<p>典型日光溫室的屋面分為前屋面（采光面）和后屋面兩個屋面。前者面南，表面覆蓋活動保溫被，白天打開保溫被溫室采光，夜間覆蓋保溫被溫室保溫；后者面北，周年固定保溫。為了增加日光溫室的采光量，許多學(xué)者對前屋面形狀和尺寸進(jìn)行了深入的優(yōu)化研究（亢樹華，1990；聶和民，1990；周長吉 等，1993；王朝棟 等，2010），也提出過不少前屋面幾何尺寸的設(shè)計方法，但對日光溫室后屋面的研究相對較少，設(shè)計和建設(shè)中對后屋面的幾何尺寸、材料、做法、保溫性能要求千差萬別。本文就日光溫室前屋面和后屋面的演變和發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，以期對未來日光溫室屋面的研究和設(shè)計有所啟迪。1 日光溫室前屋面的改良與創(chuàng)新1.1 日光溫室前屋面幾何形狀的變遷1.1.1 一坡一立式結(jié)構(gòu) 日光溫室前屋面幾何形狀的改良與創(chuàng)新是隨著建筑材料的革新和室內(nèi)種植要求的變化而不斷發(fā)展和創(chuàng)新的。早期的日光溫室（20世紀(jì)80年代至90年代初）采用竹木結(jié)構(gòu)，從日光溫室前屋面和后屋面幾何尺寸的變遷中分析我國日光溫室屋面結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新過程，在此基礎(chǔ)上就日光溫室前屋面和后屋面的一些革新技術(shù)，包括直立南墻結(jié)構(gòu)日光溫室、可變屋面傾角日光溫室、活動保溫采光后屋面日光溫室等的特點進(jìn)行了總結(jié)。中國日光溫室結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新（三）溫室屋面結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新周長吉（農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，北京100125）周長吉，男，研究員，專業(yè)方向：溫室工程，E-mail：zhoucjfacaae.com收稿日期：2018-02-20溫室屋面以平坡屋面為主（因為竹木結(jié)構(gòu)彎曲加工的難度較大），典型的溫室形式為一坡一立式（圖1）。這種結(jié)構(gòu)的屋面梁采用圓木或竹竿（圖 1-a），用鋼筋混凝土立柱或圓木、鋼管等支撐屋面梁。為了固定塑料薄膜，早期的做法是在塑料薄膜的外部壓竹條，用細(xì)鐵絲將塑料薄膜上部的竹條緊壓在塑料薄膜下部的屋面梁上（圖1-b）。這種做法在扣壓竹條時必須要穿破塑料薄膜，不僅造成溫室屋面漏氣，降低溫室的保溫性能，而且在大風(fēng)情況下容易將塑料薄膜撕裂。因此，后來改進(jìn)使用繩索在兩根屋面梁之間采用外壓的方式固定塑料薄膜（圖1-c），徹底解決了上述問題。目前大都采用專用的壓膜線替代繩索，有的生產(chǎn)者甚至在溫室設(shè)計中直接采用卡槽卡簧固定塑料薄膜，固定更可靠。一坡一立式日光溫室由于前部立面的存在，給保溫被的卷放造成了很大困難，尤其在卷簾機廣泛應(yīng)用之后，在立墻上卷放保溫被不僅要求卷簾機的輸出功率大，而且保溫被展開后密封不嚴(yán)。為此，有的溫室設(shè)計者在立墻的部位增設(shè)一組斜立的支撐（圖2-a），從而將卷被的直立面改為了斜立面，使保溫被的卷放更輕便且展開后密封也更嚴(yán)密。但這種斜立桿需要另外附加桿件，增加了建設(shè)成本。為此，有人改進(jìn)直接用壓膜繩繃緊傾斜固定在地基1新優(yōu)品種栽培管理本期視點產(chǎn)業(yè)市場病蟲防控 產(chǎn)業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES2018（4）：1-5網(wǎng)絡(luò)出版時間：2018-03-26 15:43:59網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/11.2326.S.20180326.1543.002.html中，用壓膜繩充當(dāng)斜支撐來支撐保溫被卷放（圖2-b），不僅解決了保溫被平穩(wěn)卷放的問題，而且也省去了附加構(gòu)件，價廉物美，具有更好的經(jīng)濟效益。