破坏耕地少、建设速度快、使用寿命长！装配式日光温室你值得拥有！
周博士考察拾零（九十八）
以 EPS 空腔模块为围护墙体的钢骨架
装配式日光温室
装配式日光温室，较砖墙、土墙或石墙的土建结构日光温室，其最大的特点就是破坏耕地少（有的甚至不破坏耕地）、节约用地（主要指节约墙体的占地面积）、建筑材料标准化（大都使用工业化产品）、建设速度快、使用寿命长。在国家严控耕地政策的背景下，装配结构日光温室似乎已经成为了当前和今后日光温室创新和发展的一个重点方向。
所谓装配结构日光温室，就是温室墙体材料不再以承重和被动储放热为主要功能，而仅以隔热围护为己任，相应地温室的后墙承力结构也由传统的土建结构（砖墙、土墙或石墙）改变成了钢管或钢筋混凝土立柱结构。温室后墙立柱与温室前屋面骨架和后屋面骨架共同形成温室剖面方向的横向承力体系，沿温室长度方向则将横向承力体系用系杆连接形成整体排架结构承力体系。有的设计者为了减少后墙立柱，在后墙立柱柱顶沿温室长度方向设置柱顶横梁，将后屋面骨架直接搭接在柱顶横梁上（后屋面骨架与后墙立柱可一一对应，也可不一一对应），形成另一类梁柱结构承力体系。为了增强结构的横向承载能力，有的温室将后墙立柱由传统的直立杆变形为斜立杆或拱曲杆，与温室前屋面骨架和后屋面骨架形成非对称的大棚结构 。这些都是近年来在装配结构日光温室的探索中研究和创新出来的一些新型结构形式。
墙体围护材料的功能由传统的承重和被动储放热转变为新的隔热围护功能后，使传统的导热系数大、墙体厚重、占地面积大、施工周期长的土墙、砖墙或石墙等土建结构墙体彻底成为了历史，同时也使以增大热阻、减小厚度、降低成本为目标选择低导热性能保温材料的视野大大开阔。工业化的产品大量被应用到日光温室中，如刚性的彩钢板、挤塑板、空心保温砖、聚苯乙烯泡沫空心砖、发泡水泥等 ，也有柔性的保温被材料 ，还有以农业废弃物作物秸秆为原料制成的草捆或草砖材料 ，将珍珠岩、陶粒等低热阻的松散保温材料用刚性或柔性的围护材料包夹，也可以形成装配结构日光温室的墙体。当然，更多的新型保温材料在装配结构日光温室墙体中的应用还在不断被开发和挖掘中。
2018 年中国设施农业产业大会在山东泰安举行期间，笔者遇到了烟台德通节能环保科技有限公司的总经理徐信女士，她向我介绍了他们公司正在研发的一种用 EPS 材料做围护墙体的装配式日光温室，引起我的极大兴趣。在跟踪测试了试验温室在烟台海阳县 2018~2019 年冬季的生产性能后初步认为这类温室具有一定的市场推广前景，在此介绍给广大的读者，有兴趣的同仁们可以在此基础上继续优化结构、深化研究和试验推广。
EPS 是绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料，俗称聚苯板。它是由可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后，在模具中加热成型制成的具有闭孔结构的聚苯乙烯塑料板材。发泡成型材料内部由很多封闭的多面体蜂窝组成，每个蜂窝的直径为 0.2~0.5 mm，蜂窝壁厚 0.001 mm。蜂窝内的静止空气为热的不良导体，因此这种材料具有良好的保温隔热性能。此外，这种材料还具有独特的抗蒸汽渗透性能（表面和内部均能自防水）、较高的抗压强度、便捷的施工安装和长久的使用寿命，故而在建筑节能、保温隔热中被广泛应用，在组装结构日光温室中的应用也有至少 5 年以上的历史了 。所不同的是每个企业生产的产品由于使用模具不同而有不同的外形尺寸和内部空腔结构以及由此而形成的不同的容重和隔热性能。
