周博士考察拾零（一百零六）非金属材料温室骨架
时间：2021-01-22 18:01:10 来源：达达文档网 本文已影响 人 
除温室基础和日光温室墙体外，目前商业化的温室结构用材大都采用钢材或铝合金等金属材料，其中钢材是最基础的结构用材，而铝合金材料主要用于连栋温室天沟和镶嵌玻璃的框架并承载玻璃面传递的风雪荷载。金属材料材质均匀、强度高、韧性强、加工性能好、标准化和工业化水平高、适合远距离运输，因此在全世界范围内得到广泛应用。
但金属材料也有自身的缺点：一是资源不可再生;二是防腐要求高（钢材生产和热浸镀锌表面防腐对环境都有一定的污染）;三是热胀冷缩变形大;四是传热速度快（不仅增大了温室的冷热负荷，而且与其接触的塑料或橡胶等有机材料容易被烫伤或老化）;五是造价相对较高。非金属材料正好能弥补金属材料上述缺陷，而且也具有一定的承载强度，因此，一些地方资源丰富的地区或对温室造价要求较低的农户，也会大量采用非金属材料做温室承力结构，更有一些专业化企业专门开发和推广非金属材料温室结构。本文系统梳理了当前在塑料大棚、日光温室以及连栋塑料薄膜温室结构中使用的各种承力结构用非金属材料（不含温室基础和日光温室的墙体材料）及其结构形式，包括钢筋混凝土材料、竹木材料、塑料管材、玻璃钢材料以及回收塑料二次加工材料等，供业内同行研究和交流。
混凝土材料
混凝土材料是最基础的建筑工程用材，工业与民用建筑、道路桥梁、水坝乃至农田排水沟等无处不有混凝土的影子。作为温室结构用材，除了基础垫层外，一般均以钢筋混凝土材料的形式出现。
与同类结构构件（梁、柱、檩条等）相比，钢筋混凝土构件截面面积要远远大于金属材料构件，而且由于钢筋混凝土材料的抗压强度远较抗弯和抗剪强度高，所以用钢筋混凝土材料替代钢材做温室立柱，具有构件长细比小、承压能力强的特点，因此，无论是简易的塑料大棚，还是现代的日光温室和连棟塑料温室都大量使用钢筋混凝土材料做立柱（图1）。
抗腐蚀性能好是钢筋混凝土材料相比金属材料另一个突出的优点。温室生产由于长期处于高温高湿环境，金属材料构件必须经过表面防腐处理才能保证其较长的使用寿命，而高温高湿环境对混凝土材料不仅不会造成表面腐蚀而且还有利于混凝土前期的固化和养护，如果不是刻意追求表面美观，混凝土材料构件可以不做任何表面处理就能直接用于温室结构构件，可大大节约构件表面处理的成本。
混凝土材料除了用在高温高湿的温室室内空气环境中具有良好的抗腐蚀性能外，在高湿、高盐碱、高地下水位的土壤中也具有同样优异的抗腐蚀性能（盐碱土或地下水位比较高的地区应在配方中添加相应的抗剂）。这一特性正好可以弥补金属材料和竹木材料与混凝土或土壤接触易生锈腐烂的缺点[1]。在生产实践中，作为温室结构承力构件的一部分，将钢筋混凝土材料做成基础短柱，下部埋入地基与基础相连（或者本身就是基础），上部伸出地面与室内立柱或落地拱架相连（图2），从而彻底消除了与土壤接触钢材或木材立柱/拱架的腐蚀问题，使温室结构的使用寿命得到大大延长。一般钢筋混凝土构件的使用寿命可达50年以上。
除了作为立柱或基础短柱使用外，在塑料大棚和日光温室等单跨结构的温室设施中也有大量使用钢筋混凝土材料做屋面拱架的案例（图3）。用钢筋混凝土材料做温室屋面拱架，由于材料本身的热惰性大，即使在炎热的夏季，也不会对其表面覆盖的塑料薄膜产生任何的烫伤，这是非金属材料相比金属材料最大的优点。
