引言

2019年7月23～26日應全國農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心（以下簡稱“中心”）之邀，筆者赴河北省張家口市康保縣參加中心對口扶貧援助的調研活動。25日下午我們來到了忠義鄉(xiāng)馬蓮卜村的沃野種植專業(yè)合作社，調研這里的設施蔬菜種植情況。

進入合作社的生產(chǎn)基地，道路兩側形成明顯對比的兩列日光溫室（圖1）吸引了筆者的眼球。東側是典型的傳統(tǒng)日光溫室（圖2），墻體為磚墻，后屋面為保溫彩鋼板，前屋面采用針刺氈保溫被中卷保溫，溫室屋面骨架采用焊接桁架（所不同的是桁架腹桿與上下弦桿不是傾斜焊接而是垂直焊接，而且腹桿布置的間距較大且不均勻，結構的整體承載能力應該比腹桿與弦桿傾斜連續(xù)焊接的桁架差）;而西側溫室則是一種全新結構，后墻透光、活動保溫被覆蓋保溫，溫室無后屋面，后墻立柱和屋面承力骨架一體化連接，單管承力、整體組裝，從外表看是一種非常輕盈的結構形式（圖3）。

不論是傳統(tǒng)日光溫室還是新型日光溫室，溫室兩側都沒有配置門斗。要知道，這里地處北緯42°地區(qū)，冬季溫度經(jīng)常在-30℃以下，是日光溫室發(fā)展的典型高寒地區(qū)，溫室不設門斗，保溫又如此簡陋，種植果菜如何才能越冬生產(chǎn)？帶著這些疑問，我們聆聽了生產(chǎn)基地負責人的介紹，原來兩種不同結構溫室是不同時期建設的產(chǎn)物，溫室主要利用當?shù)氐睦錄鰵夂驐l件進行夏季果菜生產(chǎn)，冬季深冷時節(jié)由于加溫成本高、生產(chǎn)風險大而休閑備耕。這里是全國的夏菜生產(chǎn)基地，其生產(chǎn)的蔬菜正好填補盛夏季節(jié)華北平原高溫酷熱不能進行蔬菜生產(chǎn)（或者在溫室中勉強生產(chǎn)，但需要遮陽降溫，運行成本高、產(chǎn)品市場競爭力差）的淡季，其生產(chǎn)的茬口安排也正好與華北平原日光溫室冬季生產(chǎn)夏季休閑的模式完全錯位?？磥砦覀兊臏厥以O計不能抱著老腦筋一味強調和追求冬季生產(chǎn)，而應根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件和產(chǎn)品的市場供應情況，以最大經(jīng)濟效益為目標，因地制宜選型設計才是最實用、最科學，也最接地氣的設計方案。

在知道了溫室用途后，讓我們跟隨基地負責人的腳步來共同領略一下基地內這種無后屋面活動保溫后墻結構日光溫室的結構與性能特點吧。

無后屋面活動保溫后墻溫室結構

傳統(tǒng)日光溫室后墻和后屋面都是不透明的永久保溫圍護結構，被動儲放熱墻體除了承重和保溫外還承載著白天儲熱夜間放熱的功能。雖然近年來有的日光溫室用塑料薄膜和柔性保溫被覆蓋后屋面將其設計為可活動屋面[1]，在冬季寒冷季節(jié)覆蓋保溫被如同永久保溫后屋面一樣滿足溫室的保溫要求，到了春秋季節(jié)室外溫度升高時，可如同前屋面保溫被一樣白天卷起保溫被溫室從后屋面采光、通風，夜間展開保溫被溫室保溫。這種做法不僅可提高溫室的采光性能，也更有利于溫室的通風和降溫。

