粮食平房仓虚拟仿真实验设计与构建

张庆章 咸庆军

摘要 平房仓具有造价低、构造简单、施工方便、建设周期短、发挥效益快、使用寿命长、结构安全可靠等优点，在粮食仓储行业应用广泛。但是平房仓传统教学实验受制于实验设备体量大、资源消耗大、成本较高等原因，导致学生在实验中参与性不强、体验感较差。因此，教学团队根据“粮仓建筑与结构”课程的教学大纲和培养计划，依托土木建筑虚拟仿真实验教学中心平台设计构建了平房仓仓型认知、平房仓粮食工艺、储粮压力分析和平房仓结构设计虚拟仿真实验，以此提升“粮仓建筑与结构”课程的教学质量。

关键词 粮食平房仓；虚拟仿真实验；教学质量；设计

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.016

虚拟仿真实验教学是实验教学示范中心建设和高等教育信息化建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。随着国家高等教育实验教学改革、实验教学信息化的推进，虚拟仿真实验教学将直接影响着高校的实验教学水平与教育质量[1]。河南工业大学依托本校粮油仓储建筑等学科的优势，将传统教学实验与新时代互联网技术及信息技术相融合，构建了土木建筑虚拟仿真实验教学中心，极大地解决了在传统教学实验中因实验构件大、实验操作复杂等原因造成的学生参与性、自主性及能动性较差的问题，丰富了以粮油仓厂建筑为主的虚拟仿真实验的教学资源。

粮食平房仓因造价低廉、配套设施少，易于管理等优点，一直是我国主要的粮食储备仓型。但是其建设过程包括勘测、选线、基础、结构、工艺及交通组织等诸多环节，整个工期动辄数年，而且工程现场情况复杂、危险性高[2]。因此，传统的平房仓不易开展教学实验，难以让学生较好地完成关于粮仓建筑基本理论与设计的教学计划，了解平房仓认知、工艺、储粮压力分析和结构设计等相关专业知识。

1平房仓虚拟仿真实验的必要性

虚拟仿真实验教学中心建设顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，必将对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化，产生积极而重要的影响[3]。土木建筑相关专业是一个高度依赖实验教学且实践性很强的专业[4]。粮食平房仓传统实验教学形式比较单一，内容局限于简单的模型试验项目，面对学生人数较多的情况，在实验操作方面不能兼顾到每个学生，导致学生在实验教学中的参与性较差，不能让学生充分掌握相关专业知识。由于粮油仓厂工艺设备集成化包装，结构已经建成，学生仅通过短期的认知实习、生产实习仍无法深入了解平房仓工艺、设计和建造中遇到的重难点问题。

因此，为培养具有创新精神和实践能力，符合国家和社会需要的高质量人才，必须突破传统实验教学遇到的形式单一、内容局限等难题。在原有实验教学的基础上将互联网技术、信息技术及多媒体等新时代先进技术与传统教学实验相结合，构建贴近工程、高度仿真、开放共享的虚拟仿真实验教学资源，补充实物模型实验不具备或难以完成的教学功能，拓展平房仓实验及实践教学的深度和广度，实现科研反哺教学、紧密结合工程实际的教学模式。

平房仓虚拟仿真实验的设计与构建不仅能节省建造传统实验教学模型的费用，而且借助互联网技术和信息技术既能激发学生的学习兴趣，又能让教学形式更加灵活，不受时间和空间的限制[5-7]。

2平房仓虚拟仿真实验的设计

以粮仓建筑与结构课堂教学理论知识及原有的实践教学为基础，依托土木建筑虚拟仿真实验教学中心，构建平房仓仓型认知、粮食工艺、平房仓储粮压力分析及平房仓结构设计虚拟仿真实验方案。

