周博士考察拾零(一百一十七) 鋸齒形連棟塑料薄膜溫室屋面結(jié)構(gòu)與開窗形式

周長吉（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125）

塑料薄膜溫室是連棟溫室中應(yīng)用面積最大的一種溫室形式。連棟塑料薄膜溫室，從屋面形狀看，可分為圓拱形塑料薄膜溫室、鋸齒形塑料薄膜溫室和尖頂形塑料薄膜溫室三種。其中尖頂形塑料薄膜溫室，如同硬質(zhì)板玻璃溫室和PC 板溫室一樣，屋面為傾斜的平面（鋸齒屋面溫室中也有類似的傾斜平面鋸齒結(jié)構(gòu)，但覆蓋材料多為硬質(zhì)板材），覆蓋屋面的塑料薄膜主要依靠四周和內(nèi)部的卡槽/ 卡簧固定。這種固膜方式由于塑料薄膜的熱脹能力較強，夏季屋面塑料薄膜受熱后很容易伸長而變松弛，在大風作用下塑料薄膜會發(fā)生振動并拍打屋面構(gòu)件，造成塑料薄膜破損或降低其使用壽命，此外，松弛的塑料薄膜也容易在室外降雨時在屋面上形成水兜，不僅增大溫室結(jié)構(gòu)的承重荷載，嚴重的甚至會引起溫室結(jié)構(gòu)倒塌，而且水兜處的塑料薄膜由于發(fā)生塑性變形也將失去其作為溫室采光和圍護的功能。

因此，從方便固緊塑料薄膜和延長塑料薄膜使用壽命的角度出發(fā)，目前國內(nèi)外大多數(shù)塑料薄膜溫室采用拱屋面結(jié)構(gòu)（包括圓拱屋面和鋸齒屋面），用壓膜線結(jié)合卡槽/卡簧固定屋面塑料薄膜。采用壓膜線可根據(jù)塑料薄膜的松弛程度隨時調(diào)整其張緊度，保證塑料薄膜始終處于張緊狀態(tài)。從溫室自然通風的能力看，相同屋脊高度條件下，鋸齒形溫室屋面通風口的位置比圓拱屋面溫室更高，所以熱壓作用下自然通風的能力更強。由此，鋸齒形溫室在中國南方地區(qū)的自然通風溫室中被大量應(yīng)用。文章就目前國內(nèi)鋸齒形圓拱屋面溫室的建筑結(jié)構(gòu)形式和窗口開啟方式及其配套開窗設(shè)備做一總結(jié)和梳理，可為相關(guān)工程設(shè)計人員研究和參考。

鋸齒形連棟塑料薄膜溫室的屋面建筑形式

鋸齒形圓拱屋面溫室是因圓拱屋面溫室上開設(shè)豎直的通風口而使溫室屋面從外形上看好似鋸齒而得名。鋸齒口即是溫室屋面的通風口。從鋸齒口所處的位置看，鋸齒形溫室的屋面有屋頂鋸齒和天溝鋸齒之分，前者鋸齒口開設(shè)在溫室跨內(nèi)屋面上（圖1），后者鋸齒口則開設(shè)在溫室天溝側(cè)（圖2）。為方便表述，本文將鋸齒口開設(shè)在溫室跨內(nèi)屋面上的溫室稱為頂鋸齒屋面溫室；鋸齒口開設(shè)在溫室天溝側(cè)的溫室稱為側(cè)鋸齒屋面溫室。

圖1 屋頂鋸齒溫室的形式

圖2 天溝側(cè)鋸齒溫室的形式

頂鋸齒屋面溫室根據(jù)鋸齒口在溫室跨內(nèi)的位置或者鋸齒口兩側(cè)屋面拱桿的長度不同，又分為長頂鋸齒屋面溫室、短頂鋸齒屋面溫室和中頂鋸齒屋面溫室（以鋸齒口上部拱桿長短劃分），為簡化稱謂，筆者將其分別命名為長鋸齒溫室（圖1a）、短鋸齒溫室（圖1b）和中鋸齒溫室（圖1c）。在通風口高度相同的條件下，由于中鋸齒溫室鋸齒口兩側(cè)室內(nèi)空氣的流程相同，而長鋸齒和短鋸齒溫室鋸齒口兩側(cè)室內(nèi)空氣流程總有一側(cè)長而另一側(cè)短，因此中鋸齒溫室內(nèi)的溫度更均勻。長鋸齒溫室和短鋸齒溫室相比，因為長鋸齒溫室鋸齒口下室內(nèi)面積大，相應(yīng)通過鋸齒口順流排除的熱空氣多，通風的效果應(yīng)比短鋸齒溫室的更好。

