温室倒塌了怎么办？不要着急，看 “他” 如何重获新生！
周博士考察拾零（八十）
倒塌日光温室的新生
2017年6月24日，笔者在北京卧龙农林科技有限公司（以下简称“卧龙公司”）总经理李晓明先生的带领下，来到了北京市大兴区御瓜园生产基地，在基地发现了一栋崭新的日光温室。经李晓明先生介绍，原来这是一栋2016年7月因一场暴雨压塌后重新修复的温室，而且就是卧龙公司帮助重新设计修复的，其中还利用了公司的诸多专利技术。
抱着对温室倒塌原因的探究和对卧龙公司创新技术的兴趣，以及对老旧温室改造方法研究的想法，笔者对改造修复温室及其周围的老旧温室进行了认真仔细的现场考察，并与李晓明先生就倒塌温室的现场情况和温室改造的一些具体技术细节进行了深入交流。现归纳总结如下，供业界同仁们分享。
通过观察与倒塌温室同批建设的其他温室，可以大体看出倒塌温室之前的基本风貌（图1）。温室基本尺寸为跨度10.4m，后墙高度2.9m，脊高4.0m，长度61m。温室后墙为370mm厚砖墙外贴100mm厚聚苯板，后屋面构造为瓦楞板支撑100mm厚保温板外贴防水层。
从整体看，温室前屋面比较偏平，坡度较小，同样荷载下，骨架承受的内力可能更大，结构也更容易变形。这主要是由温室设计的跨度大、脊高矮造成的。
从温室倒塌的现场照片（图2）可以看出，温室是在前屋面中上部靠近屋脊的第一道纵拉杆附近发生骨架变形失稳，引起整个屋面（包括前屋面和后屋面）倒塌，并牵连到温室西侧山墙开裂并向东倾斜。其中前屋面倒塌是因为骨架失稳（从图2b看没有断裂），而后屋面倒塌是因为前屋面的失稳引起整体倾覆，后屋面的骨架和材料都没有发生结构性破坏。温室的后墙和东山墙基本完好。
从以上温室倒塌的现场分析可以确定，温室倒塌的原因主要是温室前屋面骨架过载失稳，其他结构都没有达到结构的破坏强度。因此，以下的分析将首先从温室前屋面骨架失稳的成因入手。
从温室骨架失稳的位置看，这里正好是保温被停放的位置。春秋季节保温被卷放在温室屋面中部位置，室外下雨期间，由于保温被被卷挡水，一方面在保温被被卷的背部积存了大量积水，另一方面由于保温被自身吸水也显著增加了自身重量，使温室前屋面的荷载突增，造成结构过载进而引起结构失稳破坏。由于该荷载在设计规范和实际的设计中都没有体现，而且类似的事故在之前也有多次出现，这就再次提醒我们在日光温室的管理中，当遇到降雨天气时，可以将保温被展开让雨水顺畅地从保温被表面流走（虽然这样会影响温室作物采光），也可以将保温被卷到温室屋脊，将保温被被卷阻挡的积水减小到最低限度。
在同批建设的温室中，为什么只有这一栋温室倒塌了而其他温室都保持完好呢？经李晓明先生介绍，原来倒塌温室是由于卷帘机电机损坏，导致保温被停留在温室前屋面中上部无法移动。这就印证了上述推断——保温被被卷阻水是造成温室倒塌的“罪魁祸首”。这从另一个角度给我们提出了要求，就是卷帘机在电机减速机出现故障后应有相应的应急处理措施，如切断温室电源，手动拨动减速机皮带轮，将保温被卷起或展开。另外，园区平时应有备用的配件，出现设备故障后应及时修复，保证设备的正常有效运行。
虽然造成温室倒塌的主要原因是下雨天保温被被卷阻水引起屋面荷载过载导致结构局部失稳诱发温室屋面整体倒塌，但从现存的温室可以看到温室结构中还是存在一定隐患（图3）。由图3可见，一是温室桁架结构的下弦杆和腹杆严重锈蚀（图3a）；二是在温室屋脊位置有大量水兜存在（图3b，尽管不是下雨天）；三是选择使用的保温被为针刺保温毡，自身防水性能差，下雨时自身吸水后自重激增。由此可以看出，温室倒塌可能还与温室的设计（主要表现在温室跨度大、脊高不够，造成屋面坡度小，排水不利）和制造（钢结构构件表面防腐处理不完整）以及保温被材料的选择有直接关系。
