鄒志榮西北農(nóng)林科技大學(xué)聯(lián)系方式 13991124991 模塊化組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與實(shí)踐 目錄 問題提出 我國日光溫室的面積已經(jīng)超過1500萬畝 有效的解決了冬季蔬菜生產(chǎn)問題 實(shí)現(xiàn)了蔬菜周年供給的目的 但是 由于日光溫室建造費(fèi)時費(fèi)工 人工成本高 標(biāo)準(zhǔn)化程度低 造價高 限制了我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展與應(yīng)用 所以 開發(fā)機(jī)械化 標(biāo)準(zhǔn)化的溫室建設(shè)是當(dāng)前急需解決的問題 溫室的采光保溫性能顯著降低 耕地破壞嚴(yán)重 利用率低 室內(nèi)地面過度下沉 標(biāo)準(zhǔn)不同 性能較差 塌棚現(xiàn)象 手工作業(yè) 生產(chǎn)效率低 概念與優(yōu)勢 模塊化組裝式日光溫室就是將溫室結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)裝備從工廠生產(chǎn)成模塊成品 一次性組裝在所需的農(nóng)田里 形成一個成熟的溫室生產(chǎn)建筑 將溫室生產(chǎn)建筑進(jìn)行工業(yè)化的革命 即溫室建筑標(biāo)準(zhǔn)化 生產(chǎn)裝備一體化 形成能夠快速高效生產(chǎn)的溫室建筑與裝備 優(yōu)勢 1 縮短溫室的設(shè)計和制造周期 加快供貨速度 有利于市場競爭 有助于溫室的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 2 便于溫室更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā) 由于有許多現(xiàn)成的通用和專用模塊 減少了新產(chǎn)品開發(fā)的成本和周期 3 通用和專用模塊一般在生產(chǎn)和使用中都經(jīng)過檢驗(yàn) 工藝完善 產(chǎn)品的質(zhì)量更易得到保障 4 溫室結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計 提高了生產(chǎn)效率 可以實(shí)現(xiàn)溫室結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計 滿足不同區(qū)域 不同客戶的多品種需求 5 采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制作構(gòu)配件和設(shè)備裝置 零部件 工人對生產(chǎn)操作 施工安裝都易于掌握 因而可以不斷提高生產(chǎn)和施工安裝質(zhì)量 有利于保證溫室工程的質(zhì)量 6 節(jié)約建筑材料 降低溫室工程造價 模塊化的溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)件 可以促進(jìn)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化 采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計生產(chǎn)構(gòu)配件 便于預(yù)制廠統(tǒng)籌安排 統(tǒng)一配料 可以大大節(jié)約建筑材料 7 推廣先進(jìn)技術(shù) 模塊化設(shè)計在機(jī)械 建筑行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用 模塊化在溫室設(shè)計中的應(yīng)用 也將先進(jìn)技術(shù)推廣到更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域 促進(jìn)溫室結(jié)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與溫室所用到的建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 8 促進(jìn)溫室工業(yè)化的發(fā)展 有了溫室建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 工廠可以進(jìn)行工廠化大批量生產(chǎn) 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的推廣也將大大加快溫室建造的速度 