鋼筋混凝土糧食筒倉虛擬仿真實驗設(shè)計與構(gòu)建

張慶章 陳桂香 靜行 龐瑞

[摘 要]鋼筋混凝土糧食筒倉具有占地少、機械化程度高、周轉(zhuǎn)速度快等諸多優(yōu)點，在糧食倉儲行業(yè)應(yīng)用廣泛。然而筒倉實驗教學(xué)受設(shè)備與技術(shù)的制約，實驗教學(xué)形式相對比較單一，這限制了學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)與實踐能力的提高。為此，課題組根據(jù)糧倉建筑與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)大綱和培養(yǎng)計劃，依托信息技術(shù)設(shè)計構(gòu)建了筒倉認知、筒倉工藝、儲糧壓力分析和筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬仿真實驗，補充實物模型實驗中的缺失環(huán)節(jié)。虛擬仿真實驗提高了筒倉實驗教學(xué)的質(zhì)量，為筒倉專業(yè)知識教學(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]筒倉結(jié)構(gòu);糧食;虛擬仿真;實驗教學(xué)

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）12-0052-03

虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需要，可以對高等教育質(zhì)量的提升和實驗教學(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)勢和特點，以土木工程、建筑學(xué)、工程管理專業(yè)為基礎(chǔ)，以糧油倉廠建筑為特色，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驗教學(xué)資源，正在努力建立與“土木建筑河南省實驗教學(xué)示范中心”相輔相成、優(yōu)勢互補的虛擬仿真教學(xué)資源。

對于糧油倉廠中重要的倉型鋼筋混凝土筒倉，其建設(shè)過程包括勘測、選線、基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、工藝、交通組織等諸多環(huán)節(jié)，整個工期動輒數(shù)年，而且工程現(xiàn)場情況復(fù)雜、危險性高，不利于開展現(xiàn)場實驗或?qū)嵺`教學(xué)[3-5]。為此，針對大型復(fù)雜糧食筒倉認知、工藝、理論及設(shè)計實驗無法在實驗室內(nèi)讓本科生直接深入?yún)⑴c、理解的現(xiàn)實，課題組提出虛擬仿真場景、場景漫游、操作環(huán)境以及操作對象的設(shè)計方案，構(gòu)建切實可行的筒倉認知、筒倉工藝、儲糧壓力和結(jié)構(gòu)設(shè)計過程虛擬仿真實驗，以期達到拓寬學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生興趣、讓學(xué)生學(xué)以致用和主動創(chuàng)新的目的。

一、筒倉虛擬仿真實驗的必要性

筒庫以占地少、機械化程度高、接收和發(fā)放能力強、周轉(zhuǎn)速度快等優(yōu)點在港口廣泛使用[6]。然而實際教學(xué)資源受設(shè)備與技術(shù)的制約，筒倉實驗教學(xué)形式相對還比較單一，內(nèi)容相對局限于簡單的模型實驗項目，難以適應(yīng)社會對培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神與實踐能力的高層次人才的需求[7]。目前，實踐教學(xué)主要存在著以下問題：1.學(xué)生參與程度低，難以掌握糧倉工藝、理論和設(shè)計的重點和難點，不能滿足學(xué)生實際動手能力培養(yǎng)的需要;2.若帶領(lǐng)學(xué)生到筒倉所在地實地考察，存在距離遠、實施起來不便利等困難;3.實際鋼筋混凝土筒倉很多設(shè)備因工藝要求是封閉的（實際筒倉和機械化輸送線如圖1和圖2所示），學(xué)生在實際筒倉中觀察，短期內(nèi)很難切實體會到筒倉的工作原理，只是對筒倉的外觀有一個籠統(tǒng)的認知，達不到教學(xué)的要求;4.本學(xué)科在筒倉方面長期的科研成果無法面向?qū)W生實現(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)實驗，輔以科學(xué)合理的教學(xué)模式，可彌補現(xiàn)場實踐的不足，補充實物模型實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，拓展筒倉實驗及實踐教學(xué)的深度和廣度，實現(xiàn)科研反哺教學(xué)、緊密結(jié)合工程實際的教學(xué)模式。

二、筒倉虛擬仿真實驗的設(shè)計

根據(jù)糧倉建筑與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)大綱、培養(yǎng)計劃，信息技術(shù)展現(xiàn)形式以及學(xué)生獲取知識的習(xí)慣，準備實驗原理、實施技術(shù)、方案流程、實驗結(jié)果等內(nèi)容，構(gòu)建筒倉倉型認知、糧食輸送和儲藏工藝、筒倉儲糧壓力分析和筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬仿真實驗方案。

首先，設(shè)計筒倉倉型認知實驗，以此為載體讓學(xué)生了解筒倉是一種向高空發(fā)展、容量大、占地少、安全性高以及機械化程度高的糧倉。其次，針對筒倉工藝包括糧食輸送工藝和糧食儲藏工藝環(huán)節(jié)，設(shè)計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，將筒倉的儲糧壓力計算與過程設(shè)計分開。設(shè)計虛擬仿真實驗時，可先讓學(xué)生選擇哪一類型倉。比如選擇了深倉，那就要做一個深倉計算模型，采用互動動畫模式，讓學(xué)生點擊深倉模型的不同深度時，可以顯示當前深度的計算公式以及參數(shù)意義，這能讓學(xué)生了解深倉不同深度的計算步驟和計算公式，同時讓學(xué)生學(xué)習(xí)根據(jù)理論計算如何配筋，滿足構(gòu)造要求等。

