一种新型阳光蔬菜工厂C系列919温室

李 波

（山东启迪农业科技股份有限公司/寿光市设施农业技术研究院，山东 寿光 262700）

日光温室是我国北方地区蔬菜产业发展的重要设施，具有塑料大棚和加温温室所不具备的诸多优点，在北方越冬蔬菜生产中发挥着重要的作用。我国日光温室发展可以分为初创时期、大规模发展初期、全面提升与发展期和现代化发展期4个阶段。在初创时期日光温室主要是土木结构玻璃温室，山墙和后墙用土垒成或用草泥垛成，后屋面用柁和檩构成屋架，柁下用柱支撑，3 m为1个柁，即3 m为1个开间；屋架上用秫秸秆和草泥覆盖，前屋面用玻璃覆盖，晚间用纸被、草苫保温，这种生产方式从20世纪初期一直延续到20世纪80年代初期。自20世纪80年代初期至末期，是日光温室大规模发展时期，这一时期的日光温室结构主要采用竹木结构，拱圆形或一坡一立式，典型结构有海城感王式、瓦房店琴弦式和鞍型日光温室，日光温室前屋面覆盖材料开始由玻璃改为塑料薄膜，其中海城感王式和鞍型日光温室被称为第1代普通型日光温室。全面提升与发展期起始于20世纪90年代，直到21世纪初期，这一时期大面积推广第1代和第2代节能型日光温室，其中前期大面积推广了以瓦房店琴弦式为代表的第1代节能型日光温室，各地在这种类型的基础上研发出其他适于当地的类型；后期大面积推广了以辽沈为代表的第2代节能型日光温室，同样各地在这种类型的基础上研发出其他适于当地的类型。进入21世纪，随着物联网、大数据、人工智能等新科技的发展，温室大棚也凸显出智能化、数字化的特色，智能温室、大跨度温室、装配式温室逐渐成为现代温室的主流，也推动了我国设施农业工厂化、标准化、规模化、品质化的发展。

C919装配式冬暖式温室适应我国设施农业由碎片化向规模化、标准化、机械化、智能化方向发展的趋势，是由山东启迪农业科技股份有限公司董事长李波率领团队潜心研发的一种新型装配式冬暖式温室。该冬暖式温室断面为“C”字型，高度9 m，前坡面宽度19 m，后坡面宽度9 m，所以定名“C919”冬暖式温室。该温室结构体为冬暖式、无外保温、全天候智能控制温室，建设内容包括阳光蔬菜工厂钢铝结构、覆盖材料、自然通风系统、内遮阳系统、外遮阳系统、雾化风机降温系统、循环风扇、滴灌施肥系统、移动苗床、加温系统、智能控制系统（温控、光控、水肥一体、远程视频等），适用于我国高寒（－40 ℃以内）及长江流域以南多雨地区，可使日照时数2 000 h以上、有效积温1 200 h以上地段实现全日光能源种植。

装配式钢结构冬暖式日光温室填补了高寒（－40 ℃以内）及长江流域以南多雨地区大跨度、装配式、全日光能源温室的空白，设计寿命50年。

1 温室建造要求

C919日光温室的设计理念为：科学、实用，坚持提高土地资源使用率、节能、节水、高效，结构用材以及设备选购先进、可靠、适用。采用大角度、全时段采光，外高阻、内高储原理；配套使用机械化种植、自动植保装备，实现全日光能源种植。C919日光温室对建造模型、钢材料选择、荷载要求、荷载组合及稳定性等有严格要求。

1.1 温室建造模型

根据项目所给图纸进行优化设计，建立有限元模型，温室采用高强度不锈钢BFS600材料，顶部为窗式电动通风，双膜内保温，跨度28 m、长度120 m、室内最高处9 m，室内面积3 360 m（图1）。螺旋桩位置支座采取固结处理，底梁置于地面，与地面只有压力，采用只压支撑及钢绞线与地面连接位置铰接处理，且安装时要张紧。

图1 温室建造模型

1.2 钢材料选择

主副桁架和立柱采用BFS600高强钢，屈服强度600 MPa，抗拉强度1 100 MPa，弹性模量E＝2.06×105MPa，泊松比υ＝0.3，密度为7 850 kg/m3；立柱拉杆采用Q235B低碳钢，钢绞线采用公称抗拉强度为1 270 MPa钢绞线，最小破断拉力43.66 kN。

1.3 荷载要求

在自重、吊装荷载和风荷载组合情况下，结构最大应力需满足强度要求，结构构件稳定性需要满足设计要求。在风荷载作用下，结构变形主要发生在主桁架局部位置，满足整体使用需要。最大支反力发生在双桁架底部，内侧受压84.5 kN，外侧受拉84.23 kN，这可为基础设计提供依据。

1.3.1 外棚荷载

自重：恒荷载，采用1倍自重荷载，由软件自动施加；风荷载，根据《农业温室结构荷载规范》，风荷载标准值按下式计算：

式中：wk——风荷载标准值（kN/m2）；μs——风荷载体形系数；μz——风压高度变化系数，取0.97；w0——基本风压，取0.35 kN/m2。

根据规范，大棚体形系数取值：0°方向风荷载下，取＋0.36、－0.8、－0.5，90°方向风荷载下，山墙取＋0.7、－0.3，屋面取－0.3；wk1＝0.36×0.97×0.35＝0.12 kN/m2，折算成线荷载为0.12×1.2＝0.144 kN/m；wk2＝－0.8×0.97×0.35＝0.27 kN/m2，折算成线荷载为0.27×1.2＝0.324 kN/m；wk3＝0.5×0.97×0.35＝0.17 kN/m2，折算成线荷载为0.17×1.2＝0.2 kN/m。