烟台德通节能环保科技有限公司生产的 EPS空腔模块（图 1）标准板材外形尺寸为 1200 mm×1000 mm×200 mm（长 × 宽 × 厚）；板材表面开设了致密的燕尾槽，便于表面粉刷水泥浆或其他保护或粉饰材料时增加粉饰材料的表面附着力；双侧外壁用间隔肋柱连接，形成板材内部空腔，进一步增强材料的隔热性能，同时也减少材料用量，减轻容重、降低造价；板材四周制成阴阳契口，便于组装连接和密封。材料密度 30 kg/m3，导热系数 0.03 W/（m·K），防火等级为 B1 级（离火自熄），具有重量轻、保温好、能防火的特点。
图1 EPS 空腔模块材料
依据 EPS 空腔模块材料的特点，为了简化温室结构，温室建筑采用了无固定保温后屋面的日光温室形式（即省去了传统日光温室的后屋面）。此外，为了减少前屋面骨架对后墙的推力（或者说为了增强后墙立柱对前屋面拱架的支撑力），温室的后墙也由传统的直立结构改变成了斜立形式（图 2）。这种建筑形式，由于取消了温室后屋面，只要温室斜立后墙的倾斜角度（后墙与室内陆面的夹角）大于当地夏至日中午的太阳高度角，则温室地面周年生产都不会出现室内阴影。设计中，为了尽量减少温室夏季的热负荷，并结合结构承力性能，还可按照以下原则适当减小后墙的倾角：一是夏至日午时阳光可直射到室内走道的边沿（靠后墙的走道）；二是夏至日午时阳光可直射到靠后墙最近一株作物的冠层（对高秧吊蔓作物，一般按 2 m 株高计算；对低矮的叶菜或地面爬蔓类作物，一般可按 0.5 m 计算）。实际设计中，还可根据综合经济性能在充分考虑上述两个约束条件的基础上进一步减小后墙的倾角。
图2 温室建筑形式
温室由于取消了传统日光温室的后屋面，虽然简化了温室结构，更加大了温室的采光面积，对温室白天室内温度的提升和室内种植作物的采光都起到了非常积极的作用，但由于温室的保温比（日光温室的保温比一般为温室地面、后墙和后屋面面积之和与温室前屋面面积之间的比值）相应减小，使温室的整体保温性能有所下降，由此也限制了这种类型温室在寒冷地区的推广（当然，如果温室增加储热或采暖功能后可减少或弥补由于保温比下降带来的影响，但相应也会增加温室的造价和运行成本）。
温室结构包括墙体结构和屋面结构，二者共同组成温室的整体承力体系。由于采用了 EPS 空腔模块材料做建筑围护，一是墙体的自重得到大大减轻；二是墙体围护材料不再成为结构的承力构件，由此，温室结构采用了完全组装式梁柱结构，其中的“梁”即温室前屋面骨架或称“屋面梁”，是温室的屋面承力结构构件；“柱”即温室后墙和山墙立柱，是温室墙体承力结构构件。在经过技术经济比较后，该温室结构承力构件的屋面梁采用了目前比较流行的外卷边 C 形钢，立柱则采用了矩形钢管。所有钢构件材料全部采用表面热浸镀锌防腐处理（外卷边 C 形钢采用热浸镀锌钢带直接辊压成型；矩形钢管可以采用热浸镀锌钢带辊压成型，也可以采用成型的黑管二次热浸镀锌，但前者加工工序少、成本较低）。
在确定了主体结构用材规格后，如何进行构件的连接使之形成稳定的结构体系是结构设计中重点要解决的问题。以下按照温室结构的施工安装顺序就该温室结构的构造特点进行详细介绍。
◆基础与立柱的连接与安装
独立基础采用 400 mm×400 mm×400 mm 见方的钢筋混凝土基础，基础表面预埋钢板，并在预埋钢板上预置 4 根连接螺栓（图 3a），可使基础与立柱之间的连接形成理论上的固结连接。立柱上，与基础连接的端部，焊接立柱端板。由于建筑设计中后墙立柱与基础表面形成一定的倾斜角度，所以，在立柱端板与立柱的焊接连接中就必须按照温室后墙的倾斜角度，将立柱端部切削成一定角度（与墙面倾斜角度一致），并与立柱端板倾斜焊接（图 3b）。立柱端板上开设 4 个螺栓孔，位置与基础埋件上螺栓的位置对应，现场安装中（图 3c），只要找平基础表面，将基础埋件上的螺栓穿过立柱端板上的螺栓孔，加装垫片并拧紧螺母即完成立柱与基础的连接（图 3d）。