三、筒倉結(jié)構(gòu)虛擬實驗的構(gòu)建

（一）筒倉倉型認知虛擬仿真實驗

筒倉分為深倉和淺倉，深倉是直徑小、高度高、占地少及機械化程度高的筒倉[8]。而淺倉具有高度較低、直徑大、工藝設(shè)備相對簡單的特點，其同時具有深倉和平房倉的某些優(yōu)點[9]。應(yīng)針對典型倉型認知的實踐教學(xué)需求，開展多種類型筒倉認知教學(xué)虛擬實驗建設(shè)，以彌補現(xiàn)有實驗實訓(xùn)條件不足的情況。

虛擬仿真模塊依據(jù)不同倉型的特點，首先建立三維動畫模型，使學(xué)生可以在線選擇想要了解的倉型并對其進行相應(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）。在鼠標單擊對應(yīng)的倉型后，拖住鼠標可以進行360度旋轉(zhuǎn)操作，也可以進行放大和縮小。學(xué)生可以在仿真實驗平臺中查看不同倉型的區(qū)別，形成對筒倉更加清晰的認識。借助于虛擬仿真實驗的互動功能，學(xué)生可以通過對筒倉不同組成部分的查找，了解其功能和具體方位，消除知識盲區(qū)，達到精準識別筒倉倉型和特點的教學(xué)目標。

（二）筒倉工藝虛擬仿真實驗

筒倉工藝包括糧食輸送工藝和糧食儲藏工藝。糧食輸送工藝指的是將來糧通過設(shè)備輸送至糧倉中儲存，或?qū)⒓Z倉中儲存的糧食通過輸送設(shè)備發(fā)放，或者是糧倉之間、糧倉與加工車間之間的糧食輸送。糧食儲藏工藝指的是保證糧倉中儲存的糧食品質(zhì)及數(shù)量在一定時期內(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)生對其的認知和理解比較困難。對于糧食輸送工藝，可在虛擬仿真實驗中再現(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)生將運來的糧食放到輸送機、再輸送到倉頂、進入筒倉等環(huán)節(jié)（筒倉倉頂入糧的三維動畫如圖5所示）在倉頂入糧的動畫模擬中操作，可以讓學(xué)生明白如何從倉頂入糧，了解輸送機是如何工作的（筒倉倉底出糧的三維動畫如圖6所示）。

從圖6中可以看出，糧食出倉錐底筒倉時，錐底角度應(yīng)大于糧食的休止角，這樣在開啟倉底閘閥門后，倉內(nèi)糧食才可自動流出。若為平底筒倉時，倉內(nèi)糧食大部分由出料口自流出倉，剩余的糧食則依靠清倉機輔助出倉。通過對筒倉糧食輸送工藝的真實模擬，加之學(xué)生的手動操作，學(xué)生更易了解各種倉型筒倉工藝過程、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，從而在認識工藝組成的基礎(chǔ)上了解其布置原則。

（三）筒倉儲料壓力分析虛擬仿真實驗

在理論計算中，筒倉分為深倉和淺倉，深倉、淺倉類型不同，其倉內(nèi)糧食對倉壁或倉底形成的壓力和計算公式也不同。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)生首先分清深倉和淺倉，然后自主探索相應(yīng)倉型理論的推導(dǎo)過程，加之動畫的演示，就很容易對公式有一個更深刻的理解和記憶。實驗操作從最基本的分析目的出發(fā)，逐步得到不同倉型的內(nèi)力計算公式。在虛擬仿真系統(tǒng)中，可以對不同的假設(shè)進行選擇，視圖中便會對選擇的假設(shè)以動畫的形式展現(xiàn)出來（如圖7所示）。例如，當點擊基本假定糧食處于靜止狀態(tài)時，動畫視圖中的糧倉便會從空倉轉(zhuǎn)為充滿靜止不動糧食的滿倉。動畫形象生動，可加深學(xué)生對基本假定的理解和記憶。相比較文字敘述，公式會更加晦澀難懂。針對公式中不同的系數(shù)，在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中會逐個列出，通過鼠標單擊便可獲得對應(yīng)系數(shù)詳細的解釋。另外，公式中的系數(shù)也會隨著糧食種類的不同而改變。仿真實驗可以把理論分析所表現(xiàn)出壓力計算結(jié)果以坐標軸的形式展示出來，形象直觀地表現(xiàn)出儲料壓力在不同糧倉深處的變化規(guī)律。在虛擬仿真實驗中可以選擇不同部位和不同的糧食品種，然后對水平壓力、垂直壓力和摩擦阻力進行計算（如圖8所示）。

（四）筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬仿真實驗

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

在鋼筋混凝土筒倉的仿真實驗中，先根據(jù)倉容量、地基承載力、經(jīng)濟高徑比、場地平面位置等因素確定每個倉的直徑與裝糧高度。再根據(jù)設(shè)計公式和構(gòu)造要求設(shè)定筒倉倉壁、錐斗壁厚、倉頂板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初步尺寸。在初步尺寸確定之后，學(xué)生進行實驗，點擊相應(yīng)荷載，在模型圖中即可出現(xiàn)對應(yīng)的荷載。在實驗中選取筒倉都壓力分析公式及相關(guān)參數(shù)后，學(xué)生操作完成的每一步都同時在筒倉模型圖中直觀地顯示出來，最終由學(xué)生完成筒倉設(shè)計配筋計算。

四、結(jié)語

針對混凝土糧食筒倉這種特殊結(jié)構(gòu)，課題組提出了糧食筒倉虛擬仿真實驗設(shè)計方案，構(gòu)建了具有貼近工程、高度仿真、開放共享的筒倉認知、筒倉工藝、儲料壓力分析和筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬仿真教學(xué)實驗;拓展了筒倉結(jié)構(gòu)實驗及實踐教學(xué)的深度和廣度，同時也盡可能地降低了實驗成本和風(fēng)險。筒倉仿真教學(xué)實驗可以提高教學(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 ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]

[收稿時間]2020-07-18

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

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