海南夏秋季节多台风？莫慌！我们有抗台风的蔬菜种植大棚！
海南地区几种抗台风
蔬菜种植大棚开发与应用
以海南地区蔬菜种植对设施大棚的需求出发，结合海南的气候特点与设施大棚应用中出现的问题，开发出多种适合不同种植需求和造价要求的蔬菜种植大棚，并分别从结构形式，功能特点、材料规格、造价以及推广使用面积等各方面进行介绍。所开发的大棚以抗台风为基本要求，同时兼顾通风、遮阳和大棚防雨的要求，解决了海南地区设施蔬菜大棚生产面临的几个主要问题，同时又兼顾了经济性，使用简单，维护成本低，便于农户及大面积种植使用，符合蔬菜生产的特点。实践证明所开发的大棚能够达到设计提出的各种条件，兼顾了各方面的性能要求，具有推广使用价值。但同时也是由于为了平衡各方面的使用需求，导致在某些方面的措施方案并不是最优的，好在对生产的影响程度较小，在以后的设计中也会充分吸收这些使用经验，不断的调整和改进。
海南岛地处热带，四面环海，属于典型的热带季风气候。夏秋季节多台风、暴雨，且日照强烈、温度高，这些都是影响海南岛夏秋季节蔬菜种植的关键因素。露地种植由于暴雨冲刷，限制了叶菜类种植，使得夏秋季节成为海南地区叶菜种植的淡季。大棚设施具有良好的防雨功能，能够保护作物不受暴雨侵袭，但大棚设施随之也带来新的问题——是否抗台风和棚内高温。因此，要解决海南夏秋淡季蔬菜种植问题，若采用大棚设施还应重点解决大棚设施的抗台风问题和通风降温问题，使得大棚在正常生产的同时，大棚主体结构能够在可预见的范围内抵抗台风的破坏作用；同时结构形式也应有利于自然通风，保证棚内温度与外界相比不至于过高。如有可能还应增加遮阳、机械通风等各种适宜的降温措施。
针对这样的实际需求，海南大学设施农业工程的相关团队做了大量的研究和实验工作，通过总结研究成果和大棚设施在海南地区使用过程中存在的实际问题，在现有的基础上，开发出了多种适宜在海南使用的大棚结构。这些大棚结构均已在海南落地使用，多数已经建成投产。它们的共同特点是均以前述海南气候特点对大棚设施基本要求为基础而做出的努力和尝试，适合不同的种植要求和使用环境，能够在一定程度上代表近几年海南本土大棚设施新的结构形式发展的一个概况，现与大家分享。
文章拟介绍6种海南地区使用的大棚设施，均为海南大学设施农业工程团队开发设计并推广应用，都申请了实用新型专利，部分已取得授权。虽然有6种不同的结构形式，但从外形可以归结为两大类：单拱类与连栋锯齿类。
单拱类大棚
单拱类大棚均为单拱型。一般而言，跨度越小、高度越低、室内增加立柱，其抗风性越好，造价越低，通风越好。但对应的问题是棚内空间较小，机械化操作不便，土地利用率也相对较低。因此，以下介绍的4种形式——小跨度隧道式拱棚、有柱式大跨度拱棚、中跨度半圆形拱棚、柱脚加强式大跨度拱棚（注：这里的“大、中、小”跨度均为相对而言），均是为了适应不同使用要求和造价水平。其中小跨度隧道式拱棚、有柱式大跨度拱棚的造价水平相当（造价约为6.0万元/667m2），但空间较小；中跨度拱棚空间较好，但跨度略小，造价居中（造价约为8.5万元/667m2）；柱脚加强式大跨度拱棚空间和跨度均能满足机械化操作要求，但在4种类型中造价为最高（造价约为11.5万元/667m2）。小跨度隧道式拱棚、有柱式大跨度拱棚、中跨度半圆形拱棚目前在海口及文昌等地推广面积有100亩（6.67hm2）左右,柱脚加强式大跨度拱棚约有200亩（13.33hm2）基地正在施工中，暂无实例照片。
小跨度隧道式拱棚
◆结构形式
小跨度隧道式拱棚拱顶高1.7m，跨度3.3m，拱距0.8m，长度以30~40m为宜。拱棚采用热镀锌钢管作为其骨架的主要构件；在两个端面分别设置2条水泥立柱，同时在长度方向每间距4m，在两侧柱脚位置各设置1条水泥桩，用以增加主体结构在台风中的稳定性；端部两侧沿着拱屋面设置纵向支撑杆；肩部以下覆盖防虫网，形成通风口；肩部以上覆盖薄膜，并在薄膜外层覆盖遮阳率为50%的遮阳网，遮阳网外部设置压膜线（图1）。