側(cè)鋸齒屋面溫室根據(jù)每跨鋸齒屋面（或鋸齒口）的多少可分為全屋面鋸齒溫室（也稱為單屋面鋸齒溫室，圖2a）、雙屋面鋸齒溫室（圖2b）和三屋面鋸齒溫室，分別簡化命名為單鋸齒溫室、雙鋸齒溫室和三鋸齒溫室。其中雙鋸齒溫室和三鋸齒溫室從結(jié)構(gòu)上多借鑒文洛型溫室的桁架梁結(jié)構(gòu)，每跨桁架梁上可支撐2 個或3 個，甚至4 個小屋頂。相比單鋸齒溫室，文洛結(jié)構(gòu)的單跨多屋頂溫室可在保持天溝高度不變的條件下使溫室的屋脊高度大大降低，從而可顯著提高溫室的整體抗風能力，此外，由于通風口數(shù)量增加（總通風口面積增大），通風口的分布也更均勻，溫室內(nèi)溫光環(huán)境也隨之更加均勻，這種溫室尤其適合于溫室育苗和花卉種植。

按照熱壓通風設(shè)計理論，決定溫室熱壓通風量大小的因素，一是通風口的位置，位置越高，通風量越大；二是通風口的大小，通風口越大，通風量越大；三是通風口的孔口阻力。在相同屋脊高度的條件下，天溝側(cè)鋸齒的開口面積一般總是大于屋頂鋸齒口面積，所以，天溝側(cè)鋸齒溫室的通風量應(yīng)大于屋頂鋸齒溫室的通風量。但與屋頂鋸齒溫室相比，天溝側(cè)鋸齒溫室室內(nèi)氣流流程長，室內(nèi)溫度分布均勻性相對差，而且大鋸齒口溫室的抗風能力也相應(yīng)降低，因此生產(chǎn)實踐中大多采用屋頂鋸齒形溫室，只有在要求通風量大的熱帶地區(qū)才采用天溝側(cè)鋸齒溫室。

鋸齒屋面溫室夏季運行大部分時間通風口處于常開狀態(tài)。當室外降雨期間遇到朝向通風口方向的風向時，雨水很容易飄進溫室。為了解決這一問題，有的溫室設(shè)計者在通風口的上沿增設(shè)了一道沿溫室屋脊方向通長的用透光塑料薄膜覆蓋的雨棚（圖3）。該防雨棚可有效防止雨水飄入溫室，但在大風天氣條件下，從結(jié)構(gòu)上挑出的雨棚易被大風折斷，即使雨棚構(gòu)件的強度足夠，通過雨棚傳遞到溫室屋面拱桿的內(nèi)力也較大，因此，在大風地區(qū)應(yīng)盡量不用這種雨棚，而應(yīng)密封溫室通風口，保證溫室的結(jié)構(gòu)安全。

圖3 屋面窗口防雨棚的做法

鋸齒形連棟塑料薄膜溫室的屋面結(jié)構(gòu)形式

屋頂鋸齒形連棟塑料薄膜溫室的屋面結(jié)構(gòu)形式

從結(jié)構(gòu)上看，形成屋頂鋸齒通風口的方式大體有三種：雙側(cè)屋面拱桿交叉連接（圖4a）、雙側(cè)屋面錯位連接（圖4b）和在傳統(tǒng)圓拱屋面上獨立設(shè)置通風窗（圖4c）。

圖4 屋頂鋸齒口在溫室結(jié)構(gòu)上的構(gòu)建形式

圓拱屋面上獨立窗溫室結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)圓拱屋面上獨立設(shè)置通風口的鋸齒溫室，可直接利用圓拱屋面溫室的屋面結(jié)構(gòu)，在其中一側(cè)屋面拱桿上連接通風口拱桿，另一側(cè)屋面拱桿上連接通風口立桿，通風口拱桿和立桿在屋脊處交匯（帶雨棚的通風口，通風口拱桿尚需繼續(xù)延伸挑出通風口立桿），即形成以通風口立桿長度為高度的溫室屋頂鋸齒通風口（圖4c）。這種通風口形式可在已有圓拱屋面溫室結(jié)構(gòu)上直接改裝而成，無需另行結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)件加工，既是已經(jīng)使用的圓拱屋面溫室，也可很方便地改造成為鋸齒形屋面溫室。溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工設(shè)備的通用性強，相應(yīng)溫室結(jié)構(gòu)的造價也低。

