拱形鋼架大棚設計與建造安裝技術

張杰　馮青春　付祖科等

導讀：拱形鋼架大棚漂亮實用，使用壽命長，經濟效益高，適合機械耕種，除了用于蔬菜、食用菌、花卉生產外，目前發展到矮化果樹、林業育苗等經濟林果的生產及畜牧漁業。一個標準單座拱形鋼架大棚，長度40 m、跨度8～8.5 m、高度3.1～3.5 m、棚內面積320～340 m2，造價成本0.8萬～1.2萬元。本文立足于湖北荊門地區，從基地選擇、設計參數、用材及建造安裝等四個方面進行了拱形鋼架大棚設計與建造安裝技術探討研究，對華中地區長江流域鋼架大棚建造安裝具有一定的指導作用。

拱形塑料大棚主要起到春提前、秋延后的保溫栽培作用。一般春季可提前30～35天，秋季能延后25～30天；在炎熱的夏秋季覆蓋遮陽網可進行遮蔭降溫和防雨、防風、防雹栽培；在寒冷的冬季采用“四膜”覆蓋，可進行越冬栽培。最常見的拱形大棚，根據拱架材料分為竹木結構大棚、復合材料骨架大棚、水泥骨架大棚和鋼管拱架大棚四種。竹木結構大棚抗風險能力差、使用壽命短、造價便宜，適宜有資源的丘陵山區，在城鎮化的郊區趨于淘汰；復合材料骨架大棚抗壓能力差，易折斷、遮光率高，使用推廣困難；水泥骨架大棚造價適中、推廣發展面積大，但跨度不足、脊高有限，不適合機械入內作業，目前發展趨緩；鋼管拱架大棚抵災抗災能力強、使用壽命長、空間大、跨度長、適合機械入內耕種，最近幾年發展較快。荊門市2014年用于早春蔬菜生產的塑料大棚面積達1 400.7 hm2，較2013年增加5.2%，其增加的95%是鋼架大棚。拱形大棚除了用于蔬菜、食用菌、花卉生產外，目前發展到矮化果樹、林業育苗等經濟林果的生產及畜牧漁業。一個標準單棟拱形鋼架大棚，長度40 m、跨度8～8.5 m、高度3.1～3.5 m、造價成本0.8萬～1.2萬元，現介紹其設計與建造安裝技術。

1 大棚位置選擇

建造安裝大棚應選擇符合標準化生產要求、向陽背風、土層深厚、灌排方便、交通便利的地塊。

1.1 符合標準化生產要求

大棚基地必須符合無公害或綠色食品、有機食品生產標準要求，避開土壤、水源、空氣污染區，遠離公路、工廠，防止汽車尾氣、工業廢氣、廢液、廢渣、重金屬及粉塵煙塵污染，保障產品質量安全。

1.2 向陽背風

地勢開闊，地形空曠，東、南、西三個方向沒有高大樹木、建筑物或山崗遮陽，保證大棚具有充足光照條件。避開風口、風道、河谷、山川，因為這些地方修建大棚，不僅會加大大棚的散熱量，使棚內溫度難以維持，而且極易遭受風害，造成棚塌膜損。大棚北部如果沒有山、丘陵作天然風障，最好栽植防風林或修建房屋以屏障北風，減少為害。

1.3 土層深厚

土層要深厚，土質要疏松肥沃，無鹽漬化。一般黑色砂壤土吸收光熱的能力強，容易提高地溫，是建造大棚的最好土壤。地下水位要低，如果地下水位高，土壤含水量大，增加棚內的相對濕度，容易導致病害的發生。

1.4 灌排方便

收多收少在于肥，有收無收在于水。新建大棚基地水源要近、水質要好、供電要正常、排灌設施要齊全，以保證全天候能灌能排。

1.5 交通便利

路網發達，晴雨通車，交通方便，有利于產品運銷和建立產地市場。

新建大棚基地是一種相對固定、使用時間較長的栽培設施，選好地塊以后必須進行規劃，尤其是面積較大、集中連片的大型基地，更要根據自然環境條件，對大棚的方向和布局，基地內的道路、溝渠、水池、電力、住房等設施進行科學合理統籌規劃，才能開工建設，以保證土地的高效利用、生產管理的及時科學，實現高產高效優質目標。

2 拱形鋼架大棚設計參數

2.1 大棚設計總體要求

①安全性 鋼架大棚結構及其所有構件必須能安全承受包括恒載在內的可能的全部荷載組合，任何構件危險斷面的設計不得超過鋼管材料的許用應力，鋼架大棚及其構件必須有足夠的剛度以抵抗縱、橫方向撓曲、振動和變形。

