劉 建，陳旖旎，王寶龍（海南大學園藝學院/海南省熱帶園藝作物品質(zhì)調(diào)控重點實驗室，海口 570228）

海南地處熱區(qū)，雨熱同季，夏秋高溫，多臺風暴雨，濕熱氣候可加速病蟲害的傳播，設施保護地栽培因能克服夏秋暴雨、高溫、多臺風等不利氣象因素，被廣泛應用于常年蔬菜栽培，尤其應用于夏秋渡淡栽培（夏秋季節(jié)是熱區(qū)本地葉類蔬菜供應的淡季）。目前海南常見的設施類型有連棟圓拱形塑料大棚，連棟鋸齒形塑料大棚，文洛型玻璃溫室，單棟塑料拱棚，連棟蔭網(wǎng)棚等。常年蔬菜設施要求滿足通風、防雨、防蟲、適合耕作等基礎生產(chǎn)條件，而海南常見設施結構類型存在抗風等級高則造價高，造價低的簡易棚又不具備抗風能力，甚至功能上沒有滿足常年蔬菜種植的部分要求，如不防雨，沒有遮陽，或通風效果不好等問題。熱區(qū)輕簡化抗臺風連拱大棚就是在這樣的市場需求牽引下研發(fā)的。大棚結構在滿足海南常年蔬菜生產(chǎn)的基本需求基礎上更為輕簡，既滿足常年蔬菜種植功能，又可降低造價、節(jié)約投資。

結構參數(shù)與特點

熱區(qū)輕簡化抗臺風連拱大棚結構以專利棚型（一種全裝配式拱桿交叉連拱大棚結構ZL2020214324810[1]）為基礎研發(fā)設計，效果圖如圖1 所示。

圖1 輕簡化連拱大棚效果圖

結構幾何參數(shù)

跨度6.0 m，拱間距0.8 m，開間4.0 m，頂高3.4 m，肩高（內(nèi)部凈高）2.2 m，如圖2 所示。

圖2 輕簡化連拱大棚結構剖面示意圖/mm

主要功能

大棚屋頂部分采用0.08 mm 薄膜覆蓋（薄膜厚度可根據(jù)荷載條件選擇），四周墻面及連拱之間通風部位采用40 目（或32 目）防蟲網(wǎng)覆蓋，覆蓋材料由熱鍍鋅卡槽及涂塑卡簧固定。內(nèi)部肩高處沿水平拉桿設置手動內(nèi)遮陽，采用60%～70% 扁絲遮陽網(wǎng)，一邊綁扎在中間的縱向系桿上，另一邊采用φ 20PVC 管作為活動邊，手動開合。通過上述做法實現(xiàn)頂部防雨、四周及拱間通風、內(nèi)部遮陽的功能。

結構特點

大棚將立柱與屋架結合，配合拉桿構建成一個幾何不變體系，外觀線條簡潔流暢，內(nèi)部空間寬敞整齊，滿足使用功能要求。相較于傳統(tǒng)溫室大棚立柱、縱橫梁與屋架組合的結構，拱柱結合、更為輕便。

立柱采用拱交叉設計，交叉拱結構相較于獨立拱結構，受力均勻，更有利于提升結構的整體穩(wěn)定性，同等用材下大棚的抗風性能得到提升。通過結構計算，風荷載為0.5 kN/m2（詳見荷載參數(shù)部分定義）時，用鋼量僅為2.5 kg/m2（含預埋件），結構體系如圖3 所示。

圖3 輕簡化連拱大棚結構體系示意圖/mm

棚型在研發(fā)時，從單拱棚的拱形結構受力較好受到啟發(fā)，充分分析其優(yōu)缺點，將單拱棚肩部以下不適宜耕作區(qū)域（作業(yè)高度限制）和棚間通風排水空間結合，形成0.8 m 寬通風帶，如圖4 所示。結合后的通風帶同時也承擔大棚排水功能，相較單拱棚提高了土地利用率。通風口的高度由原來較低的位置（圖4 中1.6 m）向上提升（圖4 中2.2 m），聚熱空間減小，通風空間加大，水平拉桿便于布置內(nèi)遮陽，更加有利于棚內(nèi)降溫與散熱。

圖4 單拱棚與輕簡化連拱大棚土地利用對比示意圖/mm

結構計算與材料規(guī)格

荷載參數(shù)

