创新 | 直面问题，抓细节，连栋温室结构构造和开窗拉幕系统上的再创新！
周博士考察拾零（九十二）
直面问题，抓细节、求创新、图提升
从2016设施蔬菜和设施花卉。每次考察，总能看年以来，笔者多次到四川和云南考察到成都佳佩科技发展有限公司（以下简称“佳佩公司”）的温室设施，而且每次都能够看到公司在温室建设方面的技术创新。一方面说明佳佩公司的产品在四川和云南占有较大的市场份额；另一方面也说明公司一直在致力于技术的不断改进和创新中。每当遇到公司总经理谢健先生，他都会滔滔不绝地给我介绍公司又有了什么新的发明创造，申请了什么专利，还有什么新的改进设想或市场推广的宏伟计划等等。在此，笔者就这几年考察所见所闻的佳佩公司在温室结构和开窗拉幕系统中的一些创新技术做一汇总介绍，试图给广大的读者掀开佳佩公司在温室设施上改进创新的一角，因为他们的创新远不仅仅是本文所介绍的这些内容。
天沟托架是连接天沟、屋面拱杆和立柱的连接构件，有的天沟托架甚至还将屋架下弦杆也连接在其上。由于温室天沟、屋面拱杆、屋架下弦杆和立柱都是温室结构的主要承力构件，所以，天沟托架的强度和连接可靠性将直接影响温室的整体结构强度和温室的使用寿命。
塑料薄膜温室天沟、立柱和屋面拱杆的连接大都不是将三者连接在一个连接构件上，往往是屋面拱杆直接连接到天沟的侧边（图1），而天沟和立柱有的采用连接板连接（图1b），有的则直接将立柱通过柱顶连接板连接到天沟的底面（图1c）。这种连接方式不论是天沟的侧板还是底板都承受很大的局部外力，而且屋面拱杆与立柱的中心线也难以交汇到一点，天沟需要承受较大的弯矩，因此对天沟的强度要求较高。
为了解决这个问题，佳佩公司设计了一种组合装配式天沟托架（图2）。该托架由前后两片对称组件组成，左右两侧向上为屋面拱杆的插孔、中间向下为立柱插孔，上表面则是天沟的承托面。用此托架连接屋面拱杆、立柱和天沟后，一是天沟不再受温室结构上任何构件的集中外力，结构传力都是通过连接板传递，传力路线更加清晰；二是屋面拱杆与立柱的中心线能完全交汇于一点，实现结构连接与结构力学计算模型的完全一致；三是屋面拱杆、立柱、天沟以及托架全部通过螺栓连接，连接更加牢固；四是连接板全部采用热浸镀锌表面防腐，现场螺栓组装，不存在现场焊接作业，有效保护了温室结构构件的表面防腐层，对延长温室结构使用寿命，提高温室结构现场安装效率都有非常积极的作用。
这种托架的通用性还表现在其既可用于有立柱部位立柱、天沟和屋面拱杆的连接（图3a），也可用于无立柱部位天沟和屋面拱杆的连接（图3b），无论是屋面拱杆与立柱一一对应，还是不一一对应都可以通用。在只有一侧有屋面拱杆的边柱处，采用单边“耳朵”的托架；对采用方管做屋面拱杆的温室，还开发了方管插孔的“耳朵”（图3c）。通过系列化产品的开发，不仅实现了产品的通用化，而且也形成了产品的系列化。
除了在天沟托架上的创新外，对传统的钢板天沟，佳佩公司也有自己的改进和创新（图4）。这种创新表现在：一是在天沟底部增加了滴水槽，使冬季集聚在天沟底部的结露水滴能够汇集到天沟底面的一条线上，在天沟下安装结露槽，即可将天沟表面形成的结露水滴全部导流到天沟的端部或集中汇水处，并进一步收集有组织排放或利用，完全避免了对天沟下部土壤或作物的流滴，也可有效降低温室内的空气湿度；二是在天沟的双侧侧沿增加了固膜卡槽，在基本不增加钢材用量的条件下省去了固定薄膜的二次卡槽以及固定卡槽的连接辅件和安装卡槽的装配作业量，不仅节省了用材成本，也节省了安装成本。更为可贵的是在传统钢板天沟上附加上述功能是在天沟成型的辊压生产线上一次成型，所有功能集成于一体，加工成本低，而且不存在各功能部件连接失效的问题。笔者将其称之为多功能天沟，是指其将天沟排水、天沟承重、屋面固膜卡槽以及天沟底面结露水汇集等多项功能汇集于一体的一套集合体。这种集多功能于一体的“多功能天沟”目前市场上好像独此一家。
