气雾栽培
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2019年2月19日 作者:xwz2367609 [返回]
土楼温室开发及在垂直农场上的应用研究

徐伟忠,陈银华,曹鹏飞

(浙江省丽水市农业科学研究院,丽水 323000

摘要 温室设施技术是农业现代化的重要组成,不管是园艺还是养殖未来都将走设施化发展道路;是实现农业生产高效化与可持续化发展的必然趋势,特别是安全绿色食品的生产离不开设施化工厂化手段;当前温室构型及调控技术受传统经典模式的思维局限,大多数还是平面化与线性化的模式构型;本文重点介绍一种外观如福建土楼,内部为垂直化螺旋梯田的方式建造成耕作方式立体化,环境调控自动化,蔬果栽培与动物养殖空间化的新型设施技术与种养模式,构建起未来农业的垂直农场式生产方式,为都市农业的发展开辟全新的概念与技术途径。

关键词 土楼温室;螺旋梯田;气雾栽培垂直农场

温室大棚从古代油纸温室到现代的玻璃温室,从早期的竹木构型到现在的钢结构融合,从单一的线性拱式向现在的异形化转变,从平面耕作到立体栽培,从贴地生产到空间耕作;在调控技术上同样发生快速的演变,特别随着信息技术的普及应用,数字化、智慧化、自动化与物联化已成趋势;与之相应的栽培与养殖技术,也同样发生着加速度的创新转型;从传统的土壤栽培到基质培及水培,再发展到现在为空间技术提供支撑的气雾栽培;从靠天吃饭到人工可控再到环境的全面模拟控制,打破了气候、土壤、环境的限制,在任何地方都可以进行农业生产的泛农耕时代;耕作场所从农村到都市近郊,再到屋顶、阳台、庭院甚至室内;设施温室技术演变再结合耕作模式创新,为未来农业的发展描绘全新的蓝图,是一场伟大的变革,特别是垂直农业与垂直农场的提出及技术创新,更为农业的工厂化、都市化、空间化、生态生活化奠定基础[1];土楼温室就是在各领域快速发展与变革的背景下,通过多学科融合创新,构建起设施建筑化,耕作空间化,生产高效化、生态协同共生化,耕作过程体验化的新型农业生产方式;是实现三生融合,产业综合,种养结合的新型产业模式与技术体系,为乡村振兴产业兴旺搭建重要的产业平台与技术支撑,将在现代农业的转型升级与产业提升中发挥重要的作用。以下就土楼温室的构建及在垂直农场上的应用作详细的介绍,供生产借鉴与参考。

1.     土楼温室技术原理

福建土楼与中国长城是受世界建筑设计师瞩目与认可的两大中国创造,长城用于抵御外敌,土楼用于冷兵器时代的匪徒、南下胡人、原住民、甚至官府等许多势力的威胁攻击,是防御性城堡式建筑[2];高大多层的结构,适合聚族而居,如福建承启楼,一座土楼可以居住800人,相当于一个村庄的人口;引用于农业生产可以实现农业耕作(包括种养)的立体化、空间化、区隔化,实现数倍于平面耕作的利用率;福建土楼位于沿海地区,除了防御功能外,抗台风也是建筑考虑的重点,圆桶形构造与方形结构建筑外观其挡风面大小不同,圆弧结构受风面小,受到正风吹袭时可以环绕而过让强风得以化解,方形挡风面大建筑受外大冲击大,所以土楼的圆桶结构有利于抗风;圆形的桶子结构具强大的内向力,同时又具强大的外向力,受外力时向内则聚于中心,向外则均匀发散,所以圆桶构造又具强大的抗震性。

土楼温室就是引借土楼的外观与结构特点,采用现代设施的钢结构技术,创新形成一种全新结构与独特外观的土楼温室;但在分层构造上无法引借土楼的水平式分层,必须有所改变创新,以适应农业耕作对光环境所需。光照是农业生产最为重要的环境参数,如何充分利用太阳光辐射以实现光生态位的科学利用,实现立体空间最大化利用;空间利用最佳的方式就是自然界的螺旋结构与原理,如植物叶序与枝序的布局就是螺旋模型,减少上层光照对下层的阻挡,让漫射光得到充分利用,另外从物理空间来说,在相同的空间内,只有螺旋结构可以创造最大化的表面积,所以植物细胞内的细胞器及DNA基因都进化为螺旋结构[3];土楼温室的内螺旋梯田,则采用等速螺旋线也叫阿基米德螺旋线模式,既充分利用土楼空间又达到便利操作与管理的效果。借助土楼的外型再融合螺旋线梯田的分层模式,形成了土楼温室的融合创新。