◆功能与特点
（1）跨度小、建造用地灵活，后期维护方便。
（2）针对轻钢结构重量轻，不利于抵抗台风的特点，适当位置布置了水泥桩，显著提高拱棚的稳定性和抗侧倾、抗拔起的能力。
（3）四周通风口的自然通风与顶部遮阳网的遮阳措施，能较好的降低种植层高度的温度。
（4）顶部薄膜能够阻挡暴雨对蔬菜的袭击，肩部防虫网能缓冲暴雨的冲击力，较大程度的降低雨水对蔬菜幼苗的冲刷。
（5）为了提高抗风性，同时又考虑到经济性的要求，拱棚的高度较低，仅能保证人进入操作，不利于机械化作业，适合农户小面积进行种植使用。
◆主要材料规格
（1）基础：基础为直径200mm的圆柱形基础，采用C20混凝土现浇，埋深0.5m。
（2）水泥桩：采用C20混凝土预制。截面为0.1m×0.1m，内配4条直径6mm钢筋（HRB400）。
（3）主体钢骨架：拱杆采用40×2mm的热镀锌圆管；脊部设置一条纵向系杆，采用40×2mm的热镀锌圆管；端部屋面设置屋面斜撑，采用32×1.5mm的热镀锌圆管。
（4）覆盖材料：顶部覆盖为0.1mm薄膜，薄膜外层覆盖遮阳率为50%的遮阳网；两侧通风口及两端山墙面覆盖40目防虫网。
有柱式大跨度拱棚
◆结构形式
在两端山墙面分别设置2条水泥立柱，同时在长度方向每间距4.2m，在柱脚位置两侧及中部各设置1条水泥立柱，用以增加主体结构的台风中的稳定性；端部两侧沿着拱屋面设置纵向支撑杆；肩部以下覆盖防虫网，形成通风口；肩部以上覆盖薄膜，并在薄膜外层覆盖50%的遮阳网，遮阳网外部设置压膜线。拱棚的结构形式和种植情况如图2~3所示。
◆功能与特点
有柱式大跨度拱棚的功能与特点与小跨度隧道式拱棚类似，与之不同的是跨度和高度均有增加，内部操作空间进一步提高，比较起来更加有利于生产和操作。
◆主要材料规格
材料规格与小跨度隧道式拱棚相同，区别是拱距为0.6m，较小跨度隧道式拱棚0.8m的拱距要小；有柱式大跨度拱棚在长度方向的加强单元为4.2m（7×0.6m），小跨度隧道式拱棚的加强单元为4.0m（5×0.8m）。
中跨度半圆形拱棚
◆结构形式
中跨度塑料拱棚顶高2.5m，跨度5.0m，拱距为0.7m，拱为半圆弧形，采用热镀锌钢管作为其结构的主要构件；在两个端部山墙面分别设置2根热镀锌钢管立柱；端部两侧沿着拱屋面设置纵向支撑杆；拱屋面肩部以下覆盖防虫网，形成通风口；肩部以上覆盖薄膜，并在薄膜外层覆盖50%的遮阳网，遮阳网外部设置压膜线。拱棚的结构形式和种植情况如图4~5所示。
◆功能与特点
（1）拱棚四周采用条形基础（圈梁），显著提高拱棚的稳定性和抗拔起能力。
（2）条形基础（圈梁）仅在下部150mm处进行混凝土浇筑，上部350mm采用原土回填，不影响耕作，对种植土的影响较小。
（3）拱棚四周的自然通风与顶部遮阳网的共同作用，能较大降低棚内温度。
（4）顶部薄膜能够阻挡暴雨对蔬菜的袭击，实现周年生产。
（5）室内空间开敞，适合小型园艺机械操作。
◆主要材料规格
（1）基础：基础采用条形基础；条形基础宽0.3m，深0.5m，下部0.15m高范围内采用C20混凝土现浇、配直径6mm的钢筋（HRB400）两条，上部采用原土回填夯实。
（2）主体钢骨架：拱杆采用50×2.2mm的热镀锌圆管；沿着拱棚脊部、两侧肩部各设置1条纵向系杆，共计3条，采用32×1.5mm的热镀锌圆管；端部屋面设置屋面斜撑，采用Φ32×1.5mm的热镀锌圆管。
（3）覆盖材料：顶部覆盖为0.1mm薄膜，薄膜外层覆盖遮阳率为50%的遮阳网，并采用压膜带压紧；两端山墙面及两侧通风口覆盖40目防虫网。
