科学设计是降低温室大棚建设成本的最有效的途径第一讲我讲了《传统大棚的钢筋混凝土基础有明显的力学失误》，第二讲我讲了《传统温室墙体有明显的建筑热学失误》下面讲（第三讲）《大棚骨架设计中的降本潜力》随着科技发展和市场经济的需要，农林牧渔业生产正在向产业化、高科技、高效益的方向转变。
被誉为“白色革命”的温室大棚以其巨大的生命力出现在人们面前！随着这场革命的不断深入，相关科学技术和发明创造的日新月异，温室大棚的规模、水平、效益和应用范围得到了前所未有的大发展。
到目前为止，温室、大棚是现代农林牧渔业最常用的生产工具，已无需论证。
但实践效果有时却不随人愿，也给我们留下许多遗憾与无奈。
其中有三点主要表现形式：1、建设成本高，投资回收期长，是最无情的现实和无奈。
直接影响到温室、大棚的建设和推广。
2、结构抗自然灾害能力差，特别是面对大风、冰雹，暴雨的袭来，往往只能是听天有名和灾后重建。
即产生二次建设成本，又给生产带来突如其来的损失。
3、生产环境差，温度、湿度、空气成分不适合操作人员的身体健康，有时还会影响产品的质量。
以上问题在全国普遍存在，且长期困扰着广大的投资者和各级政府（要支付大量的救灾款和补贴）。
在许多人看来，似乎这是一件无法解决的难题。
怎么能建设造价低，抗灾能力强，工作环境较好的温室大棚（以下简称大棚）呢？这首先要从大棚的科学属性来谈这个问题。
大棚本身是农业，林业技术吗，不是。
大棚是畜牧，水产业技术吗，也不是。
难怪，多年来由农业专家牵头的大棚改良一直在不断地照猫画虎，难以切中要害，也就不可能将成本大幅度地降下来，将抗灾能力提上去了。
大棚与我们的住房一样，属于建筑技术。
只有用研究建筑技术的方法去分析目前大棚的现状和存在的问题，才能提出降低温室大棚的造价、提高抗灾能力，和改善环境的正确思路。
原来，目前许多大棚，存在的建设造价高，抗灾能力低及工作环境差，都是出在没有精准的建筑设计或是结构本身不合理的问题上。
遗憾的是目前主持研究大棚的专业技术人员绝大多数是学农林牧渔的专家、乡村的能人或是包工队长，（他们只能凭经验，而许多经验本身就是错误的）。
很少有建筑设计师介入这一领域。
但这也同时给建筑设计留出改进、降本的空间。
我是一位专业从事建筑结构设计的高级工程师，叫高和林，退休前曾任内蒙古包头钢铁公司设计院院长，土建专业高级职称评审委员会组长。
1997年由我亲手设计的中国第一座塑料大棚双标准池游泳馆建成并投入使用，比北京“水立方”提早了十年，我也从此走上了“塑料大棚设计”之路。
大棚设计中我本着以下标准要求自己：同等强度，追求造价最低；同等造价，追求材质最优；同等材质，追求跨度最大；同等跨度，追求强度最坚。
如今我是位退休十多年的老人，大家都称我高老师。
我设计的各类塑料大棚，经过在全国各地十多年的实践，获得成功。
已在内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江西、河北、江苏、广西、山西、陕西、甘肃、山东、湖北、新疆、河南、云南等二十几个省推广、建成了数千余栋，效果良好，并经历了特大风暴和大雪、冰雹的考验，十年前在包头建的大棚、膜未换，还在使用。
为什么说，只有科学设计才可能真正有效地降低建设成本呢。
因为，只有经过建筑理论科学分析计算，才能选择最合理的墙体，基础形式；风阻最小的外形尺寸；合理的太阳入射角度；抵御雨雪冰雹的合理曲线；最小的钢材断面；最大的拱架间距，最大的单拱跨度……。
从而使材料的性能既得到充分发挥其极限效能，又能满足最大的抗力需求。
从而最大限度地减少材料用量，材料少了，成本自然会降下来。
