日光温室结构优化的研究进展与发展方向

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第 28 卷 　 3 期 第 2007 年 09 月内蒙古农业大学学报Journal of Inner Mongolia Agricultural UniversityVol 28 　No. 3 . Sep. 2007日光温室结构优化的研究进展与发展方向刘建 , 　 周长吉1(1. 　 中国农业大学水利与土木工程学院 ,北京 　100083; 2. 　 农业部规划设计研究院 ,北京 　100026)摘要 : 　 日光温室的结构直接影响着温室的生产环境和建造成本 。日光温室结构优化就是要在保障合理采光 、 保温 和经济用材的条件下 ,选择确定合理的温室跨度 、 脊高 、 采光屋面角 、 采光屋面形状 、 后屋面的结构和墙体结构等建 筑结构参数 。本文在综述我国日光温室结构优化研究的基础上 , 重点讨论了当前日光温室结构优化存在的主要问 题 ,并提出了今后日光温室结构优化重点研究的方向和内容 。 关键词 : 　 日光温室 ; 　 结构优化 ; 　 几何尺寸 ; 　 桁架结构 中图分类号 : 　S625. 1 　　　 文献标识码 : 　A 　　　 文章编号 : 1009 - 3575 ( 2007 ) 03 - 0264 - 05THE PRESEN T AND D EVELO PM EN T O F SUNL IGHT GREENHOU SE STRUCTURE O PT M IZAT I N I OL I J ian , 　ZHOU Chang - ji U1 2( 1. 　College of W a ter Conservancy and civil eng ineering, Ch ina A g ricu ltu ra l U n iversity, B eijing 100083, Ch ina; 2. 　Ch inese A cadem y of A g ricu ltu ra l Eng ineering, B eijing 100026, Ch ina)引言从 20 世纪 80 年代以来 , 日光温室在我国北方 地区迅速发展 , 有效地解决了我国北方地区冬季蔬 菜供应问题 ,大幅度增加了农民的收入 ,带动了农业 结构的快速调整 。截至 2005 年底 , 我国日光温室面 2 积达 70 余万 hm ,占温室和大棚等大型设施总面积 的 50%以上 。日光温室是我国特有的作物栽培设 施 ,其建造和运行成本低 , 合乎我国国情 , 适合中国 经济发展的需要 ,而且伴随着能源的短缺 ,日光温室 将成为今后我国大面积温室园艺产业发展的必然选 择 。但由于对日光温室光温性能和结构强度设计等 方面的研究还不成熟 ,大量农民建造日光温室缺乏Ab s tra c t: 　 The structure of sunlight greenhouse affects the environment and the building cost greatly To op tim ize the greenhouse . structure, the building parameters including span, height, roof shape, as well as roof and wall structure should be studied to keep suffi2 cient light transm ission, effective ther mal insulation and reasonable building cost This paper summarized the development situation of . sunlight greenhouse structure op tim ization, and analyzed the urgent issues in the future studies, which would guide the greenhouse structure study in the future. Ke y wo rd s: 　Sunlight greenhouse; 　 structure op tim ization; 　geometrical parameter; 　 trusswork科学的理论指导 , 导致日光温室在生产应用中事故 频发 ,如 2004 年 12 月

