鋼筋混凝土糧食筒倉虛擬仿真實驗設計與構建

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、周轉速度快等諸多優點，在糧食倉儲行業應用廣泛。然而筒倉實驗教學受設備與技術的制約，實驗教學形式相對比較單一，這限制了學生創新精神的培養與實踐能力的提高。為此，課題組根據糧倉建筑與結構課程教學大綱和培養計劃，依托信息技術設計構建了筒倉認知、筒倉工藝、儲糧壓力分析和筒倉結構設計虛擬仿真實驗，補充實物模型實驗中的缺失環節。虛擬仿真實驗提高了筒倉實驗教學的質量，為筒倉專業知識教學和學生專業能力的訓練提供了更完善的路徑。

[關鍵詞]筒倉結構;糧食;虛擬仿真;實驗教學

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

虛擬仿真實驗教學項目的建設順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，可以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[1-2]。河南工業大學充分考慮自身在土木建筑方向的辦學優勢和特點，以土木工程、建筑學、工程管理專業為基礎，以糧油倉廠建筑為特色，利用互聯網與信息化技術開發了一系列虛擬仿真實驗教學資源，正在努力建立與“土木建筑河南省實驗教學示范中心”相輔相成、優勢互補的虛擬仿真教學資源。

對于糧油倉廠中重要的倉型鋼筋混凝土筒倉，其建設過程包括勘測、選線、基礎、結構、工藝、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，不利于開展現場實驗或實踐教學[3-5]。為此，針對大型復雜糧食筒倉認知、工藝、理論及設計實驗無法在實驗室內讓本科生直接深入參與、理解的現實，課題組提出虛擬仿真場景、場景漫游、操作環境以及操作對象的設計方案，構建切實可行的筒倉認知、筒倉工藝、儲糧壓力和結構設計過程虛擬仿真實驗，以期達到拓寬學生視野、激發學生興趣、讓學生學以致用和主動創新的目的。

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、接收和發放能力強、周轉速度快等優點在港口廣泛使用[6]。然而實際教學資源受設備與技術的制約，筒倉實驗教學形式相對還比較單一，內容相對局限于簡單的模型實驗項目，難以適應社會對培養富有創新精神與實踐能力的高層次人才的需求[7]。目前，實踐教學主要存在著以下問題：1.學生參與程度低，難以掌握糧倉工藝、理論和設計的重點和難點，不能滿足學生實際動手能力培養的需要;2.若帶領學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），學生在實際筒倉中觀察，短期內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的認知，達不到教學的要求;4.本學科在筒倉方面長期的科研成果無法面向學生實現教學共享。

因此，利用互聯網技術與信息技術，構建具有貼近工程、高度仿真、開放共享的虛擬仿真教學實驗，輔以科學合理的教學模式，可彌補現場實踐的不足，補充實物模型實驗不具備或難以完成的教學功能，拓展筒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。

二、筒倉虛擬仿真實驗的設計

根據糧倉建筑與結構課程教學大綱、培養計劃，信息技術展現形式以及學生獲取知識的習慣，準備實驗原理、實施技術、方案流程、實驗結果等內容，構建筒倉倉型認知、糧食輸送和儲藏工藝、筒倉儲糧壓力分析和筒倉結構設計虛擬仿真實驗方案。

首先，設計筒倉倉型認知實驗，以此為載體讓學生了解筒倉是一種向高空發展、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節，設計糧食具體工藝流程環節，每一環節都可讓學生來操作完成。最后，將筒倉的儲糧壓力計算與過程設計分開。設計虛擬仿真實驗時，可先讓學生選擇哪一類型倉。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意義，這能讓學生了解深倉不同深度的計算步驟和計算公式，同時讓學生學習根據理論計算如何配筋，滿足構造要求等。

三、筒倉結構虛擬實驗的構建

（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、工藝設備相對簡單的特點，其同時具有深倉和平房倉的某些優點[9]。應針對典型倉型認知的實踐教學需求，開展多種類型筒倉認知教學虛擬實驗建設，以彌補現有實驗實訓條件不足的情況。

虛擬仿真模塊依據不同倉型的特點，首先建立三維動畫模型，使學生可以在線選擇想要了解的倉型并對其進行相應的操作，這能增加學生學習的直觀性和趣味性（如圖3和圖4所示）。在鼠標單擊對應的倉型后，拖住鼠標可以進行360度旋轉操作，也可以進行放大和縮小。學生可以在仿真實驗平臺中查看不同倉型的區別，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，達到精準識別筒倉倉型和特點的教學目標。

