周博士考察拾零（一百一十三）大跨度“氣樓”塑料大棚

“氣樓”在民用與工業(yè)建筑上是指沿建筑物屋脊安裝且高于屋脊部位用于換氣、排音、采光、防雨的排窗。由于其位于建筑的最高位置，理論上講，其熱壓通風(fēng)的效率最高，所以在大跨度工業(yè)廠房中被廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的溫室、大棚屋面通風(fēng)大都采用屋脊開窗或屋面開窗的形式通風(fēng)，包括屋脊上懸窗（連續(xù)開窗或間隔交錯開窗，多用于玻璃等硬質(zhì)板材透光覆蓋材料溫室）、鋸齒通風(fēng)窗、屋脊平移通風(fēng)窗（上下平移或左右平移）[1]、屋面卷膜開窗以及全開屋面通風(fēng)等。這些通風(fēng)方式可以直接借用溫室屋面骨架，不需要附加設(shè)置其他的結(jié)構(gòu)桿件即可安裝通風(fēng)窗，因此建筑投資省、建設(shè)速度快，而且由于沒有屋面“隆起”部件，溫室的抗風(fēng)要求也相應(yīng)降低。

對一些自然通風(fēng)的連棟溫室，為增強溫室的自然通風(fēng)能力，也有采用“氣樓”式通風(fēng)窗進(jìn)行屋面通風(fēng)的案例（圖1）。按照“氣樓”的外形不同，有直立側(cè)墻坡屋面氣樓（圖1a）、三角形氣窗1. 本文將設(shè)置在溫室屋脊并高于屋脊的固定式通風(fēng)窗統(tǒng)稱為“氣樓”。為進(jìn)一步區(qū)分，按其高度區(qū)分為“氣樓”和“氣窗”，人能夠進(jìn)入行走或操作的稱為“氣樓”（一般要求高度在1.5 m 以上），人不能進(jìn)入行走或操作的稱為“氣窗”（一般高度在1.2 m 以下）。（圖1b）和斜立側(cè)墻圓拱屋面氣窗（圖1c）等形式。從通風(fēng)的效果看，屋脊平移通風(fēng)窗在窗扇頂起后也具有與屋面“氣樓”相同的通風(fēng)效果。

標(biāo)準(zhǔn)的塑料大棚，由于建筑體本身為單跨，跨度一般在8～10 m，無論是落地拱棚還是帶肩拱棚，依靠雙側(cè)側(cè)墻的卷膜開窗一般都能取得良好的通風(fēng)效果。在炎熱地區(qū)建設(shè)塑料大棚或其他地區(qū)越夏生產(chǎn)的塑料大棚，在屋面上設(shè)置卷膜通風(fēng)，結(jié)合側(cè)墻通風(fēng)一般也能滿足通風(fēng)降溫的要求。對室外氣溫持續(xù)較高或室內(nèi)種植作物對光照要求不高的大棚可設(shè)置外遮陽網(wǎng)或?qū)ε锬け砻鎳姲祝冉鉀Q了大棚遮陽的問題也解決了大棚降溫的問題，所以標(biāo)準(zhǔn)的塑料大棚基本不采用“氣樓”式的通風(fēng)形式。

近年來，隨著設(shè)施建設(shè)土地資源越來越緊張以及大棚內(nèi)機械化作業(yè)水平的不斷提高，大跨度塑料大棚相繼在全國各地興起，大棚跨度從標(biāo)準(zhǔn)的10 m 以內(nèi)發(fā)展到20 m，甚至30 m 以上，大棚在跨度方向的外圍尺寸基本和3 連跨、5 連跨的連棟溫室相差無幾，因此僅僅依靠側(cè)墻通風(fēng)的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)大棚自然通風(fēng)方式將難以滿足這類大跨度大棚的降溫需要，一些連棟溫室上采用的強化通風(fēng)的“氣樓”式通風(fēng)窗自然而然地被使用在了這種塑料大棚上。

圖1 連棟溫室屋脊“氣樓”的形式

圖2 大跨度塑料大棚上的“氣樓”通風(fēng)窗形式

大跨度塑料大棚上“氣樓”通風(fēng)窗的形式

大跨度塑料大棚上的“氣樓”通風(fēng)窗，除了可用圖1 所示連棟溫室采用的形式外，筆者在走訪中還發(fā)現(xiàn)了另外3 種形式，分別為矩形、梯形和圓拱屋面形（圖2）。

