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中 国 农 学 通 报 第 2 3 卷 第 2 期 2 0 0 7 年 2 月 h t t p w w w c a s b o r g c n 中 国 农 学 通 报 第 2 3 卷 第 2 期 2 0 0 7 年 2 月 h t t p w w w c a s b o r g c n 0 引 言 日 光 温 室 是 2 0 世 纪 8 0 年 代 在 中 国 北 方 地 区 迅 速 发 展 起 来 的 一 种 作 物 栽 培 设 施 由 于 日 光 温 室 建 造 和 运 行 成 本 低 适 合 中 国 社 会 经 济 的 需 要 成 为 中 国 设 施 农 业 的 主 体 温 室 建 造 的 目 的 是 为 作 物 全 年 正 常 生 产 提 供 必 要 的 条 件 获 得 作 物 最 优 生 长 所 需 的 重 要 气 候 环 境 因 子 因 此 日 光 温 室 优 化 结 构 不 仅 要 满 足 透 光 率 高 能 量 消 耗 低 通 风 良 好 的 要 求 而 且 要 具 有 足 够 的 结 构 强 度 和 良 好 的 机 械 力 学 性 能 降 低 建 造 和 运 行 成 本 实 现 最 大 的 经 济 效 益 利 用 保 护 结 构 进 行 作 物 生 产 可 追 溯 到 远 古 时 代 但 到 罗 马 帝 国 末 期 消 失 1 5 世 纪 末 期 到 1 8 世 纪 在 英 国 法 国 和 荷 兰 再 次 出 现 但 温 室 用 于 商 业 生 产 却 是 开 始 于 1 9 世 纪 中 期 并 于 1 9 4 5 年 后 迅 速 发 展 起 来 1 最 初 温 室 仅 是 一 个 依 靠 日 光 的 加 中 国 日 光 温 室 结 构 优 化 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 刘 志 杰 1 2 郑 文 刚 1 胡 清 华 2 史 彦 军 2 滕 弘 飞 2 1 国 家 农 业 信 息 化 工 程 技 术 研 究 中 心 北 京 1 0 0 0 8 9 2 大 连 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 辽 宁 大 连 1 1 6 0 2 4 摘 要 日 光 温 室 是 中 国 设 施 农 业 的 重 要 组 成 部 分 日 光 温 室 的 结 构 设 计 不 仅 影 响 内 部 环 境 因 子 和 生 产 效 益 而 且 对 温 室 建 造 生 产 成 本 及 其 结 构 稳 定 性 和 耐 用 性 有 直 接 影 响 综 述 了 地 域 和 气 候 约 束 条 件 下 日 光 温 室 主 要 结 构 优 化 设 计 的 研 究 现 状 如 跨 度 脊 高 采 光 屋 面 角 采 光 屋 面 形 状 墙 体 结 构 和 后 屋 面 结 构 等 为 不 同 地 区 日 光 温 室 建 造 提 供 参 考 信 息 同 时 探 讨 了 其 计 算 机 辅 助 结 构 分 析 研 究 状 况 并 分 析 了 今 后 的 发 展 趋 势 和 待 研 究 的 问 题 关 键 词 日 光 温 室 结 构 优 化 可 靠 度 拓 扑 优 化 协 同 优 化 中 图 分 类 号 S 6 2 5 1 文 献 标 识 码 A C u r r e n t S i t u a t i o n a n d D e v e l o p m e n t o n S t r u c t u r e O p t i m i z a t i o n o f S o l a r G r e e n h o u s e i n C h i n a L i u Z h i j i e 1 2 Z h e n g W e n g a n g 1 H u Q i n g h u a 2 S h i Y a n j u n 2 T e n g H o n g f e i 2 1 N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y i n A g r i c u l t u r e B e i j i n g 1 0 0 0 8 9 2 S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y