糧食平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

張慶章 咸慶軍

摘要 平房倉(cāng)具有造價(jià)低、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、建設(shè)周期短、發(fā)揮效益快、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)應(yīng)用廣泛。但是平房倉(cāng)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)受制于實(shí)驗(yàn)設(shè)備體量大、資源消耗大、成本較高等原因，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中參與性不強(qiáng)、體驗(yàn)感較差。因此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)“糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)大綱和培養(yǎng)計(jì)劃，依托土木建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)建了平房倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知、平房倉(cāng)糧食工藝、儲(chǔ)糧壓力分析和平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以此提升“糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 糧食平房倉(cāng)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；教學(xué)質(zhì)量；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.016

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。隨著國(guó)家高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的推進(jìn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將直接影響著高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平與教育質(zhì)量[1]。河南工業(yè)大學(xué)依托本校糧油倉(cāng)儲(chǔ)建筑等學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，將傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與新時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及信息技術(shù)相融合，構(gòu)建了土木建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，極大地解決了在傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中因?qū)嶒?yàn)構(gòu)件大、實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜等原因造成的學(xué)生參與性、自主性及能動(dòng)性較差的問(wèn)題，豐富了以糧油倉(cāng)廠建筑為主的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源。

糧食平房倉(cāng)因造價(jià)低廉、配套設(shè)施少，易于管理等優(yōu)點(diǎn)，一直是我國(guó)主要的糧食儲(chǔ)備倉(cāng)型。但是其建設(shè)過(guò)程包括勘測(cè)、選線、基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、工藝及交通組織等諸多環(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[2]。因此，傳統(tǒng)的平房倉(cāng)不易開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，難以讓學(xué)生較好地完成關(guān)于糧倉(cāng)建筑基本理論與設(shè)計(jì)的教學(xué)計(jì)劃，了解平房倉(cāng)認(rèn)知、工藝、儲(chǔ)糧壓力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

1平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需要，必將對(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[3]。土木建筑相關(guān)專業(yè)是一個(gè)高度依賴實(shí)驗(yàn)教學(xué)且實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)[4]。糧食平房倉(cāng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式比較單一，內(nèi)容局限于簡(jiǎn)單的模型試驗(yàn)項(xiàng)目，面對(duì)學(xué)生人數(shù)較多的情況，在實(shí)驗(yàn)操作方面不能兼顧到每個(gè)學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的參與性較差，不能讓學(xué)生充分掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)。由于糧油倉(cāng)廠工藝設(shè)備集成化包裝，結(jié)構(gòu)已經(jīng)建成，學(xué)生僅通過(guò)短期的認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)仍無(wú)法深入了解平房倉(cāng)工藝、設(shè)計(jì)和建造中遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題。

因此，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，符合國(guó)家和社會(huì)需要的高質(zhì)量人才，必須突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)遇到的形式單一、內(nèi)容局限等難題。在原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)及多媒體等新時(shí)代先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建貼近工程、高度仿真、開放共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，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，拓展平房倉(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。

平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建不僅能節(jié)省建造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型的費(fèi)用，而且借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能讓教學(xué)形式更加靈活，不受時(shí)間和空間的限制[5-7]。

2平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

以糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)理論知識(shí)及原有的實(shí)踐教學(xué)為基礎(chǔ)，依托土木建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，構(gòu)建平房倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知、糧食工藝、平房倉(cāng)儲(chǔ)糧壓力分析及平房倉(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)平房倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)平房倉(cāng)倉(cāng)型和特點(diǎn)有一個(gè)整體上的了解，為開展進(jìn)一步的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備工作。其次，設(shè)計(jì)散裝和包裝平房倉(cāng)相應(yīng)的糧食輸送工藝及儲(chǔ)藏工藝仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手操作每一個(gè)環(huán)節(jié)。再次，確定好平房倉(cāng)的結(jié)構(gòu)選型、尺寸和儲(chǔ)糧高度后，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中模擬對(duì)應(yīng)的平房倉(cāng)，輸入相應(yīng)儲(chǔ)糧壓力的計(jì)算公式，計(jì)算分析平房倉(cāng)儲(chǔ)糧壓力。最后，結(jié)合平房倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)選型、承載力計(jì)算方法及重要步驟輸入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。