溫室取消后屋面，并將后墻做成活動保溫被覆蓋的保溫和采光結構，似乎是前述活動保溫后屋面的進一步發(fā)展（后墻和后屋面合二為一），又似乎是不對稱結構外保溫塑料大棚在日光溫室結構上的一種變形（將塑料大棚的圓拱側墻面變成了日光溫室的斜立后墻），不管是從哪種設施形式演變而來，這種新型的無后屋面活動保溫后墻結構日光溫室不僅保留了傳統(tǒng)日光溫室后墻的保溫特性（夜間覆蓋保溫被），同時也獲得了塑料大棚全方位光照的采光優(yōu)點，使溫室內種植作物的采光量更大、更均勻，此外在晚春到早秋季節(jié)使用，溫室的降溫負荷減?。ㄒ皇峭耆撕髩Φ膬Ψ艧峁δ?，消除了墻體向室內釋放熱量的熱源;二是單層塑料薄膜的熱阻很小更有利于散熱;三是打開后墻塑料薄膜可進一步加強溫室通風，提高溫室的降溫能力），可進一步延長溫室的使用季節(jié)。這種溫室在氣候比較溫暖的地區(qū)還是有很大推廣應用空間的。

由于革新了溫室后墻圍護材料，與傳統(tǒng)的土建結構日光溫室相比，無后屋面活動保溫后墻結構日光溫室自身的建筑荷載大大減輕，這為溫室結構的輕簡化創(chuàng)造了條件。該溫室后墻立柱和前屋面拱桿采用一體化的排架結構承力體系，承力構件統(tǒng)一采用DN50（外徑60.3 mm，壁厚3.5 mm）熱浸鍍鋅鋼管，工廠加工，現(xiàn)場組裝（圖4a），大大提高了溫室建設的標準化水平和建設速度，同時也大大降低了溫室建設的工程造價。為了增強構件的承載能力，設計者還將后墻立柱和屋面拱桿的構件截面由圓管輥壓成了橢圓管，有效增大了構件的截面模量，對提高構件的抗彎強度具有非常積極的作用。

采用輕簡化組裝結構后，除了溫室后墻立柱和前屋面拱桿直接連接形成一體化構件外，構件與基礎的連接也采用了一一對應的連接方式，山墻柱基礎和后墻柱基礎全部采用獨立基礎（圖4b、圖4c），溫室整體結構形成完全的排架結構體系。按照排架結構的設計要求，使每個獨立的排架構件形成整體的承力體系，設計者在溫室結構的縱長方向共設置了7道縱向系桿，其中屋面拱桿上設置4道，后墻立柱上設置3道（圖4a）。為了增強排架結構的整體穩(wěn)定性，在靠近山墻的第一個開間屋脊部位還增設了空間斜撐（圖5a），但從規(guī)范的要求看，這種斜撐設置的數(shù)量仍顯不足，設置的位置也有待商榷。

排架拱桿與縱向系桿之間的連接采用了典型的橢圓管與圓管組裝結構交叉連接方法（圖5b），即在承力立柱或拱桿上用自攻自鉆螺釘固定連接卡（該連接卡為熱浸鍍鋅鋼板冷壓成型，工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝，通用定型產(chǎn)品、批量生產(chǎn)、造價低廉）的開口端后將縱向系桿插入連接卡背部凹槽，用銷釘在凹槽內卡緊縱向系桿即可牢固連接縱向系桿和承力構件（立柱或拱桿）。這種連接不僅安裝方便，而且也容易拆卸。溫室結構需要拆遷或結構構件需要更換時都可以很方便地將其拆卸并重新安裝。

美中不足的是該結構山墻立柱與屋面拱桿的連接采用了現(xiàn)場焊接的連接方式（圖5c）。由于焊接直接破壞了焊接節(jié)點處鋼結構構件的表面鍍鋅防腐層，這將直接影響構件的使用壽命。這也可能是沒有找到合適的標準化構件連接件，專門開發(fā)又會因為用量少導致成本高的緣故吧。

溫室通風

傳統(tǒng)的日光溫室通風大都采用前屋面和屋脊通長開設通風口的方式進行自然通風。控制通風口開啟的方式主要采用卷膜方式（包括手動卷膜和電動卷膜），屋脊通風口也大量采用卷繩拉膜的啟閉方式，因為這種通風口開啟方式啟閉通風口大小一致、啟閉時間同步，溫室通風均勻。

基地中的無后屋面活動保溫后墻溫室保留了傳統(tǒng)日光溫室前屋面位置的通風口（圖3a），沒有設置屋脊通風口，但卻在溫室后墻的中下部位置開設了通風口（圖6）。可能是考慮建造成本的因素，所有通風口都沒有安裝卷膜或拉膜開窗的通風設備，而是全部采用了最原始的手動扒縫通風的方式。