柱脚加强式大跨度拱棚
◆结构形式
柱脚加强式大跨度拱棚的拱顶高度为3.3m，跨度为8.0m，拱距为2.0m，采用热镀锌钢管作为其结构的主要构件；采用独特设计方法，拱杆的上部为单管形式，无其他构件，在两侧柱脚处采用桁架形式加强处理，能够保证整个拱架的抗风性能；拱棚四周为覆盖防虫网的通风窗，顶部薄膜覆盖，同时在屋顶设置无动力不锈钢通风帽或通风口，与通风窗形成对流，缓解跨度大、室内热空气流通差的缺点；拱顶外侧设置可卷起的外遮阳，方便冬季遮阳网的收起。结构形式与效果图如图6~7所示。
◆功能与特点
（1）大棚屋脊设置了通风口，增强了棚内空气对流，能够有效排除棚内的热空气。
（2）棚顶薄膜和遮阳网的设置能够防暴雨和强日照（降温），保证棚内作物正常生产。
（3）棚内构件经过优化布置，在满足操作空间的同时，能够保证抗台风的要求。
（4）拱棚的脊高达到3.3m，且棚顶无繁杂构件，棚内空间较之前述3种拱棚均好很多，能够满足机械化操作的需求。鉴于以上特点，该种类型的拱棚比较适合农业合作社、公司基地进行规模化种植，在同等抗风等级和使用空间条件下，造价较低。
◆主要材料规格
（1）基础：基础采用阶梯型独立基础；基础0.8m×0.8m，高0.3m，埋深0.8m，上部采用原土回填夯实。
（2）主体钢骨架：拱杆采用60×40×2.0mm的热镀锌矩形管；柱脚加强桁架部分采用50×50×2.0mm的热镀锌矩形管、腹杆采用25×1.5mm的热镀锌圆管；沿着拱棚脊部、两侧肩部各设置3条纵向系杆，共计6条，采用40×40×1.5mm的热镀锌矩形管；山墙立柱和横梁均为50×50×2.0mm的热镀锌矩形管。
（3）覆盖材料：顶部薄膜为0.12mm薄膜，薄膜外层设置可卷起、遮阳率为50%的遮阳网，并采用压膜带压紧；两端山墙面及两侧通风口覆盖32目防虫网；屋脊每间距4m设置直径为500mm的不锈钢无动力通风帽1个。
连栋锯齿类大棚
大锯齿形连栋大棚
◆结构形式
介绍大锯齿形连栋大棚的肩高3m，脊高4.6m，跨度为6.0m，开间为4m，采用热镀锌钢管作为其结构的主要构件；每跨设置1个锯齿形屋顶。大棚四周与屋顶侧的锯齿口处均覆盖防虫网，顶部覆盖薄膜；四周墙面与屋顶侧锯齿口通风窗形成对流，有效排出棚内的热空气；大棚内部设置内遮阳；通风口在遮阳网以上，棚顶的热空气也可以有效的排出，通风口仅为防虫网，由于在竖直面，即使不设置卷膜，暴雨也不会进入棚内对作物生长产生影响。结构形式与效果图如图8~10所示。该种类型大棚目前在海口等地区推广面积约400亩（26.67hm2）。
◆功能与特点
（1）锯齿形屋顶，通风效果好，在不设置卷膜开窗的情况下实现了屋顶的通风和防雨功能，减少了使用期间的维修和运行成本。
（2）合理的屋面通风系统设计，即使在设置内遮阳的条件下，棚内的高温也能在遮阳的作用下得到有效缓解；内遮阳可以减少屋顶薄膜因外遮阳遮荫而滋生的青苔、减少遮阳系统在台风作用下的损坏，即便发生损坏也便于维修。
（3）结构设计中，充分总结了大量在台风中被破坏以及骨架保持良好的温室大棚的特点，将大棚屋架焊接为整体，类似整体桁架结构，再与立柱高强螺栓有效连接；柱脚采用刚接，有效减少立柱在平面内的计算长度，增加了结构在水平荷载作用下的稳定性。
（4）棚内空间情况良好，适合机械化操作。该棚型充分考虑了海南的气候特点，同时也吸收了大量的经验和教训，综合了各种在生产和使用过程中提出的条件和产生的问题，在原有棚型基础上优化而开发的一种棚型。该棚型能够满足海南地区常年蔬菜生产的使用条件，实现周年生产；该棚型造价（造价约为16.5万元/667m2）比同样荷载条件下外遮阳的圆拱形塑料大棚还要低，是一种可以优先选择的棚型。
◆主要材料规格