传统的塑料薄膜温室屋面拱杆与纵向系杆的连接基本都采用Ω抱箍或弹簧卡丝（图5）固定。这种连接方式是直接借用了装配式钢管塑料大棚骨架的连接方式。不论是抱箍还是卡丝都有很多企业生产，产品标准化程度高、通用性强、来源广泛、造价低廉。
但这种连接的缺点是屋面拱杆和纵向系杆为点贴交叉，对于采用压膜线压紧屋面塑料薄膜的温室而言，由于塑料薄膜和纵向系杆之间只有屋面拱杆截面高度的压紧空间，往往不能压紧塑料薄膜，松弛的塑料薄膜不仅影响温室透光，而且在刮风时容易引起塑料薄膜波动拍打温室屋面拱杆，严重影响塑料薄膜的使用寿命，下雨时，松弛的塑料薄膜在纵向系杆处，系杆又成为了阻挡水流的障碍，容易形成塑料薄膜外的水兜。从室内看，由于纵向系杆与屋面拱杆之间的空间距离小，从室外压紧的塑料薄膜将直接压贴在纵向系杆的外表面，当室内高湿度引起塑料薄膜内表面结露后，流滴膜内表面的水滴将全部流集到纵向系杆处，并最终滴落到温室地面，在温室地面上沿纵向系杆形成一道水滴线。由于棚面结露水滴中可能含有大量农药、病菌或其他杂质等，这些水滴滴落到作物冠层叶面、果实表面或花蕊等处将直接给作物带来病害等影响作物正常生长的不利环境。大量实践也证明，弹簧卡丝固定拱杆与纵向系杆的牢固性不够；Ω抱箍由于自身锈蚀或连接螺栓锈蚀严重影响着结构构件连接的可靠性和温室整体结构的使用寿命。
为了解决塑料薄膜不能张紧的问题以及塑料薄膜张紧后紧贴纵向系杆的问题，笔者曾报道过一种张紧薄膜的专用部件，一端固定在纵向系杆或屋面拱杆上，另一端抵顶在塑料薄膜上。部件上有螺杆，通过调节螺杆的长度可实现对塑料薄膜的张紧。实际生产中，这种专用部件用量大，而且需要经常检查塑料薄膜的松弛度，并根据松弛程度随时调节部件螺杆长度，日常管理的工作量大，占用人力成本高，而且需要高空作业，对屋架弦杆的承载要求高。
为了从根本上解决这一问题，佳佩公司改进设计了一种立体扣件（图6）。这种立体扣件借用了脚手架扣件的模式，将相互垂直的2个扣件用1根连接杆连接在一起形成一个整体立体扣件，2个扣件分别连接2个方向的屋面拱杆和纵向系杆，用螺栓扣紧扣件即可实现对屋面拱杆和纵向系杆的牢固连接。由于扣件材料为镀锌钢板，扣件连杆和穿销均采用镀锌构件，扣件一次冲压成型，所以，扣件连接牢固、结构强度高、抗腐蚀性强、使用寿命长。
由于连接2个扣件的连杆没有采用可以调节长度的丝杆，所以无法调节2个扣件之间的距离，亦即屋面拱杆与纵向系杆之间的间距。为此，佳佩公司设计了一组扣件，按照连杆的长度分为短杆扣件、中杆扣件和长杆扣件，分别用于屋面拱杆与纵向系杆连接的不同部位（图7）。张紧塑料薄膜要求压紧深度大的位置安装长杆扣件，要求压紧深度小的部位安装短杆扣件。一次安装到位，不用日常维护，不用丝杆做连杆也节约成本。
传统的圆拱屋面或锯齿屋面塑料薄膜温室，其屋架的下弦杆大都采用圆管材料，来源丰富、造价低廉、连接件通用、安装方便。但对于安装室内遮阳/保温幕的温室，采用圆管做屋架下弦杆时必须在下弦杆上再安装一套卡槽/卡簧来固定遮阳/保温幕的固定边，而且圆管与遮阳/保温幕的活动边的接触面小，由于下弦杆或活动边型材的变形，经常会造成密封不严的问题。为此，佳佩公司开发了一种复合功能的屋架下弦杆，一是将传统的圆管改为方管（矩形管）；二是将方管的一面直接辊压成卡槽（图8a），在不影响屋架结构承力的基础上（由于方管的截面面积较圆管大，实际上屋架下弦杆的承载能力还是得到了提高），不仅省去了附加卡槽，而且方管与遮阳/保温幕的活动边型材接触面更大，使温室的密封性能得到大大加强，此外，还大大提高了温室的安装效率。
为了方便改进后的下弦杆与屋架腹杆的连接，佳佩公司还专门开发了与之配套的连接抱箍（图8c），同时也改进了下弦杆两端与立柱的连接方式（图8b），形成了体系化的配套产品。这种改进不仅提高了温室结构的性能，而且还降低了温室结构的建造成本。