综上所述，一栋温室的安全运行，必须从设计、制造和管理各个环节建立安全防范机制，尤其要建立运行管理中的应急预案，在遇到应急情况时能及时启动应急措施，才能有效防范事故的发生，保障温室结构和生产的安全运行。
从温室倒塌后的现状评估，温室骨架中部折弯已经失去修复的价值，由于骨架失稳引起温室后屋面整体坍塌和西侧山墙局部开裂倾斜，也都不能通过简单的修复复原其功能，只有温室的后墙和东侧山墙基本完好，具有继续使用的价值。根据以上评估结果，温室改造将全面更换屋面承力骨架和后屋面，更新西侧山墙，加固改造东侧山墙和温室后墙。据此，提出如下修复方案。
山墙修复与加固
对温室山墙的修复，西侧山墙拆除重建，用加气混凝土泡沫砖既保温隔热，又轻巧、占地面积小（图4a），是当前黏土砖禁用后的一种比较理想的建筑材料。对东侧山墙，由于原有温室是用红机砖砌筑，为保证结构用材的统一性，继续选择使用红机砖修补，根据新设计的屋面骨架几何尺寸对墙体进行局部加高（图4b），增加温室屋面的坡度，提高温室采光和屋面排水能力。为了增强温室两侧山墙的保温性能，可以在两堵山墙的外侧均外贴保温挤塑板对墙体进行防护和保温。
后墙改造
对温室后墙的改造，因为墙体的主体结构没有受到破坏，不会对温室结构的承力造成影响，但由于墙体使用年久，砖墙表面出现风化，再加上新建温室时砌砖的灰缝也不饱满、保温层结合不紧密，为此，在本次后墙改造中剔除墙体表面原有抹灰和外保温板，采用卧龙公司的专利技术——轻体闭孔发泡水泥浇筑墙体，替代原有的聚苯板保温材料，一是消除聚苯板不阻燃的安全隐患；二是轻体闭孔发泡水泥可以严格密封后墙的孔洞；三是发泡水泥保温层热阻大，自身为一体，密封性能好，可显著提高温室的保温性能和使用寿命。
针对老旧温室墙体改造项目，卧龙公司在浇筑轻体闭孔发泡水泥墙体施工中，也总结出了一整套特殊的施工方法。对温室后墙的外表面，先剔除表面保温层和松动的砖缝中的抹灰，在清理干净的墙体表面打桩（15~20cm长膨胀螺栓，外露7.5~10cm）展挂钢丝网（图5a，这层钢丝网实际上也是未来发泡水泥墙中的加强筋），紧贴钢丝网的外侧架设钢模板（图5b），在钢模板与温室墙体之间的空隙中灌注发泡水泥浆，使其充满整个空间（保持发泡水泥层的厚度在200mm），水泥浆在流动的过程中可自动填补砖混墙体的表面破损缝隙，并使水泥浆和墙体形成“铆钉式”紧密结合，待发泡水泥完全凝固后，拆除模板，在发泡水泥墙体表面挂抗裂网格布并抹抗裂砂浆，即完成对后墙的改造（图5c），经过20~30天的保湿养护后即可投入使用。
轻体闭孔发泡水泥导热系数仅为0.048~0.0635W/（m²·K），黏土砖砌体导热系数为0.81W/（m²·K）。现场在黏土砖墙体外侧整体浇筑轻体闭孔发泡水泥20cm，相当于额外砌筑了2.5m厚砖墙的保温效果。浇筑后的墙体，发泡水泥与黏土砖墙浑然一体，保温性能及粘结的牢固度大幅度提升，有效防止了砖混墙体继续被风雨侵蚀，并使旧有黏土砖墙体吸热、蓄热能力显著提高。
对后墙内表面的处理，主要是剔除表面疏松的水泥砂浆，重新用高标号水泥砂浆抹面（图6），既形成对墙体的保护，又可密封砖缝，水泥砂浆面层对墙体表面的吸热还具有非常积极的贡献。
骨架更新
对温室骨架的更新，考虑到原来的桁架结构构件整体镀锌比较困难，为了提高钢结构的表面防腐能力，改造温室完全摒弃了原设计桁架结构的方案，而采用了镀锌钢带一次成型的外卷边C形钢做骨架材料，彻底消除了钢构件表面锈蚀的问题。外卷边C形钢的钢板厚度为1.8mm，开口方向宽度78mm，顶面宽度45mm，高70mm，表面镀锌层厚度110g/m2。