D a l i a n 1 1 6 0 2 4 A b s t r a c t T h e s o l a r g r e e n h o u s e p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e f a c i l i t y a g r i c u l t u r e i n o u r c o u n t r y T h e s t r u c t u r e d e s i g n o f s o l a r g r e e n h o u s e n o t o n l y a f f e c t s i n n e r e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a n d i t s p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y b u t a l s o h a s d i r e c t i m p a c t s o n c o n s t r u c t i o n a n d p r o d u c t i o n c o s t s t r u c t u r e s t a b i l i t y a n d d u r a b i l i t y T h i s p a p e r r e v i e w s t h e l i t e r a t u r e o f s t r u c t u r e d e s i g n o p t i m i z a t i o n f o r s o l a r g r e e n h o u s e u n d e r d i f f e r e n t r e g i o n s a n d c l i m a t e s u c h a s t h e s p a n t h e r i d g e t h e i n c l i n a t i o n a n d s h a p e o f t h e l i g h t i n g s u r f a c e t h e s t r u c t u r e o f w a l l b o d y a n d t h e s t r u c t u r e o f b a c k r o o f e t c s o a s t o p r o v i d e r e f e r e n c e i n f o r m a t i o n f o r g r e e n h o u s e c o n s t r u c t i o n i n d i f f e r e n t a r e a s A t t h e s a m e t i m e t h e a d v a n c e s o f c o m p u t e r a i d e d a n a l y s i s o n s t r u c t u r a l a n d e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e a r e i n t r o d u c e d t o o I t a l s o a n a l y s e s t h e d e v e l o p m e n t t e n d e n c y a n d q u e s t i o n s t o b e r e s o l v e d i n t h e f u t u r e K e y w o r d s S o l a r g r e e n h o u s e S t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n R e l i a b i l i t y T o p o l o g y o p t i m i z a t i o n C o o p e r a t i v e o p t i m i z a t i o n 基 金 项 目 9 4 8 项 目 农 业 数 字 节 水 技 术 软 硬 件 产 品 2 0 0 6 G 6 3 和 北 京 市 十 一 五 重 大 科 技 攻 关 项 目 都 市 农 业 高 效 节 水 技 术 研 究 与 示 范 D 0 7 0 6 0 0 7 0 4 0 1 9 1 