②耐久性 鋼架大棚的金屬結構零部件要采取必要的防腐、防銹措施，覆蓋材料要有足夠的使用壽命。

③穩定性 鋼架大棚及其構件必須具有穩定性，在允許荷載、壓力、推力下不得發生失穩現象。

④完整性 鋼架大棚必須具有總體的完整性。因外力作用局部損壞時，鋼架大棚結構作為一個整體應能保持穩定，不致于發生多米諾骨牌效應。

⑤總體指標要求 風載>0.25 kN/m2；雪載>0.2 kN/m2；恒載>0.2 kN/m2；作物荷載>0.15 kN/m2；大棚主體結構使用壽命10年以上。

2.2 田間設計參數

①大棚朝向 大棚的朝向是指大棚脊的走向。大棚的朝向應結合本地緯度及主風向綜合考慮。在我國大部分緯度范圍內，大棚的朝向宜取南北延長走向，使大棚內部各部位采光均勻。根據荊門地區氣候條件采取南北走向并適當偏西，偏角不得超過5°。若限于條件，必須取東西走向，要考慮大棚骨架遮蔭，對作物的正常生長發育產生的影響。

②排列方式 大棚之間呈東西向對稱式排列，相鄰大棚間距1～1.5 m。每排大棚之間修機耕道，棚頭間距不少于4～5 m。這種排列方式通風速度快，相互遮光少，保溫效果佳，機械作業便利。

2.3 四角定位

首先確定大棚的一條邊線，在邊線上定位2個角點，然后用勾股定理定位第三個角點，最后根據兩條邊線的長度定位第4個角點。4個角點的高度要用水平儀測量保持一致，大棚對邊長度必須一樣，保證4個大棚角是直角。一個標準拱形鋼架大棚跨度8～8.5 m，長度40 m，棚內面積320～340 m2。

2.3 結構設計參數

①長度 建造長度依地塊而定，40～60 m為宜。

②跨度 2根6 m長的標準鋼管剛好可以連接建造成一副拱架，跨度以8～8.5 m為宜。如加大跨度，需另加立柱或做桁架結構。

③肩高 用于蔬菜花卉育苗的可設計肩高為1～1.3 m；用于黃瓜、豇豆、果樹等較高作物種植的大棚，肩高可以提高至1.6～1.9 m，同時需加裝斜撐桿，以提高大棚的承載能力。

④脊高 脊高以3.1～3.5 m為宜。8～8.5 m跨度大棚脊、肩垂直高差以1.9 m為宜。此種設計，形成的拱面對太陽光反射角小、透光率高，能充分使用鋼管的力學性能，最大化的利用拱架的抗拉、承壓性能，同時能解決棚面過平導致“滴水”造成“打傷作物”誘發病害的問題。

⑤拱架間距 指相鄰兩道拱架之間的水平距離，以80～100 cm為宜。避風或風力不超過6級的地區，拱架間距應不大于100 cm。在風力較大的地區拱架間距應不大于80 cm。

3 拱形鋼架大棚材料

3.1 主要材料

①拱架 拱架主要起支撐棚面覆蓋物，承受風、雪、吊蔓載荷的作用，提供足夠的內部空間。拱架多為碳素結構圓鋼管、熱鍍鋅、可直接焊接或裝配，外徑不得小于22 mm，壁厚不得小于1.2 mm。荊門地區鋼管拱架多選用直徑26 mm，壁厚2.5 mm的鍍鋅鋼管。拱架基座可以用C20混凝土固定。

②拉桿 拉桿起連接拱架與立柱的作用，能將拱架所受的力傳到立柱上，保證大棚骨架穩定性。拉桿安裝在拱架下，不少于3道。拉桿為直徑25 mm，壁厚2.5 mm的熱鍍鋅鋼管。

③立柱 大棚立柱是大棚骨架中最終受力部分，它可以將拱架頂部承受的力，如雪壓、風壓等傳到立柱上來，起主要支撐作用。立柱采用熱鍍鋅處理，具有防腐蝕的作用。立柱為圓鋼管，長度不同，有2 m、3 m、4 m三種規格，外徑26 mm，壁厚2.6～3.0 mm，兩根立柱間距1.1～1.2 m。

