半封闭连栋玻璃温室气候室结构荷载探究_闫冬梅.pdf

设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 22 23 特别关注Special Attention nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 摘要 半封闭连栋玻璃温室 是一种优化的荷兰 Venlo 温室温室 结构 采用智能化系统和设备调控 能够更精准的控制环境的温 室 半封闭温室主要由冷热源系统 送风系统 出风系统以及智 能控制系统等部分组成 关键系统设计主要包含气候室和正压通 风系统两部分 该文根据现场调研和设计经验 以半封闭连栋玻 璃温室的气候室为研究对象 对作用在气候室山墙立柱上的各种 荷载进行归纳总结 主要包括风荷载 雪荷载 覆盖系统荷载 作物荷载 拉幕系统荷载 控温设备荷载等 可以供温室结构设 计师和温室用户参考 避免在设计和改造时考虑不周 有所遗漏 造成安全隐患 关键词 半封闭连栋玻璃温室 气候室 山墙立柱 荷载 中图分类号 S625 1 Venlo型连栋玻璃温室在20世纪90年代初从荷兰引进中国 到现在已经有近30多年的历史 随着温室现代化技术的应用 连栋温室规模化发展成为世界主流 近几年来 随着人们对高品 质蔬菜的需求量增大 中国又逐步引入了可以对光照 温度 湿度 CO 2 等环境因素进行更精准控制的半封闭连栋玻璃温室 1 两种 温室的区别主要是顶部开窗率不同 半封闭温室顶部开窗要远低 于传统的Venlo型温室 通过配备强制通风系统来实现温室内的 通风 换气等 目前温室相关设计规范和标准主要依据国家标准 GB T 51183 2016 农业温室结构荷载规范 2 和国家标准GB T 51424 2022 农业温室结构设计标准 3 其中 农业温室结构 荷载规范 发布于2016年8月 主要针对各类温室的荷载取值进 行规定 为温室的结构设计奠定了基础 半封闭温室在2015年以 后逐步在中国开始引进和推广 因此也涉及了与既有规范相比更 多 更新的荷载 其中对连栋玻璃温室的各类荷载取值及加载方 式在 农业温室结构荷载规范 中有相关要求 主要包括永久荷 载和可变荷载 风 雪荷载 作物吊挂荷载等 该规范发布于 2016年8月 实际编制时间更早 所列的荷载主要是对以往常见 荷载的总结 新引进的半封闭连栋玻璃温室相比于传统的Venlo 型温室 增加了气候室和正压送风系统两部分关键系统设计 两 项内容通常布置在山墙侧 特点突出 因此在山墙位置也产生了 更多的荷载 包括更新的设备 吊挂式果菜基质栽培槽等新装备 产生的荷载 农业温室结构荷载规范 并未包含进去 半封闭连栋玻璃温室具有建设规模大 技术配置高 投资 大等特点 荷载的精准选取和施加是温室结构强度和稳定性计 算的前提 是保证温室结构设计安全的重要依据 中国针对半 封闭连栋玻璃温室的研究中 关于作物栽培 环境控制 通风 方式等方面的相关文献较多 4 13 但针对半封闭连栋玻璃温室 结构的研究 14 15 相对较少 涉及到荷载的文献更少 半封闭连栋 玻璃温室杆件主要包括立柱 山墙立柱 角立柱 中立柱 侧墙 立柱 桁架 天沟 屋面围护结构等 立柱是温室结构中最重 要的受力构件之一 与侧墙立柱相比 山墙立柱承担了更多功能 山墙立柱上尚需要安装很多温室上专用设备和管道 除作为常规 轻钢结构的主要承力构件外 还起到了设备支架功能 连栋玻璃 温室工程项目中 绝大多数荷载施加均与山墙立柱有关联 1 半封闭连栋玻璃温室气候室结构形式 半封闭连栋玻璃温室与传统的Venlo型连栋玻璃温室相比 主要有两项关键设计要点 一是气候室 二是正压送风系统 其中气候室主要是将温室内的空气与经过加温 降温 除湿和 增加二氧化碳等处理的外界空气混合到一起 从而对温室进行 精准控制 16 气候室主要由温室外墙 山墙 内隔墙 封闭窗 降温设 备 加温设备 风机等组成 结构形式应根据不同的设备及工艺 