为了安装C形钢结构的骨架，需要在骨架两端（一端在温室后墙顶面，一端在温室前沿基础顶面）所在的基面上埋设预埋件。施工中在温室后墙的顶面构筑钢筋混凝土圈梁（圈梁截面为200mm×200mm），在圈梁长度方向每隔3m伸出一根φ14mm钢筋，用焊接或栓接的方法将一根沿墙体通长布置的角钢（└5mm×50mm×75mm）固定在圈梁表面（图7a）；在温室前沿基础上也采用同样的方法固定相同尺寸的角钢。为了增强温室前沿基础的保温性能，温室前沿基础亦采用和后墙保温层相同的轻质发泡水泥浇筑，埋深1.0m，埋入地下宽度500mm，伸出地面200mm高，地上宽度收窄到300mm，和后墙圈梁一样，其中预埋钢筋（图7b），并通过钢筋在基础表面固定角钢。对冻土层不超过1.0m的北京地区的日光温室而言，这种做法可彻底隔绝温室地面土壤向室外的传热，对提高温室地温、消除地面边际效应具有重要的作用。
温室骨架安装是通过骨架安装底座（图8），以栓接的形式固定连接在温室基础或圈梁表面的角钢上（图7c）。安装底座焊接在角钢上，焊接面刷环氧富锌漆做防锈处理。这种安装方法，完全避免了骨架两端与预埋件的焊接连接，也就保证了骨架表面的镀锌层完整无缺，对延长温室骨架的使用寿命具有重要的作用。同时安装底座与基础的连接牢靠，防腐处理得当。
图 8 温室骨架通过骨架安装座 栓接连接在基础（圈梁） 表面角钢上
由于倒塌温室的前屋面结构坡度不够，经常存在表面积水的问题，在新的温室改造中，提高了温室的脊高，减小了温室的跨度，将温室跨度减小到8.5m，脊高提高到4.3m，并将温室前部骨架的坡度加大，一方面加大了温室的操作空间，便于机械化作业；另一方面，也更适于吊蔓的果菜等作物种植。同时，为了避免在温室脊部积水在屋面形成水兜，在温室屋脊通风口的膜下铺设了一层防兜水钢丝网，可有效避免下雨天屋面水兜的形成。
后屋面更新
温室原有后屋面由于温室倒塌受损，此外，由于新的骨架的结构尺寸也与原骨架尺寸有显著变化，原有温室后屋面材料的尺寸也不适合新改造温室骨架尺寸，同时考虑提高温室后屋面的保温性和安装的便利性，新改造温室将原来的厚度5~10cm、容重5~6.5kg/m2聚苯板保温芯的低强度菱镁土保温板更换为了厚度10cm、容重12kg/m³的聚苯板保温芯并用双面防锈的加厚彩钢板保护的特制保温板（图9）。这种材料的更换使温室后屋面的保温性能较改造前增加了1倍多，同时屋面的使用寿命至少可延长到10年以上。
通过温室墙体、后屋面和前屋面改造后的温室新貌见图10。与倒塌前温室（图1）相比，改造温室的前屋面弧形更合理，温室的保温性能得到显著提高，结构的耐久性和使用寿命也会大大延长。
保温被与卷帘机更新
老旧温室使用的是传统的针刺毡保温被，这种保温被虽价格便宜，但保温性能和使用寿命都不理想，而且自身防水性能差，抗拉强度低，生产中确实也需要有新型保温被来代替。该温室倒塌的部分原因就是这种保温被的防水性能差，遇水后保温芯吸水使自身重量加大，从而增加了温室结构的负荷。
本工程改造中采用了一种新型保温被（也是卧龙公司的专利产品），从外表看为黑色（图11），是一种长寿命抗老化PE膜，保温芯为发泡闭孔橡塑材料，保温芯的厚度在1.5~5cm（可根据温室建设地区冬季室外气温和种植品种对室内温度的要求选择，本工程采用2cm厚保温被）。
