大跨度不等高大棚的设计与建造.pdf

JOURNAL OF CHANGJIANG VEGETABLESJOURNAL 2023 1设施蔬菜机械化 特约栏目主持 陆春胜 大专 上海市农业机械研究所推广研究员 总工程师 从事园 艺设施 农业机械的设计开发与农机先进适用技术的推广工作目 前主攻蔬菜收获机械研发 先后主持与 参加完成国家与上海市科技兴农项目 等 10 余项 曾获得国家科技进步二等 奖 1 项 国家级新产品奖 1 项 上海市 科技进步奖 2 项 上海市优秀新产品奖 2项 发表论文 10余篇 导读 我国南方地区夏季多高温多雨天气 为实现农作物越夏栽培 需要解决塑料大棚避雨 降温的难 题 本文所述的大跨度不等高大棚具有大空间 可实现棚内机械化操作 既可以做到夏季避雨降温 又 可以做到冬季保温 实现棚内作物周年栽培供应 大跨度不等高大棚的设计与建造 孙信成 郭指君 张忠武 杨连勇 黄琳 蒋万 康杰 陈位平 彭元群 王桢 谈雨婷 雷慧兰 蔬菜是湖南省种植业的第一大产业 1 2 是农 业和农村经济的重要支柱产业 1 3 2019 年蔬菜的 播种面积达 131 3 万 hm 2 在全国排名第 8 总产量 3 939 4 万 t 居全国第 7 位 1 2 4 湖南省 十四五 农业农村现代化规划 提出全链条打造十大千亿产 业 蔬菜产业是其中之一 5 湖南省位于长江流域冬 春蔬菜优势生产区 地理环境和气候条件适宜发 展蔬菜产业 在长期发展过程中形成了具地域特 色的设施蔬菜栽培模式 1 3 6 塑料大棚是我国最常 见的园艺设施类型 能充分利用气候条件 使蔬菜 生产减少自然环境条件中不利的影响 实现周年 生产 在我国南方地区主要利用塑料大棚搭配遮 阳网 防虫网等 1 7 应对冬春季的阴雨 低温环境 和夏季 早秋季的烈日 高温 强降水 2 8 为蔬菜生 产提供适宜的温 光 湿环境条件 用于蔬菜春提 早 秋延后栽培 在增加土地利用率 提高蔬菜产 品品质与种植生产效益方面有着重要作用 6 因而 受到种植者欢迎并且广泛发展 而当前农业生产 中普遍使用的塑料拱棚在夏季的避雨降温效果 差 严重影响南方地区伏季蔬菜供应 亟需一种能 实现越夏栽培的避雨降温的大跨度塑料拱棚 基 于此改良建造出大跨度不等高大棚 以期为蔬菜 越夏生产 增产增效提供帮助 基金项目 国家现代农业产业技术体系专项 CARS 23 湖 南省农业科技创新资金项目 2021CX53 常德市农业 科研专项资金项目 2020 常财农 0047 001 号 孙信成 常德市农林科学研究院 湖南 415000 电话 18273621172 E mail blue995299 郭指君 通讯作者 常德市农林科学研究院 湖南 415000 电话 13657407927 E mail 810722012 张忠武 杨连勇 黄琳 蒋万 康杰 陈位平 彭元群 王桢 谈 雨婷 常德市农林科学研究院 雷慧兰 鼎城区农业农村局 收稿日期 2022 10 12 10 JOURNAL OF CHANGJIANG VEGETABLESJOURNAL设施蔬菜机械化2023 1 1 术语和定义 单栋塑料大棚的骨架由热浸锌钢管组成 包括 立柱 拱杆 纵拉杆 斜撑 门等 9 大棚跨度 跨度又称宽度 指垂直大棚方 向 棚内拱架两端之间的水平距离 大棚高度 大棚的高度分为脊高 又称顶 高 和两侧的肩高 脊高指大棚骨架最高点至地面 设计标高的高度 肩高指从内地标高到天沟下沿的 垂直距离 立柱 大棚主要支柱 用以支撑拱杆和棚面 拱杆 又称拱架 用以支撑大棚的覆盖物 将屋面荷载传递至天沟或立柱 并承受风 雪等荷 载的拱形构件 还决定大棚的性状和空间 10 纵拉杆 又称纵梁 纵向连接拱杆 立柱 使 大棚的各单元集合成为一个整体 斜撑 传递相邻两拱杆间纵向力的承力构 件 是保证排架结构纵向稳定性的主要构件 11 12 