鋼筋混凝土糧食筒倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

張慶章 陳桂香 靜行 龐瑞

[摘 要]鋼筋混凝土糧食筒倉(cāng)具有占地少、機(jī)械化程度高、周轉(zhuǎn)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，在糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)應(yīng)用廣泛。然而筒倉(cāng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受設(shè)備與技術(shù)的制約，實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式相對(duì)比較單一，這限制了學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)與實(shí)踐能力的提高。為此，課題組根據(jù)糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)大綱和培養(yǎng)計(jì)劃，依托信息技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了筒倉(cāng)認(rèn)知、筒倉(cāng)工藝、儲(chǔ)糧壓力分析和筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)中的缺失環(huán)節(jié)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提高了筒倉(cāng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，為筒倉(cāng)專業(yè)知識(shí)教學(xué)和學(xué)生專業(yè)能力的訓(xùn)練提供了更完善的路徑。

[關(guān)鍵詞]筒倉(cāng)結(jié)構(gòu);糧食;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）12-0052-03

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需要，可以對(duì)高等教育質(zhì)量的提升和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深化產(chǎn)生積極而重要的影響[1-2]。河南工業(yè)大學(xué)充分考慮自身在土木建筑方向的辦學(xué)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，以土木工程、建筑學(xué)、工程管理專業(yè)為基礎(chǔ)，以糧油倉(cāng)廠建筑為特色，利用互聯(lián)網(wǎng)與信息化技術(shù)開發(fā)了一系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，正在努力建立與“土木建筑河南省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”相輔相成、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的虛擬仿真教學(xué)資源。

對(duì)于糧油倉(cāng)廠中重要的倉(cāng)型鋼筋混凝土筒倉(cāng)，其建設(shè)過程包括勘測(cè)、選線、基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、工藝、交通組織等諸多環(huán)節(jié)，整個(gè)工期動(dòng)輒數(shù)年，而且工程現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜、危險(xiǎn)性高，不利于開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)[3-5]。為此，針對(duì)大型復(fù)雜糧食筒倉(cāng)認(rèn)知、工藝、理論及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)無法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)讓本科生直接深入?yún)⑴c、理解的現(xiàn)實(shí)，課題組提出虛擬仿真場(chǎng)景、場(chǎng)景漫游、操作環(huán)境以及操作對(duì)象的設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建切實(shí)可行的筒倉(cāng)認(rèn)知、筒倉(cāng)工藝、儲(chǔ)糧壓力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到拓寬學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生興趣、讓學(xué)生學(xué)以致用和主動(dòng)創(chuàng)新的目的。

一、筒倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

筒庫(kù)以占地少、機(jī)械化程度高、接收和發(fā)放能力強(qiáng)、周轉(zhuǎn)速度快等優(yōu)點(diǎn)在港口廣泛使用[6]。然而實(shí)際教學(xué)資源受設(shè)備與技術(shù)的制約，筒倉(cāng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式相對(duì)還比較單一，內(nèi)容相對(duì)局限于簡(jiǎn)單的模型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，難以適應(yīng)社會(huì)對(duì)培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的高層次人才的需求[7]。目前，實(shí)踐教學(xué)主要存在著以下問題：1.學(xué)生參與程度低，難以掌握糧倉(cāng)工藝、理論和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，不能滿足學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)的需要;2.若帶領(lǐng)學(xué)生到筒倉(cāng)所在地實(shí)地考察，存在距離遠(yuǎn)、實(shí)施起來不便利等困難;3.實(shí)際鋼筋混凝土筒倉(cāng)很多設(shè)備因工藝要求是封閉的（實(shí)際筒倉(cāng)和機(jī)械化輸送線如圖1和圖2所示），學(xué)生在實(shí)際筒倉(cāng)中觀察，短期內(nèi)很難切實(shí)體會(huì)到筒倉(cāng)的工作原理，只是對(duì)筒倉(cāng)的外觀有一個(gè)籠統(tǒng)的認(rèn)知，達(dá)不到教學(xué)的要求;4.本學(xué)科在筒倉(cāng)方面長(zhǎng)期的科研成果無法面向?qū)W生實(shí)現(xiàn)教學(xué)共享。

因此，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息技術(shù)，構(gòu)建具有貼近工程、高度仿真、開放共享的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，輔以科學(xué)合理的教學(xué)模式，可彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的不足，補(bǔ)充實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，拓展筒倉(cāng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)、緊密結(jié)合工程實(shí)際的教學(xué)模式。

二、筒倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

根據(jù)糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)大綱、培養(yǎng)計(jì)劃，信息技術(shù)展現(xiàn)形式以及學(xué)生獲取知識(shí)的習(xí)慣，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)施技術(shù)、方案流程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容，構(gòu)建筒倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知、糧食輸送和儲(chǔ)藏工藝、筒倉(cāng)儲(chǔ)糧壓力分析和筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案。