用钢筋混凝土材料做屋面拱架，由于屋面构件的长度较长，为了运输和制作方便，经常将一根拱杆分为若干段预制，运输到施工现场后再用螺栓将其连接在一起，即形成完整的拱架结构。
钢筋混凝土构件由于截面大、抗弯和抗剪强度低，作为温室屋面拱杆，相比金属材料构件对室内地面的遮光面积大，尤其是连接构件各分段的螺栓在温室高温高湿的环境中易生锈，给温室结构的安全造成很大隐患。此外，钢筋混凝土屋面拱架由于构件长度长、自身长细比大，运输和安装过程中很容易发生开裂或扭断，降低了构件实际使用的成品率，也相应增加了温室结构的工程造价。工程实践中应充分分析这种材料的利弊和优劣，挖掘材料的特点，合理选择和使用，在保证结构可靠的前提下，实现材料使用的最优性价比。
竹木材料
竹木材料是一种古老的建筑材料，至今在我国的各类建筑中仍有大量使用。虽然近年来中国从保护生态的角度出发加强了对林木的保护，作为原木承重的木结构在民用建筑应用中几近消失，但作为经济林发展的竹材却大量应用于各类建筑中。
竹木材料，不仅可以用作温室的屋面拱杆，而且也可以用作温室的立柱。作为温室立柱使用，主要采用原木形式，而且要求原木的截面较大;作为温室屋面拱杆使用，可以是截面面积较小的原木形式或剖开大截面原木的竹片形式。
竹木材料，尤其是竹材，喜潮湿、耐高温，非常适合于高温高湿的温室环境。虽然竹木材料自身强度较钢材和钢筋混凝土材料低，但竹材韧性好、易弯曲，尤其适用于温室大棚的屋面拱杆，可以是竹材原木使用，也可以将原木竹材剖开后按竹片使用;既可以用作结构的承重构件，也可以用作结构中支撑和固定塑料薄膜的非承重构件。竹材用于温室屋面构件支撑和固定塑料薄膜时也同样具有与钢筋混凝土屋面拱架不烫伤塑料薄膜相同的特性，因此在当今的塑料大棚和日光温室中被大量使用。
代表中国设施农业起步的塑料大棚和早期的日光温室，其承力体系几乎全部是竹木构件（图4a、图4b），在广西、云南等竹材丰富的地区，甚至也有用竹材做连栋塑料薄膜温室全部承力构件的案例（图4c），这种立柱、屋面拱杆、构件支撑、纵向系杆等承力构件全部为竹木材料的温室称其为纯竹木结构温室或简称竹木结构温室。
由于竹木材料的承载强度较金属材料和钢筋混凝土材料的低，直接影响了纯竹木材料温室结构的整体承载能力。为了进一步提升竹木结构温室的承载能力，在后来的技术改进中，重点利用了竹材韧性好、易弯曲、不烫膜的特点，将其作为全部或部分屋面承重构件，一是用承载能力更强的钢筋混凝土材料构件来替代竹木立柱（图5a、图5c）;二是采用主副拱结构，用承载能力更强的钢结构材料做主承重拱架，用承载能力较弱的竹材做副承重拱架（图5b）;三是采用悬索结构，用沿温室大棚开间方向通长布置的纵向钢丝来分担部分屋面荷载（图5b、图5c），通过减小对竹木材料的承载要求来提高温室大棚的整体承载能力。
悬索结构根据钢索在屋面拱杆上的布置位置不同，又分为悬梁吊柱悬索结构（图5b）和琴弦结构（图5c）两种形式。悬梁吊柱悬索结构的钢索布置在屋面拱杆的下部，二者通过支撑短柱连接;琴弦结构的钢索布置在屋面拱杆的上部或紧贴屋面拱杆的下部，二者一般通过上顶拱杆下接弦索的钢丝捆绑连接。悬梁吊柱悬索结构由于钢索布置在屋面拱杆下部且远离屋面拱杆，给压紧屋面覆盖塑料薄膜留出了足够空间，因此这种结构容易压紧塑料薄膜，而且纵向钢索也不会形成对屋面排水的阻挡。由于琴弦结构纵向钢丝布置间距小，也省去了悬梁吊柱结构中的短柱，只要在安装过程中将钢丝绷紧，实际运行中也不会造成对屋面排水的阻挡，因此，从节省材料和安装成本的角度出发，目前生产中更多还是使用琴弦结构。
