摘要：溫室在施工與使用過程中會受到各種荷載作用，溫室結(jié)構(gòu)是用以承受各種荷載作用的受力體系。溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計是在經(jīng)濟性和可靠性之間選擇合理的平衡，使建造的溫室結(jié)構(gòu)滿足各種預(yù)期的功能。文章由廣源溫室張經(jīng)理整理發(fā)布，專注溫室工程技術(shù)，服務(wù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。通過匯豐景園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室這個項目探索國內(nèi)建筑設(shè)計規(guī)范在溫室行業(yè)的實際應(yīng)用，以及荷蘭溫室的設(shè)計規(guī)范在滿足我國國情條件下的適用情況。

中國是溫室栽培起源最早的國家，利用保護設(shè)施栽培蔬菜有著悠久的歷史。但由于歷史原因，我國的現(xiàn)代溫室尤其是玻璃溫室之類的中高檔溫室的發(fā)展起步較晚。隨著近年國內(nèi)溫室的廣泛應(yīng)用，大大推動了溫室行業(yè)的發(fā)展，并已達到荷蘭等國際上先進溫室行業(yè)水平，匯豐景園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園玻璃溫室項目即是溫室應(yīng)用的一個實用案例。

設(shè)計理念匯豐景園位于青海省大通縣景陽鎮(zhèn)大寨村，占地總面積2100畝（140hm2），是一個集休閑養(yǎng)生、餐飲娛樂、農(nóng)業(yè)科普及民間藝術(shù)欣賞等于一體的近城休閑旅游度假中心，其中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室三葉草玻璃溫室（圖1）

是景區(qū)的核心板塊，這里不僅集景區(qū)接待、餐飲、娛樂等生活服務(wù)為一體，同時更是農(nóng)業(yè)科技文化、溫室公園的觀光展示區(qū)，故稱之為“農(nóng)業(yè)夢工廠”。

溫室采用荷蘭智能溫室主體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分利用其溫室鋼架玻璃結(jié)構(gòu)、良好的光線通透性等特點，通過立柱柱網(wǎng)布置、玻璃墻面等手法分隔出各種使用空間。

溫室結(jié)構(gòu)的功能要求現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室的整體框架采用鋼結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是要保證所設(shè)計的溫室結(jié)構(gòu)安全、適用、經(jīng)濟合理，并具有足夠的可靠性，即在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和正常維護）

結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定的各項功能。溫室結(jié)構(gòu)的基本功能包括：

安全性溫室結(jié)構(gòu)能夠承受正常施工、正常使用時可能出現(xiàn)的各種荷載，不發(fā)生在荷載作用下超過材料強度極限或結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性的情況。

適用性溫室結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有良好的工作性能，比如不發(fā)生影響正常使用的過大變形。如玻璃溫室構(gòu)件產(chǎn)生過大變形造成玻璃開裂或密封性能變差，溫室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形引起使用者不安，桁架撓度過大影響簾幕系統(tǒng)的展開和收攏，進而影響遮蔭保溫的效果。

耐久性溫室結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護條件下，在規(guī)定的使用期限內(nèi)具有足夠的耐久性，不發(fā)生因腐蝕等因素而影響結(jié)構(gòu)使用壽命。溫室所有立柱、桁架等構(gòu)件和連接件均先加工、焊接，后熱浸鍍鋅防腐；工地現(xiàn)場組裝，無焊接。其他鋼材部件和緊固件經(jīng)熱鍍鋅處理，工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場組裝。

滿足以上3個要求即認(rèn)為溫室結(jié)構(gòu)具有可靠性。很顯然，在設(shè)計中采用提高安全余量的辦法總是能夠滿足結(jié)構(gòu)可靠性的要求，但是這必然會降低結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性。結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟性往往是相互矛盾的。因此科學(xué)的設(shè)計要求在保證結(jié)構(gòu)可靠性的基礎(chǔ)上力求結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理。

溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計期限應(yīng)根據(jù)溫室類型與用途確定，一般為15年、10年或5年，玻璃溫室的最低設(shè)計使用年限應(yīng)不小于15年，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室的使用年限為20年，結(jié)構(gòu)計算的荷載按20年的使用年限取值。溫室結(jié)構(gòu)的計算計算模型的確定溫室平面為中間不規(guī)則六邊形，三個方向等面積長方形組成，猶如三片葉子，因此得名三葉草溫室。每個長方形跨度方向總長為56m，連棟Venlo型結(jié)構(gòu)，跨度分別為8、12m。開間方向總長為40m，每開間為4m。展示溫室對于內(nèi)部分區(qū)種植植物品種及環(huán)境布置各有要求，溫室檐口高度分別為7.1、10.8m。圖2所示現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室平面圖。