第 一 作 者 简 介 刘 志 杰 男 1 9 7 9 年 出 生 山 东 莱 阳 人 大 连 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 博 士 研 究 生 主 要 从 事 计 算 智 能 可 靠 性 优 化 方 面 研 究 通 信 地 址 1 1 6 0 2 4 辽 宁 省 大 连 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 T e l 0 4 1 1 8 4 7 0 9 4 5 0 E m a i l l i u z j 2 0 0 3 1 6 3 c o m 通 讯 作 者 滕 弘 飞 男 1 9 3 6 年 出 生 教 授 博 士 生 导 师 主 要 研 究 方 向 计 算 智 能 C A D 与 优 化 复 杂 系 统 通 信 地 址 1 1 6 0 2 4 辽 宁 省 大 连 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 T e l 0 4 1 1 8 4 7 0 9 1 3 0 E m a i l t e n g h f d l u t e d u c n 收 稿 日 期 2 0 0 6 1 1 1 3 修 回 日 期 2 0 0 6 1 2 3 1 农 业 工 程 科 学 4 4 9 C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n V o l 2 3 N o 2 2 0 0 7 F e b r u a r y h t t p w w w c a s b o r g c n C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n V o l 2 3 N o 2 2 0 0 7 F e b r u a r y h t t p w w w c a s b o r g c n 热 室 最 大 吸 收 太 阳 辐 射 减 少 热 量 损 失 类 似 于 中 国 的 日 光 温 室 研 究 者 对 此 进 行 了 一 定 的 研 究 主 要 集 中 于 贮 存 和 减 少 热 量 损 失 如 文 献 2 4 但 是 由 于 仅 依 靠 日 光 进 行 生 产 的 温 室 很 难 实 现 环 境 因 子 的 最 优 控 制 随 着 经 济 的 发 展 2 0 世 纪 6 0 7 0 年 代 开 始 可 控 制 环 境 性 能 的 现 代 化 温 室 迅 速 发 展 起 来 成 为 商 业 温 室 生 产 的 主 要 结 构 目 前 国 外 主 要 集 中 于 可 控 环 境 性 能 的 现 代 化 温 室 的 研 究 包 括 覆 盖 材 料 通 风 系 统 等 如 文 献 1 5 对 日 光 温 室 结 构 优 化 研 究 甚 少 且 其 结 构 与 中 国 日 光 温 室 不 同 通 常 可 采 用 多 种 方 式 改 进 影 响 温 室 内 作 物 生 长 的 环 境 因 子 如 采 用 加 热 方 式 提 高 温 度 用 专 用 灯 具 增 加 光 照 等 但 这 些 方 式 将 加 大 温 室 成 本 不 能 被 广 大 发 展 中 国 家 栽 培 者 接 受 研 究 表 明 温 室 结 构 是 影 响 内 部 环 境 性 能 的 重 要 因 素 对 其 进 行 研 究 是 改 变 影 响 作 物 生 产 的 环 境 因 子 有 效 且 经 济 的 方 式 对 于 提 高 温 室 的 生 产 率 和 资 源 利 用 率 降 低 成 本 保 障 安 全 稳 定 生 产 具 有 重 要 的 意 义 1 6 2 0 世 纪 9 0 年 代 现 代 化 温 室 在 中 国 迅 速 发 展 到 2 0 0 3 年 底 大 型 连 栋 温 室 已 有 7 0 0 h m 2 左 右 而 日 光 温 室 面 积 已 达 6 0 余 万 公 顷 占 温 室 和 大 棚 等 大 型 设 施 总 面 积 的 5 0 左 右 以 生 产 蔬 菜 为 主 近 年 来 果 树 花 卉 等 种 植 业 及 养 殖 业 也 快 速 发 展 对 提 高 城 乡 居 民 生 活 水 平 大 幅 度 提 高 农 民 收 入 节 省 能 源 做 出 了 历 史 性 贡 献 因 此 日 光 温 室 在 中 国 占 有 相 当 大 的 比 重 适 