首先，设计平房仓仓型认知实验，让学生对平房仓仓型和特点有一个整体上的了解，为开展进一步的虚拟仿真实验做好准备工作。其次，设计散装和包装平房仓相应的粮食输送工艺及储藏工艺仿真实验，让学生动手操作每一个环节。再次，确定好平房仓的结构选型、尺寸和储粮高度后，在虚拟仿真实验中模拟对应的平房仓，输入相应储粮压力的计算公式，计算分析平房仓储粮压力。最后，结合平房仓的结构设计将相应的结构选型、承载力计算方法及重要步骤输入虚拟仿真实验系统中。

3平房仓结构虚拟仿真实验的构建

3.1仓型认知虚拟仿真实验

平房仓仓型，按堆放粮食类型可分为散装平房仓和包装平房仓，按其屋盖结构的不同可分为钢筋混凝土折线形屋架平房仓（图1）、拱板屋盖平房仓（图2）、彩板屋盖平房仓、钢筋混凝土门式刚架平房仓、双坡板架屋盖平房仓、双T板屋盖平房仓等多种形式。其中预应力混凝土折线形屋架平房仓具有跨度大、施工技术成熟、施工方便、施工周期短等特点，是目前使用最为广泛的一种平房仓。在平房仓仓型认知虚拟仿真实验中应建设相对较多的平房仓仓型，以弥补在课堂教学及实践教学中关于平房仓仓型认知实践的不足。

首先，在虚拟仿真实验系统中建立各种类型平房仓的三维立体模型并辅以相应的漫游场景，用以加深学生对平房仓仓型的印象。再者，在虚拟仿真实验中学生可自行操作建设平房仓，并可单击鼠标操作对平房仓进行全方位的观察，如图3所示。

最后通过虚拟仿真实验的交互功能了解平房仓各种结构的具体功能，让学生对平房仓的建筑外观、结构功能及内部构造有一个整体的认知。

3.2粮食工艺虚拟仿真实验

平房仓工艺包括粮食输送工艺和粮食储藏工艺[8]，粮食的输送工艺即为粮食的入仓作业和出仓作业，粮食的储藏工艺主要采取相应工艺手段，保证粮仓中储存的粮食品质在一定时期内不发生改变或少发生改变。包装粮入仓包括带式输送机输送、机器或人工码垛，其出仓多是人工搬垛再放到输送机上送出，包装粮输送工艺，如图4所示。散装粮入仓时由移动式胶带输送机、清理筛、多台移动式胶带输送机、转向胶带输送机输送入仓堆高，局部用移动式装仓机从仓房窗口处进粮，人工扒平。出仓时由移动式扒粮机、移动式胶带输送机（多台搭接），把粮食送出仓外，散糧发放直接装汽车，经汽车衡计量出库，散装仓输送工艺，如图5所示。

粮食工艺包括机械通风、熏蒸、制冷作业。储粮机械通风系统主要由风机、供风导管、通风管道、粮堆以及通风自控装置等组成。环流熏蒸的作业机理是利用仓底通风管道，将磷化氢熏蒸剂不断注入仓内，通过设在仓壁的环流管道和设备，使熏蒸气体通过粮堆后形成循环，以促进磷化氢在粮堆中的均匀分布。粮仓制冷作业有固定式制冷机组与谷冷机，通常选用谷冷机，谷冷机本身也是一种制冷设备，即将过去的固定式制冷设备变为移动式制冷设备，另外又增加PIC自动控制系统、后加热系统和出口空气温度、湿度检测传感系统[8]。

在平房仓虚拟仿真实验粮食输送工艺这一环节中，构建动画视频展示不同的输送设备，并模拟粮食进出仓的过程，设计好每一个环节让学生去动手操作，并加入粮食流动的动画过程，让模拟更加接近真实情况。在粮食储藏工艺这一环节中，首先可以让学生自行摆放各种机械通风设备来模拟机械通风，增强学习的趣味性并加深学习印象，其次通过一个气体环流的动画，让学生理解熏蒸原理及操作过程，最后通过动画模拟谷冷机制冷气体循环，让学生能够直观了解给粮堆降温的过程。机械通风和环流熏蒸工艺，分别如图6和图7所示。