这种施工方法的难度是对基础埋件的标高和埋件螺栓的位置精度控制要求高，此外，所有后墙立柱端板的倾斜角应保持一致。从图 3 的施工现场看，基础施工和焊接操作基本都采用手工作业，这将严重影响施工精度。建议基础预埋螺栓采用加长螺栓，用螺栓来调节立柱端板的标高，在立柱端板标高调整到位后再对立柱端板与基础表面之间的空隙进行二次砂浆灌浆 [9]。另外，在施工过程中应对基础预埋螺栓的螺纹进行保护，避免水泥浆或砂浆等杂物粘黏到螺纹，给后续的安装带来困难。对立柱与立柱端板的焊接应采用作业平台，在作业平台上准确切割立柱端部斜口并精确固定立柱与立柱端板的焊接位置，这样，所有立柱端板的倾斜角度才能保持一致，并最终保证温室后墙安装统一的倾斜角度。
图3 基础及与立柱的连接
对基础的大小应根据当地地基的承载力进行校核，而且其埋深至少要达到当地冻土层深度且要埋设到地基的持力层位置，不得将基础坐落在无承载能力的地表回填杂土上。
◆后墙立柱的连接与安装
独立的后墙立柱与基础安装完毕后，接下来应该安装后墙立柱的纵向水平联系杆，以便将所有立柱能形成一个整体。
该温室由于后墙墙板采用 EPS 空腔模块材料，如果立柱安装过程中首先将立柱之间的联系杆安装完毕，由于水平联系杆的阻挡，EPS 空腔模块墙体围护材料将无法安装。为此，在所有独立立柱安装完毕后首先应该安装墙体最下部一层的 EPS 空腔模块墙板。设计中立柱的间距正好是EPS 空腔模块墙板的宽度尺寸（1.2 m），因此，只要将 EPS 空腔模块墙板对准两侧边缘槽口沿墙面立柱自上而下滑压到位即可（图 4a）。安装后的每根立柱正好位于相邻两块 EPS 空腔模块墙板对接口的中部（图 4b），一方面由于 EPS 空腔模块墙板两侧的契口能良好地密封相邻两块板的接缝，另一方面将墙面立柱包裹在 EPS 空腔模块墙板的内部空腔，也能完全阻断立柱在后墙内的“冷桥”。这也正是这种材料和结构特有的优点之一。
立柱高度方向水平联系杆的间距应与单块EPS 空腔模块墙板的高度尺寸相一致（1 m 模数），可以是在每块墙板之间设置水平系杆，也可以是在两块墙板之间设置水平系杆。根据设计水平系杆的位置，在最下部第一块或第一组墙板安装完毕后，即可在墙板的上槽口内安装墙面立柱水平联系杆（图 4c）。立柱水平系杆采用矩形方管，表面热浸镀锌，与立柱采用螺栓连接（在系杆端部焊接端板，端板上开螺栓孔，螺栓对穿相邻系杆端板与立柱相连）。与钢构件立柱一样，立柱水平系杆也位于墙板的槽口内，同样也不存在构件“冷桥”的问题。
图4 墙面保温板与柱间联系梁的安装
对于排架结构，除了柱间水平系杆外，尚应沿温室长度方向的两端和中部设置柱间斜撑。但由于受 EPS 空腔模块墙板结构内部肋壁的阻挡，实际上难以设置柱间斜撑，这也是这种墙板材料给结构稳定带来的一种隐患。
需要注意的是，在墙板和柱间水平系杆的安装过程中，还应在最上层墙板底部的水平系杆（柱顶压杆下第一道水平系杆）位置的立柱上焊接固定屋面塑料薄膜、保温被、压膜线以及防止保温被过卷的预埋件。
对塑料薄膜和保温被压线端头在后墙面上的固定，设计采用了挂钩的形式（图 5），即用钢筋制成一个一端带弯钩或圆环的构件，直接焊接在后墙立柱上（图 5a）即可。在墙板安装后，挂钩只露出墙面，用于固定压膜线或压被绳，埋件的主体则埋设在墙板内。由于埋件只穿过墙板的一侧侧壁，不会形成贯穿整个墙体的“冷桥”，所以，对温室墙体的保温不会形成太大的影响。
图5 压膜（被）线挂钩预埋件