雙側(cè)屋面交叉連接的鋸齒屋面溫室結(jié)構(gòu)

這種溫室結(jié)構(gòu)是在溫室屋面一側(cè)拱桿（稱為屋脊拱桿）的中上部連接另一側(cè)屋面拱桿（非屋脊拱桿）的端部后繼續(xù)延伸，并在其端部形成溫室屋脊，在溫室屋脊拱桿的屋脊端連接鋸齒通風口立桿的上端，立桿的下端連接到非屋脊屋面拱桿上，形成屋面鋸齒通風口并支撐屋脊拱桿。這種溫室結(jié)構(gòu)屋面雙側(cè)拱桿的長度多不同，弧度或相同，或不同?；《认嗤瑫r，雙側(cè)拱桿交叉在溫室跨中（圖5a），屋脊拱桿長度長，非屋脊拱桿長度短，從外形上看，這種溫室屋面基本和圓拱屋面上獨立設(shè)置通風口的鋸齒形式完全相同。弧度不同時，雙側(cè)拱桿偏離溫室跨中位置交叉（圖5b），屋脊拱桿或長于非屋脊拱桿，或短于非屋脊拱桿，也或二者等長。

圖5 雙側(cè)屋面交叉連接形成屋頂鋸齒口溫室的屋架結(jié)構(gòu)

屋面雙側(cè)拱桿弧度不同溫室的鋸齒口高度一般比屋面雙側(cè)拱桿弧度相同溫室的鋸齒口高度要高，由此，其熱壓自然通風的能力也更強，但由于非屋脊拱桿的弧度小，在外力作用下拱桿承受的彎矩相對較大，因此相同規(guī)格的溫室，屋面拱桿的截面尺寸必然增大，溫室結(jié)構(gòu)的用材增多，造價也將相應(yīng)提高。

雙側(cè)屋面錯位連接的鋸齒屋面溫室結(jié)構(gòu)

這種溫室結(jié)構(gòu)鋸齒口的形成有兩種方式：一種是在溫室屋面拱架的弦桿上設(shè)置豎直支撐桿，屋面兩側(cè)拱桿的端頭高低錯位連接到該豎直支撐桿上（圖6a）；另一種是在溫室內(nèi)設(shè)立柱，屋面兩側(cè)的拱桿端頭高低錯位連接到室內(nèi)立柱上（圖6b）。兩側(cè)屋面的錯位高度即是鋸齒屋面的通風口高度。這種溫室的通風口一般設(shè)置在溫室的跨中，通風口兩側(cè)屋面拱桿的跨度相同，但長度和弧度均不同。

圖6 雙側(cè)屋面錯位連接形成屋頂鋸齒口溫室的結(jié)構(gòu)形式

天溝側(cè)鋸齒形連棟塑料薄膜溫室的屋面結(jié)構(gòu)形式

天溝側(cè)鋸齒屋面溫室，每個屋面只有一根屋面拱桿，一端支撐在天溝上（或通過天溝托架支撐在立柱上），另一端則支撐在溫室立柱（或從天溝邊升起的短立柱）的頂端。立柱頂端既是溫室的屋脊點，又是鋸齒通風口的上沿，通風口的下沿為天溝上沿。相比圓拱屋面溫室和屋頂鋸齒溫室，天溝側(cè)鋸齒溫室屋面拱桿的跨度較大（尤其是單鋸齒溫室）。為了增強溫室屋面結(jié)構(gòu)的強度，一般在鋸齒開口側(cè)天溝下立柱上附加一道斜撐，支撐到屋面拱桿的中上部（圖7）。當然在溫室立柱的頂端增設(shè)弦桿，在弦桿上附加屋面拱桿的豎向吊桿或傾斜腹桿，也都是提高溫室屋面結(jié)構(gòu)整體強度的有效方法。