溫室跨度方向鋼柱用平行弦桁架連接，南北向由APD型天溝連接，四周用墻梁貫通，結(jié)構(gòu)對稱。因溫室不缺梁缺柱，結(jié)構(gòu)規(guī)整，所以將該空間框架結(jié)構(gòu)簡化為按跨度方向平面框架進行驗算。平行弦桁架先按單榀計算。計算框架時，先計算桁架組合截面剛度，并將桁架組合截面面積和慣性矩代換，桁架自重按均布線荷載計算。鋁合金屋面梁用薄壁矩形鋼管代換。天溝按連續(xù)梁計算，墻梁按雙向受彎構(gòu)件計算。

設(shè)計分析計算軟件采用中國建筑科學(xué)院PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS計算機輔助設(shè)計程序。通過以往溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計實際情況驗證，建立以上這些計算模型，將溫室空間框架結(jié)構(gòu)簡化為平面框架進行驗算完全能滿足工程計算的實際需要。

溫室結(jié)構(gòu)荷載的設(shè)計取值溫室結(jié)構(gòu)屬于農(nóng)業(yè)設(shè)施，從廣義上講它是建筑的一部分，但有別于一般工業(yè)建筑和民用建筑。用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法去分析溫室結(jié)構(gòu)是合理的，但部分設(shè)計荷載取值和強度及變形的設(shè)計指標(biāo)難以按現(xiàn)行建筑規(guī)范搬用。溫室結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范溫室結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的基礎(chǔ)，包括各種作用荷載的類型、大小、作用方式及各類荷載的組合方法，同時也會借鑒歐洲及荷蘭的溫室設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

恒荷載GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》雖然列出了常用材料和構(gòu)件的自重，但GB/ T51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》根據(jù)溫室的特別性在GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的基礎(chǔ)上作了簡化。在溫室設(shè)計時按溫室實際采用的鋼材規(guī)格、鋁合金件和玻璃等取值，溫室自重有較大的準(zhǔn)確性。但結(jié)構(gòu)設(shè)計計算有個優(yōu)化的過程，各種構(gòu)件在最初的假定往往與最終的計算結(jié)果不一致，加上連接板等各種輔材，所以用STS結(jié)構(gòu)分析時，鋼構(gòu)件自重計算放大系數(shù)FA取1.1，有別于系統(tǒng)默認(rèn)的1.2FA取1.1，已真實反映了溫室的實際重量。

風(fēng)荷載按GB/T51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》荷載指標(biāo)取值，但需按照溫室20年的使用年限進行重現(xiàn)期的修正，荷載指標(biāo)相對于建筑的荷載指標(biāo)更小一些，基本風(fēng)壓取值0.31kN/m2雪荷載按GB/T51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》荷載指標(biāo)取值，與風(fēng)荷載一樣，需要按照溫室20年的使用年限進行重現(xiàn)期的修正，基本雪壓取值0.18kN/m2.另外，溫室加溫與否對雪荷載的取值有重要影響。歐洲標(biāo)BS EN 13031-1:2001（ Greenhouse-Design and construction-PartI:Commercial production greenhouse》中規(guī)定，需要進行加熱的溫室，當(dāng)覆蓋材料為玻璃時，折減系數(shù)為0.6，覆蓋材料為PC板時，折減系數(shù)為0.87一般北方溫室，如果有作物荷載，必定會有加熱系統(tǒng)，考慮到溫室整體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，結(jié)構(gòu)計算時雪荷載進行折減；如果沒有作物荷載，考慮國內(nèi)的具體情況，溫室使用方可能會在冬天下雪天使用溫室，也可能不使用溫室，結(jié)構(gòu)計算時需要考慮到最不利的情況，即雪荷載不折減的受力情況?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室一年四季使用，室內(nèi)溫度需要調(diào)節(jié)到種植植物和室內(nèi)活動的人的適宜溫度，雪荷載考慮折減系數(shù)0.6，基本雪壓取值0.18kN/m2×0.6=0.108kN/m2作物荷載按實際荷載取值。溫室作物，一方面產(chǎn)生豎向荷載另一方面產(chǎn)生水平荷載，豎向荷載對桁架和立柱影響較大，水平荷載對山墻立柱影響較大。荷蘭溫室設(shè)計規(guī)范中，超過30天的作物荷載作為恒荷載，因此沒有荷載最不利組合。