從提高通風(fēng)效率和增強溫室結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的角度分析，梯形結(jié)構(gòu)通風(fēng)窗似乎更合理，一是斜立側(cè)墻對側(cè)面來風(fēng)具有導(dǎo)流作用，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載體型系數(shù)小，同等風(fēng)力作用在結(jié)構(gòu)上的壓力較?。欢菑氖覂?nèi)溢流的熱風(fēng)不受任何阻擋可直接排出室外，排風(fēng)的流道短、孔口阻力小，排風(fēng)效率高；三是采用卷膜通風(fēng)時，兩側(cè)斜面可以支撐卷膜軸，相應(yīng)對薄膜的拉拽和卷膜電機的動力輸出要求低。但梯形通風(fēng)窗如果在下雨期間不能及時關(guān)閉窗口，室外降雨將會直接垂落到溫室室內(nèi)（當(dāng)下雨伴隨刮風(fēng)時，直立側(cè)墻的通風(fēng)窗也同樣會有雨滴飄入溫室的問題，但可以通過上風(fēng)側(cè)關(guān)閉下風(fēng)側(cè)打開的方式解決這個問題），尤其在高溫季節(jié)下雨期間需要進(jìn)行通風(fēng)換氣時，這種通風(fēng)窗的防雨弱點更是被充分放大。

圓拱屋面通風(fēng)窗與平屋頂?shù)木匦位蛱菪瓮L(fēng)窗相比，頂面不易積水，尤其對塑料薄膜圍護(hù)的通風(fēng)窗更不會在通風(fēng)窗的頂面形成水兜，表面積灰引起透光率降低的程度也較小。從外觀造型上看，圓拱屋面的“氣樓”較矩形或梯形的更美觀，但在相同通風(fēng)口高度的情況下，圓拱屋面“氣樓”的建筑高度最高，因此對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)要求更高，同時結(jié)構(gòu)的用材量也最大，施工安裝的工時也最長。

不同形式的“氣樓”建筑各有特點，在具體設(shè)計中應(yīng)根據(jù)溫室建設(shè)地區(qū)的氣候特點、溫室種植作物對通風(fēng)降溫的要求以及工程造價等多種因素綜合考慮，優(yōu)化選擇確定“氣樓”的建筑形式。

“氣樓”式大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)

大跨度塑料大棚按其保溫形式的不同分為不保溫大棚、外保溫大棚和內(nèi)保溫大棚（圖3）。不保溫大棚就是簡單地將標(biāo)準(zhǔn)塑料大棚跨度和高度加大，其保溫性能和普通塑料大棚基本相同，而保溫大棚則是在大棚屋面上增設(shè)能夠卷放的柔性活動保溫被，白天保溫被卷起便于大棚采光，夜間保溫被展開為大棚保溫，由此可大大提高塑料大棚的保溫性能，不僅延長了傳統(tǒng)塑料大棚“春提早、秋延后”的種植時間，在一些冬季溫度不是很低的地區(qū)甚至還可以實現(xiàn)越冬生產(chǎn)，使大棚和土地的使用效率雙雙得以提升，從而獲得經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的全面提升。

保溫大棚按照保溫被的設(shè)置位置不同可分為外保溫大棚（圖3b）和內(nèi)保溫大棚（圖3c）。不設(shè)“氣樓”的大跨度外保溫大棚的結(jié)構(gòu)和保溫被的安裝與控制筆者在2017～2018 年本刊上進(jìn)行過總結(jié)[2-3]。事實上，在外保溫大棚上安裝“氣樓”，由于需要對“氣樓”單獨保溫，配套的保溫設(shè)施相對復(fù)雜，所以配套“氣樓”的大跨度塑料大棚主要為不保溫大棚和內(nèi)保溫大棚。

“氣樓”的承力結(jié)構(gòu)