圖7 天溝側(cè)鋸齒屋面溫室結(jié)構(gòu)形式

鋸齒形連棟塑料薄膜溫室的屋面開窗方式

鋸齒形連棟塑料薄膜溫室屋面開窗設(shè)備

鋸齒形連棟塑料薄膜溫室，覆蓋鋸齒通風口的材料一般也是塑料薄膜，所以啟閉通風口大都采用卷膜的方法。由此，塑料大棚和圓拱屋面塑料薄膜溫室用于卷膜開窗的所有設(shè)備均可適用于鋸齒形連棟塑料薄膜溫室通風口的啟閉，如鏈輪式手動開窗機（圖8a）、渦輪式手動開窗機（圖8b）、擺臂式電動卷膜器（圖8c）和滑桿式電動卷膜器（圖8d）。

塑料大棚和圓拱屋面連棟塑料薄膜溫室的屋面為弧形，相應(yīng)屋面通風口也是弧形，而鋸齒屋面溫室的通風口是豎直的，為此，啟閉鋸齒屋面通風口對設(shè)備的自鎖功能要求更強。事實上，在連棟塑料薄膜溫室立墻上所用的卷膜開窗方式完全可以移植使用到鋸齒屋面溫室通風口的控制，只是由于后者窗口的位置較高，手動卷膜開窗需要長的導鏈或臂桿（圖8a、圖8b），也正是由于其窗口位置較高，生產(chǎn)實踐中更多采用電動卷膜的方式（圖8c、圖8d），其中尤以擺臂式電動卷膜開窗應(yīng)用更廣。

圖8 鋸齒形連棟塑料薄膜溫室屋面開窗設(shè)備主要類型

擺臂式電動開窗擺臂桿的設(shè)置位置

擺臂式電動卷膜開窗，單機控制卷膜軸的長度可達到60～80 m，一般溫室一側(cè)設(shè)置卷膜器即可實現(xiàn)對整個屋面長度上通風口的控制。對于長度超過100 m 的溫室也可以在溫室兩側(cè)山墻分別設(shè)置卷膜器，控制通風口的啟閉。

擺臂桿，實際上是由2 根管組成的套管（分別稱為內(nèi)插管和外套管），其一端固定在溫室山墻側(cè)的承力構(gòu)件上（稱為擺臂桿的固定端），另一端則固定在卷膜器上，隨卷膜器的運動而運動（稱為擺臂桿的活動端）。由于卷膜器在啟閉過程中擺臂桿的固定端和活動端之間的距離在時刻變化，所以擺臂桿通過內(nèi)插管從外套管中抽出或縮進來調(diào)節(jié)其長度以適應(yīng)卷膜器運動對擺臂桿長度變化的要求。內(nèi)插管在外套管內(nèi)的插入長度不應(yīng)小于通風口的高度，也就是說，內(nèi)插管、外套管以及擺臂桿的最小長度都不應(yīng)小于通風口的高度。為節(jié)省投資，內(nèi)插管和外套管可選用等長鋼管，長度略大于通風口高度即可。

擺臂桿的固定端在溫室山墻側(cè)的固定位置沒有規(guī)范的設(shè)置方法，生產(chǎn)實踐中可設(shè)置在溫室外遮陽的橫梁上（圖9a）、溫室山墻屋面拱桿上、溫室山墻屋面拱架的腹桿上（圖9b）或弦桿/ 桁架梁上（圖9c），其中以設(shè)置在溫室山墻屋架腹桿（主要在吊桿）或溫室山墻抗風立柱上的居多。一般選擇在滿足擺臂桿最小長度的最近構(gòu)件上，且固定點處于通風口的背側(cè)。

圖9 擺臂電動開窗系統(tǒng)擺臂桿在屋面結(jié)構(gòu)上的固定位置

在溫室山墻屋面拱架的腹桿上固定擺臂桿固定端時，一般固定在溫室山墻跨中的吊桿上（因為跨中吊桿距離屋面通風口距離最近）。根據(jù)通風口大小或擺臂桿的長短，擺臂桿固定端在山墻跨中吊桿上的位置可以在上部（圖10a）、中部或下部（圖10b）。具體工程設(shè)計中可根據(jù)實際情況選擇合適的固定方法。

圖10 擺臂電動開窗系統(tǒng)擺臂桿在山墻跨中吊桿上的固定位置