1.3.2 内棚荷载

自重：恒荷载，采用1倍自重荷载，由软件自动施加；吊挂荷载：活荷载，取0.18 kN/m2。

1.4 荷载组合

荷载工况1：γ0×（1.0×G＋1.2×Q）；荷载工况2：γ0×（1.0×G＋1.0×Qw＋1.2×0.7×Q）；荷载工况3：1.0×G＋1.0×Qw＋1.0×0.7×Q；

式中：G——永久荷载；Q——可变荷载；Qw——风荷载；γ0——结构重要性系数，取0.9。

1.4.1 承载能力极限状态

（1）荷载工况1为无风时，自重和吊挂荷载共同作用的荷载组合，最大应力为409 MPa（＜600 MPa），发生在副桁架位置，满足要求，最大支反力为16.89 kN。

（2）荷载工况2为自重、吊挂荷载和风荷载共同作用，风荷载起控制作用，包括风从左侧吹来和右侧吹来2种情况。

A：左侧风向工况下，最大应力为331 MPa（＜600 MPa），发生在主桁架位置，满足要求，最大支反力为84.5 kN和－84.23 kN，发生在双桁架底部。

B：右侧风向工况下，最大应力为360 MPa（＜600 MPa），发生在桁架间连接梁位置，满足要求，最大支反力为35.2 kN和－37.8 kN，发生在双桁架底部。

1.4.2 正常使用极限状态

荷载工况3为恒荷载、活荷载和风荷载标准组合进行挠度验算。

荷载工况3为自重、吊挂荷载和风荷载共同作用，采用标准组合验算结构变形，包括风从左侧吹来和右侧吹来2种情况。

A：左侧风向工况下，荷载、变形最大X向位移为15.7 mm，Y向位移为83.35 mm，Z向位移为84.45 mm，发生在局部主桁架位置。

B：右侧风向工况下，荷载、变形最大X向位移为11.2 mm，Y向位移为-75.3 mm，Z向位移为63 mm，发生在局部主桁架位置。

2 温室优势

温室的优势主要表现在采用五防设计，具有土地利用率高、建设周期短、设计寿命长、材料环保、建设成本使用周期费用摊销低、运营维护成本低、机械作业用工少等优点，填补了高寒（－40 ℃以内）及长江流域以南多雨地区大跨度、装配式、全日光能源温室的空白。具体而言：（1）五防设计：防台风、防雨、防雪、防低温、防高温。（2）土地利用率高：标准C919温室跨度28 m、长度120 m、室内最高处9 m，室内种植面积3 360 m2；单体净占地面积3 434 m2，土地利用率75%左右，是土墙温室（土地利用率50%以内）的1.5倍。（3）建设周期短：C919温室66.67 hm2（1 000亩）园区建设周期90 d，土墙温室66.67 hm2（1 000亩）园区建设周期300 d以上。（4）设计寿命长：C919温室设计寿命50年，土墙温室设计寿命15年。（5）环保材料：C919温室骨架采用宝钢BFS 600高强不锈钢，强度高（Q195镀锌碳钢的3倍以上）用料少、不锈钢材质寿命长；土墙温室骨架采用Q195镀锌碳钢，使用过程中容易腐蚀损坏、寿命短。（6）全天候施工：C919温室基础采用钢制螺旋桩，全装配化，冬雨季不影响施工；（7）全天候全区域种植：C919温室采用双膜内保温、顶置侧通风系统及地面对流侧通风系统设计，夏天不热（比传统冬暖式温室低2～3 ℃），适应长江流域以南多雨地区，填补了江南无冬暖式温室的空白；冬天不不冷（比传统冬暖式温室高3～5℃），解决了高寒地区冬暖式温室需供暖、增加能耗费的问题。（8）不破坏种植层：C919温室不需要开挖土层筑墙，不破坏种植层，土墙温室则无法避免。（9）建设成本使用周期费用摊销少：C919温室使用周期摊销费用是土墙温室的70%。（10）运营维护成本低：C919温室骨架采用BFS 600高强不锈钢，不生锈，没有节点腐蚀，维护费用是土墙温室的50%。（11）机械作业人工用少：C919温室空间高，跨度大，机械作业达到70%，减少人工60%以上。（12）全部标准化设计：整体结构荷载及采光系统由宝钢团队提供支持，采用大型有限元计算软件MIDAS/gen2018进行建模计算，所建模型与实际情况基本一致，按照50年一遇自然灾害设计，内保温技术采光保温性能提高30%以上，荷载安全性提高50%以上。

3 温室应用案例

辽宁西丰C919装配式冬暖温室主要应用于全自动化育苗及反季节高品质果蔬的种植，目前在山东寿光集成园区及辽宁西丰已建成育种温室，可实现全自动化苗床配置和机械化作业。温室面积3 360 m2，滚动苗床土地利用率为83%，育苗面积2 788.8 m2，每平方米放72穴苗盘6个，育苗量432株/m2（6个/m2），温室单次总育苗量可达到120万株，年育苗次数4次，年产值约480万元，预估利润近100万元。