3平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

3.1倉(cāng)型認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

平房倉(cāng)倉(cāng)型，按堆放糧食類型可分為散裝平房倉(cāng)和包裝平房倉(cāng)，按其屋蓋結(jié)構(gòu)的不同可分為鋼筋混凝土折線形屋架平房倉(cāng)（圖1）、拱板屋蓋平房倉(cāng)（圖2）、彩板屋蓋平房倉(cāng)、鋼筋混凝土門式剛架平房倉(cāng)、雙坡板架屋蓋平房倉(cāng)、雙T板屋蓋平房倉(cāng)等多種形式。其中預(yù)應(yīng)力混凝土折線形屋架平房倉(cāng)具有跨度大、施工技術(shù)成熟、施工方便、施工周期短等特點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的一種平房倉(cāng)。在平房倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中應(yīng)建設(shè)相對(duì)較多的平房倉(cāng)倉(cāng)型，以彌補(bǔ)在課堂教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)中關(guān)于平房倉(cāng)倉(cāng)型認(rèn)知實(shí)踐的不足。

首先，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中建立各種類型平房倉(cāng)的三維立體模型并輔以相應(yīng)的漫游場(chǎng)景，用以加深學(xué)生對(duì)平房倉(cāng)倉(cāng)型的印象。再者，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可自行操作建設(shè)平房倉(cāng)，并可單擊鼠標(biāo)操作對(duì)平房倉(cāng)進(jìn)行全方位的觀察，如圖3所示。

最后通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的交互功能了解平房倉(cāng)各種結(jié)構(gòu)的具體功能，讓學(xué)生對(duì)平房倉(cāng)的建筑外觀、結(jié)構(gòu)功能及內(nèi)部構(gòu)造有一個(gè)整體的認(rèn)知。

3.2糧食工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

平房倉(cāng)工藝包括糧食輸送工藝和糧食儲(chǔ)藏工藝[8]，糧食的輸送工藝即為糧食的入倉(cāng)作業(yè)和出倉(cāng)作業(yè)，糧食的儲(chǔ)藏工藝主要采取相應(yīng)工藝手段，保證糧倉(cāng)中儲(chǔ)存的糧食品質(zhì)在一定時(shí)期內(nèi)不發(fā)生改變或少發(fā)生改變。包裝糧入倉(cāng)包括帶式輸送機(jī)輸送、機(jī)器或人工碼垛，其出倉(cāng)多是人工搬垛再放到輸送機(jī)上送出，包裝糧輸送工藝，如圖4所示。散裝糧入倉(cāng)時(shí)由移動(dòng)式膠帶輸送機(jī)、清理篩、多臺(tái)移動(dòng)式膠帶輸送機(jī)、轉(zhuǎn)向膠帶輸送機(jī)輸送入倉(cāng)堆高，局部用移動(dòng)式裝倉(cāng)機(jī)從倉(cāng)房窗口處進(jìn)糧，人工扒平。出倉(cāng)時(shí)由移動(dòng)式扒糧機(jī)、移動(dòng)式膠帶輸送機(jī)（多臺(tái)搭接），把糧食送出倉(cāng)外，散糧發(fā)放直接裝汽車，經(jīng)汽車衡計(jì)量出庫(kù)，散裝倉(cāng)輸送工藝，如圖5所示。

糧食工藝包括機(jī)械通風(fēng)、熏蒸、制冷作業(yè)。儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、供風(fēng)導(dǎo)管、通風(fēng)管道、糧堆以及通風(fēng)自控裝置等組成。環(huán)流熏蒸的作業(yè)機(jī)理是利用倉(cāng)底通風(fēng)管道，將磷化氫熏蒸劑不斷注入倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)設(shè)在倉(cāng)壁的環(huán)流管道和設(shè)備，使熏蒸氣體通過(guò)糧堆后形成循環(huán)，以促進(jìn)磷化氫在糧堆中的均勻分布。糧倉(cāng)制冷作業(yè)有固定式制冷機(jī)組與谷冷機(jī)，通常選用谷冷機(jī)，谷冷機(jī)本身也是一種制冷設(shè)備，即將過(guò)去的固定式制冷設(shè)備變?yōu)橐苿?dòng)式制冷設(shè)備，另外又增加PIC自動(dòng)控制系統(tǒng)、后加熱系統(tǒng)和出口空氣溫度、濕度檢測(cè)傳感系統(tǒng)[8]。