压膜线 又称压杆 位于两拱杆间 使棚膜 绷平压实 压膜线两端用大棚两侧的地锚固定 地锚 大部分埋于地下 连接大棚压膜线 其抗拉拔能力强弱是决定大棚风载荷大小的重要 因素 13 荷载 大棚的荷载分为永久荷载 又称恒荷 载 和可变荷载 又称活荷载 前者包括大棚构架 的质量 覆盖物的质量等 后者包括风荷载 雪荷 载 作物荷载等 2 8 2 大棚结构与性能参数 大棚 图1 总跨度16 20 m 单侧跨度8 10 m 脊高为 4 5 5 0 m 高拱架单元脊高 5 0 m 低拱架 单元的脊高4 5 m 肩高不应低于2 0 m 拱架间距 为 1 0 1 2 m 大棚朝向 屋脊走向 宜按南北布置 大棚群间距在跨度方向为 1 2 m 在长度方向不应 小于 3 m 大棚长度在 30 m 以上的棚内设立 2 排 立柱 立柱横向间距1 m 纵向间距4 m 大棚的荷载符合GB T 51183 2016 农业温室 结构荷载规范 的要求 14 风载 0 25 kN m 2 雪载 0 3 kN m 2 恒载 0 55 kN m 2 作物荷载 0 15 kN m 2 3 建造材料 3 1 拱架材料 拱架材料均为Q235A型热镀锌材料 钢管的锌 附着量不低于570 g m 2 镀层厚度不低于80 m 并 符合 金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层 技术要 求及试验方法 GB T 13912 2020 的相关规定 15 大 棚主体钢结构设计使用年限应为10年 立柱为热镀 锌方钢管 规格35 mm 35 mm 2 0 mm 符合 结构用 冷弯空心型钢 GB T 6728 2017 的有关规定 16 拱 架及其伞形撑 门头柱和纵拉杆 斜撑的材料均为 32 mm 2 0 mm热镀锌圆管 卷膜杆及其卷膜立柱 的材料均为 25 mm 1 8 mm热镀锌圆管 3 2 覆盖材料 棚膜应满足种植作物的采光要求 透光率不应 低于85 可以选择乙烯 乙酸乙烯酯共聚物薄膜 EVA 厚度 0 08 mm 以上 质量符合 农业用乙 烯 乙酸乙烯酯共聚物 EVA 吹塑棚膜 GB T 20202 2019 的有关规定 17 也可选用聚乙烯 PE 或聚氯乙烯 PVC 膜 防虫网安装在大棚两侧通风口上和顶部天窗 下 选择幅宽2 m的29 目尼龙防虫网 质量符合现 行 温室防虫网设计安装规范 GB T 19791 2005 的有关规定 18 塑料薄膜 防虫网 遮阳网等覆盖材料 的使用寿命不应低于1个种植季节 3 3 配件材料 配件材料主要包括钢丝夹 3 4 mm 碳素弹簧 钢丝热镀锌 U形卡 U型螺丝为 6 mm热镀锌钢 筋 压板为厚度 2 mm 热镀锌钢板 固定夹箍 厚 0 7 mm 热镀锌 卡槽 厚0 7 mm 高锌层 卡槽连 接片 厚 0 8 mm 卡槽固定器 厚 1 5 mm 热镀 锌 卡簧 2 5 mm 热镀锌 卡箍 内含钢丝的塑 料卡 拱架连接弯头和丁字连接卡等专用连接件 管头护套 螺钉 卷膜器等 所有配件材料的选用均 须满足强度要求 紧固件等配件材料应符合 钢结 构工程施工质量验收标准 GB 50205 2020 的有关 图 1 不等高大棚 1 高拱架单元 2 低拱架单元 3 通风口 4 裙膜 5 棚门 11 JOURNAL OF CHANGJIANG VEGETABLESJOURNAL 2023 1设施蔬菜机械化 规定 19 热镀锌钢板材料质量应符合 建筑用连续热 镀锌钢板及钢带 YB T 4457 2015 的有关规定 20 卡簧材料应符合标准 油淬火 回火弹簧钢丝 GB T 18983 2017 的有关规定 21 卡槽和卡簧使用 年限不低于5年 压膜线使用寿命不低于1个种植 季节 4 建造安装 4 1 选址与田间定位 综合交通情况选择地势平坦 灌溉排水方便 土质肥沃 地下水位低 