海南地處熱區(qū),，雨熱同季,，夏秋高溫，多臺(tái)風(fēng)暴雨,，濕熱氣候可加速病蟲害的傳播,，設(shè)施保護(hù)地栽培因能克服夏秋暴雨、高溫,、多臺(tái)風(fēng)等不利氣象因素,，被廣泛應(yīng)用于常年蔬菜栽培，尤其應(yīng)用于夏秋渡淡栽培（夏秋季節(jié)是熱區(qū)本地葉類蔬菜供應(yīng)的淡季）,。目前海南常見的設(shè)施類型有連棟圓拱形塑料大棚,，連棟鋸齒形塑料大棚，文洛型玻璃溫室,，單棟塑料拱棚,，連棟蔭網(wǎng)棚等。常年蔬菜設(shè)施要求滿足通風(fēng),、防雨,、防蟲、適合耕作等基礎(chǔ)生產(chǎn)條件,，而海南常見設(shè)施結(jié)構(gòu)類型存在抗風(fēng)等級(jí)高則造價(jià)高,，造價(jià)低的簡易棚又不具備抗風(fēng)能力，甚至功能上沒有滿足常年蔬菜種植的部分要求,，如不防雨,，沒有遮陽,，或通風(fēng)效果不好等問題。熱區(qū)輕簡化抗臺(tái)風(fēng)連拱大棚就是在這樣的市場(chǎng)需求牽引下研發(fā)的,。大棚結(jié)構(gòu)在滿足海南常年蔬菜生產(chǎn)的基本需求基礎(chǔ)上更為輕簡，既滿足常年蔬菜種植功能,，又可降低造價(jià),、節(jié)約投資。

熱區(qū)輕簡化抗臺(tái)風(fēng)連拱大棚結(jié)構(gòu)以專利棚型（一種全裝配式拱桿交叉連拱大棚結(jié)構(gòu)ZL2020214324810）為基礎(chǔ)研發(fā)設(shè)計(jì),。

輕簡化連拱大棚效果圖

結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

跨度6.0 m,，拱間距0.8 m，開間4.0 m,，頂高3.4 m,，肩高（內(nèi)部凈高）2.2 m。

輕簡化連拱大棚結(jié)構(gòu)剖面示意圖 /mm

主要功能

大棚屋頂部分采用0.08 mm薄膜覆蓋（薄膜厚度可根據(jù)荷載條件選擇）,，四周墻面及連拱之間通風(fēng)部位采用40目（或32目）防蟲網(wǎng)覆蓋,，覆蓋材料由熱鍍鋅卡槽及涂塑卡簧固定。內(nèi)部肩高處沿水平拉桿設(shè)置手動(dòng)內(nèi)遮陽,，采用60%~70%扁絲遮陽網(wǎng),，一邊綁扎在中間的縱向系桿上，另一邊采用φ20PVC管作為活動(dòng)邊,，手動(dòng)開合,。通過上述做法實(shí)現(xiàn)頂部防雨、四周及拱間通風(fēng),、內(nèi)部遮陽的功能,。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大棚將立柱與屋架結(jié)合，配合拉桿構(gòu)建成一個(gè)幾何不變體系,，外觀線條簡潔流暢,，內(nèi)部空間寬敞整齊，滿足使用功能要求,。相較于傳統(tǒng)溫室大棚立柱,、縱橫梁與屋架組合的結(jié)構(gòu)，拱柱結(jié)合,、更為輕便,。

立柱采用拱交叉設(shè)計(jì)，交叉拱結(jié)構(gòu)相較于獨(dú)立拱結(jié)構(gòu),，受力均勻,，更有利于提升結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，同等用材下大棚的抗風(fēng)性能得到提升,。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算,，風(fēng)荷載為0.5 kN/m²（詳見荷載參數(shù)部分定義）時(shí),，用鋼量僅為2.5 kg/m²（含預(yù)埋件）。

輕簡化連拱大棚結(jié)構(gòu)體系示意圖 /mm

棚型在研發(fā)時(shí),，從單拱棚的拱形結(jié)構(gòu)受力較好受到啟發(fā),，充分分析其優(yōu)缺點(diǎn)，將單拱棚肩部以下不適宜耕作區(qū)域（作業(yè)高度限制）和棚間通風(fēng)排水空間結(jié)合,，形成0.8 m寬通風(fēng)帶,，如圖4所示。結(jié)合后的通風(fēng)帶同時(shí)也承擔(dān)大棚排水功能,，相較單拱棚提高了土地利用率,。通風(fēng)口的高度由原來較低的位置（圖中1.6 m）向上提升（圖中2.2 m），聚熱空間減小,，通風(fēng)空間加大,，水平拉桿便于布置內(nèi)遮陽，更加有利于棚內(nèi)降溫與散熱,。

單拱棚與輕簡化連拱大棚土地利用對(duì)比示意圖 /mm

荷載參數(shù)