曾经有这样一组调查数据，一套科学的设计图纸将会给建设者节约最少20%至80%的资金。
另外，只有科学设计才能保证大棚结构的安全，以满足抵抗可预见最大外来荷载（如狂风、大雪、冰雹、暴雨）的能力。
为了使我对科学设计是温室大棚降低建设成本的最有效的途径这一论点加以阐述，必须针对目前传统大棚进行深入分析比较，肯定其合理的部分并提出存在的问题。
以下，我将分几讲阐明我的观点，并提出较合理的解决方法。
这一讲的题目是（第三讲）《大棚骨架设计中的降本潜力》根据以上两讲，大棚建设时钢筋混凝土基础没了，墙体也没了，就剩架子和塑料布了，还能降低建设成本吗？总不能用嘴吹出个大棚吧。
其实大棚骨架也有降本潜力。
目前国内的冷棚规模是巨大的，最少占到全部温室大棚的80%。
有这么大的量，深入研究是是十分必要的。
大棚骨架设计是一个十分复杂且全面的科学论证过程，比如计算弧线的形状，分析骨架的受力，选择骨架的断面，确定材料品种、用量，优化骨架间距等一系列的逻辑思维将会给我们带来全新的认识。
有些人看了我写的《塑料温室大棚设计与建设》（中国农业出版社）一书，深受启发，就认为学会了大棚设计，其实只学到了一些皮毛。
本节只讲拱棚（带后墙的温室骨架可参考）。
从几个方面看：首先说，增加跨度可减少用材，降低成本。
请看，下面15米跨5米高的拱棚和两个7.5米跨3.75米高的拱棚之和形成的外弧长度，哪个更长？这个长度就是所用钢材、大棚膜、压膜绳的长度。
长度短了，用料就少了成本就低了。
居然是15米跨的短。
原来，又大又高的大棚更省料，这出乎许多人的预料。
当然这种比较的前提是指用同一种选材的情况下，在一定跨度范围内是有效的。
而目前最常用的大棚的跨度正好在7.5米至15米区间。
而16米以上就要选择更粗的材料了。
从大棚整体外形来看，单拱双侧落地式大棚（俗称拱棚），最具优势。
因为这种大棚，风阻最小，受力最合理、便于制作，造价低廉，可充分利用土地、五朝向限制，能最大限度吸收太阳能。
第二，抗风柱的作用不可小视。
造成大棚损坏的主要外力是狂风，特别是垂直于大棚两端的风力或旋风。
从骨架的受力分析看，两端的端骨架与中部众多骨架相比，当风力直接作用在端部，端骨架的受力远远大于中部骨架。
从整体稳定性来看，端骨架也起到关键的作用，举一个例子：10个人站在一排，手拿紧同一根钢管连成一体，有一个力推倒第一人，其他人讲将随之倒下，这叫多米诺效应。
如果两端换成两棵大树，同样的力作用在大树上，其他人将不会摔倒。
可见只要加强端架子的稳定性，其他架子受力将明显减小。
根据以上结论，大量的中部骨架用材是可减小或间距是可以加大的，成本也就随之而降。
这叫做好钢用到刀刃上。
那么如何坚强端骨架的强度和稳定性呢？根据国家设计规范，增加抗风柱将是最简便的措施。
同时还解决了端部门窗，通风口，烟道等难点，一举多得。
第三、连栋大棚的骨架用材明显高于单体大棚。
这是由于大棚主要承受的是多方向大风、大雨、大雪的外来荷载。
面对这些复杂荷载，精确计算连体大棚每根杆件的受力是不可能实现的数学难题，目前连栋大棚分为三种类型。
第一类是是常规以镀锌管为主材的整体式联栋大棚，此类大棚由于杆件相互关联牵扯，设计安全系数较大，所以单跨跨度小，杆件直径粗，骨架密度高，建设成本高。
如何从根子上解决这一难题？办法是有的，我提出了“单体紧靠式连栋大棚”和“分体连动式大棚”设计新思路。
这一方法简化了复杂的力学计算，可扩大单跨的跨度，减少了骨架数量和用材断面，再加上空间结构思路，其造价与独栋拱棚造价已十分接近。
较目前传统连栋大棚降低成本最少在40%以上。
同时还克服了排雨水不畅和压膜线难以设置的难题。
