熱區(qū)輕簡化抗臺風(fēng)連拱大棚創(chuàng)新研究＊

劉 建，陳旖旎，王寶龍（海南大學(xué)園藝學(xué)院/海南省熱帶園藝作物品質(zhì)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口 570228）

海南地處熱區(qū)，雨熱同季，夏秋高溫，多臺風(fēng)暴雨，濕熱氣候可加速病蟲害的傳播，設(shè)施保護(hù)地栽培因能克服夏秋暴雨、高溫、多臺風(fēng)等不利氣象因素，被廣泛應(yīng)用于常年蔬菜栽培，尤其應(yīng)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(yīng)的淡季）。目前海南常見的設(shè)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(shè)施要求滿足通風(fēng)、防雨、防蟲、適合耕作等基礎(chǔ)生產(chǎn)條件，而海南常見設(shè)施結(jié)構(gòu)類型存在抗風(fēng)等級高則造價(jià)高，造價(jià)低的簡易棚又不具備抗風(fēng)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(fēng)效果不好等問題。熱區(qū)輕簡化抗臺風(fēng)連拱大棚就是在這樣的市場需求牽引下研發(fā)的。大棚結(jié)構(gòu)在滿足海南常年蔬菜生產(chǎn)的基本需求基礎(chǔ)上更為輕簡，既滿足常年蔬菜種植功能，又可降低造價(jià)、節(jié)約投資。

結(jié)構(gòu)參數(shù)與特點(diǎn)

熱區(qū)輕簡化抗臺風(fēng)連拱大棚結(jié)構(gòu)以專利棚型（一種全裝配式拱桿交叉連拱大棚結(jié)構(gòu)ZL2020214324810[1]）為基礎(chǔ)研發(fā)設(shè)計(jì)，效果圖如圖1 所示。

圖1 輕簡化連拱大棚效果圖

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)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(shè)置手動(dòng)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(dòng)邊，手動(dòng)開合。通過上述做法實(shí)現(xiàn)頂部防雨、四周及拱間通風(fēng)、內(nèi)部遮陽的功能。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大棚將立柱與屋架結(jié)合，配合拉桿構(gòu)建成一個(gè)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(jié)構(gòu)，拱柱結(jié)合、更為輕便。

立柱采用拱交叉設(shè)計(jì)，交叉拱結(jié)構(gòu)相較于獨(dú)立拱結(jié)構(gòu)，受力均勻，更有利于提升結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，同等用材下大棚的抗風(fēng)性能得到提升。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算，風(fēng)荷載為0.5 kN/m2（詳見荷載參數(shù)部分定義）時(shí)，用鋼量僅為2.5 kg/m2（含預(yù)埋件），結(jié)構(gòu)體系如圖3 所示。

圖3 輕簡化連拱大棚結(jié)構(gòu)體系示意圖/mm

棚型在研發(fā)時(shí)，從單拱棚的拱形結(jié)構(gòu)受力較好受到啟發(fā)，充分分析其優(yōu)缺點(diǎn)，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(fēng)排水空間結(jié)合，形成0.8 m 寬通風(fēng)帶，如圖4 所示。結(jié)合后的通風(fēng)帶同時(shí)也承擔(dān)大棚排水功能，相較單拱棚提高了土地利用率。通風(fēng)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(fēng)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(jié)構(gòu)計(jì)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(fēng)壓（W0）為0.500 kN/m2，相當(dāng)于11 級風(fēng)中間風(fēng)速，主要用于主體鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算。塑料膜、網(wǎng)等覆蓋材料的機(jī)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(fēng)驗(yàn)算，但要求薄膜厚度與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匹配。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值計(jì)算

考慮最不利組合為恒載+風(fēng)荷載。風(fēng)荷載為主導(dǎo)荷載，由可變荷載控制效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd的計(jì)算公式[2]，SGk為恒載標(biāo)準(zhǔn)值，SQ1k為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，SQik為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（n=2）；恒載分項(xiàng)系數(shù)取1，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1，活荷載分項(xiàng)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(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]，結(jié)構(gòu)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(fēng)壓高度變化系數(shù) μz取0.76；按開敞式結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，作用在屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs取-0.75[3]。榀距（開間）L 為4.0 m。

恒載標(biāo)準(zhǔn)值SGk=0.025 kN/m2，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值SQ1k=W0μzμs=0.5×0.76×(-0.75)=-0.285 kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值SQ1k=0.1 kN/m2。

作用在拱架上的各荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算如下：

（1）恒荷載設(shè)計(jì)值

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

結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

采用PKPM2010 版對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。所選構(gòu)件的規(guī)格計(jì)算結(jié)果均通過，計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力比詳見圖5。從圖示結(jié)果可知內(nèi)力在構(gòu)件內(nèi)部分布比較均勻，通過連拱形式，各構(gòu)件形成空間體系，整個(gè)拱架類似桁架結(jié)構(gòu)，受力性能優(yōu)良。

