 100084，China；

2. China Energy Envision （Hainan） Integrated Intelligence Energy Co.，Ltd.，Beijing 100007，China；

3. Beijing Shougang International Engineering Technology Co.，Ltd.，Beijing 100026，China）

Abstract：This paper focuses on the multi-array roof distributed PV power station built above the reinforced concrete roof，taking several influencing factors in the PV bracket structure design as the research object，starting from the structure composition and design process of the PV bracket，combined with the stress characteristics and modes，studies the influence of array arrangement，distance between adjacent columns，purlin spacing，support point positions of slant support，inclination angles of PV brackets，distance between adjacent PV brackets on the bearing capacity of the PV bracket. The research results show that，under the premise of using the same materials and specifications of PV brackets，these six influencing factors have a certain regularity on the bearing capacity of PV brackets. 1） In the case of the same number of columns，the \"vertical module two rows\" array layout is preferred，and corresponding PV bracket has better bearing capacity performance and more reasonable arrangement. 2） When the distance between adjacent columns is set within the range of 60%～70% of the horizontal projection length of the long side of the PV module，the corresponding bearing capacity performance of the PV bracket is better. 3） When the spacing between purlins is set to about 70% of the horizontal projection length of the long side of the PV module，it can ensure the rigidity and greater bearing capacity of the PV module itself，and facilitate the installation and operation during construction. 4） When the distance between the support point positions of slant support and the high end point of the inclined beam is 35%～60% of the entire length of the inclined beam，the corresponding PV bracket has better bearing capacity performance. 5） When using a counterweight bracket foundation，the inclination angle of PV bracket is usually a small angle of 5°～20° to reduce the additional PV load generated and ensure the safety of the main structure of the PV bracket. 6） When the distance between adjacent PV brackets is 150%～200% of the short side length of the PV module （i.e. each PV bracket bears about 1.5～2.0 PV modules），the corresponding PV bracket has better bearing capacity performance and better economy. The conclusions and patterns obtained can provide reference for the design of PV bracket structures in future multi-array roof distributed PV power stations.

Keywords：roof distributed PV power station；multi-array；PV bracket structure；column；inclined beam；purlin；bearing capacity