无污染和四周无遮挡物背 风向阳地块 建造前清理前茬作物 平整好土地 2 6 然后根据道路 当地环境等因素 在建造前进行定 位 22 吴昆等 23 研究表明 大棚走向应垂直于所处地 域夏季主导风向 4 2 拱架安装 高 低拱架单元根据要求现场弯制组装 肩高 2 0 m 高拱架单元的脊高 5 0 m 低拱架单元的脊 高 4 5 m 高 低拱架单元的脚部切线与地面成 85 角 拱架单元之间以钢丝夹通过纵拉杆相连 高拱 架单元弧线段的上端部在水平方向上覆盖低拱架 单元弧线段的上端部 屋脊沿竖直方向设置在高拱 架单元的弧线段与低拱架单元的上端之间 在竖直 方向上 屋脊的长度不低于1 5 m 高拱架单元的顶 端比低拱架单元多出 0 5 m 长度 避免雨水从顶通 风口进入棚内 每隔3个拱架单元 在屋面拱杆上设置拱架弦 杆 也称水平拉杆 屋面与水平弦杆间用不对称的 倒 M 形吊杆相连 能显著减小屋面拱杆自身内力 增加拱架整体承载力 还能拓展拱架弦杆的作用 将其用于作物种植和设备的吊挂 如藤本作物改搭 架为垂线引蔓 棚内遮阳或保温设施的固定等 且 将拱架弦杆改传统安装于柱顶 为上移安装至屋面 拱杆 能提高大棚的棚内净高 10 4 3 立柱与横梁安装 在混凝土基础上架设2 排立柱 立柱垂直于地 面 埋深0 5 m以上 长细比小于 150 立柱上方安 设横梁和斜撑 用以增强大棚的整体抗性 立柱上 端分别与高拱架单元和低拱架单元连接 下端与地 面固定 横梁设置在棚架单元内 其中至少 1 个横 梁沿水平方向的两端分别连接低拱架单元和高拱 架单元的上端 作为棚头的棚架单元上至少设置4 道横梁 4 4 拉杆和斜撑安装 纵拉杆设置在棚架单元上 位于棚架单元的两 肩处各布置一道 位于屋脊处布置两道 分别是高 拱架单元的上端部和低拱架单元的上端部 且该两 道纵拉杆在同一垂直面上 纵拉杆通过U形夹与棚 架单元连接 4道纵拉杆均设置在棚架单元的内面 陈铭年等 12 的试验表明 斜撑杆支撑靠外的立柱效 果更好 且内撑在保证相同稳定作用情况下 比外 撑给压杆的压力值更低 斜撑分 2 类 第 1 类斜撑 安装在棚架单元内侧 其一端与棚头的横梁连接 中间与靠近棚头的5 7个棚架单元连接 另一端插 入与多个棚架单元同一侧的同一直线的入土位置 第 2 类斜撑固定连接于与低拱架单元水平连接的 横梁 高拱架单元下的立柱 顶通风口上端纵拉杆 4 5 棚头安装 棚的两端棚头各安装4 根立柱 入土深不少于 0 5 m 上顶端通过固定夹箍与棚头拱架相连接 棚头 两端均安装推拉式平移门 双合门页 门洞高2 m 宽 2 m 门页与门洞重合0 1 m 门上安装有卡槽 通过 卡簧将薄膜固定在门上 门上部安装有承载轨道 配有轴承 下边有防摇摆装置 4 6 棚膜安装 覆盖棚膜之前需要安装卡槽 卡槽安装在拱架 外面 卡槽单根长 4 m 需要通过卡槽连接片连接 每根卡槽末端通过螺钉固定在拱架上 中间部分通 过卡槽固定器固定在拱架上 为保证卡槽与拱杆垂 直 与大棚方向纵向一致 安装前可以在每根拱架 上根据高度做标记 安装棚膜时要求棚膜绷紧无皱 褶 压膜线分布在各高 低拱架单元之间 覆盖棚膜时应选在现场风力不超过 3 级 上膜 前先将大棚同一侧的所有压膜线拴紧在地锚上 上 图 2 大跨度不等高大棚实景 12 JOURNAL OF CHANGJIANG VEGETABLESJOURNAL设施蔬菜机械化2023 1 膜时要分清薄膜正反面 上膜时先将薄膜铺展在大 棚一侧 保证棚膜平展并平行 用卡簧依次固定至 卡槽内 然后拉直绷紧铺展在拱架上 通过压膜线 先固定 以防棚膜被大风吹起 最后用卡簧依次将 棚膜固定至卡槽内 裙膜上部卡在卡槽内 下部埋于土中 埋入土 中深度不得低于棚外排水沟的深度 塑料薄膜 卡 槽卡簧和压膜线的安装应符合 温室覆盖材料安装 与验收规范塑料薄膜 NY T 1966 2010 