设施温棚的类型与结构

第一节　设施温棚的类型与结构

一、设施温棚结构的类型

日光温棚通常坐北朝南，东西延长，东、西、北三面筑墙，设有不透明的后屋面，前屋面用塑料薄膜覆盖，作为采光屋面。

按前屋面的构型可分为一斜一立式温棚和半拱式温棚。由于后坡长短、后墙高矮不同，又可分为长后坡矮后墙温棚、高后墙短后坡温棚、无后坡温棚。

按建筑材料不同可分为竹木结构温棚、砖木结构温棚、钢结构温棚（包括薄壁镀锌钢管）、钢竹混合结构温棚、轻质铝合金结构温棚。

按栋数可分为单栋温棚和连栋（双栋和多栋）温棚。

二、设施温棚结构的选型

（一）设施温棚选型的内容

1.温棚几何尺寸　温棚的跨度、肩高、脊高、联栋数目、开间数目等。

2.温棚覆盖材料　玻璃、塑料薄膜或PC板材等。

3.温棚主要承力构件所采用的材料　热浸镀锌骨架或焊管骨架（特别是日光温棚）、铝合金镶嵌或镀锌板卡槽镶嵌等；

4.温棚结构形式与当地气候条件的适应性　温棚结构形式要最大限度地适应当地气候条件，以达到受力合理、用料经济的目的。热带地区与寒带地区温棚结构形式的选择应有区别，多风地区与多雪地区温棚的形式亦应不同。

5.温棚结构形式与温棚内部环境要求特点相适应　以降温为主的温棚应使结构形式利于通风，而以保温为主的温棚应使温棚的密封性更好等。

（二）设施温棚结构选型的原则

温棚结构形式多种多样，“万能的”和“最佳的”温棚结构形式并不存在。一种温棚形式可能适合于多个地区和多种品种，同一项目也会有几种不同的温棚形式可供选择。因此，温棚结构的选择必须根据温棚功能特点、计划寿命、建设地点的自然条件、管理模式等综合因素具体选择确定，并在选择过程中体现下列原则：一是结构形式应首先满足温棚最终功能的要求；二是结构形式力求简洁、实用；三是结构形式尽量体现经济性的特点，造价低廉；四是在满足上述条件的基础上，温棚结构形式应力求美观、大方；五是温棚结构形式选取的过程中，应力图使其适应温棚的管理和运行模式。大型联栋温棚适应于生产品种较单一、管理集中的情况；而单栋温棚和单坡面温棚适应于品种较多，管理较为分散的情况。

（三）不同设施温棚结构形式的选择

1.从气候特点和地理条件的角度出发　由于温棚是一种人工创造气候的设施，因此内部环境的控制就不可避免地受到外界气候特点的影响，另外，建设地点的气候特点也直接影响到温棚结构的力学性能，在保温节能、通风降温、抗风、防雨等方面都会因采用不同的结构形式而产生不同的效果。影响温棚结构形式的主要气候因素为温度、光照、风、雪等。

在寒冷地区，由于保温节能和防止雪害是温棚要解决的主要问题，因此采用单坡面温棚和对称双坡面联栋温棚（山形屋面或拱形屋面）较为适宜，温棚覆盖材料可选择保温性能良好的双层充气膜、双层玻璃或硬质中空板等。单坡面温棚可在北侧设置挡风墙或其他土建结构以减少冬季西北寒流造成的热量损失，也能较方便地采用外覆盖方式以提高温棚保温性能，减少能耗；同时单坡面温棚清理积雪相对容易。对称双坡面联栋温棚可提高温棚的热惰性，有利于保持温棚内温度的稳定性，同时这种结构形式可较好地减少雪载的大面积堆积，即使天沟处产生积雪也便于集中融化。