材料規(guī)格與基礎(chǔ)做法

溫室大棚屬于輕鋼類建筑，僅基礎(chǔ)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(yù)埋件、澆筑混凝土、振搗密實(shí)、養(yǎng)護(hù)、拆模等工藝流程。本連拱大棚采用預(yù)制混凝土基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)包括基礎(chǔ)在內(nèi)的全部構(gòu)件裝配式安裝?；炷粱A(chǔ)的建造養(yǎng)護(hù)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(gòu)件質(zhì)量，又減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)大棚安裝的輕簡化。

基礎(chǔ)

采用C30 預(yù)制混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，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(yù)埋件，底部焊接0.3 m 長、φ 10 三級鋼筋4 條（實(shí)物如圖6b）；棚間通風(fēng)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(fēng)柱立柱φ32×1.5 mm、加強(qiáng)桿φ 25×1.2mm（以上構(gòu)件規(guī)格均為給定荷載條件下計(jì)算得出，不同荷載條件下，結(jié)構(gòu)組成不變，調(diào)整構(gòu)件截面可滿足相應(yīng)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(gòu)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(gòu)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(jià)估算與對比分析

造價(jià)估算

本造價(jià)計(jì)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(jì)算面積為34.8 m×56 m=1948.8 m2。造價(jià)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(guān)定額。主要材料價(jià)格參照《海南工程造價(jià)信息》2021 年7 月?？诘貐^(qū)的材料價(jià)，其中缺項(xiàng)的材料價(jià)格依據(jù)市場咨詢價(jià)格，計(jì)算結(jié)果含增值稅9% 及相關(guān)的措施費(fèi)、規(guī)費(fèi)等，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。在風(fēng)荷載為0.5 kN/m2（如按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》方法取值，相當(dāng)于0.25 kN/m2）作用下，連拱大棚的造價(jià)約為3.68 萬元/667 m2。

表1 輕簡化連拱大棚造價(jià)估算表

造價(jià)對比分析

輕簡化連拱大棚主體鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)占比59.9%（含預(yù)埋件及連接件），覆蓋材料造價(jià)占比14.6%，土建工程占比造價(jià)17.7%，內(nèi)遮陽造價(jià)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(shè)計(jì)風(fēng)荷載相同，其造價(jià)約為5.5 萬元/667 m2，如圖7所示）設(shè)計(jì)相比較，輕簡化連拱大棚造價(jià)降低約33%，綜合考慮單體計(jì)算面積因素后造價(jià)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(yàn)算，在保持輕簡化連拱大棚結(jié)構(gòu)形式不變的條件下，僅改變所用構(gòu)件的管徑或壁厚、基礎(chǔ)規(guī)格和薄膜厚度，風(fēng)荷載按照0.92 kN/m2（相當(dāng)于14 級風(fēng)初始風(fēng)速，如按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》方法取值，相當(dāng)于0.5 kN/m2）取值時(shí)，其造價(jià)約為4.8 萬元/667 m2；風(fēng)荷載按照1.38 kN/m2（相當(dāng)于16 級風(fēng)初始風(fēng)速，基本達(dá)到海南登錄最大臺風(fēng)風(fēng)速，如按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》方法取值，相當(dāng)于0.75 kN/m2）取值時(shí)，其造價(jià)約為5.8 萬元/667 m2。具體使用時(shí)，可根據(jù)投資和需求抗風(fēng)等級選擇不同的風(fēng)荷載參數(shù)。

適用范圍與優(yōu)勢分析

熱區(qū)輕簡化抗臺風(fēng)連拱大棚具有以下4 點(diǎn)優(yōu)勢：①功能優(yōu)勢，該連拱大棚具有防雨，遮陽通風(fēng)，結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(fēng)要求；②安裝優(yōu)勢，該連拱大棚采用全裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積快速安裝，施工速度快，對土壤擾動(dòng)少，復(fù)墾方便，適合作為菜籃子常年蔬菜大棚在農(nóng)田上建設(shè)；③宜機(jī)優(yōu)勢，常見簡易大棚由于造價(jià)低，一般跨度或內(nèi)部空間較小，機(jī)械化操作的適應(yīng)性差，僅能滿足小型機(jī)械的使用，該連拱大棚在簡易大棚的投資標(biāo)準(zhǔn)下，進(jìn)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(jī)械的操作，宜機(jī)化水平提高；④造價(jià)優(yōu)勢，由于結(jié)構(gòu)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(fēng)的地區(qū)應(yīng)用優(yōu)勢明顯。