24 有关规 定 4 7 通风口和防虫网安装 侧通风口设置在棚架单元两肩下部 包括薄膜 以及用于收卷薄膜的卷膜器 顶通风口设置在屋脊 上 由防虫网 薄膜 卷膜杆等组成 设有天窗膜及 用于卷收天窗膜的链条式卷膜器 顶通风口宽 1 0 1 5 m 顶通风口与立柱通过斜撑连接 通风口的上 下两侧均布置有压膜槽 压膜槽通过自攻螺丝固定 在拱架单元上 压膜槽中设有卡簧 防虫网通过卡 簧固定在侧通风口和顶通风口两侧的压膜槽内 在侧通风口和顶通风口 天窗 内侧均安装防 虫网 防虫网上下两端固定于拱架卡槽内 东西两 端固定于棚头两端拱架卡槽内 5 检测方法 5 1 外观目测 抽样检验规则应符合 温室钢结构安装与验收 规范的规定 NY T 1832 2009 25 在日光或人工 照明条件 零件表面光强应在200 lx 以上 下 用肉 眼逐根检查 包括杆件表面是否有明显裂纹 压扁 扭曲变形 漏镀 气泡等缺陷 配件表面是否有漏 镀 毛刺等缺陷 覆盖膜是否有划痕及孔洞 5 2 镀锌层厚度 按 金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层技术要 求及试验方法 GB T 13912 2020 规定的镀锌层 厚度 用涂层测厚仪检测 15 每批次随机抽取不少于 5 的管件进行检测 每根管件的镀锌层表面至少 检测10个点 然后计算平均值 5 3 热镀锌的镀锌层结合强度 在室温不低于 10 的条件下 将热镀锌钢管 沿弯曲半径为钢管外径 对于异形钢材 为弯曲圆 弧的法向尺寸 8 倍的弯槽 连续缓慢弯曲 当被弯 曲边转过90 时 试件表面任何方向均不允许有锌 层起皮 脱落现象 5 4 覆盖材料透光率 按 透明塑料透光率和雾度的测定方法 GB T 2410 2008 26 用积分球式雾度计测量 6 结论与展望 本文所述的大跨度不等高大棚 其跨度 脊高 肩高均具有较大尺寸 可实现棚内机械化操作 同 时有足够空间可实现棚内的遮阳覆盖或多层内保 温覆盖 兼顾有良好的保温效果 此不等高棚架结 构形成的垂直方向上的顶通风口 与侧通风口共同 作用可以有效调控棚内温度 同时高拱架单元的上 顶端比低拱架单元的上顶端超出一部分 可以有效 解决雨天棚内漏雨和棚顶兜雨的弊端 塑料拱棚结 构稳固 荷载能力强 棚内大空间既可以做到夏季 避雨降温 又可以做到冬季保温 能实现棚内作物 周年栽培供应 显著提高经济效益 图2 结构造价问题限制了钢架塑料大棚的推广和 普及 2 27 本文所述大棚花费约 130 元 m 2 存在建造 成本优化空间 同时 湖南设施蔬菜生产存在着配 套设施 技术不全 标准化程度不高 生产制度不科 学等问题 应积极探索塑料大棚的高效利用的种植 制度和栽培模式 增加菜农对塑料大棚生产管理技 术的相关培训与新技术推广 提高塑料大棚的农用 机械使用率 2 6 7 在政策推动 投资拉动 技术引领 需求带动下 3 设施蔬菜产业一定会蓬勃发展 推动 农业农村现代化向前迈进 参考文献 1 马艳青 殷武平 汪端华 等 湖南蔬菜产业形势分析 J 中 国蔬菜 2020 11 1 9 2 杨福强 甘茂萌 赵文忠 等 SPG 12 5 2型宽跨度宜机化 蔬菜单栋大棚的设计与建造 J 长江蔬菜 2022 7 14 16 3 孙锦 高洪波 田婧 等 我国设施园艺发展现状与趋势 J 南京农业大学学报 2019 42 4 594 604 4 湖南统计局 国家统计局湖南调查总队 湖南统计年鉴 2020 M 北京 中国统计出版社 2021 5 湖南省人民政府 湖南省 十四五 农业农村现代化规划 R 长沙 湖南省人民政府办公厅 2021 6 黄科 成智涛 王军伟 等 湖南省设施蔬菜生产现状及发 展对策 J 长江蔬菜 2019 12 46 48 7 孙志红 孙建华 环保型蔬菜规模生产与集约栽培的优缺 点及发展策略 J 乡村科技 