在多风地区，温棚尽量选用那些抗风能力强的温棚形式（如圆弧形屋面温棚等），尽量避免采用那些诸如锯齿形、哥特式尖顶型等形式的温棚。

2.从建造的经济性和运行过程的经济性出发　在温棚的建设受到投资规模的控制、温棚栽培品种或经营特点对温棚的投资和运行费用有限制要求等的情况下，就应选择那些一次性投资小或运行费用低的温棚结构形式。这种情况下有下列三种方式供选择。

（1）投资小、运行费用也低。这种设施形式选择的余地很小、控制成本也较低。在北方，竹木结构的日光温棚就是有代表性的一种形式，它的建设费用很低、运行也很经济，缺点就是土地利用率低、使用寿命短、操作有一定的限制等；在南方，简易的拱形单层塑料温棚（又称塑料管棚）是一种经济的温棚形式，在冬季覆盖塑料薄膜保温，夏季变成具有一定防雨能力的遮阳棚，缺点是控制能力差，维护较繁琐，需要的劳动力也多。

（2）投资小、运行费用较高。在北方采用的单层塑料温棚（日光温棚除外）就属于此类，这种温棚建设投资低，但因其保温性能差而使加温费用大大提高；某些温棚采用无侧窗或无天窗的形式也可降低建设费用，但在使用过程中加大了降温的费用。当然这种形式在某些具有特殊优势的地区也可以采用，在燃料费用或电力费用（煤炭或燃油等）很低的地区，如煤矿、油田、地热区、余热排放区、电力过剩区等都可以采用。

（3）投资较大、运行费用较低。这种形式在建设期投资充足的情况下被广泛采用，例如，双层充气温棚、多层中空PC板温棚、双层中空玻璃温棚及配备了良好的采暖、通风、控制设备的温棚都因采用了较好的设备而使温棚的保温性能、降温能力和人工控制能力大大提高，减少了运行过程中的燃料消耗、电力消耗及管理成本，运行费用大大降低。

3.从管理条件与经营模式出发在那些土地及劳动力缺乏地区，温棚必须体现节约用地和便于管理的特点，因此，采用较好覆盖材料的联栋温棚较为适合，以便提高管理效率、节约劳动力。在土地资源充足、劳动力过剩而资金不足的地区，可尽量采用投资小、运行费用低的温棚形式。

对于那些市场效益好、以高价值产品或出口型产品为主的种植者或经营者，应采用那些环境调控能力强的温棚形式，以保证产品质量的稳定性和产量的持续性；对于那些以经营内销或自用为主或市场效益低的产品为主（如一般蔬菜、普通花卉等）的种植者，应选用那些设施投资小、运行费用低的温棚形式。

温棚的设计与一般建筑物类似，都是以其用途、规模、场地等基本条件为基础，在使用功能、建筑造型、平面布局、覆盖材料等方面的不同，结构形式也多种多样，不同的结构形式也具有不同的技术特点和功能特点，或者说同样用途的温棚可以选用多种结构形式，但结构形式与温棚的最终使用功能密切相关，选择合理的结构形式不仅可以达到“优质、高产”的目的，还能节约建设成本和运行成本，达到“高效”的目的。

三、设施温棚的结构型式

（一）玻璃温棚的组成

图1　常见玻璃温室结构图

a-基础；b-侧墙；c-窗台；d-外柱；e-檐檩；f-屋架上弦；g-屋檩；h-屋脊；i-檩；j-椽子；k-窗间柱；l-中柱；m-斜撑：n-梁（下弦）；o-竖杆；p-剪刀撑；q-天窗；r-侧窗；s-拉筋