对屋面覆盖塑料薄膜和保温被的固定，由于覆盖塑料薄膜和保温被在温室屋面都是连续铺设且边缘采用卷绕固定，所以设计采用了沿温室后墙长度方向连续铺设的钢管作为其固定构件（图6a）。为了便于安装该固定钢管，和上述压膜线（被）挂钩埋件一样，在挂钩埋件相同的高度，在立柱的另一侧焊接一个埋件，并将其一端伸出温室墙面。考虑到固定保温被和塑料薄膜的荷载较大，所以从立柱上伸出的埋件采用了方钢管（图6b）。该埋件上，一是焊接圆环用于固定卷绕屋面塑料薄膜和保温被的钢管；二是焊接竖直向上的杆件用于防止保温被过卷。安装完毕的预埋件及固定保温被后的实景如图 6c。
图6 后墙上固定塑料薄膜、保温被及保温被防过卷的预埋件
上述不论是压膜（被）线挂钩埋件，还是塑料薄膜、保温被固边埋件，施工安装中都采用了埋件与立柱直接焊接的形式。这种连接方式会直接破坏立柱及埋件表面的热浸镀锌表面防腐保护层，而且埋设在墙体内部的连接点也难以定期检查其腐蚀程度，这给预埋件连接的安全性以及墙体立柱的承载能力都带来了安全隐患。建议在今后商业化的推广应用中，所有的埋件连接应摈弃现场焊接的做法，改为专用抱箍固定的形式，而且所有抱箍应进行热浸镀锌表面防腐，从而彻底避免隐蔽工程中的安全隐患。
◆山墙立柱的连接与安装
图7 山墙安装顺序
（1）墙体拐角部位。在后墙与山墙转角部位设置有双柱，分别为后墙边柱和山墙边柱（两者共同形成角柱），两根立柱共享一个基础（图8a）。由于两根立柱之间装有后墙板，所以，两柱之间的距离应精确控制。一种做法是先安装后墙墙板，再安装山墙立柱，这种做法不影响墙板安装，但会影响山墙立柱底板靠后墙两根螺栓的安装，安装中可将后墙墙板不要一次安装到位，待山墙立柱底脚螺栓完全固定后再将后墙墙板安装就位。另一种做法是先将后墙立柱和山墙立柱安装就位后，再将后墙墙板从两个立柱中插入，这种做法不影响立柱的安装，但如果立柱位置出现偏差可能会给后墙墙板安装带来困难，间隙过大，安装方便，但墙面会密封不严；间隙过小，可能会损坏墙板表面。具体安装中应根据施工人员的技术水平选择合适的安装方法。
图8 后墙与山墙转角处立柱的处理
图9 山墙柱顶梁的安装
图10 山墙固膜桩预埋件
◆屋面构件的连接与安装
图11 温室前屋面承力体系
屋面拱杆在温室后墙上的固定采用了和山墙上立柱与压顶梁基本相似的连接方法，即以后墙柱顶水平系杆做柱头压顶梁，在压顶梁上焊接“П”形连接件，将外卷边 C 形屋面拱杆插入“П”形连接件，并在屋面拱杆的上部和双侧用自攻自钻螺钉与“П”形连接件固定，即形成牢固的连接节点。
应该说这是一种非常牢固的连接方法。惟一的不足就是“П”形连接件与后墙立柱压顶梁之间的连接采用了现场焊接的连接方式，会破坏构件表面的热浸镀锌保护层，不利于构件的防腐，可能会影响温室结构的使用寿命。尤其这个连接点还是隐蔽工程，日常管理中难以发现其锈蚀状况。在今后的设计中如能采用“π”形连接件，将“π”形连接件的两侧翼缘与后墙立柱压顶梁用螺栓连接，则可彻底解决现场焊接的问题，并完全保护构件表面镀锌层。
屋面拱杆前端与基础的连接和其他温室没有什么区别，基本都采用基础表面焊接短柱，将外卷边 C 形钢拱杆插入短柱后用螺栓连接即可，这里不多赘述。
在安装完单榀骨架后，只有将所有的单榀骨架通过水平系杆或屋面斜撑等连接杆件将其连接在一起才能形成温室屋面拱架的整体承力体系。
图12 屋面拱杆端部与后墙柱顶梁之间的连接
除了水平系杆外，为保证屋面拱杆排架结构的稳定，一般应要求在温室两端第一个开间或者第二个开间设置屋面斜撑，对于长度较长的温室（一般长度在 100 m 以上），还要求在温室的中部设置屋面斜撑。考虑到弧形拱杆设置斜撑的连接比较困难，本设计采用了加密的水平支杆替代屋面斜撑（图 13b），以保证温室两端屋面拱杆的稳定。应该说这种设计方法在生产实践中也是可行的。具体设计中在水平支杆的两端分别焊接端板，将端板紧贴外卷边 C 形拱杆的侧壁，用自攻自钻螺钉将其固定即可。