在土楼温室的结构力学应用上,采用整体张拉力学,在建造材料上采用短程矩的钢管管材,与传统的长杆管材建造温室相比,其抗扭切强度更大,就如长材料易断的原理是类似的[4];而且土楼温室的力学结构融合了以下几大原则,三角交叉的铁三角稳固原则,六角形连接的蜂窝结构原则(材料省、强度高、刚性大、稳性好),再结合厚0.5-0.8m人字形空间桁架紧密排列复合,形成强大的屈曲载荷,与福建土楼的实心墙相差无几;类似于当前用于建筑的蜂窝板材结构,在力学上蜂窝材料重量只需实心板材的1030%,但产生与实心板相似的力学强度,是结构力学上的重大创新;土楼结构除了局部构造巧妙应用上述原理原则,它还是整体张拉力的科学应用,实现一处受力整体应力的蛛网与鱼网效应;同时它也遵从平衡力学原理,任何通过中线的分割,其材料结构与力学上都达到两两对称平衡,形成了如赵州桥的向心拱撑力,通过结构与力学上的创新实现了土楼温室在结构与材料效率上的最优化,其强度重量比和刚性重量比都优于当前任何温室,是一种弱材料强结构的创新温室。

2.     土楼温室的结构特征

土楼温室整体结构由七部份组成,环弧的人字形顶罩式屋顶、围桶的内侧垂壁、围桶的外侧垂壁、等速螺旋线式的螺旋梯面、内外壁的门窗开设、土楼的肤表与梯面的覆盖、中心天井组成。在土楼温室的钢结构技术上,不管哪部份全部都由三角结构、空间桁架结构与内蜂窝结构复合,形成土楼温室整体与局部的最大抗性(抗风、抗雪、抗震)。以下以图示的方式展示土楼温室各部份的结构特点与空间布局。

2.1土楼温室的整体构型

土楼温室为温室技术与建筑技术的融合,在世界上著名的建筑,其外形上都非常的考究,它关系到落成后整体的美学;土楼温室的外圈半径及垂面高度构筑起整体外观轮廓,通过笔者的研究,土楼外观由垂高与半径比为构型的重要参数,以接近黄金比例0.618为宜,该高度可以达到拍照与体验的和谐之感;其实在建筑领域,建筑师们对数字0.618也特别偏爱,无论是古埃及的金字塔,还是巴黎的圣母院,或者是近世纪的法国埃菲尔铁塔,希腊雅典的巴特农神庙,都有黄金分割的足迹。以下为半径40m的土楼外观构型,其垂壁高度为12.36m,与半径之比恰好为0.618的黄金比例(图1,图2)。

2.2人字形顶罩及结构

在福建土楼的建筑中,抗风最薄弱的环节在于环形的人字顶盖,在台风侵袭下,该处是最易损毁的部位,其主要原回是屋檐悬挑过大,极易导致屋盖上下表面形成“上吸下顶”的叠加效应;同时屋顶的木结构与内外壁的夯土墙之间采用柔性连接,薄弱部位没有进行加强抗风处理,在台风作用下极易招致破坏;而土楼温室的屋顶与内外垂面之间作整体钢结构连接,屋檐不作外挑处理,不会形成抗风薄弱点(图3)。

人字形的环形顶罩采用六裂等分循环构型,每裂结构相同,6循环构建环形;局部结构同样为外三角、内蜂窝、及空间桁架复合构造,该土楼顶罩跨距为8m,高为2.5m(图4)。

2.3土楼温室的内外侧垂壁结构

土楼也叫桶子楼,由内圈垂面及外圈垂面围桶而成,内外垂面设计为等分等高等维等三角设计,与三角网架结构相距0.5-0.8m处再设一层六边形蜂窝结构,蜂窝结构与三角结构的节点之间用空间桁架相连接,形成厚0.5-0.8m的复合构造(图5,6)。

2.4螺旋梯面及挂杆式撑杆式连接

螺旋梯面是重要的立体化空间化耕作平台,必须具备强大的承重性,可以方便人员的走动管理及栽培设施的布局;所以螺旋梯田同样采用上层三角,中层桁架,下层蜂窝的复合结构,建成后并于梯面上铺设踩踏网;踩踏网是种高强度的铁丝网,除了方便管理人员走动,同时又达到上层对下层最小的挡光,让温室内的光辐射、漫射反、射光得以最充分的利用,以实现免补光栽培。

