淺談荷蘭溫室結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

曹新偉，吳樂天，史慧鋒，肖林剛

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

淺談荷蘭溫室結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

曹新偉1，2，吳樂天1，2，史慧鋒1，2，肖林剛1，2

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

荷蘭溫室經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過中國(guó)溫室標(biāo)準(zhǔn)與歐盟、荷蘭溫室標(biāo)準(zhǔn)的異同性分析以及荷蘭溫室設(shè)計(jì)軟件CASTA的介紹，為我國(guó)溫室標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供參考。

荷蘭；溫室；標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

溫室產(chǎn)業(yè)是荷蘭最具特色的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，目前，荷蘭溫室建筑面積為11億m2，占全世界玻璃溫室面積的1/4。在荷蘭最普通的溫室，都有基質(zhì)栽培技術(shù)、節(jié)水滴灌技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)液配置及管理技術(shù)、生物防治技術(shù)、環(huán)境技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)的應(yīng)用，從發(fā)展溫室的角度來看，荷蘭四季的溫度條件有利于溫室的氣候調(diào)節(jié)，但冬季光照弱、日照時(shí)間短的明顯缺陷，卻是溫室發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。經(jīng)過近100年的努力，荷蘭人憑借自己超凡的智慧，充分發(fā)揮氣候溫和的優(yōu)勢(shì)，克服光照資源的不足，把溫室園藝產(chǎn)業(yè)做到了世界最好。荷蘭溫室通過多年的發(fā)展，形成了統(tǒng)一、成熟的溫室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 歐盟與荷蘭溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)展現(xiàn)狀

溫室是一種用于作物種植的特殊建筑，由于溫室結(jié)構(gòu)自重較輕，多以生產(chǎn)性溫室為主，機(jī)械化程度很高，且覆蓋材料多為玻璃、PC板或塑料薄膜，結(jié)構(gòu)構(gòu)件多采用輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，結(jié)構(gòu)的使用年限一般為10～15年，相比民用建筑的功能性標(biāo)準(zhǔn)要低，直接套用民用建筑標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成結(jié)構(gòu)笨重、溫室內(nèi)遮光嚴(yán)重，溫室建造成本不經(jīng)濟(jì)。因此溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要一個(gè)適合溫室特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。1978年荷蘭溫室標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)起草并發(fā)布了NEN3859:1978《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求》，從2000年起，以“EN”為標(biāo)準(zhǔn)號(hào)的歐洲規(guī)范（Eurocode）正式頒布，代替了以“ENV”為編號(hào)的歐洲試行規(guī)范，標(biāo)志著從1975開始由歐洲共同委員會(huì)籌備，后轉(zhuǎn)交歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（CEN）編制和管理的歐洲規(guī)范正式成為歐共體國(guó)家共同遵守的規(guī)范，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)2005年基本完成以EN1990為基礎(chǔ)的全套共10卷61冊(cè)《歐洲規(guī)范》。EN1990是歐洲系列結(jié)構(gòu)規(guī)范的基礎(chǔ)，是使用其他歐洲規(guī)范EN1991～EN1999必須參考和遵守的，歐洲規(guī)范作為一套通用性、系統(tǒng)性、理論性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，已成為一套國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在業(yè)界具有較強(qiáng)的權(quán)威性和指導(dǎo)性。這是當(dāng)前世界上應(yīng)用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的最完整的一套工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。按照歐盟規(guī)定，歐洲規(guī)范具有與歐洲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)同等的地位，廢止所有與這套規(guī)范相抵觸的本國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2000年歐盟標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為EN13031:2001《溫室設(shè)計(jì)和建造第一部分商業(yè)生產(chǎn)溫室》頒布。

荷蘭是一個(gè)技術(shù)不斷創(chuàng)新的國(guó)家，尤其在文洛型溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上處于世界先進(jìn)水平。2001年后，隨著荷蘭溫室技術(shù)的不斷創(chuàng)新和荷蘭政府立法對(duì)溫室建造提出更高的要求，EN13031:2001標(biāo)準(zhǔn)中一些規(guī)定已經(jīng)不能滿足新技術(shù)的發(fā)展。為此，荷蘭的標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)CEN在EN13031:2001的基礎(chǔ)上，結(jié)合荷蘭溫室技術(shù)的發(fā)展，于2012年組織起草并頒布了NEN3859:2012《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求》，其中90%內(nèi)容與EN13031:2001是一致的，10%內(nèi)容是根據(jù)新技術(shù)等修訂和增加的。