1.椽子　承担屋面上的荷载，是架设在脊檩、檩、檐檩上的细长斜木。

2.檩　支撑在屋面的屋架上，设在脊檩和檐檩之间，是支架缘子的水平杆件。

3.脊檩　水平安装在屋脊上，其作用与普通的檩条相同。

4.檐檩（横梁）　设在墙体上端，是连接柱子上端的水平杆件。

5.梁（下弦）　梁是和柱子垂直相对、平放或接近平放的杆件，它承受垂直或斜方向的荷载。

6.屋架（上弦）　将屋面撑成脊形的结构称为屋架。温棚除了拱形屋顶，单坡屋顶之外，多用三角形屋架。

7.次梁　柱子之间，屋架与屋架之间，需要架设平行的横梁，通过檩条承担屋面的荷载，这部分部件叫做次梁。

8.剪刀撑　在木结构和钢结构等的柱子间，用在对角线上的斜材叫剪刀撑。

9.斜撑　斜撑是加固水平杆件和垂直杆件衔接地方的杆件或指桁架中的短斜杆件。

10.柱　小型温棚不用柱子，是无柱结构。

11.窗间柱　是配置在柱与柱之间构成墙体的垂直构件。

（二）塑料薄膜大棚的组成

图2　（a）、（b）、（c）为单栋大棚；（d）、（e）为连栋大棚

目前生产中应用的大棚，按棚顶形状可以分为拱圆形和屋脊形，但应用最多的为拱圆形。

按骨架材料则可分为竹木结构、钢架混凝土柱结构、钢架结构、钢竹混合结构等。

按连接方式可分为单栋大棚、双连栋大棚及多连栋大棚。

塑料薄膜大棚的骨架是由立柱、拱杆（拱架）、拉杆（纵梁、横拉）、压杆（压膜线）等部件组成，俗称“三杆一柱”。这是塑料薄膜大棚最基本的骨架构成，其他形式都是在此基础上演化而来。大棚骨架使用的材料比较简单，容易建造，但大棚结构是由各部件构成的一个整体，因此选料要适当，施工要严格。

实例：竹木结构单栋大棚，大棚的跨度为8～12米，高2.4～2.6米，长40～60米，每栋生产面积333.3平方米～666.7平方米。由立柱（竹、木）、拱杆、拉杆、吊柱（悬柱）、棚膜、压杆（或压膜线）和地锚等构成。

（1）立柱：立柱起支撑拱杆和棚面的作用，纵横成直线排列。原始型的大棚，其纵向每隔0.8～1.0米设一根立柱，与拱杆间距一致；横向每隔2米左右一根立柱，立柱的直径为5～8厘米，中间最高，一般2.4～2.6米，向两侧逐渐变矮，形成自然拱形。竹木结构的大棚立柱较多，使大棚内遮荫面积大，作业也不方便，因此可采用“悬梁吊柱”形式（图3），即将纵向立柱减少，而用固定在拉杆上的小悬柱代替。小悬柱的高度约30厘米，在拉杆上的间距为0.8～1.0米，与拱杆间距一致，一般可使立柱减少2/3，大大减少立柱形成的阴影，有利于光照，同时也便于作业。

图3　竹木结构大棚示意图

1-门，2-立柱，3-拉杆（纵向拉梁），4-吊柱，5-棚膜，6-拱杆，7-压杆（或压膜线），8-地锚

（2）拱杆：拱杆是塑料薄膜大棚的骨架，决定大棚的形状和空间构成，还起支撑棚膜的作用。拱杆可用直径3～4厘米的竹竿或宽约5厘米、厚约l厘米的毛竹片按照大棚跨度要求连接构成。拱杆两端插入地中，其余部分横向固定在立柱顶端，成为拱形，通常每隔0.8～1.0米一道拱杆。

（3）拉杆：拉杆起纵向连接拱杆和立柱，固定压杆，使大棚骨架成为一个整体的作用。通常用直径3～4厘米的细竹竿作为拉杆，拉杆长度与棚体长度一致。

（4）压杆：压杆位于棚膜之上两根拱架中间，起压平、压实、绷紧棚膜的作用。压杆两端用铁丝与地锚相连，固定后埋入大棚两侧的土壤中。压杆可用光滑顺直的细竹竿为材料，也可以用8号铅丝或尼龙绳（Φ3～4毫米）代替，目前有专用的塑料压膜线，可取代压杆。压膜线为扁平状厚塑料带，宽约l厘米，带边内镶有细金属丝或尼龙丝，既柔韧又坚固，且不损坏棚膜，易于压平绷紧。

