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1、鸟巢温室的开发利用及效益评价作者:xwz2367609世界温室的发展已有上百年的历史，从最早的油纸温室到现在的玻璃温室及塑料大棚温室1，沿袭了一代又一代，但从风格上看大多是以拱架式隧道型或者山脊形与斜坡式为主，也就是说大多是地缘方整的线性温室，这种温室是房屋建造概念的隐性传承与发展；当然也与农业的线性耕作有关，它更利于农业耕作的田园线条；但随着科技发展，生产生活的需求变化，如今温室建筑不仅仅是单纯传统生产的需要，更是一种多元化的围障设施，所以除了满足生产需求外还得符合现代美学与风格建筑的需要；鸟巢温室就是在这样的背景下产生与发展，虽然从概念形成到创新模式建立及生产推广应用还是相当短的时间，但已
2、表现为强势的竞争力与生产实用性，它具有普通温室所不具的众多优点，具有广泛的运用空间，本文就以鸟巢温室的创新模式构建为主题，进行发散式的应用论证与生产实践模式之阐述，并综合地进行经济、生态、社会效益之评价，形成一套自成体系的理论框架与生产运用模式，为当前农业现代化及生态文明的发展提供技术支撑，为可持续新型农耕模式的形成提供保障。1、前言温室是农业生产的围障设施，是为农业生物提供适合气候条件，为农业生产的延季周年生产提供气候保障的人工简易建筑，是农业生物的住房，有了它可以实现避风防寒，甚至可以创造出生物所需的各种生态气候条件；所以温室的研究一直是世界农业发展所关注的重大课题，特别是当前现代农业盛行
3、的今天，发展设施农业往往成为现代农业的代名词，全国各地的支农行动中，很重要的一块工作就是扶助农村建立蔬菜大棚温室或者养殖大棚；可以说温室是农业生产的有力保障，是农业增收农民致富的重要生产物资条件；但研究分析了温室的发展史，从最早油纸温室到现代的各种新型现代温室，它们都没有从建筑风格上突破，受传统农田的块状耕作束缚而未能越出雷池；而生态文明的到来，及倡导耕作系统物种多样性共存的现代生态农业观念的形成2，温室走向异形化与大空间立体三维化是时代的需求，就像以往人们安于平房居住，但随着人口密集成为城镇时，就出现了三层楼到现代化的摩天大楼；其实农业温室也是一样，它是农业生物的住宅，也一样会随着集约化耕作
4、的提高，而让温室发展概念转变与生产实践的突破；特别是美国生物圈2号的伟大建筑工程，它放大了温室的实际意义，把温室系统首次作为地球生态系统的完整模拟在科学实验上进行运用；几十亩连成一体的大型密闭玻璃温室空间内，模拟出地球各种生态与生境，并进行了生态系统演变、气候环境变化、生态平衡、系统可持续、人类生产生活等方面的研究，首次把温室作为生态生物圈研究的大型屏障设施，虽然这实验没有取得理想的效果，但它为人类认识生态重要性、尊重自然、气候变暖导致危害等方面的获得了很多启迪性的成果，成为当前大学研究生物生态及气候的重要实验室3；继生物圈二号之后，于2001年英国开始启动伊甸园计划，它也是以巨大的温室作为围
5、障系统，在一个废弃的矿坑里重建生态系统，模拟出地球各气候带，及物种多样化的生态环境，取得了很好的效果，也为人们尊重生态倡导绿色环保树起了可实践的丰碑，目前该基地所建的球形温室是世界上最高最大的单体生态温室，它从设计风格及气候调控技术上更接近自然元素的运用，是当前世界上最为成功的生态温室，英国伊甸园的温室构造充分模拟了仿建自然蜂窝建筑，能用是少的材料构建最大的温室空间，能用最为美丽的曲面结构构建最为和谐的田园景观，成为融生产生活娱乐旅游为一体多功能多元化三维化温室4；但这种工程浩大的温室结构，投资成本过高，要成为当前现代农业发展的普及化温室还有较长的时间去完善与改进；我国的一些植物园温室虽然从风