内外圈垂面之间跨距为8m,扣除空间桁架各侧厚0.5m,螺旋梯面宽则为7m;土楼垂面高度为12.36m,内部螺旋梯田作三层楼设计,则每层高为4.12m(图7);因螺旋梯田为等速上升的盘绕结构,而内外垂面则为等高等维结构,两者之间的连接则采用挂杆式或撑杆式连接;即螺旋梯田内圈螺旋线节点对应于内垂面内蜂窝节点,外圈螺旋线节点对应外垂面的内蜂窝节点,而且内外圈螺旋线的等分节点数与内外圈蜂窝节点数相同;螺旋梯田与垂面内蜂窝之间则采用挂或撑式连接,通过撑与挂的方式把梯田钢构与内外圈垂面钢构组合为整体钢构,当螺旋线节点低于就近蜂窝点时,则采用挂杆方式(图8),当螺旋线节点高于就近蜂窝点时,则采用撑杆方式连接(9);通过与内外垂面的连接形成类似绷绷床的张拉力效果,构造起梯面强大的承重性。

2.5门与窗的开设

土楼门的开设分为出入口大门与内圈进入天井的大门,每座土楼共设两道门,大门采用玻璃推拉门设计,门的大小因用途及美观而定;窗为温室的通风系统,三层螺旋梯田一般通风窗作2-3层等高开设,均匀开设于内外圈垂面,采用铝合金窗材质,设计为电动启闭方式,可以连接计算机自动控制系统,实现自动开关(图10);土楼的开窗方式利于温室通风,其通风距离短,内外圈之间的跨距为8m,而常规温室大多为纵向通风,通风跨距较长;而且土楼温室中心为大天井设计,更利于通风与采光,风从外墙窗户吹入后,会在桶子结构内部产生涡旋加速效应,比方形建筑通风更为顺畅。

2.6土楼的肤表覆盖

土楼的肤表覆盖可以采用薄膜覆盖,也可以选择阳光板扣板覆盖;对于一些寒冷的地区还可以进行内膜覆盖,形成具0.5-0.8m厚夹层的双膜保温,覆内膜只需于内蜂窝安装卡槽进行内膜卡覆即可;对于极寒地区还可以结合肥皂泡填充技术,于夹层间进行肥皂泡填充,厚0.5-0.8m的肥皂泡基本达到内外热传导的绝缘效果。

2.7天井的设计与利用

土楼中心位置处为天井,在福建土楼的经典设计中,天井为公共活动区,是生产、生活及生态聚合的公共区;土楼温室中心天井也可以用于农业耕作,也可以用作休闲绿植或球形温室的建造。

3、土楼温室的建造技术

土楼温室是鸟巢温室的变种与发展,其建造工艺与鸟巢温室相同,以下就以直径40m占地1256m2土楼温室的建造为例作详细介绍。其建造步骤如下:

1)拟建设一座外围直径40m,内围直径24m,梯面宽6.8m,夹层厚0.6m,螺旋梯面层高4.5m,作2.5层盘绕的土楼温室,温室顶罩2.5m高,温室顶总高为16m

2)采用CAD制图软件绘制土楼温室钢构线图及三维模型,包括顶罩及内外围垂面、螺旋梯面钢构及四周通风窗、出入大门等(11)

3)利用CAD软件对温室钢构部份进行编码标注并清理记录每根材料的长度,标注记录长度时,以m为单位,小数点后保留4位数;然后分别制作成装配图,包括外三角结构装配图、内蜂窝结构装配图、空间桁架装配图、螺旋梯田装配图及材料加工清单,其中螺旋梯面装配图包括上梯面三角结构及与内外围垂面挂点撑点装配图、空间桁架装配图、蜂窝结构装配图,以下为部份结构装配图(图12,13)。

4)应用CAD软件计算温室总用钢量为27788m管材,增加10%损耗,拟采购30566m 25#热镀锌管,管壁厚为1.7mm;利用冲床按照加工清单的长度与编号进行冲压加工,每根材料的加工误差控制在±0.5mm以内,加工后于每根材料上用记号写上相应的编码,方便安装时查找。

5)温室骨架的安装,先准备好安装工具,如撑杆、起吊葫芦与电动扳手;从温室顶罩的顶处为安装起点,依次逐层往下安装,安装至螺旋梯面时,随同内外围钢构一起安装,安装时用撑杆葫芦起吊,让安装部位腾离地面,方便拧螺杆安装(14)

6)温室节点的安装,按照装配图依次往螺杆上穿入相应的部件材料,并用电动扳手拧紧螺帽,注意于材料两头必须垫上垫片,材料夹于垫片中间,这样才能达到良好的紧固效果(15)