第四、通过技术经济分析，选择最合理的骨架断面形式。
目前大棚骨架最经济的就是钢结构，其中最常见的有：1、镀锌钢管(圆、方、异形)组装式；2、上下钢管平面桁架式；3、三角断面空间桁架式；4、受力骨架之间增加单根钢筋副支架复合式。
其中1适合小跨度；2适合中等跨度；3适合大跨度；4适合对外形要求较高的2、3类骨架。
5、还有一种临时中、小跨度春棚或棚中棚，用复合材料制成，可随时拆卸，价格低廉（有关这方面我还要在双层棚一节中单独讲述）。
6、穹顶形也叫鸟巢大棚。
换一个角度分类。
大棚结构之所以采用钢结构，因为钢结构强度大、费用低、便于加工和安装。
而钢结构本身分为3大类：（1）、焊接式钢结构，即上面所说的2、3、4类。
一般多采用以钢筋棍为主的断面拱形桁架结构。
这种结构受力合理，便于精确计算，可有效地增加大棚跨度、提高抗风雪能力和耐锈蚀能力。
对于三角断面空间桁架式结构还可加盖保温被，仅用12圆的钢筋便可以将跨度设计到15米，如采用钢管，便可以将跨度加大到16米至27米。
还有一点也十分重要，这就是焊接式钢结构便于非专业队伍对单拱或连拱的大棚开展施工。
缺点是施工周期较长。
（2）、装配式拱棚，即上面所说的1、5类。
一般采用直径22—32的热镀锌钢管或复合材料，可建成单拱或连拱的农用大棚。
其优点是：人工成本低、工期短、拆装方便。
特别适合春秋大棚、但最好由专业队伍大面积施工。
缺点是抗风雨能力差，跨度、高度小、连接部位耐腐蚀性差。
（3）装配式鸟巢大棚，即上面所说的第6类。
鸟巢温室大棚是一种基于仿生物学的一种新型温室大棚，它利用自然界鸟类筑巢的三角交叉法及结合蜂巢的六角加固方式复合而成的高强度的曲面球体温室。
他具有球体表面积最小化空间最大化的几何特性，鸟巢温室大棚球体结构，能发挥强大的鸡蛋壳效应，从而使具有强大的抗雪性，另外球体没有正的迎风面，使温室形成强大的抗风性，再加上内部的大跨度无支柱结构，所以，跨度大于25米以上的温室,应采用鸟巢与蜂窝结构复合的模式。
因为跨度大于25米以上的无支柱拱棚制作难度大，造价也出奇的高。
鸟巢大棚目前推广难度较大的主要原因是：1、造价太高。
2、保温较为困难。
目前最适合现代农业观光业的主题建筑，再配以低造价的拱棚群。
第五、副拱架的设计思路。
大棚是一种膜结构，棚顶及周边覆盖的是一张柔软的棚膜。
而大棚膜的松紧度、平整度直接会影响到是否兜风，积水积雪乃至抗冰雹的冲击能力。
这些外力同时都存在累计效应。
为了使这些外力能即使通过并消散，大棚骨架必须要有足够的密度，以满足整体平整度的要求。
为此我提出了大棚受力拱架与支撑棚膜的副拱架分离的设计思路，从而最大限度地扩大了拱架间距。
充分发挥各自应有的作用，从而降低建棚的造价又保证了大棚的质量。
从受力和节约材料来看，三角断面空间桁架式加钢筋副支架复合式最为合理，也是我最推荐的形式。
但这类骨架用工较多，随着人工成本的不断提高，对于跨度小于12米（且高度较低，无台风的地区）或跨度大于25米的，其他形式也是一种合理的选择。
第六、一架多用可发挥大棚骨架的最大潜能。
随着光伏发电技术的推广，大棚群落安置光伏发电成为一种需求。
而一种柔性挡风墙的立柱正好成为光伏发电板的合理支架，它能够满足了光伏发电板不能遮挡大棚，可随意调整高度，要有极好的抗风能力，又可以作为农场的围墙使用。
以上我讲的第三讲最终结论是：对于众多大棚来说，骨架的科学选择是降低大棚建设成本的关键因素。
没有科学严谨的骨架设计，不但建设成本不可能是最低，更重要的是大棚的强度及稳定性也得不到保障，一旦遇到狂风暴雨或是冰雹大雪，棚倒屋塌就可能发生。
