1.組裝結(jié)構(gòu)日光溫室將成為未來開發(fā)熱點

盡管在壽光的大地上滿眼看到的還都是壽光五代機打土墻結(jié)構(gòu)日光溫室，但組裝結(jié)構(gòu)日光溫室已經(jīng)悄悄進入人們的視線，在菜博會的廣場上2座模型溫室（圖1）就是最好的佐證。

事實上，由于占地面積大、建造土墻對土壤的破壞嚴重，機打土墻結(jié)構(gòu)日光溫室從其誕生的那天起就有各種反對的聲音，但由于造價低、墻體保溫儲熱性能好，這種形式溫室還是得到了廣大農(nóng)戶的歡迎，并在北方地區(qū)得到了大面積推廣，也成為了大量學(xué)者的研究對象。隨著科學(xué)研究對日光溫室被動儲放熱原理的不斷深入，墻體和地面主動儲放熱的技術(shù)不斷開發(fā)，減薄日光溫室墻體，甚至完全取消日光溫室儲熱后墻的呼聲越來越大，各地也在不斷研究和探索新型的建筑材料和相應(yīng)的溫室結(jié)構(gòu)形式，其中用完全隔熱的保溫材料替代土墻或磚墻的做法似乎已經(jīng)成為了溫室墻體改造的主流，由此也產(chǎn)生了前屋面骨架、后屋面骨架和后墻立柱一體化的新型組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)（圖1）。

在追隨和引領(lǐng)中國日光溫室發(fā)展的潮流中，始終也不缺少山東壽光人的身影。除了在菜博會上看到的組裝結(jié)構(gòu)模型溫室外，在參觀山東壽光蔬菜產(chǎn)業(yè)集團的科技園中也看到了另外2種形式的完全組裝結(jié)構(gòu)日光溫室。

一種是和傳統(tǒng)日光溫室外形完全相同的組裝式結(jié)構(gòu)，本文稱之為直立后墻組裝結(jié)構(gòu)日光溫室（圖2）。這種溫室只是后墻和山墻采用保溫板替代了傳統(tǒng)日光溫室的磚墻或土墻，溫室結(jié)構(gòu)的前屋面骨架、后屋面骨架和后墻立柱均采用矩形方管，單管承力，三者連為一體，形成排架結(jié)構(gòu)。由于單管的承載能力有限，為提高溫室結(jié)構(gòu)的整體強度，室內(nèi)設(shè)置了三排立柱（圖2c），分別支撐在溫室后屋面中部以及前屋面前部和中部。

為彌補溫室缺失的墻體儲熱，在溫室的后墻上安裝了水循環(huán)主動儲熱板，以水為熱媒，白天截取照射到溫室后墻的光熱并儲存在地下的儲熱池中，夜間該儲熱板又作為散熱器將白天儲存在地下儲熱池中的熱量釋放回溫室中，實現(xiàn)溫室主動儲放熱，保證室內(nèi)要求的作物生長溫度。此外，為了增強溫室的保溫性能，在傳統(tǒng)日光溫室外保溫的基礎(chǔ)上，室內(nèi)還安裝了二道保溫幕，采用拉幕系統(tǒng)沿溫室跨度方向控制保溫幕的啟閉，白天將保溫幕緊密收攏到溫室立柱的位置，盡量減少收攏保溫幕對室內(nèi)作物采光的影響，夜間展開保溫幕，形成與屋面塑料薄膜之間的保溫空間（圖2c）。從設(shè)備配置看，室內(nèi)外保溫相結(jié)合，溫室的保溫性能應(yīng)該比傳統(tǒng)的單一外保溫日光溫室更好。

另一種組裝結(jié)構(gòu)日光溫室則稱為斜立后墻組裝結(jié)構(gòu)日光溫室（圖3）。該溫室前屋面采用了傳統(tǒng)的琴弦結(jié)構(gòu)日光溫室承力形式，但溫室的后墻傾斜（圖3a），并與溫室前屋面骨架和后屋面骨架形成相互支撐，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上可減小后屋面骨架對墻體立柱的推力，從承力結(jié)構(gòu)看，溫室內(nèi)只設(shè)置了一道立柱，前屋面骨架和后屋面骨架的主梁采用了傳統(tǒng)的鋼管-鋼筋焊接桁架，副梁采用了單管圓管，并在前屋面骨架上沿溫室長度方向鋪設(shè)了鋼絲琴弦（圖3b）。溫室結(jié)構(gòu)輕盈，室內(nèi)立柱少，便于種植和作業(yè)。