竹木材料最大的缺点是纵横截面的承载力不同，而且构件个体之间差异较大，竹材还存在大小两个端头，中间为渐变直径，因此，构件的标准化程度低，结构用材必须精挑细選。此外，竹木是有机材料，未经过表面防护的构件容易遭受虫蛀，在干湿循环的环境中（生产季节覆盖薄膜温室内高湿;休闲季节或揭开薄膜后温室内干热）竹木结构容易开裂，也影响其使用寿命，一般温室竹木结构构件的使用寿命多在5～10年，但经过表面碳化处理（图6）或热浸涂覆沥青的竹木构件使用寿命也可达到20年以上。
塑料管材
塑料管作为温室的骨架材料，笔者曾报道过将其用于日光温室采光面替代竹竿的做法[2]。用塑料管替代竹片或竹竿后，屋面上不再出现由于单根竹竿长度不够而搭接的现象。用塑料管替代竹竿做日光温室采光面辅助支撑拱杆具有构件标准化程度高、温室屋面平整光洁、便于屋面开窗和排水等优点。
塑料管由于自身强度低，作为非承重构件替代竹竿是完全可行的，但是否能用于温室主体承力结构构件呢？生产实践中，确有民间工匠设计建造了完全用塑料管做结构构件的连栋塑料温室，而且结合塑料管材的特点，用标准的管材连接件设计了各构件的连接节点（图7）。虽然笔者无法考证这种温室结构的承载能力及其使用寿命，但这种大胆冲破传统建材约束的设计构想还是非常值得科研人员思考和借鉴的。
该设计在同一平面垂直交叉的两根杆连接统一采用了三通连接（图7b中的屋脊梁与吊杆、图7e中的吊杆与弦杆、图7f中的弦杆与柱顶梁），长杆穿进三通的直管中，短杆穿进三通的旁通中，用自攻自钻螺钉固定即可;拱杆和与之相交叉的构件，则采用了拱杆穿进交叉管的连接方式，十字交叉的节点拱杆完全穿透交叉管（图7b、图7c），丁字交叉的节点拱杆端头插入交叉管（图7f），在重要的屋脊梁部位还特别采用了四通管（图7b）以加强连接。
立柱与基础的连接采用了一种特殊的连接管件，管件的中部为圆孔供圆管插入，从中间圆管上相隔120°伸出3个翅，每个翅上开圆孔用以插入螺栓，从基础预埋件上伸出的3根预埋螺栓分别从3个翅孔中穿出加垫片后用螺母拧紧即实现立柱与基础的牢固固定（图7d）。
这种设计构件标准化水平高、材料来源丰富、构件不需要做表面防腐处理，温室建设的总体造价不高，但由于使用管材的截面不大，整体承载能力或许不高，而且管材在长期的室外环境暴露中容易老化，也会直接影响结构的使用寿命，因此，这种结构的温室更适合用作临时性建筑或作为承载要求不高的网室使用。
玻璃钢
玻璃钢是用高分子树脂材料在高温下熔化包裹细小的玻璃丝后制成的材料。根据不同的模具形状，可做成片材、板材、棒材以及各种用途和造型的材料。温室设施中，用玻璃钢材料的设备有盛水的容器、风机的叶片和边框，20世纪80年代我国还曾从日本和美国引进过用玻璃钢作温室透光覆盖材料的连栋温室。由此可见，玻璃钢材料在温室设施中的应用早已司空见惯了。
玻璃钢材料通过调整玻璃丝的直径和密度以及树脂材料的成分可制成满足各种强度和耐久性的材料。相比金属材料，玻璃钢材料表面防腐性能好，在室外高温下对其表面覆盖的塑料薄膜也不会发生烫伤，材料强度高、韧性好、变形能力强。基于上述特点，有企业专门研究开发了一套用全玻璃钢材料做温室主体承力构件的连栋塑料薄膜温室，包括圆拱屋面温室和锯齿屋面温室（图8）。温室的立柱、屋面拱杆、屋架腹杆、弦杆、屋面系杆、天沟等承力构件全部采用玻璃钢材料，而且连接各构件的连接件也经过特殊设计全部采用玻璃钢材料（图9）。