合 中 国 国 情 需 要 对 中 国 经 济 发 展 和 解 决 三 农 问 题 具 有 重 要 的 作 用 7 中 国 从 2 0 世 纪 8 0 年 代 中 期 对 日 光 温 室 结 构 进 行 了 大 量 研 究 与 改 进 研 究 了 适 合 中 国 地 区 气 候 条 件 和 经 济 水 平 的 温 室 结 构 笔 者 综 述 了 1 0 年 来 中 国 日 光 温 室 结 构 优 化 研 究 发 展 概 况 考 虑 了 不 同 地 区 不 同 气 候 条 件 的 影 响 以 更 好 理 解 有 关 结 构 优 化 设 计 受 地 域 气 候 特 点 影 响 的 规 律 为 不 同 地 区 进 行 日 光 温 室 建 造 提 供 参 考 进 而 探 讨 了 今 后 的 研 究 发 展 趋 势 1 主 要 结 构 参 数 优 化 研 究 温 室 结 构 主 要 有 三 部 分 组 成 即 采 光 面 后 屋 面 和 围 护 墙 采 光 和 保 温 是 日 光 温 室 成 败 的 关 键 因 素 地 球 表 面 的 太 阳 辐 射 强 度 日 照 时 间 长 短 及 光 谱 成 分 均 具 有 随 时 间 和 空 间 变 化 的 特 点 而 且 当 地 恶 劣 的 气 候 是 造 成 温 室 结 构 失 效 的 主 要 原 因 因 而 温 室 结 构 设 计 要 因 地 制 宜 1 1 采 光 屋 面 角 跨 度 和 脊 高 温 度 和 光 照 是 影 响 植 物 生 长 的 重 要 环 境 因 子 因 此 温 室 结 构 设 计 应 使 冬 季 阳 光 尽 可 能 得 到 充 分 利 用 采 光 屋 面 角 很 大 程 度 上 决 定 着 光 线 透 射 入 温 室 比 率 是 日 光 温 室 设 计 和 建 造 中 的 关 键 调 查 表 明 随 采 光 角 度 的 增 大 温 室 所 获 太 阳 能 也 越 多 但 温 室 脊 高 也 显 著 增 加 采 光 屋 面 角 过 小 下 雨 时 会 引 起 水 兜 下 雪 时 引 起 表 面 积 雪 从 而 可 能 造 成 灾 难 性 后 果 根 据 光 线 反 射 原 理 当 光 线 入 射 角 在 4 0 以 下 变 化 时 光 透 过 变 化 率 很 小 因 此 温 室 设 计 时 通 常 使 冬 至 日 正 午 时 阳 光 对 采 光 面 投 射 角 大 于 或 等 于 5 0 以 满 足 合 理 采 光 要 求 因 此 采 光 屋 面 角 为 4 0 1 其 中 为 当 地 地 理 纬 度 在 中 国 2 3 5 为 冬 至 日 赤 纬 由 于 冬 至 日 太 阳 高 度 角 H 0 为 H 0 9 0 2 因 此 5 0 H 0 3 温 室 除 满 足 足 够 光 照 强 度 外 还 必 须 有 足 够 的 光 照 时 数 光 合 作 用 时 间 才 能 保 证 作 物 安 全 生 产 通 常 应 使 冬 至 日 温 室 处 于 良 好 采 光 时 段 时 间 为 每 天 不 低 于 4 h 由 于 上 下 午 的 太 阳 高 度 角 小 于 正 午 因 而 为 保 证 上 下 午 的 合 理 采 光 角 度 合 理 的 采 光 时 段 屋 面 夹 角 需 在 此 基 础 上 再 加 5 7 8 9 丁 秀 华 等 1 0 认 为 最 佳 采 光 面 倾 斜 角 为 6 0 H 0 4 并 获 得 辽 宁 地 区 北 纬 4 1 附 近 日 光 温 室 采 光 面 最 佳 倾 斜 角 为 3 4 时 温 室 具 有 良 好 的 采 光 时 段 采 光 屋 面 角 脊 高 以 及 跨 度 三 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 从 面 影 响 温 室 的 内 部 空 间 和 采 光 保 温 性 能 脊 高 一 定 跨 度 过 大 采 光 屋 面 角 随 之 降 低 温 室 难 于 获 得 最 佳 采 光 效 果 过 小 温 室 有 效 利 用 面 积 减 少 据 研 究 分 析 日 光 温 室 跨 度 一 般 取 6 8 m 且 随 着 地 理 纬 度 增 加 日 光 温 室 的 跨 度 应 相 应 减 小 如 处 于 北 纬 4 8 4 9 的 呼 伦 贝 尔 市 应 取 6 6 5 m 作 为 标 准 跨 度 9 光 照 条 件 好 采 光 时 间 长 的 地 区 可 适 