模塊化溫室設(shè)計與應(yīng)用 對溫室進(jìn)行模塊劃分及模塊創(chuàng)建 并給出多種模塊化設(shè)計方法的設(shè)計思路 然后對模塊化溫室進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計 包括墻體結(jié)構(gòu) 骨架屋架 栽培設(shè)施以及環(huán)控模塊四個方面 1 墻體模塊 溫室墻體模塊主要起到承載各種荷載的作用 是溫室系統(tǒng)的受力體系 是溫室覆蓋材料 環(huán)境控制設(shè)備和灌溉設(shè)備 作物懸掛等栽培設(shè)施得以安裝的基礎(chǔ) 土墻 墻體材料易獲得 成本低 保溫蓄熱性能好 復(fù)合材料墻體 墻體材料是有蓄熱層 保溫層和絕熱層組成 建筑方便 性能好 成本高 墻體模塊 模塊化組裝式土墻溫室的墻體使用速土成型機(jī)建造 把原本松軟的土壤加入一定的水配成合適的含水率 最佳含水率可以通過擊實(shí)試驗(yàn)獲得 加入到成型機(jī)里 通過巨大的壓力使土壤孔隙變得密實(shí) 得到最終規(guī)格為1 2 1 2 1 2m的密實(shí)土塊 可直接用于溫室墻體的建設(shè) 一臺速土成型機(jī)生產(chǎn)一個這樣規(guī)格的土塊用時約8min 大大節(jié)省了溫室墻體建造時間 并且減少了墻體厚度 節(jié)省了建造用土和人力 建設(shè)完成后可在外側(cè)增附一層保溫板或其他覆蓋物 可以有效進(jìn)行保溫和防止雨水沖淋 降低了成本并增加了美觀度 快速筑墻機(jī) 一 筑墻機(jī)二 裝土 蓄熱材料 絕熱材料 吸熱材料 現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)層 3D打印溫室斷面結(jié)構(gòu) 傳熱風(fēng)道 絕熱材料 蓄熱材料 吸熱材料 3D打印溫室構(gòu)造示意圖 30M 負(fù)壓通風(fēng) 通風(fēng)蓄熱 風(fēng)機(jī) 3D打印溫室蓄熱風(fēng)機(jī)構(gòu)造示意圖 進(jìn)氣口 進(jìn)氣口 3D打印溫室蓄熱原理示意圖 進(jìn)氣口 進(jìn)氣口 出氣口 模塊土密度與抗壓強(qiáng)度 實(shí)物圖 經(jīng)大量對比實(shí)驗(yàn) 速筑土墻模塊比人工電夯密度提高7 強(qiáng)度提高11 比流行的推土機(jī)碾壓墻密度提高13 強(qiáng)度提高53 大大增強(qiáng)了日光溫室后墻的蓄熱能力和強(qiáng)度 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對比 注 輕型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果 最優(yōu)含水率17 9 時 最大干密度為1 71kg cm3 初步結(jié)論 擠塑速土模塊強(qiáng)度優(yōu)于夯土墻 即使剛制出的濕土塊也優(yōu)于當(dāng)前普遍使用的碾壓墻 模塊土不同部位密度 日光溫室模塊化后墻承載力性能測試 試驗(yàn)溫室主要尺寸 長36m 跨度10m 骨架間距1 0m 后墻高3 6m 1 測試在折算雪載為0 25kN m2豎向荷載作用下 后墻水平位移 2 測試在折算雪載為0 6kN m2豎向荷載作用下 后墻水平位移 確定重物吊點(diǎn)位置及重物荷載大小 在屋架上均布8個吊點(diǎn) 每個吊點(diǎn)吊掛重物75kg 折算為屋面均布荷載為0 6kN m2 通過計算 測點(diǎn)1 即墻頂 在試驗(yàn)荷載作用下 最大水平位移為0 896mm 測點(diǎn)2 即墻中部 最大水平位移為0 600mm 測點(diǎn)1 即墻底部 最大水平位移為0 118mm 由此可見 墻體各部分水平位移均不超過1mm 相對墻體高度來說為小位移 說明在設(shè)定的荷載作用下墻體抗側(cè)移能力仍有足夠富裕 后墻安全 1 它運(yùn)用吸熱 蓄熱 散熱的原理制作溫室模塊墻體 2 制作 就地取材墻體用料99 是土 沙 石 就地取材建造 代替了過去的磚墻 省去了制磚時用電 燒煤的能量消耗和污染 而且節(jié)能 3 成本 高性價比墻體以土為原材料加少量相變固化劑 溫室骨架由工廠化生產(chǎn) 使整個溫室的造價下降40 左右 克服了溫室價格高 經(jīng)濟(jì)效益差的頑疾 4 速度 機(jī)械化大幅度提高建棚效率全程機(jī)械制造 一臺機(jī)器一天能制造60米長 4米高 1 3米厚的墻體 加上折疊式骨架的應(yīng)用 多臺機(jī)器同時使用 大大加快了建設(shè)周期 5 環(huán)保 節(jié)約土地資源 減少霧霾由于其墻體可就地取材 用土 沙 石混合制作 這樣就可以在沙漠 戈壁 鹽堿地上建造 對我國土地利用有著十分重要的意義 該產(chǎn)品具有極強(qiáng)的適應(yīng)性 在各種氣候 土壤 沙漠 河灘 戈壁灘等環(huán)境下 可以利用焦土 黃土 沙土 土沙石塊混合體就地取材建設(shè) 使荒灘 沙漠 戈壁變?yōu)榱继?