在大跨度塑料大棚上支撐“氣樓”的承力結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是單柱結(jié)構(gòu)，在大棚跨中設(shè)單立柱，柱頂安裝與大棚屋脊同方向的柱頂梁，在柱頂梁上安裝“V”形支桿，下部支撐在柱頂梁上，上部與大棚屋面拱桿相接并分別支撐“氣樓”在屋面上的兩側(cè)底邊（圖4a）；另一種是雙柱結(jié)構(gòu)，在大棚跨中采用雙柱，立柱從地面直接通到大棚屋面拱桿并支撐“氣樓”在屋面上的兩側(cè)底邊（圖4b），兩根立柱在大棚跨度方向的間距即是“氣樓”的跨度，其位置則處于“氣樓”的側(cè)墻正下方。為了增強結(jié)構(gòu)的承載能力，在大棚立柱與屋面拱桿的上部位置還可增設(shè)加強支撐（圖4c），具體的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)大棚建設(shè)地區(qū)的風(fēng)雪荷載以及大棚跨度和“氣樓”的建筑形式及尺寸等設(shè)計參數(shù)確定。

“氣樓”式內(nèi)保溫大棚的結(jié)構(gòu)與保溫

采用保溫被做內(nèi)保溫的大跨度保溫塑料大棚，其結(jié)構(gòu)形式一般都是采用雙層骨架結(jié)構(gòu)（圖5）。內(nèi)層結(jié)構(gòu)和外層結(jié)構(gòu)分別覆蓋塑料薄膜，形成雙膜保溫結(jié)構(gòu)。嚴(yán)寒季節(jié)可雙膜覆蓋提高白天的保溫性能；氣溫適宜的季節(jié)或時段，可揭開室內(nèi)保溫膜，大棚單膜覆蓋以增強大棚的采光。保溫被安裝在內(nèi)層骨架，在山墻端安裝擺臂式卷簾機，白天卷起，夜間展開，以保證大棚夜間的保溫和白天的采光。將保溫被安裝在內(nèi)層骨架，一可以避免保溫被受外界風(fēng)雨雪的侵?jǐn)_，降低對保溫被防水和抗老化的要求，延長保溫被的使用壽命；二可以在兩層骨架間形成空氣間層，進(jìn)一步提高溫室的保溫性能。所以，在嚴(yán)寒地區(qū)或者需要大跨度保溫大棚越冬生產(chǎn)時常采用內(nèi)保溫的大棚結(jié)構(gòu)。

圖4 大跨度塑料大棚“氣樓”通風(fēng)窗支撐結(jié)構(gòu)

圖5 內(nèi)保溫大棚結(jié)構(gòu)

圖6 雙立柱內(nèi)保溫大棚“氣樓”的結(jié)構(gòu)

對于不設(shè)“氣樓”的內(nèi)保溫大棚，保溫被可以全部覆蓋內(nèi)層拱架的屋面，在屋脊處固定，從兩側(cè)活動邊向屋脊卷放，可形成屋面保溫被的嚴(yán)密密封。

對于柱頂安裝“V”形支桿的單立柱“氣樓”內(nèi)保溫大棚，可將內(nèi)層骨架安裝到立柱柱頂梁上，內(nèi)層骨架雙側(cè)屋面保溫被用兩臺卷簾機分別卷放兩張保溫被，兩張保溫被的固定邊可固定在“V”形支桿的兩側(cè)，兩幅保溫被之間可用固定保溫條連接（由于固定條的幅寬較小，基本不影響大棚內(nèi)作物的采光）或如同不設(shè)“氣樓”的內(nèi)保溫大棚一樣直接用一整幅保溫被，在遇到“V”形支桿時保溫被開口繞過支桿，也能形成比較嚴(yán)密的保溫。對于大棚的通風(fēng)，可像日光溫室一樣，在內(nèi)層骨架保溫被卷起位置的下方設(shè)置沿大棚長度方向通長的通風(fēng)口（可以是卷膜開窗、拉膜開窗，也可以是齒輪齒條開窗，甚至還可以不設(shè)開窗機構(gòu)用保溫被控制通風(fēng)口的啟閉），白天保溫被卷起，當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定通風(fēng)溫度后，通風(fēng)口打開，大棚通風(fēng)；當(dāng)室內(nèi)溫度在設(shè)定通風(fēng)溫度以下時，關(guān)閉通風(fēng)口，室內(nèi)外雙層膜形成大棚良好的采光和保溫。