（5）棚膜：棚膜可用0.1～0.12毫米厚的聚氯乙烯（PVC）或聚乙烯（PE）薄膜以及0.08～0.1毫米的醋酸乙烯（EVA）薄膜，这些专用于覆盖塑料薄膜大棚的棚膜，其耐候性及其他性能均与非棚膜有一定差别。

（6）铁丝：铁丝粗度为16号、18号或20号，用于捆绑连接固定压杆、拱杆和拉杆。

（7）门、窗：大棚两端各设供出入用的大门，门的大小要考虑作业方便，太小不利于进出；太大不利于保温。塑料薄膜大棚顶部可设出气天窗，两侧设进气侧窗。

四、主要代表型设施温棚的结构型式

（一）GP系列镀锌钢管装配式大棚

该系列由中国农业工程研究设计院研制成功，并在全国各地推广应用。骨架采用内外壁热浸镀锌钢管制造，抗腐蚀能力强，使用寿命10～15年，抗风荷载31千克/平方米～35千克/平方米，抗雪荷载20千克/平方米～24千克/平方米。代表性的GP-Y8-1型大棚，其跨度8米，高度3米，长度42米，面积336平方米；拱架以1.25毫米薄壁镀锌钢管制成，纵向拉杆也采用薄壁镀锌钢管，用卡具与拱架连接；薄膜采用卡槽及蛇形钢丝弹簧固定，还可外加压膜线，作辅助固定薄膜之用；该棚两侧还附有手动式卷膜器，取代人工扒缝放风（图4）。

图4　钢管组装式大棚的结构

为了适应不同地区气候条件、农艺条件等特点，使产品系列化、标准化、通用化，中国农业工程研究设计院还在GP-Y8-1型的基础上，设计出了GP系列产品（表1）。

表1　GP系列塑料薄膜大棚骨架规格表

（二）节能型日光温棚

1.一面坡日光温棚　这种温棚跨度5.0～5.5米，中柱高2米左右，后墙高1.6米左右，长度不等。前为一面坡的塑料屋面，长4米左右，角度为18°～22°；后坡宽2米左右，每间隔3.0～3.3米设一中柱和柁，温棚前后挖防寒沟；后墙厚0.6米左右。骨架主要是竹木结构，详见图5。

图5　一面坡日光温室（单位：m）

2.立窗式日光温棚　这种温棚跨度为6.0～7.0米，中柱宽2.0～2.7米，前立窗高0.6～0.8米，后墙高1.5～1.8米，墙厚0.8～1.0米，前屋面角度20°～25°，每隔3米设一道7.62厘米钢管桁架，在桁架上按40厘米间距横拉8号铁丝固定于东西山墙，在铁丝上每隔60厘米设一道细竹竿作骨架，上面覆盖薄膜。也称琴弦式薄膜日光温室。结构详见图6。

3.拱圆型节能日光温棚　这是将前面设为拱形，其骨架可用竹木、钢筋混凝土和钢管架材料。其类型有长后坡、矮后墙薄膜日光温室和短后坡高后墙薄膜日光温室。这两类温室跨度约为5.0～7.0米，脊高2.0～2.7米，后墙厚0.6～0.9米，前屋面为拱形，由拱杆、横梁、支柱构成。拱杆上要覆盖塑料薄膜。前屋面的角度一般底角为60°左右，中部为30°左右，上部为12°左右，后屋仰角为25.7°～30°。后屋用柁檩、玉米秸秆、麦草、草泥等构成，也有的盖混凝土板，再加其他保温材料的，总厚度为50～60厘米。两类温室的差别在于后墙高度和后坡长度。长后坡矮后墙温室的后坡长2.5～3.0米，后墙高1.0米左右，短后坡高后墙温室的后坡长1.0～1.5米，后墙高1.5～1.7米。以上温室前后都有防寒沟，以利防寒保温，结构详见图7。

