热区轻简化抗台风连拱大棚创新研究＊

刘 建，陈旖旎，王宝龙（海南大学园艺学院/海南省热带园艺作物品质调控重点实验室，海口 570228）

海南地处热区，雨热同季，夏秋高温，多台风暴雨，湿热气候可加速病虫害的传播，设施保护地栽培因能克服夏秋暴雨、高温、多台风等不利气象因素，被广泛应用于常年蔬菜栽培，尤其应用于夏秋渡淡栽培（夏秋季节是热区本地叶类蔬菜供应的淡季）。目前海南常见的设施类型有连栋圆拱形塑料大棚，连栋锯齿形塑料大棚，文洛型玻璃温室，单栋塑料拱棚，连栋荫网棚等。常年蔬菜设施要求满足通风、防雨、防虫、适合耕作等基础生产条件，而海南常见设施结构类型存在抗风等级高则造价高，造价低的简易棚又不具备抗风能力，甚至功能上没有满足常年蔬菜种植的部分要求，如不防雨，没有遮阳，或通风效果不好等问题。热区轻简化抗台风连拱大棚就是在这样的市场需求牵引下研发的。大棚结构在满足海南常年蔬菜生产的基本需求基础上更为轻简，既满足常年蔬菜种植功能，又可降低造价、节约投资。

结构参数与特点

热区轻简化抗台风连拱大棚结构以专利棚型（一种全装配式拱杆交叉连拱大棚结构ZL2020214324810[1]）为基础研发设计，效果图如图1 所示。

图1 轻简化连拱大棚效果图

结构几何参数

跨度6.0 m，拱间距0.8 m，开间4.0 m，顶高3.4 m，肩高（内部净高）2.2 m，如图2 所示。

图2 轻简化连拱大棚结构剖面示意图/mm

主要功能

大棚屋顶部分采用0.08 mm 薄膜覆盖（薄膜厚度可根据荷载条件选择），四周墙面及连拱之间通风部位采用40 目（或32 目）防虫网覆盖，覆盖材料由热镀锌卡槽及涂塑卡簧固定。内部肩高处沿水平拉杆设置手动内遮阳，采用60%～70% 扁丝遮阳网，一边绑扎在中间的纵向系杆上，另一边采用φ 20PVC 管作为活动边，手动开合。通过上述做法实现顶部防雨、四周及拱间通风、内部遮阳的功能。

结构特点

大棚将立柱与屋架结合，配合拉杆构建成一个几何不变体系，外观线条简洁流畅，内部空间宽敞整齐，满足使用功能要求。相较于传统温室大棚立柱、纵横梁与屋架组合的结构，拱柱结合、更为轻便。

立柱采用拱交叉设计，交叉拱结构相较于独立拱结构，受力均匀，更有利于提升结构的整体稳定性，同等用材下大棚的抗风性能得到提升。通过结构计算，风荷载为0.5 kN/m2（详见荷载参数部分定义）时，用钢量仅为2.5 kg/m2（含预埋件），结构体系如图3 所示。

图3 轻简化连拱大棚结构体系示意图/mm

棚型在研发时，从单拱棚的拱形结构受力较好受到启发，充分分析其优缺点，将单拱棚肩部以下不适宜耕作区域（作业高度限制）和棚间通风排水空间结合，形成0.8 m 宽通风带，如图4 所示。结合后的通风带同时也承担大棚排水功能，相较单拱棚提高了土地利用率。通风口的高度由原来较低的位置（图4 中1.6 m）向上提升（图4 中2.2 m），聚热空间减小，通风空间加大，水平拉杆便于布置内遮阳，更加有利于棚内降温与散热。

图4 单拱棚与轻简化连拱大棚土地利用对比示意图/mm

结构计算与材料规格

荷载参数

恒载为0.025 kN/m2（主要为钢骨架自重），活荷载为0.100 kN/m2（本大棚针对海南常年蔬菜生产，以叶菜为生产对象，不考虑作物吊重），基本风压（W0）为0.500 kN/m2，相当于11 级风中间风速，主要用于主体钢结构计算。塑料膜、网等覆盖材料的机械性能与耐久性随材料原料特性和使用环境差异较大，不做抗风验算，但要求薄膜厚度与钢结构设计匹配。

荷载标准值与设计值计算

考虑最不利组合为恒载+风荷载。风荷载为主导荷载，由可变荷载控制效应设计值Sd的计算公式[2]，SGk为恒载标准值，SQ1k为风荷载标准值，SQik为活荷载标准值（n=2）；恒载分项系数取1，风荷载分项系数取1，活荷载分项系数取1.2，活荷载的组合值系数取0.7。

参照《农业温室结构荷载规范》[2]，结构重要性系数γ0取0.9；地面粗糙度按B 类，大棚高度为3.4 m，风压高度变化系数 µz取0.76；按开敞式结构进行计算，作用在屋面的风荷载体型系数µs取-0.75[3]。榀距（开间）L 为4.0 m。

恒载标准值SGk=0.025 kN/m2，风荷载标准值SQ1k=W0µzµs=0.5×0.76×(-0.75)=-0.285 kN/m2，活荷载标准值SQ1k=0.1 kN/m2。

作用在拱架上的各荷载设计值计算如下：

（1）恒荷载设计值

防虫网处布置风荷载还需乘以风荷载的阻风系数。32 目防虫网阻风系数取0.75、40 目防虫网阻风系数取0.81[4]。

结构计算方法

采用PKPM2010 版对结构进行计算。所选构件的规格计算结果均通过，计算结果的应力比详见图5。从图示结果可知内力在构件内部分布比较均匀，通过连拱形式，各构件形成空间体系，整个拱架类似桁架结构，受力性能优良。