要求进行确定 目前半封闭连栋玻璃温室中应用的降温设备 主 要可分为采用湿帘系统降温和采用热源泵 制冷机设备降温两种 形式 17 湿帘系统大部分直接设置在山墙上 因此需要对温室 山墙位置的设备荷载选取进行考虑 而热源泵和制冷机因设备尺 寸大 质量大 在气候室内多采用直接落地形式布置 因此对温 室主体结构的荷载取值影响不大 在本文中不做详细研究 气候室内隔墙即为用来阻隔气候室与作物生长区的隔断墙 根据工艺的需求可分为落地式和悬挂式 图1 其中落地式的 墙体为钢立柱直接落地 采用玻璃等围护材料进行封闭 悬挂式 的墙体为钢构件形成封闭的区域 上部采用钢筋等构件与山墙立 柱连接 底部悬空 半封闭连栋玻璃温室气候室结构荷载探究 闫冬梅 徐开亮 曹 楠 张秋生 李 艳 1 农业农村部规划设计研究院 北京 100125 2 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室 北京 100125 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 22 23 农业工程技术 设施农业 2 半封闭连栋玻璃温室气候室结构荷载取值要点 根据荷载规范 现场调研和相关设计经验 本文以种植番茄 的生产型半封闭连栋玻璃温室为研究对象 对作用在气候室山墙 立柱上的各种荷载进行归纳总结 供结构设计师和温室用户参考 避免在设计和改造时考虑不周 有所遗漏 造成安全隐患 2 1 风荷载和雪荷载 可依据 农业温室结构荷载规范 GB T 51183 2016 和 农 业温室结构设计标准 GB T 51424 2022 的相关规定 根据 温室建设所在地气象资料 地形地貌 温室高度等因素 对风荷 载和雪荷载进行施加和计算 2 2 结构自重和覆盖系统荷载 结构自重主要包括山墙立柱 檩条等构件自身重量和山墙外 覆盖物荷载 图2 构件自身质量可根据山墙采用的构件规格 尺寸计算 覆盖物荷载可根据覆盖物材质 厚度 比重等参数计 算并计入安装辅材质量后确定 月拉秧 此时作物荷载不应考虑 半封闭连栋玻璃温室内作物通 过吊蔓系统吊挂在温室结构上 依据 农业温室结构荷载规范 附录B 吊蔓系统主要由一级吊线 三级吊线 端部吊线梁及连 接件等组成 作物荷载按实际种植作物类别及吊挂形式进行取值 应包括吊挂在结构上的作物 栽培容器及容器内基质等的重量 作物吊挂形式可参考相关规范 作物荷载主要分为竖向荷载 和水平荷载 竖向荷载对桁架和中立柱影响较大 主要作用形式 是作物吊挂节点位置施加垂直向下的荷载 水平荷载通常加载在 温室山墙位置 半封闭连栋玻璃温室因一侧山墙位置设有气候室 可将作物荷载吊挂至山墙柱或隔断柱 图3 间隔布置沿温室 天沟方向的三级吊线 端部吊线梁向气候室位置的立柱传递作物 水平及竖向拉力 图1 气候室结构形式 图3 气候室作物荷载 图2 气候室山墙外覆盖 a 内隔墙落地式 a 吊挂于山墙立柱 b 内隔墙悬挂式 b 吊挂于隔墙柱 2 4 水平拉幕系统 连栋玻璃温室水平拉幕系统主要包括内遮阳拉幕系统和内保温 拉幕系统 一般为多层设置 图4 采用双层拉幕系统时 两层 拉幕梁分别与桁架上下弦等高 采用三层拉幕系统时 三层拉幕梁 分别与桁架上 下弦和附加钢管等高 聚酯托幕线沿跨度方向布置 间距一般为0 4 0 5 m 聚酯压幕线布置间距为0 8 1 0 m 间隔3 4 m或1个尖顶 连栋玻璃温室尖顶尺寸多为3 2 4 5 m 用1根钢丝绳作为托幕线代替聚酯托幕线 遮阳保温幕布开启和 闭合的钢丝绳布置间隔一般为3 4 m或1个尖顶 拉幕系统多采用齿轮齿条拉幕和钢缆驱动拉幕两种形式 除 了包含系统重量外 采用齿轮齿条拉幕系统时 19 施加荷载来 源主要包括托幕线和压幕线的水平拉力 通过拉幕梁传递到山墙 立柱上 采用钢缆拉幕系统时 20 施加荷载来源主要包括托幕线 压幕线和驱动钢丝绳的水平拉力 通过拉幕梁传递到山墙立柱上 2 3 作物荷载 荷兰温室设计规范中 