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18 - 19 日 ,沈阳市一场降雪 , 造成该市 1545 个温室和大棚受损 ; 2005 年 2 月沈阳 市郊区某林果实验场日光温室在卷帘过程中突然倒 [1] 塌 ,造成 1 人死亡 ; 北京地区 2007 年春的大雪 ,造 成某些乡镇 50%的日光温室坍塌 。除结构破坏的事 故外 , 日光温室由于室内温度不够而造成的种植受 损甚至绝收的事故也屡有发生 。所以 , 优化结构设 计 ,规范建造技术 ,已经成为了继续推进日光温室发 展的时代所迫 。 日光温室结构优化首先应该满足可靠性准则 , [2] 即安全性 、 适用性和耐久性 。 ( 1 )安全性 　 温室结构能够承受正常施工 、 正常2333收稿日期 : 　2007 - 06 - 06 作者简介 : 　 刘建 (1982 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事温室工程技术的研究 . 3 通讯作者 : 　Em ail: zhoucj@ facaae. com。第 3 期 　　　　　　　　　　　　 刘建等 : 　 日光温室结构优化的研究进展与发展方向265使用时可能出现的各种荷载 , 不发生在荷载作用下 超过材料强度极限或结构丧失稳定性的情况 。 ( 2 )适用性 　 温室结构在正常使用荷载作用下 具有良好的工作性能 , 如不发生影响正常使用的过 大变形等 。 ( 3 )耐久性 　 温室结构在正常使用和正常维护 条件下 ,在规定的使用期限内具有足够的耐久性 ,不 发生因腐蚀等因素而影响结构使用寿命 。 日光温室结构优化的内容是确定合理的几何尺 寸 , 使其在特定建设条件下能满足种植作物生长的 温光要求 , 同时在满足结构安全性准则的基础上达 到结构用材最省 。 从 20 世纪 80 年代开始 , 我国的科技工作者对 日光温室的结构作了大量的研究 , 各地相继推出了 多种类型的结构形式 ,也提出了很多种设计方法 ,这 对完善我国日光温室结构起到了重要的作用 。农业 部和科技部自“ 八五 ” 以来一直没有中断对日光温室 研究的科技支持 , 相关科研单位相继推出了“ Ⅱ 鞍 型” 节能型日光温室 、 辽沈 Ⅰ 型日光温室以及“ 西北 [3] 型” 日光温室等 。 十一五 ” “ 期间 , 国家继续把日 光温室结构优化与数字化设计作为高技术研究发展 计划进行研究 。本文在总结近年来日光温室结构优 化中取得成就的基础上 , 重点分析了结构优化存在 的急迫问题 , 为今后日光温室结构优化研究提出了 研究的思路和方向 。组合原理 , 对日光温室的荷载取值和荷载的工况组 合具有重要意义 。但随着日光温室材料的变化 、 操 作设备的发展 , 如新型保温被的使用和卷帘机的使 用 ,上述取值及其组合方式有待进一步研究 。 [5] 在荷载组合方面 , 周长吉 提出了 4 种不利荷 载组合 , 其组合原理对研究日光温室的屋面荷载组 [6] 合具有指导意义 。在此基

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础上 , 侯丽薇 借助于计 算机辅助工程分析手段 , 对抛物线型日光温室进行 受力分析 , 得出雪荷载 +保温草毡重 +屋脊集中活 荷载 (雪后登屋顶卷毡 ) 是最危险荷载组合 。可见 , 日光温室荷载主要集中在屋面上 , 是日光温室受力 最复杂 ,最多变的部位 。因此屋面骨架结构的优化 设计是日光温室结构优化研究的重点 。2　 日光温室的几何尺寸日光温室的几何尺寸是指采光屋面角度 、 采光 面形状 、 后屋面仰角 、 后屋面投影宽度 、 脊高 、 跨度 等 。