從通風口的設置位置看，前屋面通風口和后墻面通風口全部打開時能夠在室內形成沿溫室跨度方向的穿堂風，通風效率高。但由于前屋面和后墻面上通風口的設置位置都偏低，排除集聚在屋脊部位的高溫空氣有一定難度，會在作物冠層上部形成一個長期滯留的高溫氣團，對作物冠層形成輻射熱源，不利于降低溫室作物冠層的體感溫度。如果能和傳統(tǒng)的日光溫室一樣，在屋脊開設通風口，則能快速排除集聚在室內屋脊部位的高溫氣團，消除對作物冠層的熾熱輻射，尤其到了室外溫度較低的季節(jié)，當后墻面通風窗無法打開時（打開后墻面通風窗，通風量過大，會引起室內溫度急劇下降）單獨打開屋脊通風口可及時排除室內濕氣，引進室外新鮮空氣并降低室內溫度。從更加合理或者優(yōu)化控制溫室內通風的角度看，除了前屋面和后墻面通風口之外，這種溫室還應設置屋脊通風口。

從控制通風口啟閉的手段看，該溫室全部采用人工扒縫的啟閉方式，沒有配置任何機械或電動控制設備，應該說是一種落后的控制方法。一是人工啟閉通風口需要花費的人力成本較大、勞動強度高;二是控制通風口的大小不一致，室內通風不均勻;三是控制通風口啟閉的時效性差，不能及時根據(jù)室內外溫度的變化快速反應控制通風口的啟閉。為此建議盡早在前屋面和后墻面安裝手動或電動卷膜開窗設備，在屋脊安裝卷繩拉膜或卷膜開窗系統(tǒng)，以提高溫室管理的機械化和自動化水平，減輕勞動強度，提高環(huán)境控制的精度和時效性。

溫室保溫

保溫是日光溫室賴以在北方大部分地區(qū)不加溫越冬生產(chǎn)的關鍵技術之一。但基地內無后屋面活動保溫后墻結構日光溫室對保溫的設計并沒有像傳統(tǒng)日光溫室那樣給以足夠的重視。

溫室的山墻采用中空PC板圍護（圖7a）;溫室的前屋面和后墻面均采用透光塑料薄膜外覆蓋活動保溫被保溫的做法，且保溫被材料采用保溫性能較差的針刺氈保溫被（圖3a、圖7c）;為了方便安裝和檢修塑料薄膜以及保溫被，溫室的屋脊處覆蓋了一層鐵皮瓦楞板（圖5a、圖7b），基本不具備任何的保溫隔熱能力;溫室山墻側門口沒有設置緩沖門斗，只用一幅門簾遮蓋;溫室墻體和地面上也沒有設置主動或被動儲放熱設備?？傮w而言，溫室的保溫性能應該不高，甚至都不如基地內東側早期的日光溫室。這種設計或許也正是因為溫室不越冬生產(chǎn)的緣故吧。

嚴密保溫是日光溫室設計和管理中的主控要素。該溫室雖然前屋面的保溫和傳統(tǒng)日光溫室完全相同，但取消后屋面并將傳統(tǒng)的固定保溫后墻改為活動保溫后，溫室圍護結構的整體保溫性能明顯下降。各地在學習引進這種溫室結構時一定要根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件和種植季節(jié)加強或調整溫室的保溫性能，需要時還應配置主動或被動儲放熱設備，使這種溫室冬季運行的日光溫室特性能得到基本保證，同時又能使其夏季運行的塑料大棚特性得到充分體現(xiàn)。

無后屋面活動保溫后墻結構日光溫室的發(fā)展前景與設計方法探討

歷史沿革與推廣前景

對日光溫室后屋面的研究，包括后屋面的功能、幾何尺寸和熱阻及材料選擇等，目前還沒有一套完整的科學理論體系指導工程設計。從長期的理論研究和工程實踐看，日光溫室建設從強調保溫的長后屋面，到山東壽光機打土墻結構日光溫室的短后屋面，再到今天的無后屋面結構，是人們對溫室保溫、采光以及結構強度幾個主要設計要素相互關系不斷認識和優(yōu)化的結果。