首先，設(shè)計(jì)筒倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，以此為載體讓學(xué)生了解筒倉(cāng)是一種向高空發(fā)展、容量大、占地少、安全性高以及機(jī)械化程度高的糧倉(cāng)。其次，針對(duì)筒倉(cāng)工藝包括糧食輸送工藝和糧食儲(chǔ)藏工藝環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)糧食具體工藝流程環(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)都可讓學(xué)生來操作完成。最后，將筒倉(cāng)的儲(chǔ)糧壓力計(jì)算與過程設(shè)計(jì)分開。設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，可先讓學(xué)生選擇哪一類型倉(cāng)。比如選擇了深倉(cāng)，那就要做一個(gè)深倉(cāng)計(jì)算模型，采用互動(dòng)動(dòng)畫模式，讓學(xué)生點(diǎn)擊深倉(cāng)模型的不同深度時(shí)，可以顯示當(dāng)前深度的計(jì)算公式以及參數(shù)意義，這能讓學(xué)生了解深倉(cāng)不同深度的計(jì)算步驟和計(jì)算公式，同時(shí)讓學(xué)生學(xué)習(xí)根據(jù)理論計(jì)算如何配筋，滿足構(gòu)造要求等。

三、筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

（一）筒倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

筒倉(cāng)分為深倉(cāng)和淺倉(cāng)，深倉(cāng)是直徑小、高度高、占地少及機(jī)械化程度高的筒倉(cāng)[8]。而淺倉(cāng)具有高度較低、直徑大、工藝設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其同時(shí)具有深倉(cāng)和平房倉(cāng)的某些優(yōu)點(diǎn)[9]。應(yīng)針對(duì)典型倉(cāng)型認(rèn)知的實(shí)踐教學(xué)需求，開展多種類型筒倉(cāng)認(rèn)知教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件不足的情況。

虛擬仿真模塊依據(jù)不同倉(cāng)型的特點(diǎn)，首先建立三維動(dòng)畫模型，使學(xué)生可以在線選擇想要了解的倉(cāng)型并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的操作，這能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的直觀性和趣味性（如圖3和圖4所示）。在鼠標(biāo)單擊對(duì)應(yīng)的倉(cāng)型后，拖住鼠標(biāo)可以進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)操作，也可以進(jìn)行放大和縮小。學(xué)生可以在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中查看不同倉(cāng)型的區(qū)別，形成對(duì)筒倉(cāng)更加清晰的認(rèn)識(shí)。借助于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)功能，學(xué)生可以通過對(duì)筒倉(cāng)不同組成部分的查找，了解其功能和具體方位，消除知識(shí)盲區(qū)，達(dá)到精準(zhǔn)識(shí)別筒倉(cāng)倉(cāng)型和特點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo)。

（二）筒倉(cāng)工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

筒倉(cāng)工藝包括糧食輸送工藝和糧食儲(chǔ)藏工藝。糧食輸送工藝指的是將來糧通過設(shè)備輸送至糧倉(cāng)中儲(chǔ)存，或?qū)⒓Z倉(cāng)中儲(chǔ)存的糧食通過輸送設(shè)備發(fā)放，或者是糧倉(cāng)之間、糧倉(cāng)與加工車間之間的糧食輸送。糧食儲(chǔ)藏工藝指的是保證糧倉(cāng)中儲(chǔ)存的糧食品質(zhì)及數(shù)量在一定時(shí)期內(nèi)不發(fā)生改變或少發(fā)生改變。

由于工藝過程并非直觀的建筑物，學(xué)生對(duì)其的認(rèn)知和理解比較困難。對(duì)于糧食輸送工藝，可在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn)不同設(shè)備工作工程，每一環(huán)節(jié)都可讓學(xué)生操作完成。例如讓學(xué)生將運(yùn)來的糧食放到輸送機(jī)、再輸送到倉(cāng)頂、進(jìn)入筒倉(cāng)等環(huán)節(jié)（筒倉(cāng)倉(cāng)頂入糧的三維動(dòng)畫如圖5所示）在倉(cāng)頂入糧的動(dòng)畫模擬中操作，可以讓學(xué)生明白如何從倉(cāng)頂入糧，了解輸送機(jī)是如何工作的（筒倉(cāng)倉(cāng)底出糧的三維動(dòng)畫如圖6所示）。

從圖6中可以看出，糧食出倉(cāng)錐底筒倉(cāng)時(shí)，錐底角度應(yīng)大于糧食的休止角，這樣在開啟倉(cāng)底閘閥門后，倉(cāng)內(nèi)糧食才可自動(dòng)流出。若為平底筒倉(cāng)時(shí)，倉(cāng)內(nèi)糧食大部分由出料口自流出倉(cāng)，剩余的糧食則依靠清倉(cāng)機(jī)輔助出倉(cāng)。通過對(duì)筒倉(cāng)糧食輸送工藝的真實(shí)模擬，加之學(xué)生的手動(dòng)操作，學(xué)生更易了解各種倉(cāng)型筒倉(cāng)工藝過程、主要設(shè)備及其功能。