恒載為0.025 kN/m2（主要為鋼骨架自重），活荷載為0.100 kN/m2（本大棚針對海南常年蔬菜生產(chǎn)，以葉菜為生產(chǎn)對象，不考慮作物吊重），基本風壓（W0）為0.500 kN/m2，相當于11 級風中間風速，主要用于主體鋼結構計算。塑料膜、網(wǎng)等覆蓋材料的機械性能與耐久性隨材料原料特性和使用環(huán)境差異較大，不做抗風驗算，但要求薄膜厚度與鋼結構設計匹配。

荷載標準值與設計值計算

考慮最不利組合為恒載+風荷載。風荷載為主導荷載，由可變荷載控制效應設計值Sd的計算公式[2]，SGk為恒載標準值，SQ1k為風荷載標準值，SQik為活荷載標準值（n=2）；恒載分項系數(shù)取1，風荷載分項系數(shù)取1，活荷載分項系數(shù)取1.2，活荷載的組合值系數(shù)取0.7。

參照《農(nóng)業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》[2]，結構重要性系數(shù)γ0取0.9；地面粗糙度按B 類，大棚高度為3.4 m，風壓高度變化系數(shù) μz取0.76；按開敞式結構進行計算，作用在屋面的風荷載體型系數(shù)μs取-0.75[3]。榀距（開間）L 為4.0 m。

恒載標準值SGk=0.025 kN/m2，風荷載標準值SQ1k=W0μzμs=0.5×0.76×(-0.75)=-0.285 kN/m2，活荷載標準值SQ1k=0.1 kN/m2。

作用在拱架上的各荷載設計值計算如下：

（1）恒荷載設計值

防蟲網(wǎng)處布置風荷載還需乘以風荷載的阻風系數(shù)。32 目防蟲網(wǎng)阻風系數(shù)取0.75、40 目防蟲網(wǎng)阻風系數(shù)取0.81[4]。

結構計算方法

采用PKPM2010 版對結構進行計算。所選構件的規(guī)格計算結果均通過，計算結果的應力比詳見圖5。從圖示結果可知內(nèi)力在構件內(nèi)部分布比較均勻，通過連拱形式，各構件形成空間體系，整個拱架類似桁架結構，受力性能優(yōu)良。

材料規(guī)格與基礎做法

溫室大棚屬于輕鋼類建筑，僅基礎部分用到混凝土，傳統(tǒng)建造工藝需要土方開挖、現(xiàn)場支模、放置預埋件、澆筑混凝土、振搗密實、養(yǎng)護、拆模等工藝流程。本連拱大棚采用預制混凝土基礎，實現(xiàn)包括基礎在內(nèi)的全部構件裝配式安裝?；炷粱A的建造養(yǎng)護過程均在工廠，現(xiàn)場僅需開挖、埋放、找平與回填，以及少量的柱腳二次灌漿作業(yè)，既保證了構件質(zhì)量，又減輕了勞動強度，減少了環(huán)境污染，實現(xiàn)大棚安裝的輕簡化。

基礎

采用C30 預制混凝土獨立基礎，尺寸為500 mm×500 mm×200 mm，埋深0.5 m（根據(jù)荷載條件調(diào)整，做法大樣詳見圖6a）；熱浸鍍鋅預埋件，底部焊接0.3 m 長、φ 10 三級鋼筋4 條（實物如圖6b）；棚間通風區(qū)地面開挖排水土溝。

鋼骨架

拱架部分的拱桿φ32×1.5 mm、水平拉桿φ42×1.5mm、腹桿φ25×1.2 mm、棚間拉桿φ25×1.2 mm、邊側(cè)抗風柱立柱φ32×1.5 mm、加強桿φ 25×1.2mm（以上構件規(guī)格均為給定荷載條件下計算得出，不同荷載條件下，結構組成不變，調(diào)整構件截面可滿足相應的荷載條件）。桿件采用U 型螺栓、抱箍、螺栓、十字卡簧等連接，所有鋼管及連接件均采用熱鍍鋅處理。