在日光溫室發(fā)展的初期，溫室設計注重保溫（主要是日光溫室的發(fā)源地遼寧冬季比較寒冷），設計中更強調增大溫室的保溫比，由于后墻低矮，增大保溫比的辦法只有加大溫室的后屋面投影寬度，一般溫室后屋面投影寬度均在1.0 m以上，長的甚至超過2.0 m。這種溫室結構，由于后屋面投影寬度大，雖然溫室的保溫性能良好，但屋面遮光也造成溫室地面北部區(qū)域從晚春到早秋光照不足，室內光照不均勻，嚴重影響室內種植作物的采光。此外，由于后屋面大都是固定的保溫結構，屋面結構荷載較大，從結構安全的角度考慮室內立柱難以取消，這給溫室日常管理和操作帶來很大不方便。

山東壽光機打土墻結構日光溫室，由于后墻加高，而且厚度較大，同時也為了減輕后屋面的荷載，后屋面的投影寬度多在0.5～0.8 m。由于后屋面投影寬度縮短，使溫室的屋面采光面積大大增加，一方面提高了溫室白天的室內溫度，保證了溫室作物足夠的采光，另一方面也大大延長了后墻上接受光照的時間和光照強度（尤其在春夏秋季），通過墻體的儲熱從另一種途徑彌補了溫室保溫比的不足。此外，日光溫室技術從遼寧傳播到山東，由于山東冬季的氣溫要遠遠高于遼寧，對日光溫室的保溫要求也相應降低，縮短日光溫室后屋面投影寬度，減小溫室保溫比似乎也是日光溫室發(fā)展適應不同氣候條件的結果。

無后屋面溫室則是將溫室后屋面設計推向了極端。從無后屋面結構日光溫室的建筑形式看，主要有直立后墻、斜立后墻和弧面后墻3種形式（圖8）;從后墻的用材看，有柔性保溫材料（保溫被、保溫簾）、剛性保溫材料（磚墻、聚苯乙烯空心板、彩鋼板）;從柔性保溫材料的固定形式看，有永久固定式和活動卷被式。

取消溫室后屋面，完全消除了傳統(tǒng)日光溫室后屋面對溫室室內采光的遮擋，溫室結構上后屋面的固定荷載也完全消失，溫室結構更傾向于向組裝式、輕簡化方向發(fā)展。由于取消溫室后屋面，在相同跨度和后墻高度的條件下溫室的保溫比將會最小。根據(jù)溫室的實際保溫性能，這種類型的日光溫室也將更適合在冬季或生產(chǎn)季節(jié)室外溫度更高的地區(qū)推廣應用。筆者曾在山東青島、煙臺和河北唐山看到過類似完全無后面的日光溫室結構[2-3]。事實上，該生產(chǎn)基地的無后屋面溫室就是河北唐山的溫室企業(yè)建造的。從建設這種類型溫室的分布地域看也正好說明了這種溫室更適合在冬季或生產(chǎn)季節(jié)室外溫度高于-10℃左右的地區(qū)推廣。

組裝式、輕簡化是當前日光溫室結構發(fā)展的新趨勢，無后屋面活動保溫后墻結構日光溫室由于荷載減輕，溫室結構更適合走向組裝式和輕簡化。節(jié)約能源、周年生產(chǎn)，提高土地利用率是未來我國溫室設施發(fā)展的必然要求，無后屋面活動保溫后墻結構日光溫室冬季寒冷季節(jié)按照日光溫室管理運行，保溫節(jié)能;炎熱夏季按照塑料大棚管理運行，降溫負荷小，運行能耗低;溫室周年使用，土地利用率高。從這個角度看，這類溫室也引領了未來日光溫室發(fā)展的一種方向。

結構特征與設計方法探討

無后屋面溫室的出現(xiàn)是給我國傳統(tǒng)的日光溫室大家族又增添了一種新的結構形式。這種溫室由于取消了傳統(tǒng)日光溫室的后屋面，與傳統(tǒng)日光溫室相比，優(yōu)點的地方主要表現(xiàn)在：①前屋面采光面積加大，室內地面、墻面均不會出現(xiàn)由于后屋面結構遮光而產(chǎn)生的陰影帶;②傳統(tǒng)的屋面荷載消失，結構的永久荷載（恒載）減輕，更便于溫室結構向輕簡化方向發(fā)展。但取消后屋面后，與同樣脊高的傳統(tǒng)日光溫室相比：①溫室的后墻高度加高了，相應對溫室后墻結構的強度要求提高了;②溫室屋脊后移，會直接影響后棟溫室的采光，或者說前后溫室之間的間距加大了;③溫室的保溫比減小了，雖然白天前屋面的采光量有所增大，但夜間的散熱面也同樣增加，對溫室的保溫性能提出了更高的要求。