在通風(fēng)、熏蒸作業(yè)、制冷作業(yè)工藝環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生自主擺放儲(chǔ)糧工藝設(shè)備，比較擺放在不同位置的效果，選擇合理最優(yōu)的布置方式，從而在認(rèn)識(shí)工藝組成的基礎(chǔ)上了解其布置原則。

（三）筒倉(cāng)儲(chǔ)料壓力分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

在理論計(jì)算中，筒倉(cāng)分為深倉(cāng)和淺倉(cāng)，深倉(cāng)、淺倉(cāng)類型不同，其倉(cāng)內(nèi)糧食對(duì)倉(cāng)壁或倉(cāng)底形成的壓力和計(jì)算公式也不同。由于分析理論比較煩瑣，單純以書本上的公式推導(dǎo)和教師的講解很難使學(xué)生通徹理解公式背后的含義。通過虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生首先分清深倉(cāng)和淺倉(cāng)，然后自主探索相應(yīng)倉(cāng)型理論的推導(dǎo)過程，加之動(dòng)畫的演示，就很容易對(duì)公式有一個(gè)更深刻的理解和記憶。實(shí)驗(yàn)操作從最基本的分析目的出發(fā)，逐步得到不同倉(cāng)型的內(nèi)力計(jì)算公式。在虛擬仿真系統(tǒng)中，可以對(duì)不同的假設(shè)進(jìn)行選擇，視圖中便會(huì)對(duì)選擇的假設(shè)以動(dòng)畫的形式展現(xiàn)出來（如圖7所示）。例如，當(dāng)點(diǎn)擊基本假定糧食處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，動(dòng)畫視圖中的糧倉(cāng)便會(huì)從空倉(cāng)轉(zhuǎn)為充滿靜止不動(dòng)糧食的滿倉(cāng)。動(dòng)畫形象生動(dòng)，可加深學(xué)生對(duì)基本假定的理解和記憶。相比較文字?jǐn)⑹?，公式?huì)更加晦澀難懂。針對(duì)公式中不同的系數(shù)，在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中會(huì)逐個(gè)列出，通過鼠標(biāo)單擊便可獲得對(duì)應(yīng)系數(shù)詳細(xì)的解釋。另外，公式中的系數(shù)也會(huì)隨著糧食種類的不同而改變。仿真實(shí)驗(yàn)可以把理論分析所表現(xiàn)出壓力計(jì)算結(jié)果以坐標(biāo)軸的形式展示出來，形象直觀地表現(xiàn)出儲(chǔ)料壓力在不同糧倉(cāng)深處的變化規(guī)律。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中可以選擇不同部位和不同的糧食品種，然后對(duì)水平壓力、垂直壓力和摩擦阻力進(jìn)行計(jì)算（如圖8所示）。

（四）筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

鋼筋混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：荷載計(jì)算、荷載效應(yīng)組合、內(nèi)力計(jì)算、承載力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。鋼筋混凝土筒倉(cāng)作為一種特種結(jié)構(gòu)，其倉(cāng)壁、錐斗等構(gòu)件的計(jì)算方法不同于其他一般工業(yè)與民用建筑構(gòu)件的計(jì)算。

在鋼筋混凝土筒倉(cāng)的仿真實(shí)驗(yàn)中，先根據(jù)倉(cāng)容量、地基承載力、經(jīng)濟(jì)高徑比、場(chǎng)地平面位置等因素確定每個(gè)倉(cāng)的直徑與裝糧高度。再根據(jù)設(shè)計(jì)公式和構(gòu)造要求設(shè)定筒倉(cāng)倉(cāng)壁、錐斗壁厚、倉(cāng)頂板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初步尺寸。在初步尺寸確定之后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊相應(yīng)荷載，在模型圖中即可出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的荷載。在實(shí)驗(yàn)中選取筒倉(cāng)都?jí)毫Ψ治龉郊跋嚓P(guān)參數(shù)后，學(xué)生操作完成的每一步都同時(shí)在筒倉(cāng)模型圖中直觀地顯示出來，最終由學(xué)生完成筒倉(cāng)設(shè)計(jì)配筋計(jì)算。

四、結(jié)語

針對(duì)混凝土糧食筒倉(cāng)這種特殊結(jié)構(gòu)，課題組提出了糧食筒倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了具有貼近工程、高度仿真、開放共享的筒倉(cāng)認(rèn)知、筒倉(cāng)工藝、儲(chǔ)料壓力分析和筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn);拓展了筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，同時(shí)也盡可能地降低了實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。筒倉(cāng)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以提高教學(xué)質(zhì)量，提升教學(xué)效果，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]

[收稿時(shí)間]2020-07-18

[基金項(xiàng)目]教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202101184010）;河南省教科規(guī)劃一般課題：（2019）-JKGHYB-0070，（2018）-JKGHYB-0080）;河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（科技攻關(guān)）項(xiàng)目（192102310278）;河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃（2019GGJS086）;河南工業(yè)大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（TMJXYJ2019004）;河南工業(yè)大學(xué)青年骨干教師培育計(jì)劃。

[作者簡(jiǎn)介]張慶章（1981-），男，山東聊城人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)方面的研究與教學(xué)。