超过30天的作物荷载作为恒荷载 18 半封闭连栋玻璃温室多为长季节生产 作物荷载应作为恒荷载 但在沿海地区 应考虑台风的影响 茄果类作物有可能在7 8 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 24 25 特别关注Special Attention 图5 气候室山墙侧湿帘 图6 气候室山墙暖气管道布置 图7 Venlo型温室骨架示意图 2 5 降温设备荷载 在温室内的作物生产过程中 环境的精准调控会直接影响作 物的生长情况和产量多少 半封闭连栋玻璃温室在气候室一侧的 山墙设置了相应的湿帘系统 图5 在进行实际工程设计时 设计人员应依据温室的工艺需求对所需湿帘的尺寸 厚度等进行 筛选 根据设备重量及安装位置进行加载 另外 设计人员在考 虑荷载取值时 湿帘系统的重量应按照最大荷载进行加载 即应 按夏季供水状态时考虑 表1 充水钢管的参考质量 序号 公称直径 mm 管道质量 kg m 1 25 3 29 2 32 4 55 3 40 5 65 4 50 7 79 5 65 11 30 6 80 14 77 7 100 21 64 8 125 29 80 9 150 40 60 10 200 71 74 注 数据来源国家建筑标准设计图集 室内管道支架及吊架 图集号 03S402 一般连栋玻璃温室内主管道不做保温 故未按保温管道考虑 管 道自重 满管水重及以上两项之和的 10 的附加质量计算 不包括阀门 弯 头等质量 不同标准和图集略有差异 较多的设备 管道 温室与工民建相比 构件截面小 因此受荷 载的大小及布置位置影响较大 敏感度高 本文对作用在气候室 位置的山墙立柱上的各种荷载进行归纳总结 通过与常规连栋玻 璃温室的山墙位置的荷载工况进行对比 分析对山墙立柱等构件 的内力影响 3 1 温室参数 温室结构为新型Venlo型连栋玻璃温室 跨度9 0 m 尖 顶数为2 开间间距5 0 m 天沟高度7 0 m 温室跨度方向 长为 9 0 m 10 90 m 开间方向长为5 0 m 12 60 m 温室骨 架结构如图7所示 图4气候室山墙位置拉幕系统 2 6 加温设备荷载 近年来 在半封闭连栋玻璃温室的气候室中加温设备多采用 光管散热器 21 光管散热器是用钢管管道作为供回水的输水管 和供暖的散热器 利用光管表面散热 气候室的山墙上供暖主 管道主要包含供水管 回水管和散热器等 供暖主管道和光管散 热器大多采用吊链的形式 将多根光管散热管用圆环串联后再用 钢索吊挂在温室山墙立柱上 图6 在结构计算时需考虑管道 偏心吊挂的不利影响 同时按供水管和回水管的满水状态下自重 计算 充水钢管的参考重量可按表1选取 3 荷载取值对山墙立柱的影响分析 在实际工程设计中 连栋玻璃温室的山墙位置涉及的荷载种 类相对较多 除规范中规定的常规荷载外 在半封闭区域还涉及 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 24 25 农业工程技术 设施农业 图8 半封闭连栋玻璃温室模型示意图 表2荷载工况设置 工况 荷载组合 工况1 1 0恒荷载 1 0风荷载 工况2 1 0恒荷载 1 0风荷载 0 84雪荷载 工况3 1 0恒荷载 1 0风荷载 0 84作物荷载 工况4 1 0恒荷载 1 0风荷载 0 84雪荷载 0 84作物荷载 3 2 荷载工况 依据现有规范 以某地区为例 对温室进行荷载加载 主要包 括恒荷载 风荷载 雪荷载和作物荷载等 对半封闭Venlo型温室 除考虑以上荷载外 还需考虑在气候室 混流室位置涉及的相关 设备的荷载 综合考虑后对以上两个温室进行简要的荷载工况设 置 见表2 3 3 温室结构内力对比分析 本研究结构内力分析采用Sap2000有限元软件 此软件适用 范围广泛 可对日光温室 文洛型连栋温室 异形塑料大棚等各 种复杂空间结构的温室大棚结构进行精细化分析 可导入任意的 杆件截面形式 保证建模精度 