SPG-12-5.2型宽跨度宜机化蔬菜单栋大棚的设计与建造

杨福强 甘茂萌 赵文忠 张海斌 常胜刚 颜军

导读：综合考虑蔬菜农艺措施和生产机械化发展的需要，从空间结构、通风散热性能、抵抗自然灾害能力等角度出发，设计和建造一款满足长沙地区蔬菜栽培需要和宜机化程度高的蔬菜单栋大棚，以提高蔬菜生产的机械化水平。

湖南省是农业大省，蔬菜产业是湖南省政府提出的十大千亿产业之一，其栽培面积和产量稳步增加[1]。2019年，全省蔬菜播种面积131.3万hm2，蔬菜产量3 669.44万t，蔬菜总产值1 301.11亿元，占农业总产值的42.63%[2]，占比份额持续增加，是湖南省种植业第一大产业，成为湖南省农民增收和农业经济稳定发展的重要支撑。设施蔬菜是湖南蔬菜产业的重要组成部分，其能够充分利用气候条件，提高土壤利用效率，提升蔬菜栽培的产量和品质，对于保障农产品有效供给，促进农业发展具有重要意义[3]。湖南设施蔬菜栽培处于冬春季低温、阴雨、寡日照，夏季高温、暴雨、强日照不利条件，以温室、塑料大棚、小拱棚等抗低温冷害为主的保温、避雨设施和以遮阳网、防虫网为主的遮阳降温、防暴雨避虫设施为主[4]，主要分布在常德、怀化、长沙等地，栽培设施结构性能差，抵抗自然灾害的能力不足，机械化程度低。

目前，由于很多蔬菜单栋大棚因太低、太狭窄、门不够宽大，因此农业机械无法进出，与机械化生产不匹配，而农业机械化是转变农业发展方式、提高农村生产力的重要基础，是实施乡村振兴战略的重要支撑。SPG-12-5.2型宽跨度宜机化蔬菜单栋大棚是综合考虑长沙地区蔬菜栽培农艺需求和机械化生产需要，从保温散热性能、宜机化程度、抵抗自然灾害能力等角度出发，而设计建设的适合长沙地区蔬菜栽培需要的单栋钢架大棚。

1 单栋大棚设计的总体要求

1.1 通风散热性能良好

长沙地区夏季高温炎热，蔬菜在散热性能差的大棚中栽培其蒸腾作用明显，中午易出现萎蔫现象，影响蔬菜的产量和品质，造成部分病害易发高发，不利于蔬菜生产。

1.2 宜机化性能突出

随着蔬菜生产菜农老龄化严重、生产成本投入增加，提高蔬菜生产的机械化水平对降低劳动成本，提高生产效率和效益具有重要作用，也适应农业现代化的发展方向。

1.3 抵抗自然灾害能力强

单栋大棚设计能够抵抗20年一遇的风雪自然灾害，防止极端气候造成的大棚损毁和作物受灾。

1.4 结构经久耐用

在设计允许荷载下，单栋大棚能保证结构安全稳定，金属构件防腐防锈性能突出，使用年限≥10年。

2 单栋大棚结构性能参数

2.1 结构参数

参考GB/T 19165-2003《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》对塑料大棚的结构要求，综合考虑蔬菜栽培农艺措施和机械化生产的需要，单栋大棚外形尺寸（长×宽×高）：32 m×12 m×5.2 m，为满足农机进出和机械化作业需求，大棚门采用推拉门设计，尺寸（宽×高）2.5 m×3.0 m，大棚中间无立柱，肩高≥2 m（图1）。拱间距1 m，每组拱杆配置水平梁及隅撑，共计11道连杆，10道卡槽。

图1 大棚横截面设计

2.2 性能指标

大棚能够抵御风、雨、雪等自然灾害，永久荷载和可变荷载（作物荷载、风荷载、雪荷载等）符合现行GB/T 51183-2016《农业温室结构荷载规范》，荷载量大小主要依据湖南长沙20年一遇的雪压值和风压值[5]，大棚承载力雪压值0.36 kN/m2，风压值0.46 kN/m2。外棚覆盖层透光率：早春或晚秋季节≥70%，冬季晴天中午≥65%。