7)在安装温室骨架时,如果计划选择大棚膜作为覆盖材料,必须同时进行卡槽安装,把需要安装卡槽线的部位(外围垂面卡槽与内围垂面卡槽,如果需覆双膜,还需于内蜂窝上安装卡槽),用自攻螺丝或者卡件装配上卡槽,这样安装效率更高,无需攀高操作,温室总高为16m,当安装至一半高度时,即可进行膜覆盖,避免整体建好后需攀高覆膜操作,影响安全;如果安装阳光板,则利用U型扣锁型阳光板进行板材纵向扣合安装(图16)。

8)在土楼温室的安装地点较为空旷,方便吊机使用,可以采用长臂吊车进行整体悬吊式安装,大大提高安装效率;常规安装只能采用撑杆与葫芦环绕起吊安装,随着安装层数增加,不断增加撑杆与起吊芦葫数量,起吊时,安装部位离地,其它部位可以着地,以增加温室稳定性与节省葫芦数量(17)

9)按照装配图安装好温室骨架与梯面后,即可进行梯面的铁丝网铺设或木板板材的铺设,并对预留的通风窗口进行铝合金框玻璃窗的安装,设定的出入口大门也可以同样安装玻璃推拉门或者自动门。当前用于作物栽培的基本上都建议采用铁丝网铺设,市售的踩脚网即可,以减少木板铺设所致的上下层挡光,而且踩踏网强度大,铺设后承重好且稳定,方便管理人员与观光人员走动(图18)。

4.土楼温室的耕作利用

土楼温室为垂直农场与垂直农业的重要耕作平台,通过盘绕梯田的方式增加了温室内部耕作平台的数倍利用率,如上述土楼温室,一层(土楼外垂面与内垂面之间的环形面积)的平面面积为804m2,空间2.5层盘绕创造1595m2,总计面积则为2399m2,约为环形区域平面面积3倍面积;垂直农场的空间利用以轻巧化的气雾培为主,如管道化气雾培、立柱式气雾培、塔式气雾培,及轻型陶粒为基质的槽式鱼菜共生耕作。

以下就各种耕作利用作简要说明:

4.1管道化气雾培利用

管道化气雾培用于土楼温室的梯田种植,具有施工便利,梯面承重轻,上下层挡光少的优点;施工时无需进行回液槽或床的建设,营养液随着弥雾在管内螺旋式随梯面的坡度顺畅回流;宽7m的螺旋梯面可布设管道7畦,以间距1.1m左右排列;上述1256m2的土楼2.5层螺旋梯田可创栽培线总长为1643m,以定植瓜果为例,瓜果通常间距0.6m定植,可一次性定植瓜果2738株,以每株位年产瓜果10Kg计,螺旋梯田用于瓜果栽培可年产瓜果27380Kg,折27.4T;管道化气雾培一般选择柔性带钢圈的PVC涂层材料的伸缩管,用于瓜果的伸缩管通常直径选择300-400cm为宜;柔性管方便施工连接及符合梯田的螺旋盘绕;只需铺设管道并于管内按照间距0.6m安装弥雾喷头,再于管道上开设定植孔即可[5];定植的瓜果采用吊蔓式整枝栽培,吊蔓拉线可以从上层梯田钢构下引拉线,作为瓜果绑缚生长引线;近内外圈垂面的瓜果可以沿垂面钢构爬蔓生长(19)

4.2立柱式气雾培利用

立柱雾培也是一种占地面积小空间利用率大的雾培模式,重点用于叶菜、特菜或药草等小株型经济植物的栽培,通过立柱方式达到最大化利用空间的效果;立柱雾培结合螺旋梯田实现空间利用的数倍提高,螺旋梯田作2.5层盘绕则提高2.5倍利用率,再加上立柱雾培提高3倍利用率,综合效率则达7.5倍耕作效率的提高,充分体现垂直农场的空间利用魅力;立柱雾培也具有设施轻巧,立柱基座占地小对梯面的挡光相对较小,有利于上下层梯田散漏光、漫射光的充分利用;一般立柱排列间距为2.5m-3m,每柱直径为1.2m,为六面体柱设计,每柱基座设一集液槽可以用不锈钢材质定制,柱体采用20#热镀锌管组装成六面体钢架,再于钢架外覆挤塑板材料的定植板,并进行柱内安装弥雾喷头即成;1256m2土楼温室的螺旋梯田可布设雾培立柱255根,每根立柱高为2.4m,可创有效栽培表面积为0.6X6X2.4X255=2203.2m2,以叶菜定植板定植孔间距0.1X0.15m计算,可一次性定植叶菜146880株,以年至少生产10批计,可日采收叶菜4080棵,以普通小株型叶菜生物量每101Kg计产,可日采收叶菜408Kg,总计可年产叶菜146吨,产能是普通土壤平面耕作的10倍以上产量(20)