相比钢材，玻璃钢材料不论抗压、抗拉还是抗弯的强度都较低，因此，同规格尺寸的构件玻璃钢的承载能力较低，或者在同等承载能力条件下玻璃钢材料的构件截面将更大。此外，玻璃钢材料表面的玻璃丝容易剥落，沾染到工作人员皮肤会造成皮肤瘙痒;玻璃钢材料在长期紫外线照射下会造成玻璃丝断裂，影响结构的强度和使用寿命（一般使用寿命在5～10年），但在紫外线弱或无紫外线照射的环境中抵抗自然风化和微生物分解的能力很强，因此这种温室更适合在如重庆等周年光照强度较弱的地区使用。不过与之相伴的是构件破坏后无法再利用，在自然界中自我分解的速度也很慢，对废旧构件处理不当会造成环境污染。选择使用这种材料时应综合分析其性能特点，趋利避害，优化选择。
除了上述玻璃钢材料温室骨架外，20世纪90年代国内还推广应用过用镁菱土材料做粘结剂，内部配玻璃丝或竹丝做骨料的有机复合材料做塑料大棚骨架的案例。由于这种材料属于脆性材料，承载能力不很强、破坏无征兆，而且破坏后的废旧材料难以回收利用，在辽宁、海南等地推广一段时间后就销声匿迹了。
回收塑料
废旧塑料材料不能开发利用是垃圾，有效开发利用后就是资源。塑料材料大都是石油产品，原料属于有限、不可再生资源，如果将废弃塑料材料弃置于自然环境，被自然分解的时间很长或者根本分解不了，又对生态和环境造成污染。随着社会对塑料制品用量的不断增大，为节约资源、保护环境，回收和利用废旧塑料已经成为当今生态保护和社会发展的一种必然要求。
废旧塑料材料的形式多样，成分复杂，给其回收利用带来很大困难。目前大量的用途是粉碎制粒再掺加调理成分后熔铸或挤压成各种线材或板材。将其熔融挤压成“工”字截面线材，可用于温室和大棚的承重骨架。图10a是用废旧硬质塑料材料粉碎、配料、热熔、挤压成型后制作的塑料大棚骨架[3];图10b是用回收塑料薄膜为原料制成的日光温室前屋面承力骨架[4]。相关的详细制作工艺和温室性能笔者在相关文献中已经做过报道，这里不多赘述。
总之，非金属材料是一系列传统或新型的建筑材料，有些材料已经使用数百年，有些材料可能刚刚开始开发使用。不论是古老的传统材料，还是新型的创新材料，只要具有一定的承载能力，都有可能成为温室整体或局部部位的结构构件。广大读者可以挖掘身边的资源，期冀未来能像日光温室墙体材料一样，开发出更多、更经济和更适合温室结构用途的新型非金属建筑材料，为中国温室工程建设增添新的选择。
参考文献
[1] 周长吉.周博士考察拾零（四十七）日光温室钢管骨架在混凝土基础连接处的锈蚀问题不可忽视[J].农业工程技术（温室园艺），2015，35（22）：26-27.
[2] 周长吉.周博士考察拾零（二十四）“琴弦式”结构日光温室用塑料管替代竹竿支撑屋面的新做法[J].农业工程技术（温室园艺），2013，33（4）：46-47.
[3] 周长吉.周博士考察拾零（六十三）合成木骨架塑料大棚[J].农业工程技术（温室园艺），2016，36（34）：9-11.
[4] 周长吉.周博士考察拾零（二十二）利用回收废旧农膜加工制造温室骨架[J].农业工程技术（温室园艺），2013，33（1）：26-30.
[引用信息]周长吉.周博士考察拾零（一百零六）非金属材料温室骨架[J].农业工程技术，2020，40（19）：36-41.