6、格上与建筑设计模式上也有了很大的突破，但也同样存在成本过高难以在农业生产上运用而成为望洋兴叹之物；针对这些问题，我们着手研究温室的力学结构与建筑风格，通过近三年的努力形成了一套独有的理论体系与技术方案，更是在发散性运用上大大突破了传统农业的概念，形成了融合生产生活生态元素的新型温室模式与技术体系，并且在全国及世界各地进行中试观察与科学实验，取得了丰硕的成果与强大的社会反响；这种温室就是运用鸟筑巢的力学原理，利用最为简易的普通材料来构建最为科学合理的温室空间，运用温室的曲面结构所形成的整体张拉力学理论构建出形式多样，空间硕大，抗性良好的实用化温室构造5；更重要的是通过温室创新后，融合了最为先进的
7、三维耕作理念构建起新型的鸟巢农业耕作体系，为农业的空间突破迈出了可喜的一步，更是发散性多元化的运用，为鸟巢温室的普及化插上了腾飞的翅膀。目前该温室技术不仅用于农业的种植与养殖，而且用于军事基地恶劣环境下的重要生态自救支持系统，更广泛地用于观光旅游农业及生态餐厅建设；以下就围绕鸟巢温室的技术原理，技术体系，及相配套的生产模式进行详略的叙述，就鸟巢温室技术体系所带来的生态、经济、社会效益进行科学评价，为鸟巢温室的推广应用提供参考与借鉴，也为农业由生产方式变为生活方式提出崭新的概念与模式6，是生态文明建设在农业上的重要体现与创造，更是中央提出生产方式转变与转型的重要模板。2、鸟巢温室的技术原理及技术
8、路线自然界是最伟大的，它给人类科学的探索提供了最为直接的思路与启发，就如鸟巢温室，它其实融合了自然界鸟筑巢及蜂筑窝的原型技术之运用；鸟在树叉在悬崖等风吹雨打处能用最为简易的草与树枝构建起具有强大柔体抗性的巢穴，不得不令人深思，蜘蛛能用微米级的细丝构建起令飞虫难以挣扎的捕捉网，更是令人惊叹，其实这些都是自然界对力学美妙的最直接展示。其中鸟筑巢的三角交叉模式正是力学结构稳定性的铁三角原理，蜂窝与蜘蛛网的网格结构是张拉整体力学的充分诠释7；人类的伟大就是对自然的揭示及运用自然原理构建起现代科学之大厦；鸟巢温室就是在这些自然启示的基础上，结合现代建筑力学与科学的设计工具所创造的一种仿自然而超自然的温室
9、结构，它一反常规温室的常态局部力学模式，形成了能充分体现材料特性及整体张拉力学新结构模型，为温室的创建提供了充分的理论依据；首先从材料的运用上，一改传统温室的长程材料为短程材料，建造普通温室的管材大多6m长左右，这样的长程材料受到外界扭曲后容易变形，而采用1-2m长的管材，就得需用数倍的力量才能让其变形，这就是材料短程化后，使材料的力学得以最大化的发挥8；另外普通温室在材料组建时大多采用排列式组建，没有对材料进行三角交叉，形成局部的铁三角，这样也形成了普通温室局部受力后易变形的原因，而三角结构所形成的稳定性就可以轻松地解决外力变形的问题；从温室整体结构来说，鸟巢温室突破性地迈出了一大步，就是从
10、传统温室的隧道形改为以半球形为主体基础的各种曲面异形温室，但以生产性为主要用途的温室设计大多采用球体结构，因为这种几何结构具有更大的优势。如材料优势，构建同样耕作空间，半球体结构比普通的温室结构至少可以节省30%-50%的表面积材料，因为球体具有空间最大化表面积最小化的几何特征9；其中空间最大化可以创造出更为空旷的耕作空间，表面积最小化可以达到外界最小的气候干扰，冬季寒冷季节夜晚的幅射降温减小，夏季外界热源传递输入的表面积也减小，这样更利于温室内温度的稳定，更为节能10。在同样空间温室情况下，这球体结构所受外界气候的影响干扰是最小的，可以节省至少30%-50%的温室能耗；表面积最小化的曲面球体
11、结构，在温室的利用上还有一个很大的优势，就是它的迎风面与普通隧道形或其它形状的温室相比，球体曲面结构它的受风面是最小的，也就形成了球体最为抗风的特性11。这在农业生产上是极为重要的温室性能，可以适合在强风区建造鸟巢；三角交叉所构建的球体曲面结构，从力学角度为了，它充分地发挥了整体张拉力学，这是普通温室结构所不具备的，也就是象蜘蛛网一样，网一处受触，整个丝网应力，使温室像鸡蛋壳一样，形成了非常强大的鸡蛋壳效应，即使是薄薄的钙质结构，但一旦形成整体平衡张力，就是人也能踩踏而不破，力士手捏而不碎，这就是球体平衡张拉力的神奇效果12。所以鸟巢的球体温室通过科学的平衡力结构设计，所构建的张拉力与平衡力，