在平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)糧食輸送工藝這一環(huán)節(jié)中，構(gòu)建動(dòng)畫視頻展示不同的輸送設(shè)備，并模擬糧食進(jìn)出倉(cāng)的過(guò)程，設(shè)計(jì)好每一個(gè)環(huán)節(jié)讓學(xué)生去動(dòng)手操作，并加入糧食流動(dòng)的動(dòng)畫過(guò)程，讓模擬更加接近真實(shí)情況。在糧食儲(chǔ)藏工藝這一環(huán)節(jié)中，首先可以讓學(xué)生自行擺放各種機(jī)械通風(fēng)設(shè)備來(lái)模擬機(jī)械通風(fēng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性并加深學(xué)習(xí)印象，其次通過(guò)一個(gè)氣體環(huán)流的動(dòng)畫，讓學(xué)生理解熏蒸原理及操作過(guò)程，最后通過(guò)動(dòng)畫模擬谷冷機(jī)制冷氣體循環(huán)，讓學(xué)生能夠直觀了解給糧堆降溫的過(guò)程。機(jī)械通風(fēng)和環(huán)流熏蒸工藝，分別如圖6和圖7所示。

3.3儲(chǔ)糧壓力分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

平房倉(cāng)按照糧食的堆放形式分為散裝倉(cāng)和包裝倉(cāng)，兩種平房倉(cāng)的儲(chǔ)糧壓力并不相同。對(duì)于包裝平房倉(cāng)來(lái)說(shuō)，其儲(chǔ)糧壓力分析較為簡(jiǎn)單，糧食碼垛堆放不會(huì)靠墻，只平房倉(cāng)的地面產(chǎn)生垂直的糧食壓力。而對(duì)于散裝平房倉(cāng)來(lái)說(shuō)，堆放糧食靠墻，由于糧食的散落特性，糧食和墻體接觸會(huì)產(chǎn)生水平壓力和豎向的摩擦力。因?yàn)樯⒀b平房倉(cāng)不同堆糧形式即平堆散裝糧、梯形散堆糧等導(dǎo)致墻體所受到的水平壓力和豎向摩擦力的計(jì)算公式不同，儲(chǔ)糧壓力分析和糧食荷載計(jì)算，分別如8（p55）和圖9（p55）所示。

在平房倉(cāng)儲(chǔ)糧壓力分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這個(gè)模塊中，學(xué)生先選擇自己所需要掌握的倉(cāng)型。然后通過(guò)互動(dòng)動(dòng)畫模式學(xué)習(xí)相應(yīng)倉(cāng)型儲(chǔ)糧壓力分析推導(dǎo)過(guò)程，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)內(nèi)力計(jì)算公式的理解和記憶。通過(guò)交互互動(dòng)動(dòng)畫模式引導(dǎo)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)和科研興趣。通過(guò)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)模式，學(xué)生可以點(diǎn)擊選擇不同高度的平房倉(cāng)，從而了解相應(yīng)內(nèi)力的計(jì)算公式和計(jì)算步驟（見圖10）。

3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括荷載計(jì)算、荷載效應(yīng)組合、結(jié)構(gòu)選型、承載力計(jì)算、地基與基礎(chǔ)等。荷載計(jì)算主要包括糧食對(duì)墻體產(chǎn)生的側(cè)壓力和摩擦力、吊掛電纜荷載、積灰荷載、糧食輸送設(shè)備荷載、碼垛設(shè)備荷載等。

在平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生先根據(jù)糧食堆放形式選擇具體倉(cāng)型及尺寸，然后根據(jù)荷載計(jì)算和荷載效應(yīng)組合等設(shè)計(jì)排架柱或剛架、水平聯(lián)梁和砌體墻等，砌體墻承載力計(jì)算，如圖10所示。在平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算單元的計(jì)算簡(jiǎn)圖，根據(jù)上述計(jì)算過(guò)程確定排架柱、水平聯(lián)梁的配筋。通過(guò)對(duì)糧倉(cāng)建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容的虛擬仿真操作過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)具體公式和概念的理解，打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為以后的平房倉(cāng)設(shè)計(jì)提供完整的知識(shí)框架。

4結(jié)語(yǔ)

平房倉(cāng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)三者相結(jié)合，加深對(duì)理論教學(xué)的鞏固并彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)的不足，適應(yīng)培養(yǎng)理論扎實(shí)、實(shí)踐過(guò)硬的高質(zhì)量人才的需要。教師可以將科研成果引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，拓寬學(xué)生的認(rèn)知視野，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)和科研精神。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的三維動(dòng)畫將教材里的二維模型空間化、立體化，實(shí)現(xiàn)了物理模型與虛擬空間的高度融合，將實(shí)際工程與專業(yè)知識(shí)聯(lián)通，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶。

基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“新工科背景下《糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)》課程仿真實(shí)驗(yàn)功能提升及教學(xué)改革探索”（202101184010）；河南工業(yè)大學(xué)一流本科課程“糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)”（2022）；河南工業(yè)大學(xué)特色課程“糧倉(cāng)建筑與結(jié)構(gòu)”（2021）。

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