1.1.2 全弧面結(jié)構(gòu) &nbsp;一坡一立式日光溫室屋面結(jié)構(gòu)用材斷面大，構(gòu)件遮光嚴(yán)重，而且隨著我國日光溫室面積的快速發(fā)展，大量的竹木建材供應(yīng)也越來越困難，人們開始大量使用工業(yè)化生產(chǎn)的鋼材（主要是鋼筋和鋼管，后來發(fā)展到外卷邊 C 形鋼、橢圓管等）做屋面承重結(jié)構(gòu)，不僅提高了溫室建設(shè)的工業(yè)化水平，而且由于鋼結(jié)構(gòu)承載能力強、構(gòu)件截面小，對室內(nèi)的遮光陰影面積也大幅度減少。為了更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的強度并適應(yīng)固定塑料薄膜的需要，溫室屋面形狀也由早期的一坡一立式改變成一個整體的弧面結(jié)構(gòu)。關(guān)于日光溫室采光面的弧面幾何形狀，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究，提出了包括圓弧面、橢圓面、拋物線面以及不同曲線組合的各種弧面形式（陳端生等，1992；周長吉等，1993；王朝棟等，2010；張利華 等，2010），形成了當(dāng)前日光溫室采光面的主流。無論哪種采光弧面，為了保持溫室前屋面基部一定的操作高度（最早的要求是距離前屋面底腳0.5m位置處溫室的屋面高度不應(yīng)小于1.0 m），必然造成溫室屋脊位置處屋面的坡度不夠，一方面，保溫被卷放無法實現(xiàn)自由下落，展開保溫被必須帶動力運行，給卷簾機提出了更多的附加要求；另一方面，也造成了溫室屋面排水困難，經(jīng)常產(chǎn)生屋脊部位兜水的現(xiàn)象（圖3-a）。水兜不僅加大了溫室結(jié)構(gòu)的承重荷載，嚴(yán)重的可能會造成溫室倒塌，而且也容易造成塑料薄膜損傷、老化和撕裂。為了解決這一問題，生產(chǎn)中常在屋脊部位通風(fēng)口處鋪設(shè)一層塑料網(wǎng)或鋼絲網(wǎng)，用以支撐塑料薄膜，并導(dǎo)流屋面積水，可有效避免水兜的形成（圖 3-b）。另外，在屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，提出在屋脊部位屋面的坡度不應(yīng)小于 10°，可有效避免屋面積水和兜水。1.2 直立南墻結(jié)構(gòu)日光溫室日光溫室前屋面從一坡一立式發(fā)展到全弧面結(jié)構(gòu)是建筑材料采用鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)果，也滿足了壓膜和卷放保溫被的需要，但前屋面前部空間低矮的問題一直沒有解決。由于溫室南部距離前基 1 m 范圍內(nèi)屋面高度較低（尤其是大跨度日光溫室，圖 4-a），圖 1 早期一坡一立式日光溫室及其前屋面塑料薄膜的固定方法a 一坡一立式溫室內(nèi)景 b 竹條外壓塑料薄膜 c 繩索外壓塑料薄膜圖 2 一坡一立式日光溫室方便保溫被卷放的措施a 采用斜支撐b 采用斜拉索圖 3 日光溫室屋脊部位形成的水兜及其防范措施a 屋脊部位水兜b 避免水兜的支撐網(wǎng)2新優(yōu)品種栽培管理本期視點產(chǎn)業(yè)市場病蟲防控 產(chǎn)業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES一是高秧作物無法種植，有的只種植 2 穗果的果菜類蔬菜，有的直接種植葉菜類蔬菜，還有的荒廢不種，直接影響溫室作物生產(chǎn)的產(chǎn)量；二是作業(yè)空間小，人工作業(yè)不便，機械作業(yè)基本無法觸及。為解決實際生產(chǎn)需要，對溫室前屋面的改進(jìn)朝著保留弧形形狀、抬高整體屋面的方向發(fā)展，形成了直立南墻 + 弧形屋面的溫室前屋面幾何形狀（圖 4-b、c）。在直立南墻+弧形屋面結(jié)構(gòu)中有兩種特殊的結(jié)構(gòu)。