2 中國(guó)溫室標(biāo)準(zhǔn)與歐盟、荷蘭溫室標(biāo)準(zhǔn)的異同性分析

相比較國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)已開始關(guān)注到溫室標(biāo)準(zhǔn)化的問題，制定了一些有關(guān)溫室結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。如《農(nóng)用塑料棚裝配式鋼管骨架》GB4176-1984；《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載》GB/T18622-2002；《日光溫室結(jié)構(gòu)》GB/ T10286-2001；《連棟溫室結(jié)構(gòu)》GB/T10288-2001等。這些溫室標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上提高了溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的標(biāo)準(zhǔn)化程度，但所頒布實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)，基本是在工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，再附加了一些條款，并未考慮溫室大棚結(jié)構(gòu)自重小，風(fēng)、雪荷載相對(duì)較大的特點(diǎn)，也未考慮溫室結(jié)構(gòu)使用年限低的情況。直接套用一般民用建筑結(jié)構(gòu)荷載和設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，必然會(huì)出現(xiàn)一些不合理之處。

對(duì)比歐洲系列規(guī)范與我國(guó)相關(guān)規(guī)范如：《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2001和GB50009-2001（2012版）《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載》GB/T18622-2002，在以下幾個(gè)方面存在差異。

（1）設(shè)計(jì)使用年限EN13031:2001和NEN3859: 2012規(guī)范給出明確的溫室使用年限為10～15年，我國(guó)沒有專門針對(duì)溫室設(shè)計(jì)的規(guī)范，設(shè)計(jì)使用年限多按臨時(shí)性結(jié)構(gòu)或易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮。臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，我國(guó)規(guī)范為5年，歐洲規(guī)范為10年；對(duì)于易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，我國(guó)規(guī)范為25年，歐洲規(guī)范為10～25年。

（2）風(fēng)荷載取值世界各國(guó)對(duì)于基本風(fēng)壓用風(fēng)速時(shí)距的取值都不盡相同，這一方面是歷史的原因，另一方面也和各國(guó)的風(fēng)氣候類型有關(guān)。如：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載》（ASCE7-10）、澳大利亞/新西蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)AS/NZ1170.2：2002規(guī)定的基本風(fēng)速按3 s陣風(fēng)的最大值取值；日本、歐洲和中國(guó)規(guī)范按10 min平均風(fēng)的最大值計(jì)算基本風(fēng)壓。對(duì)比中國(guó)和歐洲規(guī)范基本風(fēng)壓計(jì)算方法，中歐風(fēng)荷載規(guī)范中基本風(fēng)速（風(fēng)壓）采用的是基本相同的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計(jì)概率，對(duì)于平均風(fēng)速的修正都相似地考慮了地面粗糙度和地形的影響。歐洲規(guī)范考慮風(fēng)瞬時(shí)脈動(dòng)的影響多引入了暴露系數(shù)一項(xiàng)，而中國(guó)規(guī)范中對(duì)于此參數(shù)沒有專門說明，在推導(dǎo)風(fēng)振系數(shù)的過程用脈動(dòng)系數(shù)考慮了風(fēng)的瞬時(shí)脈動(dòng)。在相應(yīng)場(chǎng)地上中國(guó)規(guī)范所計(jì)算的湍流強(qiáng)度值要小于歐洲規(guī)范，由于歐洲規(guī)范考慮的風(fēng)瞬時(shí)脈動(dòng)效應(yīng)更大，使得在相同場(chǎng)地上中國(guó)規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)荷載作用結(jié)果偏小。

（3）溫室特有荷載EN13031:2001《溫室設(shè)計(jì)和建造第一部分商業(yè)生產(chǎn)溫室》和NEN3859:2012《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求》主要針對(duì)溫室設(shè)計(jì)而制定的。對(duì)溫室的特有荷載都有規(guī)定，如：作物荷載、拉幕機(jī)托（壓）幕線、灌溉設(shè)備的水平拉線和屋面清洗設(shè)備等荷載大小、作用方式都有明確的規(guī)定；我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范缺失，對(duì)溫室這些特有荷載沒有一個(gè)明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)者根據(jù)自己對(duì)溫室的了解進(jìn)行荷載取值。

（4）荷載分項(xiàng)系數(shù)歐洲規(guī)范和我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范均對(duì)“作用效應(yīng)”和“荷載效應(yīng)”采用了分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式來表述相關(guān)組合，EN1990中“第六章”著重論述了分項(xiàng)系數(shù)法，分別論述了兩種極限狀態(tài)下的表達(dá)式，EN1990與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在分項(xiàng)系數(shù)法上的主要不同是：EN1990并不強(qiáng)制規(guī)定荷載和材料的分項(xiàng)系數(shù)，僅規(guī)定出一些推薦值，各國(guó)可根據(jù)自身情況，在各國(guó)的“國(guó)標(biāo)附錄”中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，而我國(guó)規(guī)范中做了強(qiáng)制規(guī)定。因此，歐洲規(guī)范可以適應(yīng)各種材料和不同荷載作用情況下的系數(shù)調(diào)整以及新型材料和結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，更靈活適用。