恒載為0.025 kN/m²（主要為鋼骨架自重）,，活荷載為0.100 kN/m²（本大棚針對(duì)海南常年蔬菜生產(chǎn)，以葉菜為生產(chǎn)對(duì)象,，不考慮作物吊重）,，基本風(fēng)壓（W₀）為0.500 kN/m²，相當(dāng)于11級(jí)風(fēng)中間風(fēng)速,，主要用于主體鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算,。塑料膜、網(wǎng)等覆蓋材料的機(jī)械性能與耐久性隨材料原料特性和使用環(huán)境差異較大,，不做抗風(fēng)驗(yàn)算,，但要求薄膜厚度與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匹配。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值計(jì)算

考慮最不利組合為恒載+風(fēng)荷載,。風(fēng)荷載為主導(dǎo)荷載,，由可變荷載控制效應(yīng)設(shè)計(jì)值S_d的計(jì)算公式，S_Gk為恒載標(biāo)準(zhǔn)值,，S_Q1k為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,，S_Qik為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（n=2）；恒載分項(xiàng)系數(shù) 取1,，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1,，活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活荷載的組合值系數(shù)取0.7,。

參照《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取0.9；地面粗糙度按B類，大棚高度為3.4 m,，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取0.76,；按開敞式結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，作用在屋面的風(fēng)荷載體型系數(shù)取-0.75,。榀距（開間）L為4.0 m,。

恒載標(biāo)準(zhǔn)值S_Gk= 0.025 kN/m²，

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

0.76×(-0.75) =-0.285 kN/m²,，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值S_Q1k=0.1 kN/m²,。

作用在拱架上的各荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算如下：

（1）恒荷載設(shè)計(jì)值

（2）風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值

（3）活荷載設(shè)計(jì)值

防蟲網(wǎng)處布置風(fēng)荷載還需乘以風(fēng)荷載的阻風(fēng)系數(shù)。32目防蟲網(wǎng)阻風(fēng)系數(shù)取0.75,、40目防蟲網(wǎng)阻風(fēng)系數(shù)取0.81,。

結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

采用PKPM2010版對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,。所選構(gòu)件的規(guī)格計(jì)算結(jié)果均通過,，計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力比詳見下圖。從圖示結(jié)果可知內(nèi)力在構(gòu)件內(nèi)部分布比較均勻,，通過連拱形式,，各構(gòu)件形成空間體系，整個(gè)拱架類似桁架結(jié)構(gòu),，受力性能優(yōu)良,。

輕簡化連拱大棚結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力比結(jié)果圖 /mm

材料規(guī)格與基礎(chǔ)做法

溫室大棚屬于輕鋼類建筑，僅基礎(chǔ)部分用到混凝土,，傳統(tǒng)建造工藝需要土方開挖,、現(xiàn)場(chǎng)支模、放置預(yù)埋件,、澆筑混凝土,、振搗密實(shí)、養(yǎng)護(hù),、拆模等工藝流程,。本連拱大棚采用預(yù)制混凝土基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)包括基礎(chǔ)在內(nèi)的全部構(gòu)件裝配式安裝,?；炷粱A(chǔ)的建造養(yǎng)護(hù)過程均在工廠，現(xiàn)場(chǎng)僅需開挖,、埋放,、找平與回填，以及少量的柱腳二次灌漿作業(yè),，既保證了構(gòu)件質(zhì)量,，又減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了環(huán)境污染,，實(shí)現(xiàn)大棚安裝的輕簡化,。

基礎(chǔ)

采用C30預(yù)制混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),，尺寸為500 mm×500 mm× 200 mm，埋深0.5 m（根據(jù)荷載條件調(diào)整,，做法大樣詳見圖a）,；熱浸鍍鋅預(yù)埋件，底部焊接0.3 m長,、φ10三級(jí)鋼筋4條（實(shí)物如圖b）,；棚間通風(fēng)區(qū)地面開挖排水土溝。

輕簡化連拱大棚預(yù)制基礎(chǔ)做法及安裝示意圖（單位：標(biāo)高 m,，其他 mm）

鋼骨架

拱架部分的拱桿φ32×1.5 mm,、水平拉桿φ42×1.5mm、腹桿φ25×1.2 mm,、棚間拉桿φ25×1.2 mm,、邊側(cè)抗風(fēng)柱立柱φ32×1.5 mm、加強(qiáng)桿φ25×1.2mm（以上構(gòu)件規(guī)格均為給定荷載條件下計(jì)算得出,，不同荷載條件下,，結(jié)構(gòu)組成不變，調(diào)整構(gòu)件截面可滿足相應(yīng)的荷載條件）,。桿件采用U型螺栓,、抱箍、螺栓,、十字卡簧等連接,，所有鋼管及連接件均采用熱鍍鋅處理。

除拱架以外的其它構(gòu)件主要包括屋面縱向系桿,、室內(nèi)水平拉桿上系桿,、柱間支撐、棚頭（八字）水平支撐,、屋面棚頭支撐,、副拱桿、山墻副立柱等,。各構(gòu)件規(guī)格分別為,，屋面縱向系桿φ42×1.5 mm、室內(nèi)水平拉桿上系桿φ32×1.5 mm,、柱間支撐φ42×1.5 mm,、棚頭（八字）水平支撐φ32×1.5 mm、屋面棚頭支撐φ25×1.2 mm,、副拱桿φ32×1.5 mm,、山墻副立柱φ32×1.5 mm。