22 图8为半封闭连栋玻璃温室 的模型示意图 通过对两类温室进行结构计算 得到山墙立柱的应力图 图9 和内力等结果 表3 通过对比分析 得到主要结论如下 两个温室结构的最不利荷载组合均为工况2 风荷载为主要控 制荷载 山墙立柱最大轴力值分别为1 35 kN和23 9 kN 最 大弯矩值分别为7 42 kN m和19 9 kN m 应力比分别为0 32 和0 62 以上研究发现当对连栋玻璃温室充分考虑混流室位置 的各类荷载后 对山墙立柱位置的内力及应力比影响较大 应力 比增大约50 因此 设计初期如果未充分考虑此处荷载 对后 期的杆件截面选择影响较大 4 荷载取值存在的问题和难点 在半封闭连栋玻璃温室结构设计中 结构设计结果准确的前 提是需要对各种荷载进行精准的荷载测算 并进行合理的组合计 图9 山墙立柱应力云图 表3 半封闭连栋温室与传统连栋温室内力对比 a 普通温室 b 半封闭温室 温室类型 内力 应力比 轴力 kN 主轴弯矩 kN m 次轴弯矩 kN m 主轴剪力 kN 次轴剪力 kN 普通温室 1 35 0 71 7 42 0 21 0 12 0 32 半封闭温室 23 9 0 71 19 9 2 6 0 12 0 62 算 这样才能从源头上杜绝结构中存在的安全隐患 避免设计的 连栋玻璃温室因结构失稳而导致倒塌 造成财产和人员损失 与 其他类型温室相比 半封闭连栋玻璃温室投资高 建设规模大 设备类型多 工艺选择也是多种多样 因此对于荷载精准选取也 尤为重要 4 1 设备类型多 在满足种植 采光 保温等各项工艺需求的要求下 在半封 闭连栋玻璃温室中选取的设备不尽相同 例如 茄果类种植温室 在吊挂模式方面就有多种选择 不同的模式对山墙立柱施加的荷 载也是不同的 不同供应商提供的设备重量和规格也不尽相同 因此荷载取值和加载时应对设备的选型进行确定 这样才能保证 设计人员真正实现精准加载 从而实现温室的模型建立和计算结 果的准确性和可靠性 4 2 取值存在偏差 在半封闭连栋玻璃温室设计时 可能存在因工艺 设备选型 等不确定性的问题 造成结构设计人员在进行各类荷载取值时存 在一定的偏差 甚至因为漏项而造成与实际情况不符的问题 从 而影响最终的结构计算和构件设计 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 26 27 特别关注Special Attention 4 3 尚未形成相应规范性条文 半封闭连栋玻璃温室是在2015年后逐步引入至国内发展 的 但相关规范的发布时间是在2016年 刚好错过了规范的 编制过程 因此在规范编制中暂未对半封闭连栋玻璃温室的 相关内容进行描述和规范 因此在进行结构设计时 无直接 的条文规定进行引用也对工程师的结构荷载取值造成了一定 的困扰 5 结语 半封闭连栋玻璃温室因建设规模大 设备种类多 工艺复 杂等原因 其投入比其他类型的温室要大很多 如果某一环节 出现问题 可能会导致整个温室的运行不能正常运转 不能满 足生产需求 造成较大的经济损失 本文列举了半封闭连栋玻 璃温室工程设计中部分受力杆件需要考虑的荷载 为结构设计 师在计算时提供参考 但以上荷载不一定在所有半封闭连栋玻 璃温室工程项目同时存在 同时存在时也应针对不同的设备重 量和规格尺寸等进行详细的计算和分析 才能保证结构的安全 性 结构设计师应针对不同建设工程项目进行荷载取值 确保 温室结构的精准加载 从而保障温室的结构安全性 参考文献 1 王安全 郝德旺 谢行耀 等 华南 华东沿海地区基于半 封闭玻璃温室番茄生产要求的气候特征分析 J 农业工程技 术 2022 42 22 68 72 2 中华人民共和国住房和城乡建设部 中华人民共和国推荐 性国家标准 农业温室结构荷载规范GB T 51183 2016 S 北京 中国计划出版社 2017 3 中华人民共和国住房和城乡建设部 中华人民共和国推 荐性国家标准 农业温室结构设计标准 GB T 51424 