周博士考察拾零(一百一十七) 锯齿形连栋塑料薄膜温室屋面结构与开窗形式

2021-09-17周长吉农业农村部规划设计研究院北京100125

农业工程技术 2021年16期

周长吉（农业农村部规划设计研究院，北京 100125）

塑料薄膜温室是连栋温室中应用面积最大的一种温室形式。连栋塑料薄膜温室，从屋面形状看，可分为圆拱形塑料薄膜温室、锯齿形塑料薄膜温室和尖顶形塑料薄膜温室三种。其中尖顶形塑料薄膜温室，如同硬质板玻璃温室和PC 板温室一样，屋面为倾斜的平面（锯齿屋面温室中也有类似的倾斜平面锯齿结构，但覆盖材料多为硬质板材），覆盖屋面的塑料薄膜主要依靠四周和内部的卡槽/ 卡簧固定。这种固膜方式由于塑料薄膜的热胀能力较强，夏季屋面塑料薄膜受热后很容易伸长而变松弛，在大风作用下塑料薄膜会发生振动并拍打屋面构件，造成塑料薄膜破损或降低其使用寿命，此外，松弛的塑料薄膜也容易在室外降雨时在屋面上形成水兜，不仅增大温室结构的承重荷载，严重的甚至会引起温室结构倒塌，而且水兜处的塑料薄膜由于发生塑性变形也将失去其作为温室采光和围护的功能。

因此，从方便固紧塑料薄膜和延长塑料薄膜使用寿命的角度出发，目前国内外大多数塑料薄膜温室采用拱屋面结构（包括圆拱屋面和锯齿屋面），用压膜线结合卡槽/卡簧固定屋面塑料薄膜。采用压膜线可根据塑料薄膜的松弛程度随时调整其张紧度，保证塑料薄膜始终处于张紧状态。从温室自然通风的能力看，相同屋脊高度条件下，锯齿形温室屋面通风口的位置比圆拱屋面温室更高，所以热压作用下自然通风的能力更强。由此，锯齿形温室在中国南方地区的自然通风温室中被大量应用。文章就目前国内锯齿形圆拱屋面温室的建筑结构形式和窗口开启方式及其配套开窗设备做一总结和梳理，可为相关工程设计人员研究和参考。

锯齿形连栋塑料薄膜温室的屋面建筑形式

锯齿形圆拱屋面温室是因圆拱屋面温室上开设竖直的通风口而使温室屋面从外形上看好似锯齿而得名。锯齿口即是温室屋面的通风口。从锯齿口所处的位置看，锯齿形温室的屋面有屋顶锯齿和天沟锯齿之分，前者锯齿口开设在温室跨内屋面上（图1），后者锯齿口则开设在温室天沟侧（图2）。为方便表述，本文将锯齿口开设在温室跨内屋面上的温室称为顶锯齿屋面温室；锯齿口开设在温室天沟侧的温室称为侧锯齿屋面温室。

图1 屋顶锯齿温室的形式

图2 天沟侧锯齿温室的形式

顶锯齿屋面温室根据锯齿口在温室跨内的位置或者锯齿口两侧屋面拱杆的长度不同，又分为长顶锯齿屋面温室、短顶锯齿屋面温室和中顶锯齿屋面温室（以锯齿口上部拱杆长短划分），为简化称谓，笔者将其分别命名为长锯齿温室（图1a）、短锯齿温室（图1b）和中锯齿温室（图1c）。在通风口高度相同的条件下，由于中锯齿温室锯齿口两侧室内空气的流程相同，而长锯齿和短锯齿温室锯齿口两侧室内空气流程总有一侧长而另一侧短，因此中锯齿温室内的温度更均匀。长锯齿温室和短锯齿温室相比，因为长锯齿温室锯齿口下室内面积大，相应通过锯齿口顺流排除的热空气多，通风的效果应比短锯齿温室的更好。

侧锯齿屋面温室根据每跨锯齿屋面（或锯齿口）的多少可分为全屋面锯齿温室（也称为单屋面锯齿温室，图2a）、双屋面锯齿温室（图2b）和三屋面锯齿温室，分别简化命名为单锯齿温室、双锯齿温室和三锯齿温室。其中双锯齿温室和三锯齿温室从结构上多借鉴文洛型温室的桁架梁结构，每跨桁架梁上可支撑2 个或3 个，甚至4 个小屋顶。相比单锯齿温室，文洛结构的单跨多屋顶温室可在保持天沟高度不变的条件下使温室的屋脊高度大大降低，从而可显著提高温室的整体抗风能力，此外，由于通风口数量增加（总通风口面积增大），通风口的分布也更均匀，温室内温光环境也随之更加均匀，这种温室尤其适合于温室育苗和花卉种植。