材料规格与基础做法

温室大棚属于轻钢类建筑，仅基础部分用到混凝土，传统建造工艺需要土方开挖、现场支模、放置预埋件、浇筑混凝土、振捣密实、养护、拆模等工艺流程。本连拱大棚采用预制混凝土基础，实现包括基础在内的全部构件装配式安装。混凝土基础的建造养护过程均在工厂，现场仅需开挖、埋放、找平与回填，以及少量的柱脚二次灌浆作业，既保证了构件质量，又减轻了劳动强度，减少了环境污染，实现大棚安装的轻简化。

基础

采用C30 预制混凝土独立基础，尺寸为500 mm×500 mm×200 mm，埋深0.5 m（根据荷载条件调整，做法大样详见图6a）；热浸镀锌预埋件，底部焊接0.3 m 长、φ 10 三级钢筋4 条（实物如图6b）；棚间通风区地面开挖排水土沟。

钢骨架

拱架部分的拱杆φ32×1.5 mm、水平拉杆φ42×1.5mm、腹杆φ25×1.2 mm、棚间拉杆φ25×1.2 mm、边侧抗风柱立柱φ32×1.5 mm、加强杆φ 25×1.2mm（以上构件规格均为给定荷载条件下计算得出，不同荷载条件下，结构组成不变，调整构件截面可满足相应的荷载条件）。杆件采用U 型螺栓、抱箍、螺栓、十字卡簧等连接，所有钢管及连接件均采用热镀锌处理。

除拱架以外的其它构件主要包括屋面纵向系杆、室内水平拉杆上系杆、柱间支撑、棚头（八字）水平支撑、屋面棚头支撑、副拱杆、山墙副立柱等。各构件规格分别为，屋面纵向系杆φ42×1.5 mm、室内水平拉杆上系杆φ 32×1.5 mm、柱间支撑φ 42×1.5 mm、棚头（八字）水平支撑φ32×1.5 mm、屋面棚头支撑φ25×1.2 mm、副拱杆φ32×1.5 mm、山墙副立柱φ32×1.5 mm。

造价估算与对比分析

造价估算

本造价计算所采用连拱棚的跨数为5 跨，总宽度为5×6.8 m+0.8 m=34.8 m，开间数为14 开间，长度为14×4 m=56 m，计算面积为34.8 m×56 m=1948.8 m2。造价采用《海南省房屋建筑与装饰工程综合定额》(2017 年)、《海南省安装工程综合定额》（2017 年）以及其他相关定额。主要材料价格参照《海南工程造价信息》2021 年7 月海口地区的材料价，其中缺项的材料价格依据市场咨询价格，计算结果含增值税9% 及相关的措施费、规费等，计算结果如表1 所示。在风荷载为0.5 kN/m2（如按照《建筑结构荷载规范》方法取值，相当于0.25 kN/m2）作用下，连拱大棚的造价约为3.68 万元/667 m2。

表1 轻简化连拱大棚造价估算表

造价对比分析

轻简化连拱大棚主体钢结构造价占比59.9%（含预埋件及连接件），覆盖材料造价占比14.6%，土建工程占比造价17.7%，内遮阳造价占比7.8%。与海南本地相同功能的普通圆拱型连拱大棚（跨度、开间、拱间距相同，肩高2.5 m，较本文连拱大棚高0.3 m，但无内遮阳，设计风荷载相同，其造价约为5.5 万元/667 m2，如图7所示）设计相比较，轻简化连拱大棚造价降低约33%，综合考虑单体计算面积因素后造价约降低25%～30%。对比可知，轻简化连拱大棚投资成本控制效果显著。

图7 对比普通圆拱形连拱大棚示意图/mm

另通过初步验算，在保持轻简化连拱大棚结构形式不变的条件下，仅改变所用构件的管径或壁厚、基础规格和薄膜厚度，风荷载按照0.92 kN/m2（相当于14 级风初始风速，如按照《建筑结构荷载规范》方法取值，相当于0.5 kN/m2）取值时，其造价约为4.8 万元/667 m2；风荷载按照1.38 kN/m2（相当于16 级风初始风速，基本达到海南登录最大台风风速，如按照《建筑结构荷载规范》方法取值，相当于0.75 kN/m2）取值时，其造价约为5.8 万元/667 m2。具体使用时，可根据投资和需求抗风等级选择不同的风荷载参数。

适用范围与优势分析

热区轻简化抗台风连拱大棚具有以下4 点优势：①功能优势，该连拱大棚具有防雨，遮阳通风，结构承载力强的特点，能够满足海南夏秋淡季常年蔬菜生产要求的防雨、降温和抗台风要求；②安装优势，该连拱大棚采用全装配式结构设计，能够实现大面积快速安装，施工速度快，对土壤扰动少，复垦方便，适合作为菜篮子常年蔬菜大棚在农田上建设；③宜机优势，常见简易大棚由于造价低，一般跨度或内部空间较小，机械化操作的适应性差，仅能满足小型机械的使用，该连拱大棚在简易大棚的投资标准下，进一步提高了跨度和空间尺寸，使得可耕作区域内比较整齐开敞，6 m 的跨度、4 m 的开间以及2.2 m 的肩高，能够满足中型机械的操作，宜机化水平提高；④造价优势，由于结构合理，单位面积的用钢量较少，能较大幅度降低大棚的建造成本，轻简化优势突出。该类型轻简化连拱大棚适合以海南为代表的热区使用。在覆盖上稍加改造还可适用于华中、华东、西南、华南等冬季不需要加温的地区，特别是在华东等有台风的地区应用优势明显。