糧食平房倉虛擬仿真實驗設計與構建

張慶章 咸慶軍

摘要 平房倉具有造價低、構造簡單、施工方便、建設周期短、發揮效益快、使用壽命長、結構安全可靠等優點，在糧食倉儲行業應用廣泛。但是平房倉傳統教學實驗受制于實驗設備體量大、資源消耗大、成本較高等原因，導致學生在實驗中參與性不強、體驗感較差。因此，教學團隊根據“糧倉建筑與結構”課程的教學大綱和培養計劃，依托土木建筑虛擬仿真實驗教學中心平臺設計構建了平房倉倉型認知、平房倉糧食工藝、儲糧壓力分析和平房倉結構設計虛擬仿真實驗，以此提升“糧倉建筑與結構”課程的教學質量。

關鍵詞 糧食平房倉；虛擬仿真實驗；教學質量；設計

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.016

虛擬仿真實驗教學是實驗教學示范中心建設和高等教育信息化建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。隨著國家高等教育實驗教學改革、實驗教學信息化的推進，虛擬仿真實驗教學將直接影響著高校的實驗教學水平與教育質量[1]。河南工業大學依托本校糧油倉儲建筑等學科的優勢，將傳統教學實驗與新時代互聯網技術及信息技術相融合，構建了土木建筑虛擬仿真實驗教學中心，極大地解決了在傳統教學實驗中因實驗構件大、實驗操作復雜等原因造成的學生參與性、自主性及能動性較差的問題，豐富了以糧油倉廠建筑為主的虛擬仿真實驗的教學資源。

糧食平房倉因造價低廉、配套設施少，易于管理等優點，一直是我國主要的糧食儲備倉型。但是其建設過程包括勘測、選線、基礎、結構、工藝及交通組織等諸多環節，整個工期動輒數年，而且工程現場情況復雜、危險性高[2]。因此，傳統的平房倉不易開展教學實驗，難以讓學生較好地完成關于糧倉建筑基本理論與設計的教學計劃，了解平房倉認知、工藝、儲糧壓力分析和結構設計等相關專業知識。

1平房倉虛擬仿真實驗的必要性

虛擬仿真實驗教學中心建設順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，必將對高等教育質量的提升和實驗教學改革的深化，產生積極而重要的影響[3]。土木建筑相關專業是一個高度依賴實驗教學且實踐性很強的專業[4]。糧食平房倉傳統實驗教學形式比較單一，內容局限于簡單的模型試驗項目，面對學生人數較多的情況，在實驗操作方面不能兼顧到每個學生，導致學生在實驗教學中的參與性較差，不能讓學生充分掌握相關專業知識。由于糧油倉廠工藝設備集成化包裝，結構已經建成，學生僅通過短期的認知實習、生產實習仍無法深入了解平房倉工藝、設計和建造中遇到的重難點問題。

因此，為培養具有創新精神和實踐能力，符合國家和社會需要的高質量人才，必須突破傳統實驗教學遇到的形式單一、內容局限等難題。在原有實驗教學的基礎上將互聯網技術、信息技術及多媒體等新時代先進技術與傳統教學實驗相結合，構建貼近工程、高度仿真、開放共享的虛擬仿真實驗教學資源，補充實物模型實驗不具備或難以完成的教學功能，拓展平房倉實驗及實踐教學的深度和廣度，實現科研反哺教學、緊密結合工程實際的教學模式。

平房倉虛擬仿真實驗的設計與構建不僅能節省建造傳統實驗教學模型的費用，而且借助互聯網技術和信息技術既能激發學生的學習興趣，又能讓教學形式更加靈活，不受時間和空間的限制[5-7]。

2平房倉虛擬仿真實驗的設計

以糧倉建筑與結構課堂教學理論知識及原有的實踐教學為基礎，依托土木建筑虛擬仿真實驗教學中心，構建平房倉倉型認知、糧食工藝、平房倉儲糧壓力分析及平房倉結構設計虛擬仿真實驗方案。