当 加 大 跨 度 以 增 加 土 地 利 用 率 如 西 北 地 区 可 取 7 8 m 1 1 跨 度 一 定 增 加 脊 高 采 光 屋 面 角 便 随 之 加 大 获 得 太 阳 能 增 加 温 度 指 标 明 显 提 高 但 过 高 势 必 使 温 室 空 间 增 大 不 利 于 增 温 与 保 温 同 时 对 温 室 主 体 结 构 的 强 度 和 覆 盖 材 料 力 学 性 能 的 要 求 会 提 高 将 增 加 施 工 难 度 和 建 造 成 本 脊 高 取 值 范 围 一 般 为 2 6 3 8 m 一 般 认 为 要 保 持 温 室 有 较 大 的 栽 培 面 积 要 求 跨 度 与 采 光 面 坡 长 比 天 地 比 应 不 低 于 0 8 5 0 9 0 脊 高 与 采 光 面 坡 长 比 应 小 于 0 6 0 7 具 备 这 样 相 应 比 例 的 温 室 前 部 结 构 比 较 合 理 1 0 1 2 采 光 面 前 屋 面 形 状 日 光 温 室 采 光 面 形 状 的 优 化 对 于 吸 收 太 阳 辐 射 具 农 业 工 程 科 学4 5 0 中 国 农 学 通 报 第 2 3 卷 第 2 期 2 0 0 7 年 2 月 h t t p w w w c a s b o r g c n 中 国 农 学 通 报 第 2 3 卷 第 2 期 2 0 0 7 年 2 月 h t t p w w w c a s b o r g c n 有 重 要 的 作 用 中 国 对 此 进 行 了 较 深 入 的 研 究 以 获 得 最 大 的 太 阳 辐 射 当 太 阳 高 度 较 低 时 屋 面 坡 度 应 大 些 太 阳 高 度 较 高 时 屋 面 坡 度 可 小 些 因 此 曲 线 型 采 光 屋 面 优 于 直 线 型 的 屋 面 坡 度 自 南 沿 底 脚 至 中 脊 由 大 变 小 胡 波 和 张 生 田 提 出 将 西 宁 地 区 日 光 温 室 脊 高 提 高 到 3 4 m 跨 度 缩 短 到 7 m 使 室 内 空 间 增 大 热 容 量 增 加 采 用 抛 物 线 形 采 光 面 更 有 效 1 2 佟 国 红 提 出 将 确 定 温 室 最 佳 采 光 面 形 状 的 问 题 转 化 为 确 定 不 同 地 面 点 所 对 应 的 前 屋 面 骨 架 的 高 度 用 动 态 规 划 的 方 法 将 多 维 问 题 转 化 为 一 维 问 题 进 行 求 解 该 方 法 比 较 通 用 1 3 单 纯 以 采 光 量 最 大 作 为 优 化 指 标 往 往 难 以 构 成 实 用 的 采 光 屋 面 例 如 优 化 筛 选 出 的 圆 弧 面 会 因 其 前 部 低 矮 区 域 过 大 土 地 使 用 效 率 低 农 事 操 作 困 难 而 难 于 被 生 产 者 接 受 李 有 等 提 出 将 温 室 采 光 面 下 土 地 使 用 效 率 也 作 为 优 化 指 标 研 究 了 圆 弧 面 椭 圆 面 和 抛 物 面 三 种 形 状 采 光 面 发 现 圆 弧 面 采 光 效 率 最 高 抛 物 面 最 低 椭 圆 面 的 土 地 使 用 效 率 最 高 且 通 常 情 况 下 抛 物 面 优 于 圆 弧 面 各 采 光 面 拱 长 不 同 亦 会 造 成 保 温 效 率 的 差 异 一 般 来 说 采 光 面 在 温 室 跨 度 中 所 占 的 比 例 越 大 采 光 性 能 越 好 但 保 温 性 随 之 下 降 椭 圆 面 的 保 温 效 率 最 差 而 圆 弧 面 和 抛 物 面 的 保 温 效 率 则 要 视 高 跨 比 而 定 1 4 此 外 不 同 形 状 屋 面 骨 架 承 载 能 力 也 不 相 同 周 长 吉 采 用 黄 金 分 割 法 对 有 柱 式 日 光 温 室 前 屋 面 钢 管 骨 架 的 力 学 性 能 进 行 了 优 化 分 析 发 现 抛 物 线 型 最 大 应 力 最 小 是 最 理 想 的 受 力 曲 面 但 其 前 段 较 低 不 利 于 操 作 1 5 刘 俊 杰 采 用 线 性 规 划 方 法 建 立 了 无 柱 式 日 光 温 室 骨 架 的 内 力 分 析 模 型 发 现 圆 型 是 其 较 理 想 的 受 力 曲 面 1 6 因 此 日 光 温 室 采 光 面 形 状 设 计 的 目 标 不 仅 要 最 大 限 度 地 增 加 