按照热压通风设计理论，决定温室热压通风量大小的因素，一是通风口的位置，位置越高，通风量越大；二是通风口的大小，通风口越大，通风量越大；三是通风口的孔口阻力。在相同屋脊高度的条件下，天沟侧锯齿的开口面积一般总是大于屋顶锯齿口面积，所以，天沟侧锯齿温室的通风量应大于屋顶锯齿温室的通风量。但与屋顶锯齿温室相比，天沟侧锯齿温室室内气流流程长，室内温度分布均匀性相对差，而且大锯齿口温室的抗风能力也相应降低，因此生产实践中大多采用屋顶锯齿形温室，只有在要求通风量大的热带地区才采用天沟侧锯齿温室。

锯齿屋面温室夏季运行大部分时间通风口处于常开状态。当室外降雨期间遇到朝向通风口方向的风向时，雨水很容易飘进温室。为了解决这一问题，有的温室设计者在通风口的上沿增设了一道沿温室屋脊方向通长的用透光塑料薄膜覆盖的雨棚（图3）。该防雨棚可有效防止雨水飘入温室，但在大风天气条件下，从结构上挑出的雨棚易被大风折断，即使雨棚构件的强度足够，通过雨棚传递到温室屋面拱杆的内力也较大，因此，在大风地区应尽量不用这种雨棚，而应密封温室通风口，保证温室的结构安全。

图3 屋面窗口防雨棚的做法

锯齿形连栋塑料薄膜温室的屋面结构形式

屋顶锯齿形连栋塑料薄膜温室的屋面结构形式

从结构上看，形成屋顶锯齿通风口的方式大体有三种：双侧屋面拱杆交叉连接（图4a）、双侧屋面错位连接（图4b）和在传统圆拱屋面上独立设置通风窗（图4c）。

图4 屋顶锯齿口在温室结构上的构建形式

圆拱屋面上独立窗温室结构

在传统圆拱屋面上独立设置通风口的锯齿温室，可直接利用圆拱屋面温室的屋面结构，在其中一侧屋面拱杆上连接通风口拱杆，另一侧屋面拱杆上连接通风口立杆，通风口拱杆和立杆在屋脊处交汇（带雨棚的通风口，通风口拱杆尚需继续延伸挑出通风口立杆），即形成以通风口立杆长度为高度的温室屋顶锯齿通风口（图4c）。这种通风口形式可在已有圆拱屋面温室结构上直接改装而成，无需另行结构设计和构件加工，既是已经使用的圆拱屋面温室，也可很方便地改造成为锯齿形屋面温室。温室结构构件加工设备的通用性强，相应温室结构的造价也低。

双侧屋面交叉连接的锯齿屋面温室结构

这种温室结构是在温室屋面一侧拱杆（称为屋脊拱杆）的中上部连接另一侧屋面拱杆（非屋脊拱杆）的端部后继续延伸，并在其端部形成温室屋脊，在温室屋脊拱杆的屋脊端连接锯齿通风口立杆的上端，立杆的下端连接到非屋脊屋面拱杆上，形成屋面锯齿通风口并支撑屋脊拱杆。这种温室结构屋面双侧拱杆的长度多不同，弧度或相同，或不同。弧度相同时，双侧拱杆交叉在温室跨中（图5a），屋脊拱杆长度长，非屋脊拱杆长度短，从外形上看，这种温室屋面基本和圆拱屋面上独立设置通风口的锯齿形式完全相同。弧度不同时，双侧拱杆偏离温室跨中位置交叉（图5b），屋脊拱杆或长于非屋脊拱杆，或短于非屋脊拱杆，也或二者等长。

图5 双侧屋面交叉连接形成屋顶锯齿口温室的屋架结构

屋面双侧拱杆弧度不同温室的锯齿口高度一般比屋面双侧拱杆弧度相同温室的锯齿口高度要高，由此，其热压自然通风的能力也更强，但由于非屋脊拱杆的弧度小，在外力作用下拱杆承受的弯矩相对较大，因此相同规格的温室，屋面拱杆的截面尺寸必然增大，温室结构的用材增多，造价也将相应提高。