首先，設計平房倉倉型認知實驗，讓學生對平房倉倉型和特點有一個整體上的了解，為開展進一步的虛擬仿真實驗做好準備工作。其次，設計散裝和包裝平房倉相應的糧食輸送工藝及儲藏工藝仿真實驗，讓學生動手操作每一個環節。再次，確定好平房倉的結構選型、尺寸和儲糧高度后，在虛擬仿真實驗中模擬對應的平房倉，輸入相應儲糧壓力的計算公式，計算分析平房倉儲糧壓力。最后，結合平房倉的結構設計將相應的結構選型、承載力計算方法及重要步驟輸入虛擬仿真實驗系統中。

3平房倉結構虛擬仿真實驗的構建

3.1倉型認知虛擬仿真實驗

平房倉倉型，按堆放糧食類型可分為散裝平房倉和包裝平房倉，按其屋蓋結構的不同可分為鋼筋混凝土折線形屋架平房倉（圖1）、拱板屋蓋平房倉（圖2）、彩板屋蓋平房倉、鋼筋混凝土門式剛架平房倉、雙坡板架屋蓋平房倉、雙T板屋蓋平房倉等多種形式。其中預應力混凝土折線形屋架平房倉具有跨度大、施工技術成熟、施工方便、施工周期短等特點，是目前使用最為廣泛的一種平房倉。在平房倉倉型認知虛擬仿真實驗中應建設相對較多的平房倉倉型，以彌補在課堂教學及實踐教學中關于平房倉倉型認知實踐的不足。

首先，在虛擬仿真實驗系統中建立各種類型平房倉的三維立體模型并輔以相應的漫游場景，用以加深學生對平房倉倉型的印象。再者，在虛擬仿真實驗中學生可自行操作建設平房倉，并可單擊鼠標操作對平房倉進行全方位的觀察，如圖3所示。

最后通過虛擬仿真實驗的交互功能了解平房倉各種結構的具體功能，讓學生對平房倉的建筑外觀、結構功能及內部構造有一個整體的認知。

3.2糧食工藝虛擬仿真實驗

平房倉工藝包括糧食輸送工藝和糧食儲藏工藝[8]，糧食的輸送工藝即為糧食的入倉作業和出倉作業，糧食的儲藏工藝主要采取相應工藝手段，保證糧倉中儲存的糧食品質在一定時期內不發生改變或少發生改變。包裝糧入倉包括帶式輸送機輸送、機器或人工碼垛，其出倉多是人工搬垛再放到輸送機上送出，包裝糧輸送工藝，如圖4所示。散裝糧入倉時由移動式膠帶輸送機、清理篩、多臺移動式膠帶輸送機、轉向膠帶輸送機輸送入倉堆高，局部用移動式裝倉機從倉房窗口處進糧，人工扒平。出倉時由移動式扒糧機、移動式膠帶輸送機（多臺搭接），把糧食送出倉外，散糧發放直接裝汽車，經汽車衡計量出庫，散裝倉輸送工藝，如圖5所示。

糧食工藝包括機械通風、熏蒸、制冷作業。儲糧機械通風系統主要由風機、供風導管、通風管道、糧堆以及通風自控裝置等組成。環流熏蒸的作業機理是利用倉底通風管道，將磷化氫熏蒸劑不斷注入倉內，通過設在倉壁的環流管道和設備，使熏蒸氣體通過糧堆后形成循環，以促進磷化氫在糧堆中的均勻分布。糧倉制冷作業有固定式制冷機組與谷冷機，通常選用谷冷機，谷冷機本身也是一種制冷設備，即將過去的固定式制冷設備變為移動式制冷設備，另外又增加PIC自動控制系統、后加熱系統和出口空氣溫度、濕度檢測傳感系統[8]。

在平房倉虛擬仿真實驗糧食輸送工藝這一環節中，構建動畫視頻展示不同的輸送設備，并模擬糧食進出倉的過程，設計好每一個環節讓學生去動手操作，并加入糧食流動的動畫過程，讓模擬更加接近真實情況。在糧食儲藏工藝這一環節中，首先可以讓學生自行擺放各種機械通風設備來模擬機械通風，增強學習的趣味性并加深學習印象，其次通過一個氣體環流的動畫，讓學生理解熏蒸原理及操作過程，最后通過動畫模擬谷冷機制冷氣體循環，讓學生能夠直觀了解給糧堆降溫的過程。機械通風和環流熏蒸工藝，分別如圖6和圖7所示。