这些结构参数主要与采光设计有关 。冬春季节 是日光温室的主要生产期 , 也正是太阳辐射最弱的 季节 ,能否充分合理利用太阳辐射 ,关系到温室生产 的成败 。因此 , 与日光温室采光设计相关的几何尺 寸是设计建造过程中应首先解决的问题 。 211 　 采光屋面角 、 、 脊高 跨度和后屋面仰角 采光屋面角 、 、 脊高 跨度和后屋面仰角 4 者是互 相制约的 , 脊高和跨度的大小及其相互配合影响采 光角的大小和采光面形状 ,跨度确定的条件下 ,采光 面与后屋面的比例直接决定了采光面的宽度 。 4 个 因素共同作用 ,影响着日光温室的操作空间 、 采光和 保温性能 。脊高一定 ,跨度过大 ,采光屋面角随之降 低 ,温室难以获得最佳采光效果 , 跨度过小 , 温室有 [7] 效利用面积减少 。程季珍 在山西日光温室的研制 中 ,把主要技术参数概括为“ 五度三比 ”比较形象的 , [8] 概括了日光温室结构参数的要点 。佟国红 对沈阳 地区跨度为 12m 的日光温室内各表面太阳辐射照度 进行模拟计算 , 得出改变温室跨度和高度分别对地 面及北墙面太阳辐射照度有较大影响 , 且呈线性关 系 。后屋面投影宽度一定 , 采光面在温室跨度中所 占的比例越大 , 采光度越好 , 但后屋面的宽度减小 , 保温性能也随之下降 。因此 , 寻找这 4 者的合理关 系 ,对日光温室的采光和保温具有重要的意义 。佟 [9] 国红 以沈阳地区为例 , 采用多目标模糊决策法对 跨度为 7. 5m、 围护结构材料相同但建筑参数不同的 温室进行优选 ,得出了后坡 、 跨度 、 后墙 、 脊高等温室 参数的最优值 , 这种方法对研究多个参数综合作用 具有一定的借鉴意义 。 在早期的研究和日光温室结构标准中都限定了 日光温室的跨度在 6m ～9m , 从节约用地 、 提高空间 的角度出发 ,近几年的日光温室向高大化方向发展 ,1　 日光温室的荷载设计载荷是建筑物结构设计的基本依据 , 是保 证结构是否安全的首要因素 。日光温室荷载取值的 难点是风荷载和雪荷载 。对于雪荷载 , 需要解决基 本雪压和屋面积雪分布系数这两个问题 。 《温室结 [4] ( 构设计荷载标准 》 GB / T 186

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22 - 2002 ) 中 , 确定 30a 一遇最大积雪量自重为基本雪压 ,并给出坡屋面 积雪分布系数 μz的取值方法 , 其中给出的单跨拱形 屋面与日光温室结构相似 , 但其 μz 计算方法运用于 日光温室不是很合理 ; 对于风荷载需要确定风荷载 体型系数 、 风压高度变化系数 、 基本风压等 3 个条 件 。基本风压和风压高度变化系数在荷载规范有比 较明确的界定 , 而风荷载体型系数的取值方法不适 [5] 合日光温室 。周长吉 在分析比较国外有关温室建 筑荷载规范基础上 ,在坡屋面积雪分布系数 μz 的取 值问题上 ,提出坡度角 α取屋脊至前脚连线与水平 面构成的夹角 ,且坡度角在 25 ° 50 ° ～ 内时可在 1 ～0 之间按线型插值法取值 ,具有针对性和可操作性 ; 在 风荷载体型系数方面也针对日光温室做了明确的说 明 ,与规范比较 ,具有可操作性 。在其研究中还给出 日光温室特有的其它荷载 (如植物吊重 、 前屋面保温 材料自重 、 施工载荷和操作载荷等 ) 的取值方法及其266内蒙古农业大学学报 　　　　 　　　　　　　　2007 年如辽沈 Ⅱ (跨度 12m ) 、 型 新型寿光日光温室 (跨度超 [ 10 ] 过 20m )等 。宋明军 根据甘肃省河西地区自然与 气候条件 , 设计建造了一种 10m 跨度的西北型日光 温室 ,取得了很好的应用效果 ,为节能日光温室建造 中土地的高效利用进行了积极的研究和探索 。跨度 的增大可以提高温室的空间 , 但温室的保温性能受 到影响 ,而且跨度的增大是否能节约土地 ,也是一个 需要严格论证的问题 。对大跨度日光温室的规划实 例表明 ,由于跨度大 ,脊高较高 , 需要较大的间距 ,使 得节地效果并不很明显 , 加之有的温室后墙垒土太 厚 (达 6. 