④斜撐桿 斜撐桿長4 m，外徑和壁厚與立柱相同，一個鋼架大棚至少需要4根斜撐桿。大棚長度超過50 m需要增加斜撐桿。

3.2 配件材料

拱形鋼架大棚配件材料主要有拱架連接彎頭、拉桿壓頂簧、拉桿管頭護套、U型卡、夾褓、固膜卡槽、卡槽連接片、卡簧、卡槽固定器、門座、門鎖、門包角、壓膜卡、卷膜器、雙梁卡、引線簧及專用螺栓和標準螺栓等。所有配件材料的設計和選用須滿足強度要求，不應有明顯的毛刺、壓痕和劃痕。固膜卡槽選用熱鍍鋅或鋁合金固膜卡槽，寬度28～30 mm，鋼材厚度0.7 mm，長度4～6 m。卡簧用剛性鋼絲彎曲成型，在卡槽鋪上塑料薄膜后，將它嵌入槽內，可固定薄膜。

3.3 棚膜材料

棚膜首選乙烯-醋酸乙烯（E-VA） 農用塑料薄膜，也可選用聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）膜，寬度12 m，厚度0.08 mm以上，透光率90%以上，使用壽命1年以上。棚膜于無風晴天覆蓋，用卡槽固定。裙膜選用厚度0.04 mm，寬度0.6～1 m的中膜。一個標準單棟拱形鋼架大棚需要棚膜48 kg，中膜5 kg。

棚體兩側每間隔3～5 m用壓膜線連接預埋掛鉤固定棚膜。壓膜線采用內部添加高彈尼龍絲、聚丙絲線或鋼絲的高強度壓膜線，其抗拉性好，抗老化能力強，對棚膜的壓力均勻。

3.4 灌溉材料

采用節水灌溉系統，由泵房設備（電動潛水泵、過濾器、施肥器及附屬設備）、棚外管網（主支、毛管）及棚內管帶（微型噴頭、滴灌管帶、滲灌管帶、噴灌管帶、灌水器滴頭）三部分組成，溶解于水的化肥和農藥可通過灌溉管網施用。荊門地區棚內管帶材料多選用直徑32 mm的噴灌帶。

3.5 防蟲網材料

防蟲網安裝在大棚兩側的通風口上，用卡簧固定在卡槽中，防止通風時害蟲進入。防蟲網的材料類型主要有：不銹鋼網和黃銅網、聚乙烯單線網、聚丙烯多股網、尼龍網等。荊門地區防蟲網一般選擇幅寬1 m的40目尼龍防蟲網。防蟲網的顏色以白色和無色透明為主，也可以是黑色或銀灰色的。白色和無色防蟲網的透光性好，黑色防蟲網的遮光效果好，銀灰色防蟲網則避蚜效果好，依據現場環境和需要而定。

4 拱形鋼架大棚建造安裝技術

4.1 拱架安裝

拱架即鍍鋅半圓拱鋼管，8～8.5 m寬大棚，單根拱架長6 m，直徑22～26 mm，壁厚1.2 mm以上。為便于運輸，拱架多采用現場加工，加工設備，可根據所需弧形和肩高，通過角鐵焊接而成。安裝時先在拱架一頭30 cm處，統一標記插入泥土的深度，然后沿大棚兩側拉線，間隔60～90 cm用直徑28～32 mm的鋼釬或電鉆打一深30 cm的洞孔，洞孔外斜5°，最后將拱架插入洞孔內，用眉形彎頭連接拱架頂端即可。安裝拱架要求插入深度一致，左右間距和內空間距一致，以保證大棚頂斜面和左右側面平整。

4.2 拉桿安裝

拉桿亦稱縱向拉桿、橫拉桿，俗稱梁。一個大棚1道頂梁2道側梁，風口等特殊位置需要加裝2道，共安裝5道拉桿。拉桿單根長5 m，40 m長的大棚，3道梁需要拉桿24根。連接拉桿時先將縮頭插入大頭，然后用螺桿插入孔眼并鉚緊，以防止拉桿脫離或旋轉。上梁時，先安裝頂梁，并進行第一次調整，使頂部和腰部達到平直；再安裝側梁，并進行第二次、第三次調整，使腰部和頂部更加平直。如果整體平整度有變形，局部變形較大應重新拆裝，直到達到安裝要求。安裝拉桿時，用壓頂彈簧卡住拉桿壓著拱架，使拉桿與拱架成垂直連接，相互牽牢。梁的始末兩端用塑料管頭護套，防止拉桿連接脫落和端頭戳破棚膜。拉桿安裝要求每道梁平順筆直，兩側梁間距一致，拱架上下間距一致，拉桿與拱架的幾個連接點形成的一個平面應與地面垂直。