雖然在壽光看到的幾種組裝結(jié)構(gòu)日光溫室可能還不能完全代表當前組裝式日光溫室的主流，但這種研究和探索至少代表了組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，值得行業(yè)內(nèi)從事日光溫室結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的同仁們關(guān)注和研究。

2.土墻結(jié)構(gòu)日光溫室向無立柱方向發(fā)展

典型的壽光五代日光溫室結(jié)構(gòu)為下挖式機打土墻琴弦結(jié)構(gòu)（圖4），由于屋面拱桿多采用竹竿或單鋼管，為增強屋面結(jié)構(gòu)的承載能力，一般室內(nèi)都設(shè)多排鋼筋混凝土立柱。室內(nèi)多柱，雖然保證了溫室結(jié)構(gòu)的整體強度，但卻給室內(nèi)作物種植和操作管理帶來了諸多不便，為此，生產(chǎn)中人們開始采用各種措施來減少室內(nèi)立柱，直至完全取消立柱。在這次參觀調(diào)研中也看到了壽光溫室在這方面的研究進展。

圖5a中所示的溫室是在溫室中部和后部設(shè)置了2排立柱，并用鋼管代替?zhèn)鹘y(tǒng)壽光五代日光溫室的鋼筋混凝土立柱。這種做法可顯著減少立柱對作物采光的遮擋，也更便于室內(nèi)作業(yè)和管理。圖5b中所示溫室則更是將室內(nèi)立柱減少到1排，并將這唯一的一排立柱設(shè)置在了緊靠溫室后墻的位置，直接支撐溫室后屋面，溫室的種植區(qū)則完全沒有立柱，室內(nèi)作業(yè)空間大，機械化作業(yè)更加方便。

從圖5a和圖5b兩種結(jié)構(gòu)看，除了在立柱設(shè)置上的差別外，在前屋面骨架的布置上也有很大不同。圖5a所示溫室的屋面拱架采用了相同規(guī)格、間距1m的桁架，組成排架結(jié)構(gòu)承載屋面荷載，而圖5b所示溫室的屋面拱架則采用了主副梁結(jié)構(gòu)，主梁采用桁架結(jié)構(gòu)，副梁則采用單鋼管，主梁間距3m，相鄰兩榀主梁之間設(shè)置2道副梁，間距1m。由于單純的主副梁結(jié)構(gòu)承載能力較低，溫室還沿用了傳統(tǒng)的琴弦結(jié)構(gòu)模式，在溫室的前屋面骨架上增設(shè)了沿溫室長度方向的縱向鋼絲協(xié)助承載。從結(jié)構(gòu)承載能力看，全桁架排架結(jié)構(gòu)中間增加了立柱，而主副梁結(jié)構(gòu)則完全取消了立柱，可見，琴弦結(jié)構(gòu)對溫室骨架承載力的提高是非常顯著的，同時對減少溫室結(jié)構(gòu)整體用鋼量也會有很大的貢獻，設(shè)計中，在可能的條件下，盡量選用琴弦結(jié)構(gòu)將具有非常顯著的經(jīng)濟效益。

從圖5c可以看出，對機打土墻的保護，壽光的種植者也想了很多辦法，其中用無紡布覆蓋后墻，并在墻體底部覆蓋水泥板，既防水，又防墻體土層表面風(fēng)化，是一種比較經(jīng)濟有效的土墻保護技術(shù)。

3.民間土墻結(jié)構(gòu)日光溫室向大跨度方向發(fā)展

來壽光之前，筆者聽說壽光農(nóng)民已經(jīng)建起了20m跨日光溫室，這次特意來一探究竟。結(jié)果沒有令我失望，在壽光蔬菜產(chǎn)業(yè)集團領(lǐng)導(dǎo)的帶領(lǐng)下，我們很快就找到了農(nóng)戶自己建造的20m跨日光溫室（圖6）。