而國內(nèi)溫室不像國外溫室那樣大面積固定種植，國內(nèi)種植條件不一，種植品種不定，尤其是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室，作物吊掛由室內(nèi)布置而定，因此作物荷載作為活荷載，按常規(guī)溫室給定最大荷載取值15kg/m2。

設(shè)備荷載按實際荷載取值?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室的空中加熱系統(tǒng)采用圓翼散熱管，安裝在桁架弦桿上，根據(jù)暖通工程師計算得出荷載取值10kg/m2結(jié)構(gòu)桿件及溫室整體強度計算◆桁架溫室采用平行弦桁架，屬于平面一般力系，結(jié)構(gòu)受力分析時按柱桿件分析。桁架上弦支承自天溝傳下的上部荷載，因為只有節(jié)點荷載，桿件只產(chǎn)生軸力，桁架與梁相比，任意截面上的應(yīng)力均勻分布并能同時達到極限應(yīng)力，因此桁架選用的構(gòu)件材料規(guī)格比梁小的多，也因為桁架自重輕，相比梁能跨越更大的跨度，給溫室內(nèi)部種植提供更靈活的布置空間。雖然整榀桁架撓度較小，但是對屋面的玻璃覆蓋和鋁合金天窗會有影響，因此預(yù)先給桁架設(shè)計個起拱量。起拱量參照桁架結(jié)構(gòu)計算的撓度值，荷載取值是恒荷載的全部和活荷載的一半。圖34為8、12m桁架的結(jié)構(gòu)形式。

為了保證簾幕的密封性和保溫性，不同跨度的桁架高度和弦桿規(guī)格必須保持一致，8、12m的桁架弦桿計算得出B口100mm×50mm×2.5mm，腹桿計算得出B□40mm×2mm。

◆框架框架是由梁和柱單元構(gòu)成的組合體，通過框架結(jié)構(gòu)計算得出立柱的規(guī)格。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園生態(tài)展示溫室的立柱間距不規(guī)則、肩高不一致，在進行框架結(jié)構(gòu)計算時，選取有代表性的框架，如圖5所示。北方溫室因為氣候寒冷，四周圈梁的基礎(chǔ)高度設(shè)計為±0.00地面以上500mm，溫室內(nèi)部獨立柱的基礎(chǔ)高度為300mm，在建模時要考慮到，側(cè)墻或內(nèi)側(cè)墻立柱比獨立柱矮200mm生態(tài)展示溫室采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，溫室鋼結(jié)構(gòu)的基本規(guī)定主要參照《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》。由于溫室結(jié)構(gòu)多數(shù)屬于農(nóng)業(yè)設(shè)施，在結(jié)構(gòu)計算時一般不考慮地震，目前溫室行業(yè)只有多地震的日本在溫室規(guī)范中規(guī)定考慮地震因素。

溫室框架在計算時，不僅要考慮立柱材料的采購與加工，還要考慮立柱規(guī)格對其他橫梁、固定件與立柱連接的影響，因此在結(jié)構(gòu)計算時做到減少材料規(guī)格的種類，盡量歸并。根據(jù)肩高、跨距的不同，計算結(jié)果如下：

獨立柱為B口200mm×5mm；側(cè)墻立柱為B200mm×100mm×4mm山墻立柱在PKPM工具箱中抗風(fēng)柱計算，山墻立柱主要承受風(fēng)荷載、作物荷載及遮陽保溫系統(tǒng)產(chǎn)生的水平荷載，根據(jù)實際的荷載取值，結(jié)構(gòu)計算出規(guī)格為B口200mm×5mm

◆支撐支撐是聯(lián)系溫室屋架、天溝、立柱等主要構(gòu)件，保證溫室整體剛度的重要組成部分。溫室結(jié)構(gòu)支撐體系按照分布位置分為柱間支撐、墻體支撐、天溝高度水平支撐、屋面支撐等四種類型（圖6）。