（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備輸送至糧倉中儲存，或將糧倉中儲存的糧食通過輸送設備發放，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及數量在一定時期內不發生改變或少發生改變。

由于工藝過程并非直觀的建筑物，學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不同設備工作工程，每一環節都可讓學生操作完成。例如讓學生將運來的糧食放到輸送機、再輸送到倉頂、進入筒倉等環節（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，錐底角度應大于糧食的休止角，這樣在開啟倉底閘閥門后，倉內糧食才可自動流出。若為平底筒倉時，倉內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，加之學生的手動操作，學生更易了解各種倉型筒倉工藝過程、主要設備及其功能。

在通風、熏蒸作業、制冷作業工藝環節可以讓學生自主擺放儲糧工藝設備，比較擺放在不同位置的效果，選擇合理最優的布置方式，從而在認識工藝組成的基礎上了解其布置原則。

（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和教師的講解很難使學生通徹理解公式背后的含義。通過虛擬仿真教學系統，學生首先分清深倉和淺倉，然后自主探索相應倉型理論的推導過程，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，逐步得到不同倉型的內力計算公式。在虛擬仿真系統中，可以對不同的假設進行選擇，視圖中便會對選擇的假設以動畫的形式展現出來（如圖7所示）。例如，當點擊基本假定糧食處于靜止狀態時，動畫視圖中的糧倉便會從空倉轉為充滿靜止不動糧食的滿倉。動畫形象生動，可加深學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，在虛擬仿真教學系統中會逐個列出，通過鼠標單擊便可獲得對應系數詳細的解釋。另外，公式中的系數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出壓力計算結果以坐標軸的形式展示出來，形象直觀地表現出儲料壓力在不同糧倉深處的變化規律。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）筒倉結構設計虛擬仿真實驗

鋼筋混凝土筒倉結構設計的主要內容有：荷載計算、荷載效應組合、內力計算、承載力極限狀態計算和正常使用極限狀態驗算。鋼筋混凝土筒倉作為一種特種結構，其倉壁、錐斗等構件的計算方法不同于其他一般工業與民用建筑構件的計算。

在鋼筋混凝土筒倉的仿真實驗中，先根據倉容量、地基承載力、經濟高徑比、場地平面位置等因素確定每個倉的直徑與裝糧高度。再根據設計公式和構造要求設定筒倉倉壁、錐斗壁厚、倉頂板等結構構件的初步尺寸。在初步尺寸確定之后，學生進行實驗，點擊相應荷載，在模型圖中即可出現對應的荷載。在實驗中選取筒倉都壓力分析公式及相關參數后，學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，最終由學生完成筒倉設計配筋計算。

四、結語

針對混凝土糧食筒倉這種特殊結構，課題組提出了糧食筒倉虛擬仿真實驗設計方案，構建了具有貼近工程、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構設計虛擬仿真教學實驗;拓展了筒倉結構實驗及實踐教學的深度和廣度，同時也盡可能地降低了實驗成本和風險。筒倉仿真教學實驗可以提高教學質量，提升教學效果，充分激發學生學習的積極性和創造性。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 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（12）：5-8.

[2] 咸慶軍，陳俊旗，崔偉華，等.地下糧倉結構虛擬仿真實驗教學資源建設[J].實驗技術與管理，2017（11）：133-136.

[3] 魯江濤.滑模施工技術在筒倉中的應用研究[J].工程機械與維修，2019（4）：112-113.

[4] 許啟鏗，王錄民，丁永剛.筒承式糧食立筒倉結構模態及地震反應分析[J].世界地震工程，2015（3）：55-61.

[5] 張慶章，王振清.滑模施工混凝土糧食筒倉結構承載力分析[J].施工技術，2016（2）：105-108.

[6] 李艷群，楊代軍.港口糧食立筒庫設計關鍵建筑問題研究[J].港口技術，2018（S1）：40-43.

[7] 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（4）：185-188.

[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.

[9] 張龍，郭哲.淺圓倉建設預留預埋技術控制探討[J].糧油倉儲科技通訊，2012（3）：55-56.

[責任編輯：鐘 嵐]

[收稿時間]2020-07-18

[基金項目]教育部產學合作協同育人項目（202101184010）;河南省教科規劃一般課題：（2019）-JKGHYB-0070，（2018）-JKGHYB-0080）;河南省重點研發與推廣專項（科技攻關）項目（192102310278）;河南省高等學校青年骨干教師培養計劃（2019GGJS086）;河南工業大學本科教育教學改革研究與實踐項目（TMJXYJ2019004）;河南工業大學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，碩士生導師，主要從事糧倉結構方面的研究與教學。