其應(yīng)用前景廣闊 模塊土墻溫室優(yōu)勢與應(yīng)用 目前在我國北京 新疆 寧夏等地也開發(fā)建設(shè)了不同材料的組裝式日光溫室 見圖2 探討新的結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果 荷蘭 日本日光溫室 日本日光溫室 骨架模塊效果圖 2 骨架模塊 溫室骨架模塊必須包括屋架 立柱 檁條和天溝等主要的受力構(gòu)件 還應(yīng)包括聯(lián)系上述主要構(gòu)件 保證溫室整體剛度的結(jié)構(gòu)支撐體系 傳統(tǒng)的溫室骨架是在現(xiàn)場臨時放樣進(jìn)行加工 費(fèi)時費(fèi)事 模塊化骨架采用加工廠加工完成 包括焊接 沖孔 鍍鋅等施工工藝 后運(yùn)至施工現(xiàn)場 與基礎(chǔ)連接處采用螺栓連接 非基礎(chǔ)位置采用自攻螺釘連接 避免焊接 減少骨架施工周期和安裝成本 三 栽培設(shè)施模塊 傳統(tǒng)的土壤栽培在生產(chǎn)中難以解決水分 空氣 養(yǎng)分供應(yīng)的矛盾 往往無法使作物根系處于適宜的環(huán)境條件下 從而影響作物生長 而無土栽培作為一種新的栽培方式 現(xiàn)在正被人們廣泛應(yīng)用 它可以有效解決土壤栽培弊端 發(fā)揮作物的生長潛力 使植物生長量 生物量大大提高 所以 栽培模塊就是利用現(xiàn)有的無土栽培技術(shù)為依托 實(shí)現(xiàn)栽培系統(tǒng)可組裝 可調(diào)控的應(yīng)用 栽培模塊 水肥一體化根據(jù)不同的作物的需肥特點(diǎn)把水分 養(yǎng)分定時定量 按比例直接提供給作物 可以達(dá)到省肥節(jié)水 省工省力 降低濕度 減輕病害 增產(chǎn)高效的作用 四 環(huán)控模塊 目前 基于單片機(jī) PLC CAN總線 RS485總線 ARM9處理器 ZigBee OSGi網(wǎng)關(guān) 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等軟硬件控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用成熟 也逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是溫室生產(chǎn)中 并統(tǒng)一稱為 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 通過對現(xiàn)有溫室大棚廣泛調(diào)研 建立不同作物專家管理軟件 并特制定本環(huán)境控制模塊 可實(shí)現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)環(huán)境的精確監(jiān)測 自動上報及控制 對作物生長過程和勞動作業(yè)過程的視頻監(jiān)控 生產(chǎn)指導(dǎo) 對物聯(lián)網(wǎng)的三個層次分別進(jìn)行模塊化安裝及使用 四 環(huán)控模塊 感知層主要采用針對溫室內(nèi)溫光水氣肥五大環(huán)境因子的超低功耗的的傳感器模塊 傳輸層采用安裝及管理最為便捷的無線傳輸模塊 溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)匯集到云端 推送到手機(jī) 便于實(shí)時監(jiān)控 應(yīng)用層采用系統(tǒng)自動調(diào)控和人工干預(yù)相結(jié)合的方式控制 通過對云端數(shù)據(jù)庫上數(shù)據(jù)分析 借助專家系統(tǒng)平臺 可以優(yōu)化種植技術(shù) 達(dá)到持續(xù)增收增產(chǎn)目的 發(fā)展前景 模塊化組裝式溫室建設(shè)是一場創(chuàng)新性工業(yè)化的變革 是我國日光溫室轉(zhuǎn)型升級的手段 也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化溫室建設(shè)的有效途徑 機(jī)器替代人 設(shè)備控制環(huán)境與栽培系統(tǒng)是發(fā)展的方向 是提高生產(chǎn)效率 土地產(chǎn)出率和資源利用率的最佳方式 下一步需要研究的內(nèi)容 THEEND