柱間支撐和立柱組成縱向框架，保證溫室的縱向剛度。立柱在平面外的剛度要遠(yuǎn)小于平面內(nèi)的剛度，因此在安裝或使用過程中容易產(chǎn)生側(cè)移。而采用柱間支撐后減小了立柱平面外的計算長度，有柱間支撐的幾何不變體系抗側(cè)移剛度較單柱平面外的剛度大。天溝不僅是受彎構(gòu)件，還作為風(fēng)壓的縱向受力構(gòu)件。荷蘭溫室種植功能明確，面積大，支撐一般布置在溫室中間，山墻立柱承受的風(fēng)荷載通過較長的天溝傳遞到支撐所在立柱，并傳向基礎(chǔ)。傳遞路線越長，對天溝強度要求越高；考慮到天溝材料的強度，以及國內(nèi)的溫室面積，支撐布置在溫室兩端，風(fēng)荷載傳向第二、三間時就由支撐傳向基礎(chǔ)，減少對天溝的受力。溫室規(guī)范要求每60m布置1道，風(fēng)壓平均分?jǐn)偟街嗡诘幕A(chǔ)，支撐規(guī)格常規(guī)溫室采用16的圓鋼墻體支撐包括溫室側(cè)墻平面內(nèi)支撐和山墻平面內(nèi)支撐。側(cè)墻平面內(nèi)的支撐的作用是保證側(cè)墻平面內(nèi)的穩(wěn)定性，減少立柱平面外的計算長度。

其布置位置與柱間支撐相對應(yīng)。山墻平面內(nèi)的支撐作用是保證山墻平面內(nèi)的穩(wěn)定性。布置位置一般為山墻兩端溫室拐角處。為保證其可靠性，每組支撐采用兩根拉桿交叉安裝，支撐規(guī)格常規(guī)溫室采用中16的圓鋼。

天溝高度水平支撐保證溫室在跨度方向的穩(wěn)定性，與柱間支撐一起在溫室中部形成空間的幾何不變體系，從而保證溫室結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

該支撐安裝在天溝下緊鄰天溝，一般布置在溫室的兩端，支撐規(guī)格常規(guī)溫室采用10的圓鋼。

屋面支撐保證溫室鋼結(jié)構(gòu)在安裝和使用過程中的整體穩(wěn)定性。屋架在縱向均屬于幾何可變，在安裝過程中可能發(fā)生側(cè)傾。采用屋面支撐，將天溝、所有鋁合金椽子條和屋脊固定在一起，使得支撐所在的屋蓋體系稱為空間幾何不變體系，其他屋架再通過椽子條、系桿與之相連，就可保證所有屋蓋體系在安裝和使用過程中始終不偏離設(shè)計位置，不產(chǎn)生水平位移，支撐規(guī)格常規(guī)溫室采用10的圓鋼。

總結(jié)與展望生態(tài)展示溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計與溫室結(jié)構(gòu)的使用年限要求是密切相關(guān)的。不同使用年限的溫室結(jié)構(gòu)，其基本風(fēng)壓和基本雪壓的取值都依據(jù)現(xiàn)行GB/T51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》并進行重現(xiàn)期的修正。這樣，溫室的設(shè)計結(jié)果才經(jīng)濟合理。隨著溫室使用功能的發(fā)展，溫室類型也越來越個性化，在追求溫室內(nèi)部空間更高更寬時，結(jié)構(gòu)的重要性與結(jié)構(gòu)的安全性和結(jié)構(gòu)造價變得更密切相關(guān)。合理的取值，才能使溫室得到最大的性價比。

生態(tài)展示溫室中有許多設(shè)備在使用時有控制要求，與此相應(yīng)，結(jié)構(gòu)的適用性問題特別是結(jié)構(gòu)的撓度和柱頂位移量應(yīng)有一個嚴(yán)格的容許值規(guī)定。通常溫室的結(jié)構(gòu)較能滿足強度要求，但隨著溫室結(jié)構(gòu)越來越高、空間跨度越來越寬，桿件的長細(xì)比往往較大，增大了結(jié)構(gòu)的撓度和柱頂位移量，不僅影響到許多設(shè)備的正常使用，而且增加使用者的不安。在這種情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)以結(jié)構(gòu)變形量來控制，而不以結(jié)構(gòu)強度來控制。這樣即能滿足強度要求，又能滿足剛度要求。

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