传统的连栋温室屋面排水大都采用外排水的方式。这种方法对水流的组织简单、投资少。但对于一些暴雨强度大、温室屋面排水方向距离长的温室，仅用外排水可能会使屋面水流溢出天沟，一是增加了温室屋面的荷载；二是可能会造成温室屋面漏雨；三是对于塑料薄膜温室可能会造成塑料薄膜永久性变形，为日后形成屋面水兜埋下隐患。此外，对于北方地区，由于冬季寒冷，排水管内经常会结冰而造成排水管冻裂（尤其是北侧的落水管），为此，每到冬季来临，必须将温室屋面有组织排水的落水管拆卸存放，等到第2年春季后再重新安装。这不仅造成了管理成本的增加，而且在拆装过程中也容易造成落水管的损伤以及安装零部件的丢失或损坏。在一些暴雨强度大的地区或冬季比较寒冷地区建设的温室以及屋面排水距离长的温室，设计者经常采用室外排水结合室内排水或者完全采用室内排水的水流组织方案。事实上，采用内排水方式，还可直接收集雨水用于温室灌溉，是清洁和廉价的水源，有利于节约资源，保护生态，因此，内排水也应该是一种值得提倡和推广的节能环保技术。
传统的内排水技术都是在温室天沟上开孔接内落水管。这种做法，一是增加了落水管的成本；二是落水管在下落过程中往往和遮阳网/保温幕等温室室内设备相互存在空间上的干涉，不仅影响室内作物采光，而且也不美观。为了解决这一问题，佳佩公司开发了一种利用立柱做排水管的内排水技术（图9）。由于温室立柱大都是空心的方管或圆管，而且内外壁热浸镀锌防腐性能好，将立柱的上部直接与天沟落水口连接，在立柱的下部再设置与排水管相接的落水接头，即可很方便地实现天沟汇水的室内有组织排水。
需要注意的是这种做法由于天沟和柱底开孔安装排水管，对天沟和立柱结构可能会造成局部强度削弱，具体应用中应对其影响进行校核，以保证结构的安全性。
推杆式塑料薄膜温室全开屋面开窗系统
传统文洛型温室屋面的开窗系统多是采用2组相互反向运行的推杆控制屋面天窗启闭。这种系统运行平稳、开窗电机用量少、系统运行费用低，因此，是各类温室屋面开窗系统中广受欢迎的一种形式。但这种开窗系统主要用于玻璃（或PC板）温室屋面开窗，而且传统上基本都是间隔交错开窗。对于夏季通风量要求较大的南方地区，这种开窗方式往往由于通风量不足而使室内温度过高，影响温室内作物的生长，也造成很多甚至在北方地区的温室由于夏季降温困难而大量闲置的情况。
为了解决南方地区利用自然通风夏季生产的问题，近年来兴起的一种全开屋面温室，很好地解决了这一难题。所谓全开屋面，就是将整个温室屋面视为一套屋面窗扇，打开了温室屋面就相当于打开了传统温室的屋面窗扇。
佳佩公司在吸收了全开屋面温室通风量大、降温速度快这一优点的基础上，将塑料薄膜温室造价便宜和推杆屋面开窗系统运行平稳、成本低廉的特点结合在一起开发出了一种平坡全开屋面塑料薄膜温室（图10），不仅外形美观，而且通风降温性能优良、造价低廉。
这种温室也彻底颠覆了传统塑料薄膜温室一定要配套圆拱屋面（包括锯齿形圆拱屋面）的定式（主要为了便于固定塑料薄膜）。为了配套塑料薄膜在平坡屋面上的安装，佳佩公司还专门开发了一套平坡屋面上固定和张紧柔性塑料薄膜的专用连接构件。这种温室非常适合于我国夏季比较湿热的南方地区使用，结合室外或室内遮阳系统，可形成温室、遮阳棚和露地种植的3种人工模拟植物生长环境，不仅大大降低了温室生产的降温成本，而且能使室内种植作物充分接受室外阳光、享受充足的CO2，此外，温室内的空气湿度也会大大降低，从而减轻或完全消除了温室内由于高湿引起的作物病害（当然，打开屋面时应配套相应的防虫网）。这种温室可以说是一种提高温室作物品质、降低温室建设和生产运行成本的一种良好温室形式。
提拉式玻璃温室立面开窗系统
传统的玻璃温室立面开窗基本采用上悬窗，而且大都采用直齿条或弧形齿条外推或采用直齿条外拉（图11）。对于外推式上悬窗，如果窗户的高度设置较低（图11a，主要是为了加大通风量），关闭窗户后齿条常常会影响温室作业和管理人员的操作和行走；对于外拉式上悬窗（图11b），则需要在温室外专门设置立柱，而且减速电机长期暴露在室外环境中，不仅温室的建设和维护成本高，而且开窗需要占用额外建设用地，降低了温室生产的土地利用率。