4.3 斜撐桿安裝

拉桿安裝完后，在棚頭兩側用斜撐桿將5個拱架用U型卡連接起來，防止拱架受力后向一側傾倒。斜撐桿斜著緊靠在拱架里面，呈“八”字形。每個大棚至少安裝4根斜撐桿，棚長超過50 m，每增加長度10 m需要加裝4根。斜撐桿上端在側梁位置用夾褓與門拱連接，下端在第5根拱管入土位置，用U型卡鎖緊，中部用U型卡鎖在第2、3、4根拱架上。

4.4 卡槽安裝

卡槽又稱固膜卡槽、壓膜槽，安裝在拱架外面，分為上下2行，上行距地面高150 cm，下行距地面高60～80 cm。安裝時校正拱架間距，用卡槽固定器逐根卡在拱架上固定，卡槽頭用夾褓連接在門拱或立柱上。卡槽單根長3 m，用卡槽連接片連接。安裝前先在拱架上做出標記或拉上細繩子，這樣安裝的卡槽才會縱向平直，高低一致，不會歪斜。

4.5 棚門安裝

棚門安裝在棚頭，作為出入通道和用于通風，南頭安裝2扇門，豎4根棚頭立柱，2根為門柱，2根為邊柱，起加固作用；北頭安裝1扇門，豎6根棚頭立柱，中間2根為門柱，兩側各豎2根邊柱。立柱垂直插入泥土，上端抵達門拱，用夾褓固定。大棚門高170～180 cm，門框寬80～100 cm，門上安裝有卡槽。棚門用門座安裝在門柱上，高度不低于棚內畦面。門鎖安裝鐵柄在門外，鐵片朝內。

4.6 棚膜安裝

覆蓋棚膜前要細心檢查拱架和卡槽的平整度。拱形鋼架大棚塑料薄膜寬12 m，棚膜幅寬不足時需粘合。粘合時可用粘膜機或電熨斗進行，一般PVC膜粘合溫度130℃，EVA及PE膜粘合溫度110℃，接縫寬4 cm。粘合前須分清膜的正反面。粘接要均勻，接縫要牢固而平展。裙膜寬度60～100 cm。覆蓋棚膜要選無風的晴天，并分清棚膜正反面。上膜時將薄膜鋪展在大棚一側或一頭，然后向另一側或一頭拉直繃緊，并依次固定于卡槽內，兩頭棚膜上部卡在卡槽內，下部埋于土中。

4.7 通風口安裝

通風口設在拱架兩側底邊處，寬度80～100 cm。選用卷膜器通風時，卷膜器安裝在棚膜的下端，向上搖動卷軸通風。安裝卷軸時，用卡箍將棚膜下端固定于卷軸上，每隔80 cm卡一個卡箍，搖動卷膜器搖把，可直接卷放通風口。大棚兩側底通風口下卡槽內安裝40～60 cm高的擋風膜。

4.8 防蟲網安裝

在通風口及棚門位置安裝防蟲網。安裝防蟲網時，截取與大棚等長的防蟲網，寬度1 m，防蟲網上下兩面固定于卡槽內，兩端固定在大棚兩端卡槽上。

4.9 內膜安裝

大棚冬春季種植除覆蓋地膜、小拱棚膜和棚膜外，還可加設一層內膜。內層膜安裝在外層膜下15～25 cm處，內層拱架可選用竹竿，間距3～5 m。棚內每畦用竹竿或竹片起拱，高0.8～1.2 m，覆蓋小拱棚膜，畦面覆蓋地膜。

4.10 灌溉設備安裝

灌溉設備安裝采用半固定管道式噴灌系統。泵房設備、棚外主支管網等常年固定不動，棚內管帶一季作物罷園后拆除，待土地耕整作畦后再安裝。這種安裝方式投資適中，操作和管理較為方便，是目前使用較為普遍的一種管道式噴灌安裝系統。

參考文獻

[1] 郄麗娟，韓建會，薛金祥.改良型塑料大棚的設計及溫度初探[J].中國農學通報，2010（1）：284-287.

[2] 伍德林，湯慶，朱世東，等.新型雙層塑料大棚外層棚結構設計與ANSYS穩定性分析[J].上海農業學報，2012（4）：100-105.

[3] 閆家敏，王伯玲，崔明繼.高效日光溫室的設計建造與應用[J].安徽農學通報，2009（17）：115-116.

[4] 火玉潔，張成榮，李桃，等.日光溫室優化設計原理及標準建立研究[J].山西農業科學，2014（1）：69-73.

[5] 王永宏，張得儉，劉滿元.日光節能溫室結構參數的選擇與設計[J].機械研究與應用，2003，16（B08）：101-103.