这种材料保温芯的导热系数为0.03W/（m²·K），保温性能好，而且重量轻、自防水、质地柔软易卷曲；表面覆盖材料强度高、抗紫外线能力强、使用寿命长。尤其重要的是这种保温被可以整体连接无缝隙，大大减少了透过保温被的冷风渗透，使保温被的保温性能得到有效发挥。这种保温被根据面层颜色不同分为“内外全黑”“外黑内白”“内外全白”三种表皮颜色，可分别使用在不用的温室和不同的种植要求中。白色反光，用于内层表面有利于室内夜间补光温室提高室内光照强度和光照均匀性；用于外层表面有利于反射白天过强的太阳辐射，可用于夏季设施食用菌种植和早秋果树提早冬眠。黑色吸光，用于外表面能快速吸热有利于冬季保温被表面的积雪融化。用户可根据温室建设地区的室外温度和光照条件以及室内种植品种等因素综合考虑选择使用。这种保温被厂家的保证使用寿命为10年，实际使用寿命可达15年。虽然一次性投资较高（约30~40元/m2），但按照每年的运行折旧摊销后，其单价甚至比针刺毡保温被还低，可以说是一种性价比较高的保温被产品。
附加地面主动储放热系统
为了提高温室冬季室内温度的保证水平，该温室在改造中增加了一套空气循环地面土壤升温储热系统（图12）。该系统在温室的西侧设置一个进风管，并在进风管的进风口安装1台送风风机（风机功率为127W，风量为1230m3/h，压力359Pa），风机口的安装高度为3.3m。
温室中沿温室跨度方向埋设4排东西方向的地埋PE管，作为热量交换的散热管。每排地埋管的长度为59m。冬季白天9:30之后当室内温度超过22℃，风机可自动启动，向地下管道送风，将温室空气中多余热量储存在温室地面土壤中；夜间当室内空气温度降低到种植作物要求的设定温度后，风机可自动启动，将白天储存在土壤中的热量抽出来输送到温室中，补充温室热量的损失。这种地面土壤储热系统不仅可以提高温室夜间空气温度，而且也对稳定和提高温室地温具有非常积极的作用。据测定，一般可将温室内-0.3m处土壤温度稳定在16℃以上，-0.6m和-0.1m处土壤温度稳定在13℃以上，完全能够满足喜温果菜对地温的要求。由于白天送入地下的是温室中的热空气，温度高、湿度大，在地面土壤中进行热交换后温度降低，当循环空气的温度低达到露点温度后，可将空气中的水分析出，从而起到降低空气相对湿度的作用；夜间从地面土壤中抽出的热空气，提高室内温度同样也能降低温室内的空气湿度。所以，这套地面热交换系统不仅具有调节空气温度的作用，而且也具有调节室内空气湿度的作用，在保证室内温度的同时还是一套廉价的除湿机。
本工程案例，通过对一栋倒塌温室的改造，使原有老旧温室在结构强度、保温性能、蓄热性能等方面，一跃跨入到了现代日光温室的行列。这种改造模式也为今后中国北方地区大量的存量老旧日光温室改造提供了一种可供选择和借鉴的技术方案。近年来极端恶劣气候天气条件频繁发生，造成各地温室倒塌的事例屡见不鲜，给日光温室设计和管理提出了更多的挑战。另一方面，从20世纪80年代以来，中国北方地区建设了大量的日光温室，尤其是建设在20世纪90年代和进入21世纪前10年的温室，其中有很多温室设计不够合理，使用的建筑材料也不规范，致使其温光性能难以满足各种作物生产的需要。大量温室的改造和重建已经成为了当前温室行业的一项重要和急迫的任务。虽然也有一些成功的修缮和改造案例，但能够形成标准化的推广应用模式改造方案在行业内却凤毛麟角。本改造工程应用最新的技术和材料改造倒塌温室给我们提供了一种可借鉴、可复制的模式。希望通过本案例的启发，能够带动业界同行们及时总结发生在每个人身边的好的日光温室改造方案，为中国日光温室的升级改造和性能提升提供更多的优秀案例，为中国温室技术的更新贡献每个人的力量。
作者：周长吉 （农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业设施结构工程重点实验室）