對于安裝“氣樓”的雙立柱內(nèi)保溫大棚，由于立柱要貫通內(nèi)外兩層屋面拱架，并且彼此還有一定距離，上述的單幅保溫被雙側(cè)卷被的方案將無法實現(xiàn)“氣樓”下部兩柱之間的卷放。如果在這塊區(qū)域采用固定式保溫被保溫，一是保溫被的陰影面積太大；二是固定保溫被同時也封閉了“氣樓”的出風(fēng)口，大棚的通風(fēng)將受到直接阻擋，為此，設(shè)計者采用了中空PC 板做“氣樓”的底板（圖6a），一是中空PC 板具有一定的透光性能，不會在大棚內(nèi)形成固定的陰影帶；二是中空PC 板同樣也具有一定的保溫性能，盡管其保溫性能無法和保溫被相媲美，但與塑料薄膜比較卻有數(shù)量級的增加。為實現(xiàn)“氣樓”的通風(fēng)，在“氣樓”的底板PC 板上安裝了齒輪齒條開窗機（圖6b），需要通風(fēng)時將“氣樓”底板頂起，打開出氣口通風(fēng)；需要保溫時放平底板，關(guān)閉通風(fēng)口。當(dāng)然，如上述單立柱結(jié)構(gòu)大棚一樣，在內(nèi)層骨架的屋面上保溫被卷起的位置開設(shè)通風(fēng)口，也可以解決這個問題。不論采取哪種通風(fēng)方式，由于氣樓底板的保溫性能遠(yuǎn)不及保溫被的保溫性能，因此，“氣樓”底板實際上在大棚內(nèi)形成了一個“冷橋”，非常不利于大棚的整體保溫，或許在不影響“氣樓”底板開窗通風(fēng)的基礎(chǔ)上在其上表面附加一層水平活動保溫被與內(nèi)保溫被形成閉合保溫系統(tǒng)，會使這個問題得到有效解決，實踐中可以嘗試應(yīng)用。

圖7 凹形“氣樓”結(jié)構(gòu)

圖8 凹形“氣樓”大棚“氣樓”底板室內(nèi)立柱支撐方式

圖9 凹形“氣樓”大棚的通風(fēng)口開啟方式

凹形“氣樓”

前述介紹的“氣樓”都是凸出屋脊的通風(fēng)窗。2013 年筆者在云南調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)過凹形“氣樓”，在此也一并介紹。凹形“氣樓”是相對凸形“氣樓”而言的。凸形“氣樓”是通氣窗凸出大棚屋脊的通風(fēng)窗，而凹形“氣樓”則是通風(fēng)窗在屋脊部位垂凹進(jìn)室內(nèi)，從外形看是在屋脊處形成一個凹槽（圖7a），恰似完全對稱型陰陽型日光溫室的外形，只是前者凹槽的兩側(cè)為屋面通風(fēng)口（圖7b），而后者為保溫屋面。嚴(yán)格講，這種大棚的屋脊應(yīng)該是凹形“氣樓”的兩側(cè)“屋檐”。

由于大棚屋脊在風(fēng)壓作用下始終處于負(fù)壓狀態(tài)，所以，不論是風(fēng)壓還是熱壓，凹形“氣樓”通風(fēng)窗都是向外排氣，基本不會發(fā)生室外冷空氣倒灌的問題。另外，從建筑外形看，由于沒有屋面的凸出結(jié)構(gòu)，對大棚結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)要求也不會進(jìn)一步提升。從室內(nèi)看（圖7c），大棚“屋脊”下沉，其結(jié)構(gòu)為立柱支撐“底板”，該“底板”既是屋面雨雪的排水槽，也是屋面通風(fēng)窗操作的作業(yè)走道，同時也兼做用于薄膜更換或結(jié)構(gòu)維修的作業(yè)平臺。從室內(nèi)種植作物的要求看，雖然大棚的“屋脊”下沉，降低了傳統(tǒng)大棚的屋脊高度，但基本不影響室內(nèi)作物的種植空間。

和凸形“氣樓”的支撐方式相同，支撐凹形“氣樓”底板的方式也有單柱和雙柱之分（圖8）。由于是直接支撐“樓板”，所以，民用建筑上的一些常規(guī)的立柱支撐方式都可以直接采用。

凹形“氣樓”通風(fēng)口的開啟方式，可以是手動扒縫（圖9a），也可以是手動或電動卷膜（圖9b）。手動扒縫需要操作者經(jīng)常上下屋頂操作，作業(yè)勞動強度高、環(huán)境控制也不精準(zhǔn)。在條件許可的情況下，建議盡量采用卷膜開窗的方式。