入 射 太 阳 辐 射 而 且 应 增 大 室 内 有 效 种 植 面 积 和 屋 面 骨 架 的 承 载 能 力 及 减 少 采 光 面 的 散 热 面 积 单 纯 考 虑 单 一 目 标 均 不 能 得 到 最 优 的 采 光 面 形 状 不 同 地 区 应 根 据 不 同 种 植 目 的 当 地 气 候 特 点 和 自 身 条 件 综 合 考 虑 各 种 因 素 协 同 选 择 合 适 的 采 光 屋 面 以 最 大 限 度 地 发 挥 温 室 的 增 温 采 光 保 温 和 承 载 能 力 1 3 围 护 结 构 日 光 温 室 围 护 结 构 包 括 后 墙 山 墙 和 后 屋 面 的 材 料 仰 角 厚 度 及 构 造 夜 间 采 光 屋 面 外 侧 覆 盖 材 料 和 各 部 分 面 积 或 长 度 之 比 如 采 光 屋 面 投 影 长 度 与 温 室 跨 度 的 比 例 等 大 大 影 响 温 室 保 温 性 能 对 于 合 理 结 构 的 日 光 温 室 投 射 到 温 室 内 的 太 阳 直 射 辐 射 照 度 分 配 比 例 约 是 后 墙 5 0 地 面 和 后 屋 面 各 占 2 5 左 右 1 7 因 此 墙 体 的 设 计 对 温 室 保 温 和 蓄 热 非 常 重 要 实 际 上 保 温 能 力 强 的 材 料 其 蓄 热 能 力 必 然 差 而 蓄 热 能 力 强 的 材 料 其 保 温 能 力 必 然 差 所 以 要 使 墙 体 既 能 保 温 又 能 蓄 热 就 应 采 用 复 合 墙 体 内 侧 由 吸 热 蓄 热 能 力 强 的 材 料 如 红 砖 组 成 蓄 热 层 外 侧 由 导 热 散 热 能 力 较 差 的 材 料 组 成 保 温 层 中 间 有 夹 层 隔 热 常 用 夹 层 填 充 材 料 隔 热 效 果 降 温 阶 段 向 室 内 释 放 热 量 优 劣 次 序 为 珍 珠 岩 炉 碴 木 屑 中 空 总 之 导 热 率 小 的 材 料 如 无 机 材 质 作 夹 层 材 料 最 好 1 8 陈 秋 全 实 践 得 出 内 墙 为 2 4 c m 的 红 砖 墙 体 中 间 6 1 0 c m 厚 聚 苯 乙 烯 泡 沫 板 外 墙 为 1 2 c m 或 2 4 c m 红 砖 的 复 合 墙 体 是 北 方 高 寒 地 区 日 光 温 室 的 最 佳 墙 体 结 构 既 减 少 了 用 材 和 占 地 同 时 大 大 提 高 了 保 温 隔 热 和 蓄 热 等 综 合 性 能 9 后 屋 面 宽 度 和 仰 角 决 定 温 室 空 间 大 小 和 蓄 热 能 力 仰 角 增 大 则 投 射 到 后 屋 面 内 侧 的 太 阳 直 接 辐 照 度 增 大 但 仰 角 过 大 势 必 增 加 后 屋 面 的 施 工 难 度 并 加 大 散 热 面 恰 当 的 后 屋 面 仰 角 应 保 证 冬 至 日 太 阳 光 线 能 完 全 照 射 到 温 室 后 墙 面 上 通 常 取 8 H 0 5 7 5 1 4 其 它 部 分 结 构 优 化 李 小 芳 1 9 研 究 指 出 温 室 长 度 确 定 的 一 个 重 要 影 响 因 子 是 东 西 山 墙 荫 影 率 通 过 不 同 长 度 温 室 的 最 高 气 温 最 低 气 温 和 平 均 气 温 对 比 分 析 发 现 最 低 气 温 随 着 温 室 长 度 的 增 加 均 匀 递 减 说 明 室 内 空 间 越 小 越 利 于 夜 间 保 温 和 室 内 温 度 的 稳 定 当 最 初 温 室 长 度 增 加 时 室 内 的 荫 影 率 随 长 度 增 加 而 递 减 由 于 荫 影 率 的 变 化 对 室 内 温 度 的 影 响 大 于 室 内 空 间 的 影 响 使 平 均 气 温 和 最 高 气 温 随 着 长 度 增 加 递 增 当 长 度 增 大 到 5 0 m 后 荫 影 率 变 化 很 小 但 室 内 空 间 体 积 变 化 大 而 且 影 响 大 于 荫 影 率 变 化 的 影 响 平 均 气 温 和 最 高 气 温 都 出 现 下 降 趋 势 对 于 6 8 m 跨 度 的 日 光 温 室 温 室 长 度 为 4 5 5 0 m 范 围 内 保 温 性 能 较 好 高 志 奎 通 过 模 拟 温 室 采 光 性 能 发 现 温 室 平 均 采 光 效 率 不 仅 与 脊 高 跨 度 和 高 