一種是半地下式結(jié)構(gòu)（圖5-a），這種結(jié)構(gòu)雖然南墻為直立面，溫室南部空間也基本不影響吊蔓作物的種植，但南墻不透光，而且半地下深度越大，溫室內(nèi)的濕氣越難排除，只在一些冬季室外氣溫較低的地區(qū)且采用機打土墻需要大量取土的溫室建造時才采用這種結(jié)構(gòu)；另一種是南立墻為完全采光立墻（圖5-b），立墻的高度可達(dá)到2 m左右，種植高秧吊蔓作物完全不受種植空間的影響，溫室采光量大，不論人工作業(yè)還是機械作業(yè)都有充足的空間，溫室內(nèi)設(shè)二道保溫幕結(jié)合室外保溫被，具有良好的保溫性能，是未來日光溫室結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種趨勢（周長吉，2017）。當(dāng)然，對南墻直立面的理解也不僅僅限于垂直地面的直立墻面，有的溫室采用了弧形墻面，有的溫室采用了傾斜墻面，但傾斜面的傾角大都在 80°以上。由于南立墻的存在，而且墻體較高，使傳統(tǒng)的日光溫室高度整體加高，雖然增加了溫室空間，有利于室內(nèi)作物種植和機械化作業(yè)，但溫室的建造成本加大，溫室棟與棟之間的間距也相應(yīng)增加。雖然這種改進(jìn)不是十全十美，但是從日光溫室機械化作業(yè)、自動化控制等未來發(fā)展方向來看，這種改進(jìn)還是具有廣闊的發(fā)展市場。圖 4 直立南墻 + 弧形屋面日光溫室結(jié)構(gòu)的形成過程a 無直立面的溫室屋面 b 帶有明顯直立面的過渡屋面 c 豎直立面 + 弧面的溫室屋面圖 5 兩種特殊形式直立南墻日光溫室結(jié)構(gòu)a 半地下式直立南墻b 全采光直立南墻1.3 可變屋面傾角日光溫室傳統(tǒng)日光溫室的屋面在設(shè)計建造完成后就是固定不變的了。由于受溫室高度的限制（過高的溫室一是增加建筑成本；二是增加溫室之間的間距，降低土地利用率；三是室內(nèi)熱空氣向上運動，降低了作物生產(chǎn)區(qū)的溫度；四是太高的溫室空間不利于溫室保溫；五是作物生產(chǎn)也確實不需要太高的空間），增加溫室跨度后，溫室前屋面的采光角將會減小，尤其在光照較弱、太陽高度角較小的12月至翌年 1 月，進(jìn)入溫室的太陽輻射將會顯著減少，影響溫室的采光和室內(nèi)的溫度。可變屋面傾角溫室即是基于這樣的生產(chǎn)實際需求，將溫室的采光面設(shè)計為可轉(zhuǎn)動屋面（張勇等，2014；張勇和鄒志榮，2017），就是把溫室的整個采光前屋面當(dāng)作一扇窗扇，像連棟溫室的屋面開窗一樣，用傳動機構(gòu)控制整體屋面的啟閉。在太陽高度角比較低的季節(jié)，白天將溫室前屋面的后部抬起，加大屋面傾角，減小太陽光入射角，從而增加溫室的采光量（圖6-a）；到了傍晚溫室需要覆蓋保溫被時，將溫室前屋面再回位到溫室屋面骨架的位置（圖 6-b）。這種可變屋面傾角溫室，一可以增加白天溫室的采光，提高室內(nèi)溫度；二可以在相同跨度、同等采光量的條件下降低溫室高度，進(jìn)而降低溫室的土3新優(yōu)品種栽培管理本期視點產(chǎn)業(yè)市場病蟲防控 產(chǎn)業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES建費用、縮短前后溫室之間的間距，節(jié)約建設(shè)用地。雖然傳動機構(gòu)增加了溫室部分造價，但從溫室的光熱性能和溫室建設(shè)的土地利用率角度分析，這種創(chuàng)新具有非常積極的實用價值。操控溫室屋面啟閉方法有兩種：一是采用傳統(tǒng)的溫室齒輪齒條控制（圖7-a）；二是用液壓氣缸控制（圖7-b）。相對連棟溫室的開窗機構(gòu)，開啟日光溫室屋面的負(fù)荷較大，因此對開啟屋面的支撐構(gòu)件的強度要求也較高；相對而言，液壓氣缸的輸出動力更強，運行也更平穩(wěn)，但造價也相對較高。面仰角和后屋面熱阻。學(xué)術(shù)界對溫室后屋面的功能一直沒有定論，所以民間對后屋面的做法也多種多樣?？偨Y(jié)溫室后屋面的功能，從結(jié)構(gòu)幾何特征上后屋面可降低溫室后墻高度；從溫室保溫性能上后屋面可提高溫室的保溫比（溫室透光面面積與不透光面，包括地面、保溫墻體和后屋面面積之比）。