第28卷 第3期2007年09月内蒙古农业大学学报
Journa l o f Inne r M ongo li a A gr icultural U niversity
HOST 格式V o.l28 N o.3
Sep.2007
刘建1, 周长吉2*
(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。
硅胶模具制作方法关键词: 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)03-0264-05
THE PRESENT AND DEVEL OP MENT OF SUNL I G HT
GREENHOUSE STRUCTURE OPTM I I Z AT I O N
LI U Jian1, Z HOU Chang-ji2
(1. College of W a ter Conservancy and ci vil eng i neering,Ch i na A gricult ural Un i ver sit y,B eijing100083,Chi na;
2. Chinese A cade my of A gricult ural Engineering,B ei j i ng100026,Ch i na)
Abstrac:t T he structure of sunli ght g reenhouse a ffects the env iron m ent and t he buil d i ng cost grea tl y.T o opti m ize the g reenhouse structure,t he buil d i ng pa rame ters i ncl uding span,he i ght,roo f s hape,as w ell as roof and w all struc t ure should be st udied to keep suffi cient li ght trans m i ssi on,e ffecti ve therma l i nsulati on and reasonable bu il d i ng co st.Th is paper su mm ar i zed the develop m ent s it uation of sunli ght g reenhouse struct ure opti m ization,and ana l y zed t he ur
gen t iss ues in t he future stud i es,wh i ch w ou l d gu i de the g reenhouse structure study i n the future.
Key words: Sun li ght g reenhouse; structure opti m ization; g eom etr i ca l para m ete r; truss wo rk
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，我国日光温室面积达70余万h m2，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塌，造成1人死亡[1]；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，即安全性、适用性和耐久性[2]。
(1)安全性 温室结构能够承受正常施工、正常
*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.
*通讯作者: Em a i:l zhouc@ m。
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 鞍 型 节能型日光温室、辽沈 型日光温室以及 西北型 日光温室等[3]。 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。
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。 温室结构设计荷载标准 (GB/T18622-2002)[4]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 z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 z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合日光温室。周长吉[5]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 z的取值问题上，提出坡度角 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。
在荷载组合方面，周长吉[5]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合具有指导意义。在此基础上，侯丽薇[6]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。
2 1 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，温室有效利用面积减少。程季珍[7]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 ，比较形象的概括了日光温室结构参数的要点。佟国红[8]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。佟国红[9]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,
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第3期 刘建等: 日光温室结构优化的研究进展与发展方向
如辽沈 型(跨度12m)、新型寿光日光温室(跨度超过20m)等。宋明军[10]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，寻跨度、脊高和温室栋与栋之间合理间距，对寻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。陈端生[11]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。
2 2 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。为此，研究者首先用可描述的数学表达式，如圆、椭圆、抛物线等，来研究采光面的形状。如李有[12]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为最高，椭圆面次之，抛物面最低；王静[13]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室；李晓豁[14]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方面均存在问题。为此，周长吉[15]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，陈端生[16]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；吴毅明[17]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。如高志奎[18]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同；轩维艳[19]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。
有柱式日光温室的前屋面结构有竹木结构、悬索结构、单管结构等。白义奎[20]分析了预应力拉索拱结构，提出采用拉索能有效减小对后墙的水平推力。周长吉[21]采用黄金分割法，对有立柱钢管骨架日光温室进行结构优化，建立了有柱式钢管骨架日光温室前屋面骨架的内力分析优化模型，提出抛物线型是日光温室最理想的受力曲面。李晓豁[22]对日光温室载荷进行了计算机模拟研究，通过对不同载荷的模拟分析，同样也得出抛物线形日光温室骨架的应力值最小。
无柱式日光温室，取消中柱后前屋面和后屋面骨架形成一体，后屋面荷载将全部作用在骨架上，故其受力比有立柱日光温室骨架复杂得多。目前主要运用计算机模拟的方法对其受力进行分析与验证。周长吉[23]根据无柱式日光温室的受力特点，提出对前屋面骨架进行优化时，应该用恒载+前屋面均布荷载[草毡+风载(+植物吊重)、草毡+雪载(+植物吊重)]进行曲线寻优，然后用后屋面(屋脊)荷载进行校核，修正优化截面，并给出了优化计算的流程图。张鹰[24]在理论计算的基础上，利用非电量电测技术，对辽沈型日光温室钢结构平面桁架在最不利荷载作用下进行应力测试分析，得到钢骨架的实际
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应力值，这一结果为日光温室骨架的合理设计提供了有力的根据。卢旭珍[25]利用ALGOR有限元分析软件，对相同长度、高度和跨度下不同结构形式的单面坡日光温室骨架进行了单元应力、位移及分布规律的计算分析，得出的最佳骨架设计方案是采用方管的双骨架斜拉花结构。
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。
4 日光温室的墙体结构
日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干打垒、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蓄热能力和保温特性，受到大家的重视。周长吉[26]提出理想的墙体结构应是内侧由吸热、蓄热能力较强的材料组成蓄热层，外侧由导热、散热能力较差的材料组成保温层，中间有夹层隔热的异质复合墙体。佟国红[27]对日光温室墙体传热特性进行了研究，结果表明聚苯板对热环境的影响高度显著。白义奎[28]对缀铝箔聚苯板空心墙体保温性能进行了研究，与相同厚度的夹心墙相比，缀铝箔聚苯板空心墙体的传热系数降低了约13%，具有较好的保温绝热性能。李小芳[29]研究了墙体材料及其组合对日光温室墙体保温性能的影响，提出红砖墙的厚度至少应保证0.36 m；建议使用0.10m厚度的聚苯板作为日光温室墙体的隔热材料。张立芸[30]为解决禁止使用实心粘土砖作建筑材料对日光温室建造带来的难题，通过理论分析和试验验证，提出采用加气混凝土可替代粘土红机砖建造日光温室，试验表明这种材料与聚苯板构筑的异质复合墙体具有比粘土红机砖砌体相对优越的热特性。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。
醚链
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，李小芳[31]提出温室长度不宜低于30m。彭致功[32]提出由于作物冠层对光照2次分配和山墙的影响，冠层上部南北的差异比东西差异大的多；冠层下部光照东西差异明显，南北差异不大。李小
芳[33]建立了日光温室的热环境数学模型，引入云遮系数法计算室内各个面的太阳辐射得热，将山墙引入热环境数学模型，计算了东西墙在室内各个面产生的荫影。李振海[34]应用非稳态传热理论的反应系数法建立了日光温室热平衡数学模型，对日光温室的几何特征、围护结构的构造进行优化选择。陈青云[35]利用传热学理论，对日光温室的热环境建立了数学模型，可定量揭示日光温室热环境的变化规律，对温室结构的优化设计具有积极作用。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前提，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，最近在寿光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。
5 日光温室结构优化当前急迫需要
研究的问题
过去20多年，我国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。
5 1 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要解决的问题。
5 2 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。因此笔者提出以自然气候条件等基本参数，以作物获取合理的光环境为目标，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。
5 3 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需要急迫研究的问题。
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第3期 刘建等: 日光温室结构优化的研究进展与发展方向
5 4 土堆后墙的合理尺寸
土堆后墙，可以节约建筑材料，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，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，对减少日光温室建造的土方量、节约土地具有重要意义。
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，以促进我国设施农业的持续健康发展。参 考 文 献:
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