跨 比 有 关 而 且 与 肩 高 和 光 程 从 采 光 面 到 达 受 光 照 部 位 的 距 离 即 光 线 路 程 有 着 重 要 的 关 系 因 此 以 上 两 参 数 的 优 化 也 非 常 重 要 2 0 综 上 所 述 目 前 中 国 日 光 温 室 结 构 优 化 主 要 研 究 一 是 根 据 日 光 温 室 采 光 设 计 的 理 论 确 定 最 优 采 光 屋 面 角 和 采 光 面 形 状 二 是 研 究 结 构 设 计 以 提 高 温 室 保 温 性 能 三 是 研 究 保 证 温 室 强 度 时 最 优 结 构 设 计 以 降 低 温 室 成 本 2 计 算 机 辅 助 结 构 优 化 研 究 根 据 采 光 理 论 得 到 的 优 化 采 光 屋 面 需 要 进 行 力 学 性 能 的 分 析 以 估 计 骨 架 等 结 构 承 载 力 进 而 为 用 计 算 机 辅 助 工 程 分 析 或 优 化 软 件 对 温 室 结 构 分 析 和 优 化 设 农 业 工 程 科 学 4 5 1 C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n V o l 2 3 N o 2 2 0 0 7 F e b r u a r y h t t p w w w c a s b o r g c n C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n V o l 2 3 N o 2 2 0 0 7 F e b r u a r y h t t p w w w c a s b o r g c n 计 提 供 了 条 件 一 些 研 究 者 对 此 进 行 了 探 索 侯 丽 薇 2 1 借 助 于 计 算 机 力 学 分 析 工 具 建 立 有 柱 日 光 温 室 骨 架 的 有 限 元 模 型 研 究 了 在 载 荷 作 用 下 前 屋 面 形 状 温 室 高 度 跨 度 间 距 等 几 何 尺 寸 对 温 室 结 构 性 能 的 影 响 发 现 抛 物 线 型 的 最 大 应 力 最 小 一 坡 一 立 型 最 大 应 力 值 最 大 骨 架 应 力 值 随 拱 间 距 高 度 跨 度 的 增 加 而 增 大 结 构 性 能 变 差 为 日 光 温 室 的 实 际 优 化 设 计 提 供 了 理 论 依 据 卢 旭 珍 2 2 利 用 A L G O R 对 同 长 度 高 度 和 跨 度 下 不 同 结 构 形 式 的 单 面 坡 日 光 温 室 进 行 了 单 元 应 力 位 移 分 析 发 现 单 骨 架 结 构 采 用 圆 管 比 方 管 耗 材 量 小 承 载 能 力 和 受 载 变 形 指 标 好 采 用 方 管 管 型 的 双 骨 架 斜 拉 花 结 构 比 竖 拉 花 结 构 和 采 用 圆 管 管 材 的 性 能 指 标 优 因 而 采 用 方 管 管 材 的 双 骨 架 斜 拉 花 结 构 是 最 佳 骨 架 选 择 方 案 此 外 不 同 结 构 温 室 内 环 境 性 能 也 获 得 了 一 定 的 研 究 曹 永 华 2 3 研 制 了 适 合 中 国 不 同 温 室 光 环 境 分 析 的 辅 助 设 计 软 件 G R L T 可 确 定 最 佳 采 光 的 温 室 结 构 邢 禹 贤 2 4 用 其 模 拟 分 析 了 不 同 结 构 单 坡 面 塑 料 日 光 温 室 采 光 面 光 能 时 空 分 布 及 采 光 能 量 董 吉 林 2 5 用 V B 程 序 根 据 温 室 采 光 最 新 理 论 开 发 了 用 于 日 光 温 室 等 的 采 光 量 及 其 在 温 室 内 的 分 布 的 计 算 机 模 拟 系 统 可 为 温 室 结 构 参 数 的 设 计 提 供 计 算 机 辅 助 支 持 优 化 温 室 结 构 滕 光 辉 2 6 探 讨 了 用 基 于 虚 拟 现 实 技 术 构 建 的 虚 拟 温 室 模 拟 研 究 温 室 结 构 特 征 和 力 学 及 环 境 性 能 3 日 光 温 室 结 构 优 化 发 展 趋 势 中 国 日 光 温 室 为 解 决 北 方 地 区 冬 季 蔬 菜 供 应 增 加 农 民 收 入 提 高 城 乡 居 民 的 生 活 水 平 促 进 农 业 产 业 结 构 调 整 等 做 出 了 历 史 性 贡 献 