從外觀上看，這棟溫室和傳統(tǒng)的壽光五代機打土墻結(jié)構(gòu)溫室（圖4）沒有什么區(qū)別，只是加大了外形尺寸。時至15:00，室外陽光燦爛，整個溫室被一層黑色遮陽網(wǎng)覆蓋（圖6a）。初見溫室，筆者以為是種植食用菌的蘑菇棚，但進入室內(nèi)看到的卻是一座實實在在種植番茄的日光溫室。該溫室跨度（室內(nèi)凈跨）20m，脊高7.5m，室內(nèi)多立柱，屋面琴弦結(jié)構(gòu)（圖6b），數(shù)數(shù)溫室沿跨度方向的立柱，不包括溫室后走道靠墻的兩排立柱，溫室前屋面種植區(qū)的立柱共有7排（圖7a），立柱之間的間距約3m，溫室屋面完全依靠立柱支撐，從結(jié)構(gòu)上看完全照搬了琴弦溫室的結(jié)構(gòu)形式，沒有任何創(chuàng)新。但和種植農(nóng)民的交流中得知，這種溫室由于室內(nèi)空間大，作業(yè)效率高，據(jù)說室內(nèi)溫度比傳統(tǒng)跨度（9~10m）的溫室還要高。我這才想起來溫室前屋面室外還鋪設(shè)有一層黑色遮陽網(wǎng)呢，原來遮陽網(wǎng)是用于溫室降溫的！

再細看溫室的通風(fēng)系統(tǒng)，只有在屋脊位置設(shè)置了屋脊通風(fēng)口，其他部位則看不到通風(fēng)換氣的任何窗口。難怪種植者說這個溫室的室內(nèi)溫度高呢。我在不斷思考，這么大跨度的溫室僅靠屋脊一個通風(fēng)口，一是溫室的通風(fēng)量是否足夠；二是室內(nèi)的通風(fēng)能否均勻；三是夏季的降溫能否達到作物種植的適宜溫度。實際上，這也正是這種溫室當前存在的主要問題?？磥磉€是不要一味地盲目擴大溫室的跨度為好，或者在追求大跨度時應(yīng)配套合適的通風(fēng)降溫系統(tǒng)，以保證溫室在室外高溫季節(jié)的正常生產(chǎn)。

這種溫室由于跨度大，雖然溫室的總體高度也相應(yīng)提高了，但屋面的總體坡度仍然是減小了，尤其表現(xiàn)在溫室的屋脊位置處。這對溫室的排水、清雪以及保溫被的卷放都會有影響。為了解決溫室屋脊處兜水的問題，設(shè)計者在溫室前屋面后部，設(shè)置了加密的拱桿（圖7b），加密桿從屋脊一直延伸到溫室種植區(qū)內(nèi)第2排立柱，每根桿的長度至少應(yīng)在5m以上。這種方法對正?？缍鹊娜展鉁厥乙餐瑯佑行?，只是加密桿的長度不需要那么長。當然，在溫室的屋脊通風(fēng)口設(shè)置鋼絲網(wǎng)或沿溫室長度方向縱向加密鋼絲等措施也是避免屋面兜水的有效方法。但如果能夠保證溫室前屋面屋脊位置弧線切線的坡度達到10°以上，這種防兜水的措施則可以取消。但要保證溫室屋脊部位的坡度，對大跨度溫室，屋脊高度將會更高，相應(yīng)造價也會更高，從經(jīng)濟上講是否合理應(yīng)進行具體論證。

4.外保溫塑料大棚有替代日光溫室的趨勢

日光溫室除了墻體占用土地面積外，2棟溫室南北之間的間距更是提高土地利用率難以逾越的障礙。為此，當前的研究開始利用日光溫室的儲放熱和高保溫原理，采用塑料大棚的結(jié)構(gòu)來達到溫室的高效節(jié)能，并試圖實現(xiàn)在一些地區(qū)的越冬蔬菜生產(chǎn)。

圖8是這次在壽光菜博會上看到的塑料大棚外保溫的展示模型。但在壽光的農(nóng)民種植基地內(nèi)筆者卻看到了20m跨保溫塑料大棚（圖9）。這種塑料大棚屋脊南北走向，南部山墻和北部山墻均采用了日光溫室后墻的做法，為機打土墻，溫室屋面的承力體系也完全采用了日光溫室琴弦結(jié)構(gòu)的模式，室內(nèi)立柱用鋼筋混凝土獨立柱，布置方式也完全沿用了琴弦式日光溫室的形式。可以說，農(nóng)民只是把琴弦式機打土墻結(jié)構(gòu)日光溫室的建造方法完全移植到了塑料大棚上，從結(jié)構(gòu)用材和承力形式上并沒有任何的創(chuàng)新。但由于改變了溫室屋脊的走向，可大大減小溫室之間的間距，從而也大幅度提高了土地的有效利用率。