4.3槽式陶粒培鱼菜共生型利用

鱼菜共生是一种生态循环种养结合型的共生耕作方式,它把水产养殖与作物的栽培有机融合,充分利用养殖的废水作为肥水灌溉,通过植物的根系进行生物过滤,经滤化后的清水回流至养殖池,达到种植不另施肥,养鱼无需换水的共生协同效应;通过笔者对该模式的多年应用研究,建议种植部份以周期较长的多年生果树或长周期的瓜果为宜,适当套种少部份小株型的药草与叶菜;因为早期鱼苗小时供肥量少,后其鱼长大后产生废液量多,而果树与瓜果具较好的耐肥性,不像叶菜对肥水需求要求高而敏感。

在螺旋梯田上构建鱼菜共生系统有较大的优势,灌溉水可以沿着梯面的坡度非常顺畅的循环;以1256m土楼温室为例,类似管道化气雾培可以排列46畦种植槽,种植槽采用轻巧的板材框建成槽,再于槽内铺防水布与填充陶粒即可,槽的尺寸通常为宽0.6m0.4m,顺梯面建螺旋式栽培槽后,再于槽表面铺设灌溉管,灌溉管可以是25#PVC管也可以选择胶管,铺设好管后再于管壁上开钻孔开洞,实现类似滴灌式灌溉。养殖池可以建于一层楼的可利用空间,也可以建于中心天井处,该模式构建的循环与维护都较为容易,也是土楼温室空间利用的一种较好模式。

鱼菜共生系统不仅仅是生产性利用,而且是很好的科普与生态文明展示的项目,在田园综合体及科普基地的建设中具广泛的应用前景。

5.土楼温室的发展前景与意义

土楼温室是当前国内国际上首创的新型温室,是对传统温室的颠覆性创新;再结合气雾栽培技术构建起未来垂直农场与垂直农业的刍形,是当前国际上垂直农场技术的突破,目前世界各地出于建筑设计师的作品,大多是摩天大楼式的垂直农场,失去了现实生产意义,巨额的投资及巨大的耗能,就难以实现商业化;而土楼温室型垂直农场融合了建筑与温室技术的理念及工艺,实现了投资省、能耗少、空间利用率大的效果,是未来垂直农场发展的重要方向与技术支撑。气雾培技术及螺旋梯田构型结合,让垂直化发展的成本大大降低,解决了当前垂直农场设计的承重问题;梯面铺设铁丝网的创新,让散漏光与漫射光充分利用,再加上螺旋的仿生构造,实现免补光栽培,大大降低生产成本。

当前城市化进程不断加快,未来将会近70%的人口聚居城市,如何构建离消费中心最近的农产品供应体系,采用垂直农场技术发展都市农业,可以实现最少的土地获取最大的食物产额,也有效解决运输及耕地减少所带来的供求矛盾问题[6];系统零排放的栽培模式,是实现永久可持续发展的重要手段,不管气雾栽培还是鱼菜共生的融合,都将成为都市重要的生态元素,是生产、生活、生态三生融合的产业模式,在都市农业及当前田园综合体的发展中,土楼式垂直农场都将是最为亮丽的农业景观,为乡村振兴与产业兴旺架作出积极有意义的贡献。

6.参考文献

[1]  香,杨自栋,等. 垂直农业及螺旋形垂直农场发展与应用[J].农业工程,201812):4449.

[2] 花长城,彭兴黔,吴仁伟,等. 福建土楼夯土墙风驱雨侵蚀损伤预测研究[J]. 自然资源学报,20126):10681073.

[3] 徐伟忠,陈银华,林伟洋,等.鸟巢温室开发与利用[M].北京:台海出版社,2014105.

[4]徐伟忠. 高效节能生态温室的特点及发展前景[J]. 农业科技通讯,20084):3436.

[5]徐伟忠,杨连成,邓卫杰,等.现代耕作新技术-气雾栽培[M].北京:中国农业大学出版社,2016217.

[6] 徐伟忠,程文亮,等.未来农业城市观光休闲旅游农业[M].北京:台海出版社,2006275278

作者简介:徐伟忠(1971-),男,硕士,高级农艺师,研究方向为设施农业。2671654005@qq.com

项目支持:浙江省科技计划项目(2017C02023)。

 

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