3 荷蘭溫室設(shè)計(jì)軟件CASTA

目前，荷蘭TNO研究院的CASTA溫室結(jié)構(gòu)計(jì)算程序仍然是世界上唯一完整的權(quán)威計(jì)算程序，國(guó)際上所有的專業(yè)溫室公司都采用或者借鑒此軟件。

溫室有別于其他輕鋼結(jié)構(gòu)建筑，除框架是鋼結(jié)構(gòu)外，天溝、屋脊、其他屋面玻璃型材都是整體結(jié)構(gòu)的一部分，承擔(dān)著各種載荷，都需要進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。我們常聽到有的溫室被風(fēng)吹垮或被雪壓壞，就是因?yàn)闇厥医Y(jié)構(gòu)沒有經(jīng)過科學(xué)計(jì)算或采用了不合格的部件造成的?，F(xiàn)在，發(fā)達(dá)國(guó)家園藝行業(yè)對(duì)溫室部件的材質(zhì)、加工工藝都有嚴(yán)格的要求。

CASTA的編制遵循歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN13031-2001和荷蘭標(biāo)準(zhǔn)NEN3859-2012。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都借鑒了歐盟的建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于荷載、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范。其中，據(jù)荷蘭工程師介紹，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要差異是在鋼化玻璃的使用上有很大不同，新標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的鋼化玻璃的使用。

CASTA軟件的開發(fā)得益于荷蘭溫室行業(yè)的自律和有序發(fā)展。在1978年，荷蘭就推出了全球第一個(gè)溫室標(biāo)準(zhǔn)NEN3859。在蔬菜、花卉和作物育苗等種植上設(shè)立了標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此設(shè)計(jì)溫室的采光率、結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。比如規(guī)定了：基礎(chǔ)的承載力要求、覆蓋材料的變形要求、溫室屋頂?shù)捏w型系數(shù)，并且明確了溫室結(jié)構(gòu)的使用年限為15年。根據(jù)規(guī)范，CASTA軟件在設(shè)計(jì)中需考慮溫室的幾何尺寸、外部荷載、內(nèi)部荷載、地質(zhì)條件、降雨和使用年限。CASTA軟件中集成了很多歐洲當(dāng)?shù)氐囊?guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，工程師可以根據(jù)需要選取當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)和規(guī)范（如EN13031或NEN3859）。

4 CASTA的優(yōu)缺點(diǎn)分析

在明確上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用CASTA進(jìn)行溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分三步，分別是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和屋蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該軟件對(duì)山墻立柱、立柱與桁架連接節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)螺栓大小、間距，吊掛線對(duì)山墻的作用等均可計(jì)算，計(jì)算功能強(qiáng)大。由于鋁制屋蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，由TNO開發(fā)的WSLGLAZENSTAD軟件專門用于鋁制屋蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可計(jì)算人字屋面上鋁合金型材、鋁合金天溝、玻璃等的強(qiáng)度。其它附屬構(gòu)件和連結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)一般通過工程師人工驗(yàn)算即可。

CASTA的設(shè)計(jì)不僅是TNO一家公司的參與，很多荷蘭的溫室企業(yè)也都參與到了CASTA的開發(fā)和設(shè)計(jì)中。這使得該軟件被大部分溫室設(shè)計(jì)公司所采用，形成了荷蘭在溫室設(shè)計(jì)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)壁壘，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)最被看好的溫室設(shè)計(jì)軟件。該軟件通過同行投資和設(shè)計(jì)公司認(rèn)可，但由于荷蘭本地氣候條件特殊，在把該軟件使用到中國(guó)等氣候條件差異很大的地區(qū)，該軟件具有一定的局限性。同時(shí)，該軟件主要針對(duì)文洛型溫室，對(duì)于國(guó)內(nèi)大量采用的日光溫室等，該軟件沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊。

5 結(jié)論

荷蘭溫室經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，研發(fā)出方便實(shí)用的溫室設(shè)計(jì)軟件，我國(guó)由于缺少結(jié)合自有的環(huán)境、條件而建立的溫室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，照搬荷蘭的文洛型溫室，設(shè)計(jì)的溫室不能達(dá)到很好的效果。因此，應(yīng)吸取荷蘭溫室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)精華，完善我國(guó)溫室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)溫室行業(yè)的全面標(biāo)準(zhǔn)化，降低成本，提高效益，增強(qiáng)溫室行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]楊其長(zhǎng).荷蘭溫室結(jié)構(gòu)型式及其發(fā)展[J]農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝,2006（11）：9～10.

[2]周長(zhǎng)吉.中國(guó)溫室的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003（11）：88～91.

[3]周長(zhǎng)吉，王松濤，陳端生等.論溫室工程標(biāo)準(zhǔn)制訂中的幾個(gè)問題[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002,18（4）：189～192.

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.03.016

S626

：A

1007-7782（2015）03-0036-03

2015-6-20

新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃（201130104）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203002）