宁夏日光温室建设结构初探

近年来，日光温室在宁夏各区县迅猛发展，取得了显著的经济效益和社会效益。但在日光温室发展过程中也出现了一些问题：由于温室设计不合理和建造不规范，导致温室采光性能弱、升温保温能力差、使用寿命短和可种植的作物种类少；温室造价偏高，广大农民难以接受，甚至有些不能启用，在生产中造成了严重的损失。因此，如何满足以下三点就成为目光温室建设及结构设计的先决条件：

(1)安全性。温室结构能够承受正常施工、正常使用时可能出现的各种荷载，保持温室结构稳定性。

(2)适用性。温室结构在正常使用下具有良好的工作性能，不能发生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。

日光温室的荷载

设计载荷是建筑物结构设计的基本依据，宁夏地处中国西北干旱区，本文只对风荷载进行讨论。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合日光温室。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。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，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。

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。

采光屋面角、脊高、跨度和后屋面仰角

采光屋面角、脊高、跨度和后屋面仰角四者是互相制约的，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。四个因素共同作用，影响着目光温室的操作空间、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，温室有效利用面积减少。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，寻找这四者的合理关系，对日光温室的采光和保温具有重要的意义。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之间。从节约用地、提高空间的角度出发，近几年，日光温室向高大型方向发展。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，需要兼顾采光和保温两个方面。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。

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小，结构受力最差。

随着计算机模拟方法引八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。建立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)和结构受力来进行忧化设计。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。

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。但目前日光温室的屋面普遍为钢桁架结构，由于其自重轻、造价低、施工简单，在工程中得到广泛应用。但桁架结构的许多优化设计方法，如桁架结构拓扑优化、形状优化、截面优化等理论，在日光温室的结构优化中还很少应用。

日光温室的墙体结构

目光温室的墙体结构不仅是结构承力部件，而且作为日光温室-的主要蓄热体和放热体，对保证室内夜间温度起着关键性作用。日光温室的墙体结构包括千打垒、堆土、砖、替代砖、复合异质墙体等。近年来，复合异质墙体由于其良好的蕾热能力和保温特性，受到大家的重视。通过对大量复合异质墙体的研究表明，聚苯板作为良好的保温材料受到大家肯定。

对于长度较短的日光温室，在分析室内热量时，不能忽略山墙的蓄热放热作用；为了减少温室阴影率的影响，温室长度不宜低于30m。对日光温室墙体的研究目前注重在导热性能的方面，对其强度研究较少，尤其是干打垒和堆砌墙体，由于对这种结构的热环境研究不足，实际建设中经常以当地冻土层深度作为墙体厚度，最近在宁夏中部干旱带推广建设一种墙体厚度达7m的日光温室，不仅造成温室建设占地面积增加，而且建造的土方工程量也很大。如何确定墙体的合理厚度，对今后日光温室建设和发展将有非常积极的指导作用。当前急需研究的问题

过去20多年，宁夏在日光温室结构优化的研究中取得了很大成绩，但就目前日光温室的应用现状和研究水平看，要进一步规范日光温室建设，提高其经济性能，下列问题亟需研究解决。

科学合理的设计荷载

温室结构设计荷载规范中，针对日光温室很多参数的取值方法还不太明确，缺少针对性。如风荷载体型系数、坡屋面积雪分布系数等没有具体明确的规定。此外，日光温室的保温被荷载取值及其在卷放保温被过程中荷载的变化、日光温室内保温材料的设计荷载等在设计规范中都没有具体规定。所以，在温室结构设计荷载规范的基础上，研究针对日光温室的荷载取值和不利荷载组合是日光温室结构优化首先要解决的问题。目前，宁夏地区温室建设应该主要以钢结构为主，而且钢材使用标准为国标直径20～32圆管，钢架间距1m～1.5m。

日光温室桁架结构的优化

目前，日光温室普遍采用桁架结构，但很少有基于日光温室的采光条件和室内作物生长模型对日光温室的桁架结构进行优化。对这种结构，现有的设计方法还停留在根据经验首先确定桁架的结构参数(如桁架的高度，腹杆的分布)，然后再对结构进行受力校核阶段。因此，笔者提出以自然气候条件等基本参数，以适宜作物的合理光环境为目标，以采光面优化获得的温室桁架结构上弦杆曲线型式为参照，以结构变形和弯矩包络图为依据，确定桁架结构的下弦杆优化曲线形状，进而优化腹杆的布置和整个结构的杆件截面尺寸，使得桁架结构的设计更加科学合理，从而达到节省材料的目的。

大型日光温室的合理几何尺寸

目前很多地区都出现了大型日光温室，但都处于探索阶段，如何确定大型日光温室的合理尺寸，使之达到光热环境合理又节约土地的目的是目前大型日光温室亟需研究的问题。目前，宁夏已建成的各种高度、跨度、长度的日光温室种类繁多，经过几年的使用效果分析得出：宁夏地区适宜的温室高度为3.2m～3.8m、跨度为7m～8m、长度为60m-100m。

土堆后墙的合理尺寸

土堆后墙可节约建筑材料，提高日光温室的保温性能，特别在大型日光温室运用较多。但目前的土堆后墙普遍存在尺寸过大、强度无标准等问题。应首先从日光温室的蓄热、保温和结构强度等方面考虑，研究合理的土堆后墙的尺寸，这对减少甘光温室建造的土方量、节约土地具有重要意义。经过在宁夏地区进行的日光温室墙体厚度冬季温度变化研究，得出适宜的墙体厚度为顶部1m、底座2m至顶部1.75m、底座2.8m。

综上所述，日光温室的结构优化主要从日光温室的光环境、热环境和结构受力方面进行综合优化，寻求各参数的平衡点。从日光温室的荷载、几何尺寸、建筑材料等方面进行研究，提高日光温室的生产力，节约材料和土地，控制投资成本，使日光温室建造适合当地经济发展的水平，使栽培者获得更大的经济效益，以促进宁夏设施农业的持续健康发展。