（1）基础：基础采用阶梯型独立基础；基础1.0m×1.0m，高0.4m，埋深0.8m，上部采用原土回填夯实。
（2）主体钢骨架：立柱采用120×60×3.0mm的热镀锌矩形管；拱杆采用40×40×2.0mm的热镀锌矩形管；拱架横梁采用50×50×2.0mm的热镀锌矩形管、腹杆采用30×30×1.5mm的热镀锌矩形管；沿着拱棚脊部、两侧共设置4条纵向系杆，采用40×40×1.5mm的热镀锌矩形管；天沟采用2.0mm厚热镀锌钢板压制。
（3）覆盖材料：顶部覆盖为0.15mm薄膜，棚内横梁处设置遮阳率为60%的电动齿轮齿条遮阳系统；四周墙面及屋顶侧通风口覆盖40目防虫网。
锯齿形光伏大棚
◆结构形式
介绍锯齿形光伏大棚的肩高2.5~3.0m，脊高4.1~4.6m，跨度为5.5m，开间为4.0m，屋面角为15°~16°；采用热镀锌钢管作为其结构的主要构件；每跨设置1个单坡锯齿形屋顶；大棚四周与屋顶侧的锯齿口处均覆盖防虫网，顶部为光伏板+玻璃或薄膜覆盖；四周墙面与屋顶侧锯齿口通风窗形成对流，有效排出棚内的热空气；通风口仅为防虫网，由于在竖直面，即使不设置卷膜，暴雨也不会进入棚内对作物生长产生影响。结构形式与种植情况如图11~12所示。图片为海南大学校内基地的实验棚，采用该种棚型，规模为15MW的光伏大棚基地（占地约33.33hm2）正在建设中。
◆功能与特点
（1）采用了锯齿形屋顶结构形式，其有利于通风降温等特点如前“大锯齿形连栋大棚”所述。
（2）充分利用了海南地区光照资源丰富，特别是冬季光照好、无严寒的特点，屋顶的光伏发电组件不与棚内作物争抢光、热资源，反而是“相得益彰”，各自发挥作用；光伏板还形成了遮阳系统，可以有效降低棚内夏秋季节的高温。
（3）在相同土地面积条件下，与普通地面光伏电站相比较，其只需降低25%左右的光伏组件布置面积，就能保证在海南地区棚内“6h（10:00~16:00）平均光照强度”在春夏秋季达到18000lx，冬季达到7000lx以上，能够满足海南地区常见叶菜品种的正常生长（海南地区蔬菜消费以叶菜为主）。
（4）光伏发电支架的成本增加到大棚建设上去，在不增加大棚建设成本的基础上，也能得到抵抗12级台风的叶菜种植大棚，该光伏大棚造价约为16.5万元/667m2（不含光伏板覆盖部分）。因此，在海南及周边地区发展该类型的光伏大棚，能够真正实现光伏发电和种植结合的初衷——“一地两用”。
◆主要材料规格
（1）基础：基础采用阶梯型独立基础；基础1.0m×1.0m，高0.4m，埋深0.8m，上部用原土回填夯实。
（2）主体钢骨架：立柱采用120×60×3.0mm的热镀锌矩形管；拱杆采用50×50×2.0mm的热镀锌矩形管；拱架横梁采用50×50×2.0mm的热镀锌矩形管、腹杆采用L40×3.0mm的热镀锌角钢；屋面设置7条檩条，采用60×40×2.0mm的热镀锌冷弯内卷边槽钢；天沟采用2.0mm厚热镀锌钢板压制。
（3）覆盖材料：顶部覆盖为光伏组件，组件之间及无直射光区域采用5mm钢化玻璃或0.2mm薄膜覆盖；薄膜覆盖时需张紧并在下部设置聚酯托幕线用以防止暴雨时候产生“水兜”；四周墙面及屋顶侧通风口覆盖40目防虫网。
小结
以上从6种大棚设施的结构形式、功能特点、材料规格以及应用实例等方面分别进行了介绍。这些大棚设计风荷载参数均为0.75kN/m2（约为12级风的风力等级，该取值在考虑荷载组合分项系数后与《农业温室结构荷载规范》GB/T51183-2016中给出的海南岛所有地区20年一遇风荷载取值的最大值基本相等），计算荷载设计值时，风荷载分项系数取1.4，根据设计和使用经验，采用该取值设计的温室大棚在2014年第9号超强台风“威马逊”登陆后的作用下，能够保持主体钢结构不受到破坏。
作者：刘建（海南大学热带农林学院）