造價(jià)估算

本造價(jià)計(jì)算所采用連拱棚的跨數(shù)為5跨，總寬度為5×6.8 m+0.8 m=34.8 m,，開間數(shù)為14開間,，長度為14×4 m=56 m，計(jì)算面積為34.8 m× 56 m=1948.8 m²,。造價(jià)采用《海南省房屋建筑與裝飾工程綜合定額》(2017年),、《海南省安裝工程綜合定額》（2017年）以及其他相關(guān)定額。主要材料價(jià)格參照《海南工程造價(jià)信息》2021年7月?？诘貐^(qū)的材料價(jià),，其中缺項(xiàng)的材料價(jià)格依據(jù)市場(chǎng)咨詢價(jià)格，計(jì)算結(jié)果含增值稅9%及相關(guān)的措施費(fèi),、規(guī)費(fèi)等,，計(jì)算結(jié)果如下表所示。在風(fēng)荷載為0.5 kN/m²（如按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》方法取值,，相當(dāng)于0.25 kN/m²）作用下,，連拱大棚的造價(jià)約為3.68萬元/667 m²。

輕簡化連拱大棚造價(jià)估算表

造價(jià)對(duì)比分析

輕簡化連拱大棚主體鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)占比59.9%（含預(yù)埋件及連接件）,，覆蓋材料造價(jià)占比14.6%,，土建工程占比造價(jià)17.7%,，內(nèi)遮陽造價(jià)占比7.8%,。與海南本地相同功能的普通圓拱型連拱大棚（跨度、開間,、拱間距相同,，肩高2.5 m，較本文連拱大棚高0.3 m,，但無內(nèi)遮陽,，設(shè)計(jì)風(fēng)荷載相同，其造價(jià)約為5.5萬元/667 m²,，設(shè)計(jì)相比較,，輕簡化連拱大棚造價(jià)降低約33%，綜合考慮單體計(jì)算面積因素后造價(jià)約降低25%~30%,。對(duì)比可知,，輕簡化連拱大棚投資成本控制效果顯著。

對(duì)比普通圓拱形連拱大棚示意圖 /mm

另通過初步驗(yàn)算,，在保持輕簡化連拱大棚結(jié)構(gòu)形式不變的條件下,，僅改變所用構(gòu)件的管徑或壁厚、基礎(chǔ)規(guī)格和薄膜厚度,，風(fēng)荷載按照0.92 kN/m²（相當(dāng)于14級(jí)風(fēng)初始風(fēng)速,，如按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》方法取值，相當(dāng)于0.5 kN/m²）取值時(shí)，其造價(jià)約為4.8萬元/667 m²,；風(fēng)荷載按照1.38 kN/m²（相當(dāng)于16級(jí)風(fēng)初始風(fēng)速,，基本達(dá)到海南登錄最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)速，如按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》方法取值,，相當(dāng)于0.75 kN/m²）取值時(shí),，其造價(jià)約為5.8萬元/667 m²。具體使用時(shí),，可根據(jù)投資和需求抗風(fēng)等級(jí)選擇不同的風(fēng)荷載參數(shù),。

熱區(qū)輕簡化抗臺(tái)風(fēng)連拱大棚具有以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①功能優(yōu)勢(shì)，該連拱大棚具有防雨,，遮陽通風(fēng),，結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足海南夏秋淡季常年蔬菜生產(chǎn)要求的防雨,、降溫和抗臺(tái)風(fēng)要求,；②安裝優(yōu)勢(shì)，該連拱大棚采用全裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積快速安裝,，施工速度快，對(duì)土壤擾動(dòng)少,，復(fù)墾方便,，適合作為菜籃子常年蔬菜大棚在農(nóng)田上建設(shè)；③宜機(jī)優(yōu)勢(shì),，常見簡易大棚由于造價(jià)低,，一般跨度或內(nèi)部空間較小，機(jī)械化操作的適應(yīng)性差,，僅能滿足小型機(jī)械的使用,，該連拱大棚在簡易大棚的投資標(biāo)準(zhǔn)下，進(jìn)一步提高了跨度和空間尺寸,，使得可耕作區(qū)域內(nèi)比較整齊開敞,，6 m的跨度、4 m的開間以及2.2 m的肩高,，能夠滿足中型機(jī)械的操作,，宜機(jī)化水平提高；④造價(jià)優(yōu)勢(shì),，由于結(jié)構(gòu)合理,，單位面積的用鋼量較少，能較大幅度降低大棚的建造成本,，輕簡化優(yōu)勢(shì)突出,。該類型輕簡化連拱大棚適合以海南為代表的熱區(qū)使用,。在覆蓋上稍加改造還可適用于華中、華東,、西南,、華南等冬季不需要加溫的地區(qū)，特別是在華東等有臺(tái)風(fēng)的地區(qū)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯,。