图6　琴弦式薄膜日光温棚（单位：米）

1-钢管桁架；2-8号铁丝；3-中桩；4-竹竿骨架

图7　拱圆型节能日光温室（单位：m）

1-柱子；2-钢骨架；3-纵向拉杆；4-拱架；

5-后墙；6-卷帘；7-后屋坡

4.辽沈I型日光温室　该温室由沈阳农业大学设计，为无柱式第二代节能型日光温室。这种温室在结构上有如下一些特点：跨度7.5米，脊高3.5米，后屋面仰角30.5°，后墙高度2.5米，后坡水平投影长度1.5米，墙体内外侧为37厘米砖墙，中间夹9～12厘米厚聚苯板，后屋面也采用聚苯板等复合材料保温，拱架采用镀锌钢管，配套有卷帘机、卷膜器、地下热交换等设备，其结构如图8。由于屋面角度和保温材料等性能较高，在北纬42°以南地区，冬季基本不加温可进行育苗和生产。

图8　辽沈I型日光温室（单位：毫米）

5.西北型节能日光温室　这种温棚跨度8米，脊高3.65米，后坡水平投影长度1.5米；后墙为37厘米厚砖墙，内填8～10厘米厚聚苯板；骨架为钢筋桁架结构。该温室结构性能优良，在严寒季节最低温度时刻，室内外温差可达25℃以上，这样，在西北地区正常年份，温室内最低温度一般可在10℃以上，10厘米深地温可维持在11℃以上，基本能满足喜温果菜冬季生产的要求（图9）。

图9　西北型节能日光温室（单位：m）

1-上骨架；2-拉筋；3-下骨架；4-卷帘

（三）现代化设施温棚

1.屋脊型连接屋面温室　荷兰温室是屋脊型连接屋面温室的典型代表。这种温室的骨架由钢架和铝合金构成，透明覆盖材料为4毫米厚平板玻璃。温室屋顶形状和类型主要有多脊连栋型和单脊连栋型两种（图10）。

图10　屋脊型连接屋面温室（单位：米）

多脊连栋型温室的标准脊跨为3.2米或4.0米，单间温室跨度为6.4米，8.0米，9.6米，大跨度的可达12.0米和12.8米。早期温室柱间距为3.00～3.12米，目前采用4.0～4.5米的较多。该型温室的传统屋顶通风窗宽0.73米、长1.65米；以4.00米脊跨为例，通风窗玻璃宽度为2.08～2.14米。同样，随着时间的推移，排水槽高度也在逐渐调整。目前该型温室的柱高2.5～4.3米，脊高3.5～4.95米，玻璃屋面倾角25°。单脊连栋型温室的标准跨度为6.40米，8.00米，9.60米，12.80米。在室内高度和跨度相同的情况下，单脊连栋型温室较多脊连栋温棚的开窗通风率大。

图11　华北型连栋塑料温棚

2.华北型连栋塑料温室　其骨架由热浸镀锌钢管及型钢构成，透明覆盖材料为双层充气塑料薄膜。温室单间跨度为8米，开间3米，天沟高度最低2.8米，拱脊高4.5米，8跨连栋的建筑面积为2112平方米。东西墙为充气卷，北墙为砖墙，南侧墙为进口PC板。温室的抗雪压为300牛顿/平方米，抗风能力为28.3米/秒（图11）。这种温室设有完善而先进的附属设备，如加温系统、地中热交换系统、湿帘风机降温系统、通风、灌水（施肥）、保温幕以及数据采集与自动控制装置等。自动控制系统可以实现温棚环境因子的自动和手动控制，可进行室内外的光照、温度和湿度的自动测量。加温和降温系统可根据作物生育需要，设定温度指标实行自动化控制。