3 大棚的选材和建造

3.1 建造选址

大棚应尽量选择生态环境良好，土层肥沃深厚，排灌条件良好，周围无遮阳物，交通便利的地块建造。

3.2 大棚基础

参考GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》规定，大棚基础采用C25点式基，采用水平仪确保基础在一个水平面上。基础深度0.6 m，直径0.4 m，预埋40 mm×60 mm×2 mm×750 mm热镀锌管地脚连接件，基础地脚连接件与拱杆采用M 10 mm×60 mm螺母固定。

3.3 大棚骨架

大棚采用轻钢结构，所有钢构件采用热镀锌管材或高锌层（热镀锌275 g/m2）板料成型，主体拱架采用2个70 mm×45 mm×1.5 mm×8 489 mm“几”字形热镀锌卷板拼接而成，拱杆间距为1 m，脊部采用40 mm×60 mm×2 mm×260 mm热镀锌管脊部连接件连接，对应拱杆间采用42 mm×1.5 mm×7 890 mm水平梁连接，另采用32 mm×1.5 mm×2 000 mm一头拍扁的热镀锌管“V”撑和32 mm×1.5 mm×1 200 mm一头拍扁镀锌管吊杆连接固定（图2）。钢结构连接部位牢固可靠，采用M 10 mm×60 mm螺母连接。

图2 大棚主体结构

3.4 顶开窗及通风口

为提高大棚通风散热性能，满足夏季蔬菜生产需要，大棚采用双顶开窗和双通风口设计，配备电动卷膜开窗机。顶开窗位于棚脊下方1.85 m处，设计规格32 m×1 m。侧通风口位于地面上25 cm处，设计规格32.0 m×1.8 m。

3.5 卡槽的安装

综合考虑顶开窗和侧通风覆盖材料安装需求，单栋大棚棚脊两侧1.85、2.85、4.65、6.45、8.25 m处各固定“U”形卡槽1个，卡槽间用卡槽连接片，用M 5.5 mm×19 mm钻尾丝固定。

3.6 棚门的安装

棚门采用双侧推拉门设计，宽×高=2.5 m×3.0 m，位于单栋大棚两头。棚头采用8根40 mm×60 mm热镀锌方管固定支撑，与拱架相连，中间2根为门柱，间距2.5 m，离地面3 m处安装推拉门横梁，然后将推拉门安装到横梁上。

3.7 覆盖材料

大棚主体结构建好后，选晴天无风天气扣膜，薄膜大小裁剪时应预留卡槽卡扣尺寸，薄膜采用日本进口希爱10丝（1丝=0.01 mm）PO膜，顶膜1块，大小为5.7 m×32.5 m，设计2道卡槽固定，下端固定在顶开窗卷膜杆上。中膜2块，大小为6.5 m×32.5 m，每块采用3道卡槽固定，下端固定在侧通风卷膜杆上。裙膜2块，大小为1 m×32.5 m，每块采用1道卡槽固定。顶开窗采用40目、大小1 m×32.5 m的防虫网，侧通风采用40目、大小1.8 m×32.5 m的防虫网，拱杆之间拉1条压膜线。

3.8 智能物联网设备

利用智能物联网设备实现单栋大棚灌溉的水肥一体化控制，监控单栋大棚蔬菜生长过程中栽培信息（作物种类、光照、土壤温度、土壤湿度、EC值等），发现适宜蔬菜栽培的相关环境和土壤指标的适宜阈值，并进行智能调控，提高蔬菜生产的智能化水平。

4 结论

SPG-12-5.2型宽跨度宜机化蔬菜单栋大棚在综合考虑长沙夏季高温炎热、便于机械作业和抵抗自然灾害能力强的基础上进行的设计建设，并通过了湖南省农业机械鉴定站的检验。大棚采用双顶开窗和双侧通风设计，散热性能良好，能有效调节夏季炎热高温时棚室气温，满足瓜果类、茄果类、叶菜类等蔬菜生产需求。大棚中间无立柱，肩高较高，空间和进出口设计综合考虑蔬菜生产机械化的需要，方便农机进出和作业，有效提高了大棚蔬菜宜机性能，降低了劳动强度和生产投入，顺应了蔬菜生产机械化的发展方向。结构设计主要依据湖南长沙20年一遇的雪压值和风压值，满足蔬菜栽培作物荷载需求，并且经受住了2021年冬季雪灾的考验（图3）。由于专门定制构建和钢材价格的升高，大棚平均造价约160元/m2，需进一步优化单栋大棚的改进方案，降低建造成本，并利用智能物联网设备对大棚的主要性能指标进行检测，探索大棚高效使用方式方法和农艺措施。

图3 大棚抗雪灾性能