为了解决上述问题，佳佩公司开发了一种窗扇上下拉动启闭的提拉式开窗系统（图12），窗扇外挂（图12a），可以挂在墙面的上部（图12b），也可以挂在墙面的下部（图12c）。采用直齿条连接窗扇的边框，通过齿轮控制齿条运行，进而控制窗扇的启闭。
这种开窗系统完全不占用温室内或温室外的空间和地面，大大提高了温室室内外的土地和空间利用率，而且温室开窗面积大，通风效果好，是一种值得推广的温室立面开窗系统。但由于窗扇重量大（尤其是玻璃窗扇），提拉窗扇需要的动力大，相比上悬窗启闭运行的能耗较高，配套动力也大。但由于实际生产中启闭窗户的频率并不高，总体运行耗电量也不会增大太多，在经济上不会带来太大的负担，不会给种植产品带来有影响的成本上升，因此，是一种经济上可接受、技术性能上有充分改进和提高的创新技术。这种开窗系统不仅可用于温室通风口的开窗，而且也可用于温室湿帘进风口密封窗扇的启闭，系统的应用范围更加广泛。
卷膜开窗机构
塑料大棚和塑料薄膜温室，不论墙面开窗还是屋面开窗，大都采用卷膜开窗的方式。这种开窗方式开窗面积大，建造成本低、安装方便，因此广受用户的欢迎。
传统的卷膜开窗大都使用圆钢管作为卷膜杆，将塑料薄膜的活动边卷绕到卷膜杆上后再用固膜卡间隔固定，驱动卷膜杆转动，即可打开或关闭通风窗。这种系统虽然圆管卷膜杆标准化程度高、来源方便、造价低廉，但往往在卷膜杆上缠绕塑料薄膜活动边时不易将塑料薄膜缠紧，而且固膜卡又是间隔一定距离固定，所以，经常造成塑料薄膜卷放不平整、卷膜杆翘曲等问题，一是将活动的塑料薄膜挤压皱褶影响透光和使用寿命；二是通风口大小不一致影响温室通风的均匀性；三是翘曲严重时甚至还会造成卷膜杆断裂或卷膜机过载。事实上，由于固膜卡总是凸出卷膜杆，在固膜卡运行轨迹上的塑料薄膜总会过早磨损，从而直接影响通风口塑料薄膜的使用寿命。
为此，佳佩公司开发了一种带卡槽的铝合金卷膜杆及其配套的连接件（图13a），用弹簧卡丝连续固定塑料薄膜的活动边，可使活动边塑料薄膜平整缠绕、均匀受力，从而实现卷膜开窗的平稳启闭和均匀开口，而且铝合金材料质量轻、防腐能力强、使用寿命长，对卷膜电机的配套功率要求也相应降低。实际应用中，将卷膜电机的输出轴通过圆管连接件直接连接到铝合金卷膜杆上，即实现卷膜杆与动力的连接（图13b），连接方便、适应性强。
除了在卷膜杆上的改进外，佳佩公司还设计开发了一种单输入双输出变速箱（图13c），将卷膜电机安装在温室通风口的中部，双向输出动力，可大大缩短卷膜杆的悬臂长度，从而提高卷膜开窗的稳定性，或者说在相同悬臂长度卷膜杆的条件下，单一卷膜电机带动开窗的面积可增加一倍，有效地提高了设备的使用效率，并能降低生产中的运行成本。
传统的室外屋面遮阳系统遮阳网基本上都是在一个平面内运行（多为与地面平行的水平面）。这种遮阳方式只有在太阳光直射屋面时才能全部遮盖温室屋面。但在实际运行中，太阳光不可能长时间直射屋面（与地面垂直），一方面造成温室边缘屋面处的光线漏遮；另一方面，大量斜射的太阳光从温室侧墙和山墙照射进入温室，使温室内沿墙面附近（尤其是温室的南部和西部区域）的作物受到过强阳光的照射，一是增大了温室的降温负荷；二是局部的强烈光照会直接影响作物的产品品质。
为了解决这一问题，佳佩公司开发了一种屋面-侧墙双平面一体化联合外遮阳系统（图14）。这种系统将传统的屋面水平遮阳网的两端外伸并垂落到两侧侧墙面，用一套拉幕系统驱动带动遮阳系统在水平屋面和竖直侧立面2个平面内的运行，笔者在此将其称之为“屋面-侧墙双平面一体化联合外遮阳系统”。这种联合遮阳系统用一套驱动系统同时解决了两个面的遮阳问题，不仅解决了温室屋面边缘漏光的问题，也彻底解决了墙面遮阳的问题（主要是西侧墙面夏季的西晒问题）。相比多套遮阳系统，该系统设备材料用量少、安装一次成型、运行成本低、遮光效果好（连续无漏遮），是越夏温室生产的一种良好技术措施。
作者：周长吉（农业农村部规划设计研究院）
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