3.3储粮压力分析虚拟仿真实验

平房仓按照粮食的堆放形式分为散装仓和包装仓，两种平房仓的储粮压力并不相同。对于包装平房仓来说，其储粮压力分析较为简单，粮食码垛堆放不会靠墙，只平房仓的地面产生垂直的粮食压力。而对于散装平房仓来说，堆放粮食靠墙，由于粮食的散落特性，粮食和墙体接触会产生水平压力和竖向的摩擦力。因为散装平房仓不同堆粮形式即平堆散装粮、梯形散堆粮等导致墙体所受到的水平压力和竖向摩擦力的计算公式不同，储粮压力分析和粮食荷载计算，分别如8（p55）和图9（p55）所示。

在平房仓储粮压力分析虚拟仿真实验这个模块中，学生先选择自己所需要掌握的仓型。然后通过互动动画模式学习相应仓型储粮压力分析推导过程，做到理论与实践相结合，加深学生对相应内力计算公式的理解和记忆。通过交互互动动画模式引导学生思考，培养学生的科研意识和科研兴趣。通过虚拟仿真教学实验的互动模式，学生可以点击选择不同高度的平房仓，从而了解相应内力的计算公式和计算步骤（见图10）。

3.4结构设计虚拟仿真实验

平房仓结构设计的主要内容包括荷载计算、荷载效应组合、结构选型、承载力计算、地基与基础等。荷载计算主要包括粮食对墙体产生的侧压力和摩擦力、吊挂电缆荷载、积灰荷载、粮食输送设备荷载、码垛设备荷载等。

在平房仓虚拟仿真实验中，学生先根据粮食堆放形式选择具体仓型及尺寸，然后根据荷载计算和荷载效应组合等设计排架柱或刚架、水平联梁和砌体墙等，砌体墙承载力计算，如图10所示。在平房仓虚拟仿真实验中设计了相应的计算单元的计算简图，根据上述计算过程确定排架柱、水平联梁的配筋。通过对粮仓建筑设计和结构设计主要内容的虚拟仿真操作过程，加深学生对具体公式和概念的理解，打好坚实的基础，为以后的平房仓设计提供完整的知识框架。

4结语

平房仓虚拟仿真实验可以将理论教学、实践教学和仿真实验三者相结合，加深对理论教学的巩固并弥补实践教学的不足，适应培养理论扎实、实践过硬的高质量人才的需要。教师可以将科研成果引入虚拟仿真实验中，拓宽学生的认知视野，培养学生的科研意识和科研精神。虚拟仿真实验中的三维动画将教材里的二维模型空间化、立体化，实现了物理模型与虚拟空间的高度融合，将实际工程与专业知识联通，加深了学生对知识点的理解与记忆。

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“新工科背景下《粮仓建筑与结构》课程仿真实验功能提升及教学改革探索”（202101184010）；河南工业大学一流本科课程“粮仓建筑与结构”（2022）；河南工业大学特色课程“粮仓建筑与结构”（2021）。

参考文献

[1]龚成斌，曹雅仪，王强，等.虚拟仿真实验教学的需求现状——基于西南大学虚拟仿真实验教学需求问卷调查分析[J].西南师范大学学报（自然科学版），2019，44（11）：155-160.

[2]张庆章，陈桂香，静行，等.钢筋混凝土粮食筒仓虚拟仿真实验设计与构建[J].大学教育，202112）： 52-54.

[3]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

[4]庞瑞，王璐，陈桂香，等.土木建筑虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].高等建筑教育，2019，28（6）：107-115.

[5]咸庆军，冯永，陈俊旗.钢筋混凝土筒仓结构实验教学研究[J].实验技术与管理，2017，34（4）：185-188.

[6]宋泽.虚拟仿真实验教学中心建设探析[J].延边教育学院学报， 2021，35（2）：125-127.

[7]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014（9）：82-85.

[8]王振清.粮倉建筑基本理论与设计[M].郑州：河南科学技术出版社，2015.