2022 13 5 42 45 8 董晓星 杜南山 国志信 等 河南省钢骨架塑料大棚拱架 结构标准化设计研究 J 中国农机化学报 2022 43 9 47 54 13 JOURNAL OF CHANGJIANG VEGETABLESJOURNAL 2023 1设施蔬菜机械化 9 DB 43T 2169 2021 单栋塑料大棚建设规范 S 10 周长吉 周博士考察拾零 一百零七 圆拱顶连栋塑料 薄膜温室屋面拱架结构形式 J 农业工程技术 2020 40 22 40 48 11 张升 徐坚 张根清 等 基于 农机 农艺 设施 融合的 宜机化塑料大棚抗风性能分析 J 农业工程技术 2022 42 13 38 43 12 陈铭年 徐建全 斜撑对塑料大棚侧壁纵向刚度的影响 J 福建农业大学学报 2001 2 250 253 13 丁小明 周磊 闫俊月 等 塑料大棚压膜线地锚抗拉拔 性能测试 J 农业工程技术 2017 37 1 42 45 14 GB T 51183 2016 农业温室结构荷载规范 S 15 GB T 13912 2020 金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层 技术要求及试验方法 S 16 GB T 6728 2017 结构用冷弯空心型钢 S 17 GB T 20202 2019 农业用乙烯 乙酸乙烯酯共聚物 EVA 吹塑棚 S 18 GB T 19791 2005 温室防虫网设计安装规范 S 19 GB 50205 2020 钢结构工程施工质量验收标准 S 20 YB T 4457 2015 建筑用连续热镀锌钢板及钢带 S 21 GB T 18983 2017 油淬火 回火弹簧钢丝 S 22 张卫国 王建元 王美玲 等 山西省新绛县土墙钢竹混 合拱架日光温室建造流程 J 农业工程技术 2021 41 22 48 49 23 吴昆 王少杰 张广鹏 等 拱形塑料大棚风致干扰效应 及风压特性研究 J 农业工程学报 2019 35 15 165 174 24 NY T 1966 2010 温室覆盖材料安装与验收规范塑料薄 膜 S 25 NY T 1832 2009 温室钢结构安装与验收规范的规定 S 26 GB T 410 2008 透明塑料透光率和雾度的测定方法 S 27 邵九龙 中原型连栋温室抗雪荷载分析及优化设计研究 D 重庆 西南大学 2014 导读 研究2种立体管道水培设 施的结构 设计方法和建造技术 为其在休闲观光农业中的应用及 推广开拓出一条新的途径 2种立体管道水培设施的建造技术 彭世勇 虽然国内现有的多数立体管道水培设施的观赏价值均很高 在 休闲观光农业广泛采用 但结构往往过于复杂 造价十分昂贵 个人 一般承担不起 而且有些管道水培设施的建造材料 结构和规格并 不实用 如能将其结构进一步简化 规格设计精准到位 组合更加容 易 必会大幅度降低建造成本 亦使水培技术更利于推广和普及 实 践证明 阶梯式立体管道水培设施和矩形立体管道水培设施 栽培 叶菜类蔬菜效果良好 且其规格可大可小 能随意调整 分别适用于 企事业单位与个人 1 设施建造 1 1 器材准备 建造阶梯式立体管道水培设施和矩形立体管道水培设施应准备 如下器材 图1 充电式电锯 充电式电钻 配1个直径2 2 cm的开孔 器 钢卷尺 记号笔 直径为 4 0 cm 的 PVC 塑料管 直径为 4 0 cm 的 PVC 塑料三通 直径为 4 0 cm 的 PVC 塑料弯头 直径为 9 0 cm 的PVC塑料管 直径为9 0 cm变直径为 4 0 cm 的 PVC 塑料异径接 头 直径为4 0 cm 的 PVC 塑料阀门 PVC 聚氯乙烯 胶水 清洁 布 售货架及12号铁丝等 彭世勇 辽宁农业职业技术学院 营口 115009 收稿日期 2022 10 22 14