在早期的日光溫室建設(shè)中由于更強調(diào)溫室上述的兩項功能，日光溫室大都采用長后屋面結(jié)構(gòu)（后屋面的長短指溫室剖面上后屋面長度），一般后屋面長度在 1.5m 以上，寒冷地區(qū)甚至在 2.5m 以上。長后屋面溫室雖然對溫室的保溫具有非常積極的作用，但由于后屋面加長后溫室在春秋季節(jié)，乃至夏季運行時由于太陽高度角升高，溫室靠近后墻部位的陰影將增大，從而影響溫室種植作物的采光。此外，由于后屋面是保溫屋面，結(jié)構(gòu)自身負(fù)荷重，支撐屋面結(jié)構(gòu)的荷載也相應(yīng)大。為此，溫室骨架的截面面積就需要增大或者必須在溫室內(nèi)設(shè)立立柱支撐后屋面，這將增加溫室的建設(shè)投資。綜上，目前日光溫室后屋面的長度有向短后屋面方向發(fā)展的趨勢。典型的代表是山東壽光五代機打土墻日光溫室（周長吉，2013），后屋面的長度大都控制在0.50.8 m 范圍內(nèi)，其他的溫室后屋面長度也都控制在 1.21.5 m 范圍內(nèi)，極端的做法是完全取消溫室后屋面，形成無后屋面日光溫室（圖 8）。圖 6 可變屋面傾角日光溫室a 打開屋面，加大傾角，增加采光b 關(guān)閉屋面，溫室保溫圖 8 無后屋面日光溫室圖 7 可變屋面傾角日光溫室屋面啟閉方法a 齒輪齒條控制b 液壓氣缸控制對日光溫室后屋面仰角的研究主要集中在后屋面冬季不在溫室后墻形成陰影以及夏季運行不影響室內(nèi)種植作物采光兩個方面（魏曉明 等，2010；曹晏飛 等，2017）。根據(jù)溫室建設(shè)地區(qū)的地理緯度可以準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)的方法計算出來，但在生產(chǎn)實踐中溫室后屋面仰角大多控制在 4045°。日光溫室后屋面的保溫設(shè)計目前還沒有精確的理論計算方法，生產(chǎn)中大都采用輕質(zhì)保溫材料（包括松散保溫材料、保溫板材等），一般后屋面的保溫?zé)嶙钁?yīng)接近或高于溫室后墻的保溫?zé)嶙瑁_建2 日光溫室后屋面的改良與創(chuàng)新2.1 日光溫室后屋面幾何尺寸的變遷日光溫室后屋面的特征參數(shù)主要包括后屋面長度（或者用后屋面的水平投影寬度表示）、后屋4新優(yōu)品種栽培管理本期視點產(chǎn)業(yè)市場病蟲防控 產(chǎn)業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES華 等，2012），但也有溫室采用完全不保溫的溫室后屋面（圖9），通過溫室內(nèi)二道保溫幕來保證夜間的室內(nèi)溫度。冬季夜間也可以用保溫被覆蓋后屋面，降低溫室夜間屋面的散熱。2.2 活動保溫采光后屋面日光溫室對于日光溫室后屋面的保溫，傳統(tǒng)的設(shè)計理念是熱阻盡量接近溫室后墻熱阻，這一設(shè)計理念已經(jīng)貫徹了 30 多年。但近年來的設(shè)計理念改變?yōu)楹笪菝娴臒嶙柃呁谇拔菝鏌嶙瑁ㄖ荛L吉，2015）。在這一設(shè)計理念的指導(dǎo)下，日光溫室的后屋面不再是永久固定的厚重保溫屋面了，而是采用與前屋面相同的保溫被材料覆蓋，并將日光溫室的后屋面覆蓋塑料薄膜后形成可透光、可通風(fēng)、可保溫的多功能屋面（圖 10）。區(qū)域的光照強度；夜間需要保溫時，用保溫被覆蓋后屋面，與傳統(tǒng)的日光溫室后屋面一樣，完成后屋面的保溫功能。這種創(chuàng)新設(shè)計不僅從理論上拓展了傳統(tǒng)日光溫室后屋面的功能，而且從結(jié)構(gòu)設(shè)計上大大減輕了溫室后屋面的荷載，可以將日光溫室結(jié)構(gòu)向著輕盈化、組裝式方向發(fā)展，更符合現(xiàn)代溫室的發(fā)展方向和潮流。這種創(chuàng)新尤其增加了溫室內(nèi)的光照強度和光照均勻性，增強了溫室的通風(fēng)能力，溫室內(nèi)的溫光環(huán)境得到大大改善，使溫室的運行管理更靈活，也更有針對性。實踐證明，這種溫室配套室內(nèi)二道保溫幕，其冬季的保溫效果甚至超過傳統(tǒng)后屋面日光溫室，在未來的日光溫室發(fā)展中將具有非常廣闊的推廣前景。