12、能抵御强大的雪压与风袭，这是鸟巢温室强大抗灾能力形成的主要原因；这些结构上的突破为鸟巢温室构建起一个独特的强大的物理基础与空间，是普通构造温室所不能比拟的。那么这种结构是不是就没有软肋与弱点呢？也不是，这种纯三角构建的球体温室一旦居部受到外力的破坏，整体结构的张力失去后，就会像多米诺骨牌一样，出现连绵效应，会导到整体球体的塌陷13；基于这问题，我们就创造出了蜂窝结构与三角结构的空间桁架复合模式，这是蜂窝五边形六边形结构所体现的优势，通过五边形或者六边形的结构分区，形成了力学的局部最大化，一是增加了局部抗击力的数倍提高，二是即使局部结构破坏，也能抑制多米诺骨牌效应的发生，出现连续的塌陷，有利于进
13、行局部维修而不影响整体。这种蜂窝结构与三角结构的复合结构，所形成的空间桁架式鸟巢温室，具有数倍于单独三角结构的抗性，是当前温室中抗击强度最大的温室，这种复合结构为鸟巢更大空间的构建提供了最为科学的力学基础，可以在原来三角结构的基础上，构建出更大更为壮观的温室结构，为单体温室空间的最大化突破奠定了基础，从原来的单体200m2到现在的2000m2，使可建的单体温室大小提高了10倍；这种基于蜂窝结构与鸟巢三角结构为基础的球体温室在农业生产的气候调节上有哪些方面优势呢，这是研究与生产者最为关注的问题，通过近三年的研究及生产试验，总结出以下几大优势，也通过设计上的创新组合，完善了新型温室产能与运用效果的
14、最佳化最大化，现把鸟巢型温室的科学构造与气候调节优势归纳如下，以供生产及科研借鉴。2.1、鸟巢温室的光效应光环境对农业生产来说是极为重要的，是绿色植物进行生物转化的基础，它直接关系到植物的产量与质量；那么鸟巢温室具有哪些光优势与特点呢，普通温室在建造时常受冬季太阳光日偏角的影响而需要确定温室的走向，如南方温室大多采用南北走向，而北方温室一般采用东西走向，而球体温室是一个多面体结构，不需考虑温室座向的同时，它每个细分体的三角形切面结构，能为光照的入射提高垂直的照射角14。也就是太阳光照和角度不管是哪个方向与高度入射，三角切面构建的鸟巢球体，它总有一个面是与光照射垂直的，这样就使温室的光摄入效果达
15、到最佳，而且入射的光线进入球体的多面体内部结构后，可以通过不断的反射而创造最佳的柔性漫光效果，就如影棚光一样，没有温室内的光阴影，这是普通温室所不具备的特点。能为作物生长创造出最佳的光环境，能使光资源缺乏的地区或季节，得到最佳的光利用。这种光效果的创造更利于温室内空间的立体设计耕作，也更利于作物对光有效幅射的最大化利用及生物转化。2.2、鸟巢温室的保温效应与新型保温技术的组合创新鸟巢温室的球体表面积具有最小化的幅射散热效应，所以寒季低温来袭的夜晚，与相同空间的温室进行比较，鸟巢型的热散发损失是最小的，同比条件下，可以节省30%的温室能源15。在相同空间下，球体构造的温室，在南方地区早晨太阳出来
16、前进行室温比较，球体鸟巢温室比普通温室至少高3-5以上；这是结构变化后对温室所产生的影响效应；同时鸟巢温室在冬季的白天，它还具有最佳的光摄入角，与多角度的光射入面与点，所以能充分发挥光照捕获效应，产生最佳的聚热效果；所以在寒季的白天鸟巢具有升温快的优势，这也是球体结构的光聚效果在温室上的体现；那么温室除了具有优势的结构外，要达到最佳的气候调节效果，还得结合保温技术，传统温室的结构大多采用草帘或者是棉被保温，那么在球面上覆盖保温材料在操作技术上有一定的难度，不像隧道形温室覆盖物操作那么方便16；蜂窝型的鸟巢结构的保温可以采用以下二种创新组合技术，一是双层膜充气保温，二是填充肥皂泡实现绝缘保温。长江以南气候下，一般采用双层膜的空气夹层保温即可，因为鸟巢构造除了覆外膜外，还可以在空间桁架为基础的内蜂窝结构上安装卡槽覆盖内膜，这样自然就形成了具有30-50cm厚空间桁架的双层充气夹层，达到双层膜的保温效果。每增一层膜所产生的效应大概可以提高5，那么在长江以南地区的气候条件下，通过