但 随 着 经 济 发 展 日 光 温 室 面 积 与 日 剧 增 产 品 相 对 过 剩 造 成 作 物 季 节 差 价 不 断 缩 小 经 济 效 益 逐 年 下 降 而 且 中 国 目 前 大 多 日 光 温 室 环 境 性 能 可 控 性 差 造 成 作 物 质 量 不 高 产 品 档 次 较 低 市 场 竞 争 力 差 满 足 不 了 人 们 日 益 增 长 的 需 求 2 7 温 室 优 化 设 计 时 最 终 关 注 的 是 新 设 计 或 改 进 温 室 的 建 造 成 本 和 给 栽 培 者 带 来 的 成 本 效 益 因 此 日 光 温 室 不 仅 要 满 足 提 高 温 度 和 保 护 作 物 需 要 而 且 要 优 化 资 源 有 效 用 水 和 C O 2 等 成 为 可 控 制 环 境 因 子 的 生 产 集 成 系 统 但 由 于 中 国 广 大 栽 培 者 投 资 能 力 有 限 国 外 大 型 现 代 温 室 不 能 被 广 泛 应 用 温 室 结 构 优 化 是 改 进 温 室 环 境 性 能 更 经 济 有 效 的 方 式 6 可 满 足 中 国 栽 培 者 的 经 济 水 平 此 外 目 前 中 国 日 光 温 室 仍 主 要 是 依 靠 模 仿 和 有 限 实 践 经 验 而 建 造 造 成 温 室 结 构 庞 大 存 在 安 全 隐 患 因 此 日 光 温 室 结 构 优 化 研 究 适 合 中 国 国 情 对 满 足 结 构 强 度 和 耐 久 性 实 现 最 优 环 境 性 能 提 高 温 室 生 产 力 和 效 益 具 有 重 要 的 意 义 3 1 主 要 承 重 结 构 拓 扑 优 化 屋 架 和 屋 盖 是 温 室 承 重 的 主 要 部 件 屋 盖 结 构 主 要 承 受 纵 向 作 用 的 载 荷 是 承 担 温 室 大 部 分 外 界 作 用 的 部 件 屋 面 梁 与 立 柱 一 起 组 成 温 室 结 构 的 主 要 承 力 系 统 屋 面 梁 结 构 形 式 多 样 如 桁 架 式 组 合 梁 式 和 门 式 等 而 桁 架 是 目 前 温 室 结 构 中 最 为 常 见 的 形 式 其 结 构 拓 扑 形 式 对 其 承 载 能 力 至 关 重 要 2 8 有 关 桁 架 拓 扑 结 构 的 研 究 一 直 是 工 程 领 域 和 力 学 领 域 的 热 点 主 要 从 设 计 变 量 优 化 模 型 和 求 解 算 法 等 方 面 进 行 了 研 究 取 得 了 大 量 的 成 果 但 目 前 有 关 温 室 结 构 拓 扑 优 化 方 面 的 应 用 研 究 尚 少 见 日 光 温 室 结 构 拓 扑 优 化 对 于 探 索 新 的 结 构 形 式 以 及 在 保 障 温 室 安 全 可 靠 的 同 时 节 约 成 本 降 低 工 程 造 价 有 着 重 要 的 意 义 2 9 3 0 3 2 结 构 安 全 稳 定 及 可 靠 度 优 化 设 计 目 前 中 国 日 光 温 室 迅 速 发 展 但 通 常 忽 视 温 室 结 构 安 全 可 靠 性 方 面 研 究 使 得 中 国 很 多 已 建 或 在 建 的 温 室 存 在 诸 多 安 全 隐 患 例 如 2 0 0 0 年 云 南 昆 明 和 浙 江 杭 州 的 雪 灾 对 温 室 结 构 的 破 坏 就 造 成 3 0 0 0 多 万 元 的 直 接 损 失 另 外 中 国 很 多 国 产 温 室 的 结 构 杆 件 明 显 比 国 外 引 进 温 室 偏 大 显 得 既 笨 重 又 不 实 用 还 造 成 了 较 大 的 浪 费 温 室 结 构 可 靠 度 优 化 设 计 就 是 在 满 足 温 室 结 构 安 全 可 靠 性 和 耐 久 性 要 求 下 使 温 室 性 能 参 数 匹 配 结 构 尺 寸 与 质 量 成 本 等 方 面 的 参 数 最 优 白 义 奎 3 1 提 出 了 中 国 日 光 温 室 建 造 存 在 的 安 全 隐 患 分 析 了 影 响 日 光 温 室 钢 骨 架 结 构 安 全 耐 久 性 因 素 并 提 出 改 进 建 议 梁 宗 敏 3 2 在 连 栋 温 室 结 构 抗 风 设 计 中 引 入 了 基 于 目 标 可 靠 指 标 研 究 了 温
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