除拱架以外的其它構件主要包括屋面縱向系桿、室內(nèi)水平拉桿上系桿、柱間支撐、棚頭（八字）水平支撐、屋面棚頭支撐、副拱桿、山墻副立柱等。各構件規(guī)格分別為，屋面縱向系桿φ42×1.5 mm、室內(nèi)水平拉桿上系桿φ 32×1.5 mm、柱間支撐φ 42×1.5 mm、棚頭（八字）水平支撐φ32×1.5 mm、屋面棚頭支撐φ25×1.2 mm、副拱桿φ32×1.5 mm、山墻副立柱φ32×1.5 mm。

造價估算與對比分析

造價估算

本造價計算所采用連拱棚的跨數(shù)為5 跨，總寬度為5×6.8 m+0.8 m=34.8 m，開間數(shù)為14 開間，長度為14×4 m=56 m，計算面積為34.8 m×56 m=1948.8 m2。造價采用《海南省房屋建筑與裝飾工程綜合定額》(2017 年)、《海南省安裝工程綜合定額》（2017 年）以及其他相關定額。主要材料價格參照《海南工程造價信息》2021 年7 月海口地區(qū)的材料價，其中缺項的材料價格依據(jù)市場咨詢價格，計算結果含增值稅9% 及相關的措施費、規(guī)費等，計算結果如表1 所示。在風荷載為0.5 kN/m2（如按照《建筑結構荷載規(guī)范》方法取值，相當于0.25 kN/m2）作用下，連拱大棚的造價約為3.68 萬元/667 m2。

表1 輕簡化連拱大棚造價估算表

造價對比分析

輕簡化連拱大棚主體鋼結構造價占比59.9%（含預埋件及連接件），覆蓋材料造價占比14.6%，土建工程占比造價17.7%，內(nèi)遮陽造價占比7.8%。與海南本地相同功能的普通圓拱型連拱大棚（跨度、開間、拱間距相同，肩高2.5 m，較本文連拱大棚高0.3 m，但無內(nèi)遮陽，設計風荷載相同，其造價約為5.5 萬元/667 m2，如圖7所示）設計相比較，輕簡化連拱大棚造價降低約33%，綜合考慮單體計算面積因素后造價約降低25%～30%。對比可知，輕簡化連拱大棚投資成本控制效果顯著。

圖7 對比普通圓拱形連拱大棚示意圖/mm

另通過初步驗算，在保持輕簡化連拱大棚結構形式不變的條件下，僅改變所用構件的管徑或壁厚、基礎規(guī)格和薄膜厚度，風荷載按照0.92 kN/m2（相當于14 級風初始風速，如按照《建筑結構荷載規(guī)范》方法取值，相當于0.5 kN/m2）取值時，其造價約為4.8 萬元/667 m2；風荷載按照1.38 kN/m2（相當于16 級風初始風速，基本達到海南登錄最大臺風風速，如按照《建筑結構荷載規(guī)范》方法取值，相當于0.75 kN/m2）取值時，其造價約為5.8 萬元/667 m2。具體使用時，可根據(jù)投資和需求抗風等級選擇不同的風荷載參數(shù)。

適用范圍與優(yōu)勢分析

熱區(qū)輕簡化抗臺風連拱大棚具有以下4 點優(yōu)勢：①功能優(yōu)勢，該連拱大棚具有防雨，遮陽通風，結構承載力強的特點，能夠滿足海南夏秋淡季常年蔬菜生產(chǎn)要求的防雨、降溫和抗臺風要求；②安裝優(yōu)勢，該連拱大棚采用全裝配式結構設計，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積快速安裝，施工速度快，對土壤擾動少，復墾方便，適合作為菜籃子常年蔬菜大棚在農(nóng)田上建設；③宜機優(yōu)勢，常見簡易大棚由于造價低，一般跨度或內(nèi)部空間較小，機械化操作的適應性差，僅能滿足小型機械的使用，該連拱大棚在簡易大棚的投資標準下，進一步提高了跨度和空間尺寸，使得可耕作區(qū)域內(nèi)比較整齊開敞，6 m 的跨度、4 m 的開間以及2.2 m 的肩高，能夠滿足中型機械的操作，宜機化水平提高；④造價優(yōu)勢，由于結構合理，單位面積的用鋼量較少，能較大幅度降低大棚的建造成本，輕簡化優(yōu)勢突出。該類型輕簡化連拱大棚適合以海南為代表的熱區(qū)使用。在覆蓋上稍加改造還可適用于華中、華東、西南、華南等冬季不需要加溫的地區(qū)，特別是在華東等有臺風的地區(qū)應用優(yōu)勢明顯。