該塑料大棚采用了2套卷簾機分別從大棚的2個側(cè)面卷放保溫被（如同相同屋脊高度的陰陽型日光溫室），并將2幅保溫被平行卷放在大棚的屋脊部位。由于白天保溫被卷放在大棚脊部，兩幅保溫被被卷及其兩被卷之間固定平鋪的保溫被會在大棚的頂部形成一條寬度超過1m的陰影帶，雖然保溫被南北走向放置不會在大棚內(nèi)形成固定陰影帶，但過寬的活動陰影帶對室內(nèi)作物的生長還是有一定影響的。為了避免這種陰影帶的存在，有的企業(yè)在研究嘗試保溫被下卷式卷簾機，其工作原理和保溫被上卷式基本相同，只是在保溫被白天從屋面卷下后需要有一個放置的平臺（圖10），可能要增加一定投資，但這種做法能夠完全避免保溫被上卷式卷簾機白天溫室內(nèi)由于屋脊停放保溫被造成的固定陰影帶。

該大棚的通風(fēng)采用了和日光溫室相同形式的屋脊通風(fēng)形式，在保溫被卷起的位置留出一定距離設(shè)置屋脊通風(fēng)口（圖9c），和大棚的兩側(cè)立墻進風(fēng)口形成自然對流通風(fēng)系統(tǒng)。由于塑料大棚的跨度較大，和前述20m跨日光溫室一樣，夏季的通風(fēng)量降溫應(yīng)該是其存在的主要問題。事實上，在山東壽光農(nóng)民試驗實踐外保溫塑料大棚之前，國內(nèi)的學(xué)者和科研單位早已經(jīng)開始了這種嘗試。圖11是筆者分別在北京通州和陜西楊凌走訪過程中看到過的2種同類型塑料大棚，兩者都采用了大跨度裝配式塑料大棚結(jié)構(gòu)，屋脊東西走向，北側(cè)屋面冬季敷設(shè)永久保溫被，但到了春秋季節(jié)則根據(jù)保溫和采光需要部分或全部地打開北側(cè)屋面保溫被，增大溫室的采光和通風(fēng)。圖11所示2種溫室的結(jié)構(gòu)略有不同，一種為室內(nèi)無立柱對稱屋面結(jié)構(gòu)（圖11a），另一種則是室內(nèi)有立柱非對稱屋面結(jié)構(gòu)（圖11b），后者更是充分借用了日光溫室采光性能好的特點，南部屋面為大弧面，北部屋面為小弧面，溫室的采光和保溫性能更好。

外保溫型塑料大棚的屋脊走向究竟是采用南北走向還是東西走向，山東壽光和北京、陜西給出了不同的答案（圖9、圖11）。按照日光溫室的采光和保溫原理，外保溫塑料大棚的屋脊走向應(yīng)該是東西走向，這樣冬季嚴寒季節(jié)北側(cè)屋面可以變成永久性保溫屋面，如同日光溫室的后墻和后屋面，而南側(cè)屋面采光如同日光溫室的前屋面。但如果保溫塑料大棚的屋脊走向為南北向（和傳統(tǒng)的塑料大棚的屋脊走向相同），冬季大棚2側(cè)的屋面保溫被必須全部打開，或者上午東側(cè)打開、西側(cè)覆蓋；中午全部打開；下午西側(cè)打開、東側(cè)覆蓋；夜間屋面全覆蓋。這種管理要求比較精細，人工管理難度較大，最好配套自動控制系統(tǒng)，根據(jù)室外光照強度、室外溫度和時間精準控制卷簾機的啟閉。但無論是人工控制，還是自動控制，大棚屋面的保溫被總會影響采光和室內(nèi)溫度，在冬季室外氣溫較高的地區(qū)或許可以使用，但在冬季氣溫較低的地區(qū)，最好還是采用屋脊東西走向布置。

用外保溫塑料大棚或者用多重內(nèi)保溫的塑料大棚，如果能夠在冬季相對溫暖的地區(qū)越冬生產(chǎn)葉菜，則這種大棚在一些地區(qū)有可能部分或全部代替日光溫室（尤其在北方大都市郊區(qū)，如北京、石家莊等地），對于土地資源比較金貴的都市蔬菜生產(chǎn)基地將會有廣闊的市場推廣前景。

（作者單位：農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室）