双侧屋面错位连接的锯齿屋面温室结构

这种温室结构锯齿口的形成有两种方式：一种是在温室屋面拱架的弦杆上设置竖直支撑杆，屋面两侧拱杆的端头高低错位连接到该竖直支撑杆上（图6a）；另一种是在温室内设立柱，屋面两侧的拱杆端头高低错位连接到室内立柱上（图6b）。两侧屋面的错位高度即是锯齿屋面的通风口高度。这种温室的通风口一般设置在温室的跨中，通风口两侧屋面拱杆的跨度相同，但长度和弧度均不同。

图6 双侧屋面错位连接形成屋顶锯齿口温室的结构形式

天沟侧锯齿形连栋塑料薄膜温室的屋面结构形式

天沟侧锯齿屋面温室，每个屋面只有一根屋面拱杆，一端支撑在天沟上（或通过天沟托架支撑在立柱上），另一端则支撑在温室立柱（或从天沟边升起的短立柱）的顶端。立柱顶端既是温室的屋脊点，又是锯齿通风口的上沿，通风口的下沿为天沟上沿。相比圆拱屋面温室和屋顶锯齿温室，天沟侧锯齿温室屋面拱杆的跨度较大（尤其是单锯齿温室）。为了增强温室屋面结构的强度，一般在锯齿开口侧天沟下立柱上附加一道斜撑，支撑到屋面拱杆的中上部（图7）。当然在温室立柱的顶端增设弦杆，在弦杆上附加屋面拱杆的竖向吊杆或倾斜腹杆，也都是提高温室屋面结构整体强度的有效方法。

图7 天沟侧锯齿屋面温室结构形式

锯齿形连栋塑料薄膜温室的屋面开窗方式

锯齿形连栋塑料薄膜温室屋面开窗设备

锯齿形连栋塑料薄膜温室，覆盖锯齿通风口的材料一般也是塑料薄膜，所以启闭通风口大都采用卷膜的方法。由此，塑料大棚和圆拱屋面塑料薄膜温室用于卷膜开窗的所有设备均可适用于锯齿形连栋塑料薄膜温室通风口的启闭，如链轮式手动开窗机（图8a）、涡轮式手动开窗机（图8b）、摆臂式电动卷膜器（图8c）和滑杆式电动卷膜器（图8d）。

塑料大棚和圆拱屋面连栋塑料薄膜温室的屋面为弧形，相应屋面通风口也是弧形，而锯齿屋面温室的通风口是竖直的，为此，启闭锯齿屋面通风口对设备的自锁功能要求更强。事实上，在连栋塑料薄膜温室立墙上所用的卷膜开窗方式完全可以移植使用到锯齿屋面温室通风口的控制，只是由于后者窗口的位置较高，手动卷膜开窗需要长的导链或臂杆（图8a、图8b），也正是由于其窗口位置较高，生产实践中更多采用电动卷膜的方式（图8c、图8d），其中尤以摆臂式电动卷膜开窗应用更广。

图8 锯齿形连栋塑料薄膜温室屋面开窗设备主要类型

摆臂式电动开窗摆臂杆的设置位置

摆臂式电动卷膜开窗，单机控制卷膜轴的长度可达到60～80 m，一般温室一侧设置卷膜器即可实现对整个屋面长度上通风口的控制。对于长度超过100 m 的温室也可以在温室两侧山墙分别设置卷膜器，控制通风口的启闭。

摆臂杆，实际上是由2 根管组成的套管（分别称为内插管和外套管），其一端固定在温室山墙侧的承力构件上（称为摆臂杆的固定端），另一端则固定在卷膜器上，随卷膜器的运动而运动（称为摆臂杆的活动端）。由于卷膜器在启闭过程中摆臂杆的固定端和活动端之间的距离在时刻变化，所以摆臂杆通过内插管从外套管中抽出或缩进来调节其长度以适应卷膜器运动对摆臂杆长度变化的要求。内插管在外套管内的插入长度不应小于通风口的高度，也就是说，内插管、外套管以及摆臂杆的最小长度都不应小于通风口的高度。为节省投资，内插管和外套管可选用等长钢管，长度略大于通风口高度即可。

摆臂杆的固定端在温室山墙侧的固定位置没有规范的设置方法，生产实践中可设置在温室外遮阳的横梁上（图9a）、温室山墙屋面拱杆上、温室山墙屋面拱架的腹杆上（图9b）或弦杆/ 桁架梁上（图9c），其中以设置在温室山墙屋架腹杆（主要在吊杆）或温室山墙抗风立柱上的居多。一般选择在满足摆臂杆最小长度的最近构件上，且固定点处于通风口的背侧。