图13 屋面拱架支撑
为了增大墙面抹灰在墙面上的粘接强度，避免脱落，常用的方法是在墙体表面挂网（图14a），可以是钢丝网、编织网或其他形式的丝网。表面挂网可直接用细钢丝做成 U 形卡或带垫片的自攻自钻螺钉，将其固定在墙板表面即可。
本工程由于所用的墙板材料在铸模成形过程中已经在表面形成了增强抹灰附着力的燕尾槽，所以，墙体的表面抹灰可以省去墙面挂网的材料和工序，直接在墙体表面抹灰即可（图 14b）。这也正是这种材料另一种优良的特性。当然，在其表面挂网后再抹灰对抵抗墙板接缝处的开裂，增强墙面的密封性将有非常有利的作用。具体实践中可根据当地的地质条件、风力大小以及施工质量等因素，统筹考虑是否进行表面挂网。
图14 墙体表面粉刷
另外，从温室钢结构的设计和安装看，除了立柱与其水平支撑的连接以及屋面拱杆与其水平系杆之间的连接采用了螺栓连接外，其他所有构件的连接（包括立柱与立柱底板、山墙立柱与“П”形连接件、后墙柱顶梁与其上的“П”形连接件以及墙面各类预埋件）都采用现场焊接的形式，不仅破坏了钢构件表面的热浸镀锌保护层，影响结构的使用寿命，而且现场作业的规范性差，焊接质量不能得到保证。建议在今后的设计中尽量采用抱箍、螺栓等不破坏构件表面镀锌层的专用连接方式，禁止现场焊接，以便提高温室的整体使用寿命。
试验温室于 2018 年 12 月在山东省烟台市海阳县建成投入生产。为了试验和验证温室的生产性能，温室选择种植了喜温果菜番茄（图 15），同时对室内外温度进行了测量和记录。
图15 试验温室中种植的番茄
图 16 是记录的 2019 年冬季最冷月 1 月大寒期间（1 月 20 日为大寒日）的室内外温度。由图可见，温室在室外最低温度 -13.9℃时室内最低温度保持在了 11.5℃，室内外最低温度的温差达到了 25℃。这一温差水平是在温室没有任何采暖和蓄热的条件下实现的，说明温室具有良好的密封保温性能。另外，从室内最低温度的绝对水平看，整个大寒期间室内温度保持在了 11.5℃以上，这一温度完全能够满足喜温果菜番茄的生产要求。种植番茄成功越冬，证明了这种温室具有良好的采光和保温性能。
图16 2019 年 1 月中下旬温室室内外温度变化
从整个大寒期间的最低温度看（图 17），室内外最低温度的温差基本保持在了 20℃以上。这一温度水平基本可以认定该温室在室外最低温度 -10℃左右的地区可安全生产果菜作物；如果用该温室种植草莓或叶菜类作物，则可以将其适用区域推广到最低温度 -15℃左右的地区；如果温室中种植果树，可视对果树春化和开花时间的控制，还可进一步向高寒地区推广。当然，如果在温室中增加主动或被动储热系统，或者配套临时加温系统，相信该温室将能够推广到更大的区域。
图 17 2019 年 1 月中下旬室内外最低温度
致谢
非常感谢烟台德通节能环保科技有限公司的总经理徐信女士多次给我学习和理解他们开发的 EPS 空腔模块保温板材及其配套的日光温室结构的机会，是他们执着的追求和不懈的创新成就了这一新兴温室形式的诞生。在本文成稿过程中徐信女士还无私提供了大量的照片和图纸，初稿形成后徐信女士还提出不少修改意见。在此，向徐信女士及其团队的创新精神致以崇高的敬意，对他们在本文成稿过程中给予的帮助表示衷心的感谢！
作者：周长吉（农业农村部规划设计研究院）
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