5m 以上 ) , 反而浪费了土地 。所以建立数 学模型 , 寻找跨度 、 脊高和温室栋与栋之间合理间 距 ,对寻找大跨度日光温室的合理结构参数 , 提高土 地利用率具有重要意义 。在进行温室间距的优化 时 ,后屋面的尺寸也是一个影响因素 ,需要兼顾采光 [ 11 ] 和保温两个方面 。陈端生 提出当后屋面投影为 温室跨度的 0. 20 ～0. 25 时 , 温室的热效应最大 。另 外农村大量日光温室采用垒土后墙结构 , 其合理厚 度 ,对保证温室的保温 , 有效减少土方工程 , 提高土 地利用率有很大的影响 。关于这一点 , 目前的研究 还很少 。 212 　 采光面的形状 日光温室的热量来自太阳辐射 , 争取更多太阳 光进入温室是采光面设计的关键 。屋面形状是温室 采光和结构受力两者平衡的结果 。从日光温室获得 最大的采光量分析 , 日光温室的前屋面以平面为最 佳 ,采光量最大 ,而且光照分布最均匀 。但这种结构 日光温室的前端操作空间太

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小 , 结构受力最差 。为 此 ,研究者首先用可描述的数学表达式 ,如圆 、 椭圆 、 [ 12 ] 抛物线等 ,来研究采光面的形状 。如李有 等针对 日光温室常见的 3 种采光面 (圆弧面 、 椭圆面和抛物 面 ) ,采用 3 效率计算模式 , 提出圆弧面的采光效率 [ 13 ] 为最高 ,椭圆面次之 ,抛物面最低 ; 王静 对不同结 构日光温室光环境及补光进行了研究 , 得出圆 - 抛 物面温室内的光环境明显优于单斜面和抛物面温 [ 14 ] 室 ; 李晓豁 通过对日光温室采光性能的模拟分 析 ,得出以拱形日光温室的采光效果为佳 。 但上述拱形采光面在解决上部排水和下部操作 [ 15 ] 方面均存在问题 。为此 , 周长吉 提出了整体曲线 优化的方法 , 采用网格化原理将日光温室前屋面坐 标 ( x i, y i )作为变量 ,在一定约束条件下获取最大进 光量的一组坐标 , 进而连成最优采光曲线 ; 同时 , 陈 [ 16 ] 端生 等提出从整体上对采光屋面进行优化的思 想 ,以当地整个生长期间 (冬季 ) 室内截获的太阳辐 射总量为依据 ,来确定采光屋面的倾角和形状 ; 吴毅 [ 17 ] 明 等对不同类型的温室建立相应采光模拟模型 , 编制计算机软件 , 即可分析单栋温室内太阳直接辐 射的时空分布状况 , 为温室采光结构优化设计提供理论依据和计算机辅助设计手段 。这些研究的理论 成果为计算模拟研究提供了基础 。 随着计算机模拟方法引入日光温室采光面优化 研究 ,发现采光面的形状对采光效果影响不大 。如 [ 18 ] 高志奎 建立了日光温室采光性能的数学模型 , 发 现无论曲线类型如何 , 若将内跨 、 脊高和肩高固定 后 ,经过模拟优化曲线参数后 ,最终的曲面形状会趋 [ 19 ] 同 ; 轩维艳 建立了日光温室采光屋面曲线数学模 型 ,通过模拟分析 , 得出温室采光面的形状不同 、 弧 度不同 ,对温室结构强度 、 散热 、 蓄热都有较大影响 , 但对采光效果 (太阳光入射率 ) 影响最大相差不到 3% 。以此为依据 ,日光温室前屋面的形状可根据操 作要求 (如屋面排水 、 、 放帘 前部的操作空间 )和结构 受力来进行优化设计 。但同时也必须认识到采光面 形状对日光温室内光照的均匀性仍有较大的影响 , 在优化设计中必须引起高度重视 。3　 日光温室的屋面骨架前屋面是日光温室的采光屋面 , 是日光温室的 重要结构部分 。但单纯以采光作为优化目标很难得 到合适的采光屋面 ,例如采光好的圆弧面 ,因其前部 低矮区域过大 、 土地使用效率低 、 农事操作困难等并 非理想的采光面 。另外不同形状前屋面的内力也不 同 ,相应的材料用量也就有差异 。 根据日光温室的屋面支撑体系 , 可把日光温室 分为无柱式和有柱式两种结构形式 。 有柱式日

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