參考文獻(xiàn)曹晏飛，荊海薇，趙淑梅，鄒志榮，鮑恩財2017日光溫室后屋面投影寬度與墻體高度優(yōu)化農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，33（7）：183-189陳端生，鄭海山，張建國，邱建軍1992日光溫室氣象環(huán)境綜合研究（三）幾種弧型采光屋面溫室內(nèi)直射光量的比較研 究農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，8（4）：78-82亢樹華1990鞍山日光溫室的沿革與改進(jìn)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 6（2）：101-102羅建華，吳慧，高杰2012后屋面對日光溫室溫度變化的影響新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，（10）：1852-1858聶和民1990日光溫室的結(jié)構(gòu)與發(fā)展問題探討農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，6（2）：100-101王朝棟，史為民，裴先文20104 種曲線形日光溫室前屋面采光性能及其拱架力學(xué)性能的比較西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，38（8）：143-150魏曉明，周長吉，曹楠，丁小明2010基于光照的日光溫室總體尺寸確定方法研究北方園藝，（15）：1-5張利華，劉杰，徐為根，張仁祖2010日光溫室前屋面角的設(shè)計研究江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，22（1）：74-77張勇，鄒志榮，李建明2014傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室的采光及蓄熱性能試驗農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，30（1）：129-137張勇，鄒志榮2017日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，33（11）：178-186周長吉，孫山，吳德讓1993日光溫室前屋面采光性能的優(yōu)化農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，9（4）：58-61周長吉2013不斷創(chuàng)新的山東壽光日光溫室追析壽光“五代”日光溫室農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，33（12）：16-22周長吉2015一種活動保溫被覆蓋透光后屋面的日光溫室農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，35（6）：24-26周長吉2017中以溫室技術(shù)的結(jié)晶艾森貝克對中國日光溫室的改良與創(chuàng)新農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，37（6）：44-50圖 9 不保溫后屋面日光溫室圖 10 活動保溫采光后屋面日光溫室磚后墻溫室填土后墻溫室和前屋面一樣，后屋面也用透光塑料薄膜覆蓋，并在塑料薄膜上安裝手動或電動卷膜器，需要通風(fēng)時將塑料薄膜卷起，與前屋面的通風(fēng)口形成“穿堂風(fēng)”的對流通風(fēng)窗，較屋脊通風(fēng)窗通風(fēng)效率更高；不需要通風(fēng)時，白天當(dāng)室外溫度適宜時可卷起保溫被，后屋面采光可補充室內(nèi)作物的光照，使溫室內(nèi)光照更均勻，尤其可提高傳統(tǒng)日光溫室靠后墻部位5新優(yōu)品種栽培管理本期視點產(chǎn)業(yè)市場病蟲防控 產(chǎn)業(yè)廣角中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES</p>