3.3儲糧壓力分析虛擬仿真實驗

平房倉按照糧食的堆放形式分為散裝倉和包裝倉，兩種平房倉的儲糧壓力并不相同。對于包裝平房倉來說，其儲糧壓力分析較為簡單，糧食碼垛堆放不會靠墻，只平房倉的地面產生垂直的糧食壓力。而對于散裝平房倉來說，堆放糧食靠墻，由于糧食的散落特性，糧食和墻體接觸會產生水平壓力和豎向的摩擦力。因為散裝平房倉不同堆糧形式即平堆散裝糧、梯形散堆糧等導致墻體所受到的水平壓力和豎向摩擦力的計算公式不同，儲糧壓力分析和糧食荷載計算，分別如8（p55）和圖9（p55）所示。

在平房倉儲糧壓力分析虛擬仿真實驗這個模塊中，學生先選擇自己所需要掌握的倉型。然后通過互動動畫模式學習相應倉型儲糧壓力分析推導過程，做到理論與實踐相結合，加深學生對相應內力計算公式的理解和記憶。通過交互互動動畫模式引導學生思考，培養學生的科研意識和科研興趣。通過虛擬仿真教學實驗的互動模式，學生可以點擊選擇不同高度的平房倉，從而了解相應內力的計算公式和計算步驟（見圖10）。

3.4結構設計虛擬仿真實驗

平房倉結構設計的主要內容包括荷載計算、荷載效應組合、結構選型、承載力計算、地基與基礎等。荷載計算主要包括糧食對墻體產生的側壓力和摩擦力、吊掛電纜荷載、積灰荷載、糧食輸送設備荷載、碼垛設備荷載等。

在平房倉虛擬仿真實驗中，學生先根據糧食堆放形式選擇具體倉型及尺寸，然后根據荷載計算和荷載效應組合等設計排架柱或剛架、水平聯梁和砌體墻等，砌體墻承載力計算，如圖10所示。在平房倉虛擬仿真實驗中設計了相應的計算單元的計算簡圖，根據上述計算過程確定排架柱、水平聯梁的配筋。通過對糧倉建筑設計和結構設計主要內容的虛擬仿真操作過程，加深學生對具體公式和概念的理解，打好堅實的基礎，為以后的平房倉設計提供完整的知識框架。

4結語

平房倉虛擬仿真實驗可以將理論教學、實踐教學和仿真實驗三者相結合，加深對理論教學的鞏固并彌補實踐教學的不足，適應培養理論扎實、實踐過硬的高質量人才的需要。教師可以將科研成果引入虛擬仿真實驗中，拓寬學生的認知視野，培養學生的科研意識和科研精神。虛擬仿真實驗中的三維動畫將教材里的二維模型空間化、立體化，實現了物理模型與虛擬空間的高度融合，將實際工程與專業知識聯通，加深了學生對知識點的理解與記憶。

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“新工科背景下《糧倉建筑與結構》課程仿真實驗功能提升及教學改革探索”（202101184010）；河南工業大學一流本科課程“糧倉建筑與結構”（2022）；河南工業大學特色課程“糧倉建筑與結構”（2021）。

參考文獻

[1]龔成斌，曹雅儀，王強，等.虛擬仿真實驗教學的需求現狀——基于西南大學虛擬仿真實驗教學需求問卷調查分析[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019，44（11）：155-160.

[2]張慶章，陳桂香，靜行，等.鋼筋混凝土糧食筒倉虛擬仿真實驗設計與構建[J].大學教育，202112）： 52-54.

[3]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[4]龐瑞，王璐，陳桂香，等.土木建筑虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].高等建筑教育，2019，28（6）：107-115.

[5]咸慶軍，馮永，陳俊旗.鋼筋混凝土筒倉結構實驗教學研究[J].實驗技術與管理，2017，34（4）：185-188.

[6]宋澤.虛擬仿真實驗教學中心建設探析[J].延邊教育學院學報， 2021，35（2）：125-127.

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[8]王振清.糧倉建筑基本理論與設計[M].鄭州：河南科學技術出版社，2015.