2022 S 北京 中国计划出版社出版 2022 4 丁小涛 周强 何立中 等 半封闭温室迷你黄瓜岩棉栽培 技术 J 中国蔬菜 2016 6 91 95 5 翁兵 上海半封闭温室草莓基质栽培生产技术 J 农业工程 技术 2024 44 9 54 55 6 张俊玮 吴利瑞 刘东 等 某ATU半封闭温室送风设备与 环境特性研究 J 暖通空调 2024 54 S1 458 461 7 王安全 郝德旺 谢行耀 等 华南 华东沿海地区基于半 封闭玻璃温室番茄生产要求的气候特征分析 J 农业工程技 术 2022 42 22 68 72 8 王芳 上海崇明地区半封闭温室的节能分析 J 绿色环保建 材 2021 7 165 166 9 丁小涛 金海军 杨少军 等 半封闭温室夏季降温及黄瓜 光合特性的研究 J 上海农业学报 2018 34 4 58 64 10 周增产 赵静 李秀刚 等 半封闭温室夏季降温试验 J 农业工程 2018 8 2 46 49 11 Chen W H Mattson N S You F Q Intelligent control and energy optimization in controlled environment agriculture via nonlinear model predictive control of semi closed greenhouse J Applied Energy 2022 320 119334 12 Van Beveren P J M Bontsema J Van t Ooster A et al Optimal utilization of energy equipment in a semi closed greenhouse J Computers and Electronics in Agriculture 2020 179 105800 13 Le Quillec S Albert B Lesourd D et al Benefits of a semi closed greenhouse for tomato production in the West of France J Acta Horticulturae 2017 1170 14 郭爱东 建筑结构荷载规范 在连栋温室工程中的应用 J 现代农业科学 2009 16 4 218 220 15 周增产 赵静 李秀刚 等 半封闭温室设计与应用 J 北 方园艺 2019 6 69 76 16 李秀刚 王志冉 周增产 等 半封闭温室关键系统设计与 应用 J 农业工程 2024 14 3 32 35 17 周长吉 李艳 富建鲁 半封闭温室在中国的工程实践 J 中国蔬菜 2021 8 1 7 18 蒋利施 刘栋海 生态展示温室的结构设计探索 J 农业工 程技术 2019 39 16 46 50 19 黄松超 张跃峰 刘毅 现代温室A型齿轮齿条拉幕系统 J 农村实用工程技术 2001 7 8 9 20 刘毅 现代温室配套设备 钢索驱动拉幕系统 上 J 农 村实用工程技术 2001 4 10 21 周长吉 周博士考察拾零 九十九 引进荷兰大规模连栋 玻璃温室长季节栽培番茄的工艺与设备配置 光管散热 器布置形式 J 农业工程技术 2019 39 34 62 66 22 中国建筑标准设计研究院 室内管道支架及吊架 M 北京 中国计划出版社 2007 项目支持 高光效连栋温室结构优化研究与设计软件开 发应用项目 农业农村部规划设计研究院自主研发课题 QD202113 作者简介 闫冬梅 硕士 高级工程师 研究方向 温室结 构工程和设计 E mail 851251116 通信作者 张秋生 学士 高级工程师 研究方向 温室 结构及装备研究 E mail 405423677 引用信息 闫冬梅 徐开亮 曹 楠 等 半封闭连栋玻璃温室气候室结构荷载 探究 J 农业工程技术 2025 45 24 22 26