為了減少后墻直立造成前后棟溫室之間的間距增大的影響，具體實踐中可以將溫室后墻斜立（圖8b）或做成弧面（圖8c），將屋脊前移，這樣做還可以減少前屋面骨架對后墻立柱的推力，減小溫室墻體結構承受的彎矩，從而提高結構的承載能力或減小構件的截面面積，降低溫室建設成本。將溫室屋脊前移，應以不影響溫室室內地面和墻面采光為前提，可將溫室后墻的傾斜角度取為當?shù)叵闹寥罩形绲奶柛叨冉?，但考慮到溫室內靠后墻走道的存在以及溫室內不同種植作物冠層的高度，實際設計中還可將屋脊進一步前移，使屋脊與室內種植作物最靠近后墻一株植物冠層位置連線的傾斜角度與當?shù)叵闹寥罩形绲奶柛叨冉且恢录赐耆粫绊憸厥易魑锷a(chǎn)周年的光照。進一步考慮如果當?shù)叵闹寥罩形绲纳⑸涔鈴姸纫材苓_到種植作物的光合作用飽和點（甚至到補償點），遮擋作物冠層的直射光還有利于降低溫室內的溫度，這種情況下溫室的屋脊位置還可以再進一步前移。

將溫室后墻面做成活動保溫后墻后，由于溫室可以從后墻面采光，溫室的脊位控制似乎沒有不透光固定后墻溫室的那些限制了。對這種溫室脊位的控制應以能夠打開后墻面采光時節(jié)當?shù)刂形绲奶柛叨冉菫橐罁?jù)按照上述不透光固定后墻溫室脊位的方法確定。

溫室屋脊前移，不僅可縮短溫室前后棟之間的間距，而且墻體立柱承受前屋面拱架的推力也將進一步減小，立柱構件的內力分布也均勻，如果將斜立后墻立柱進一步改進為弧形拱桿，與前屋面拱桿形成非對稱拱面結構，其構件的內力分布將會更加合理，彎矩減小、壓力增大，構件截面將會進一步減小，只是需要對直桿進行彎曲加工，不僅多了一道加工程序，而且需要專門的加工設備和平臺，給溫室構件的加工增加了生產(chǎn)成本。

對溫室后墻的保溫，除了選擇高保溫性能的保溫被材料、增加保溫被厚度外，還可考慮采用雙層保溫被，在墻體基部1.0 m左右的高度范圍內設置永久固定的保溫墻體[2]也不會影響這種溫室的采光和通風，但對提高溫室的保溫性能，尤其對限制地面土壤的散熱，將具有非常積極的作用。

上述溫室屋脊前移的設計方法只是筆者的一種理論設想，沒有經(jīng)過實踐檢驗，僅供讀者在具體應用和設計中參考，大家如有更好的設計方法歡迎交流。

參考文獻

[1] 周長吉. 周博士考察拾零（四十五）一種活動保溫被覆蓋透光后屋面的日光溫室[J].農(nóng)業(yè)工程技術（溫室園藝），2015，35（16）：24-26.

[2] 周長吉. 周博士考察拾零（九十一）河北唐山“3.26日光溫室蔬菜基地火災”帶給我們的思考[J].農(nóng)業(yè)工程技術（溫室園藝），2019，39（10）：46-56.

[3] 周長吉. 周博士考察拾零（九十八）以EPS空腔模塊為圍護墻體的鋼骨架裝配式日光溫室[J].農(nóng)業(yè)工程技術（溫室園藝），2019，39（31）：26-34.

[引用信息]周長吉.周博士考察拾零（一百零五）一種無后屋面活動保溫后墻組裝結構日光溫室[J].農(nóng)業(yè)工程技術，2020，40（16）：44-49.