虚拟仿真技术在钢结构抗火实验教学的应用_隋斌.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 050虚拟仿真技术在钢结构抗火实验教学的应用隋斌a，冉栋刚b，李相辉a，胡蔓b，林春金c(a 山东大学 土建与水利学院;b 资产与实验室管理部;c 岩土与结构工程研究中心，济南 250060)摘要:频发的火灾造成的巨大生命和经济损失提升了人们对建筑抗火性能的要求。但是结构抗火实验具有规模大、成本高、不可触及等特点，因此很难在高校开展相关的结构抗火试验。为了适应土木工程行业发展的需要，培养具有较强创新能力的后备人才，开发了建筑钢结构抗火模拟仿真实验平台，利用计算机技术开展结构抗火仿真实验。教学实践表明，该虚拟仿真实验平台能够摆脱时间和空间的限制，让学生们建立对钢结构建筑在火灾下破坏过程和破坏机理的直观印象，学习抗火实验的步骤、仪器和操作方法等知识，取得了良好的教学效果。关键词:钢结构;结构抗火;虚拟实验;计算机仿真;实验教学中图分类号:TV 554文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0257 04Application of Virtual Simulation Technology in Teaching of SteelStructure Fire esistance ExperimentSUI Bina，AN Donggangb，LI Xianghuia，HU Manb，LIN Chunjinc(a School of Civil Engineering School;b Department of Assets and Laboratory Management;c Geotechnical andStructural Engineering esearch Center，Shandong University，Jinan 250060，China)Abstract:The big loss of life and economy caused by fires attracts the attention on the fire resistance of buildingsHowever，there are many disadvantages on carrying out the structural fire resistance capacity experiment for the largescale of the test equipment，high cost of the test specimens and inaccessibility of the test progress，so it is difficult toconduct structural fire resistance tests in universities In order to meet the needs of the development of civil engineeringindustry and to cultivate talents with strong innovation ability，a simulation experiment platform is developed to carry outsteel structural fire resistance experiments by using computer technology The teaching practice shows that the virtualsimulation experiment platform can get rid of the limitation of time and space in carrying out the experiment Studentscan establish an intuitive impression of the damage process and damage mechanism of steel structure buildings underfire，and learn the steps，instruments and operation methods of fire experiments，which has achieved good teachingeffectKey words:steel structure;fire resistance;virtual experiment;computer simulation;experimental teaching收稿日期:2022-02-18基金项目:山东大学实验室建设与管理研究项目(sy20201302)作者简介:隋斌(1981 )，男，山东滨州人，博士，工程师，主要从事土木工程实验教学实践及管理研究。Tel:13884988383;E-mail:suibin666163 com0引言在人们的生产、生活中各类建筑的火灾事故时有发生，造成了巨大的财产和生命损失。例如 2001 年的911 事件中的火灾导致了世贸中心发生坍塌，造成了数千人的伤亡和超 2000 亿美元的经济损失1;2019年著名的巴黎圣母院也因为大火被严重损坏2。在第 42 卷我国，每年因火灾造成的损失也十分巨大3。因此研究各类建筑物4，尤其是钢结构的抗火性能，已经成为国内外学者的一个研究热点5。如果在建筑结构的设计阶段考虑建筑物的防火能力，能够显著提升建筑物在火灾发生时的抗倒塌能力，为建筑物内部人员逃生和及时扑灭火灾争取宝贵的时间。因此很有必要针对土木工程专业的学生开设建筑火灾类的实验课程。英国 BE 集团在上世纪 90 年代就已开展了整体实验研究楼房抗火性能。目前我国高校的结构抗火实验室建设也取得了明显的进展，尤其是同济大学、东南大学等“双一流”高校已经开设了结构抗火的相关实验课程，取得了一定的效果。但是建设实体火灾实验室成本高昂，开展抗火实验成本也居高不下。例如济南汉峪金谷项目综合楼建设过程中，进行一次防火试验就需要近800 万元的成本6。即使是建成的结构抗火实验室仍然会有占用场地大、使用效率低等后续问题，因此难以在学校内开展结构抗火实验教学，非常不利于培养适应行业发展需求的新型专业人才。相对于开展实体试验，基于计算机技术的虚拟仿真实验则具有实验成本低、过程安全以及周期短等优点，非常适合在高校的本科教学中应用，补充一些难以开展的实体实验8。目前虚拟仿真实验平台已经在力学8、核工程9、电子10、物理11、生物12、医学13 等专业应用，取得了良好的教学效果。但是目前虚拟仿真实验在结构抗火实验中还未得到应用。建设虚拟仿真实验平台取代实体的结构抗火实验，能够充分帮助学生学习结构抗火的设计理念，充分理解火灾下结构破坏的机理，保障实验过程的安全性，提升实验教学的效果，是结构抗火实验的势在必行的发展趋势。我校建立的建筑钢结构抗火虚拟仿真实验平台可以分析结构抗火虚拟仿真实验的开展内容和方式，为促进虚拟仿真实验平台在结构抗火领域的应用提供借鉴。1虚拟仿真结构抗火实验的优势1 1保障实验安全，降低实验成本相比于一般的土木工程力学实验，结构抗火实验具有一定的特殊性。例如抗火实验产生的温度高达1 000以上，具有极大的火灾隐患;若通过点燃可燃物的方式进行升温会产生大量的高温烟气，损害实验人员的健康;耐高温的特制实验装备价格昂贵且功能有限，影响实验结果等14。以上特点导致高温实验具有较大的危险性，开展高温实验不仅需要配置相关的实验设备和仪器，更需要培养专业的实验室管理人员，因此大部分高校没有意愿去建设实体的结构抗火实验室，也无法开展相关的结构抗火实验，严重影响了该专业的教学效果。随着计算机技术的快速发展，线上教育模式也逐步流行，建设线上虚拟实验平台开展结构抗火实验具有诸多优势。首先线上虚拟仿真结构抗火实验建设成本低，既不需要实验设备和场地的建设费用，也不需要实验构件和耗材的费用;其次虚拟实验平台不需要配置真实的实验设备、仪器等，一方面能够保证实验的逼真度，另一方面也能够减少设备的后期维护成本，后期只需要对计算机硬件进行必要的维护即可;另外开展虚拟仿真实验可以不受时空限制，尤其对于多校区办学的高校来说，开展虚拟仿真实验更可以避免实验室的重复建设，并且参与实验课程学习的学生可以在虚拟实验平台上进行多次练习操作，根据自身情况进行针对性学习。1 2实验过程可视化，弥补传统实验不足结构抗火实验过程耗费时间长，且构件的加载需要在密闭的试验炉内进行，如图 1 所示，整个实验过程中构件受温度影响产生的变化、破坏过程等不能实时观测，因此学生只能凭想象进行学习而缺少直观的感受，不利于掌握核心知识。但是通过虚拟仿真实验，则可以在实验过程中的任意时间、从任意角度观测构件的变化，如图 2 所示。此外，学生还能够改变构件信息、火灾工况等，通过实验结果建立直观印象，加深对火灾下结构破坏机理的理解，弥补传统实验教学中不可视、不可交互的缺陷。图 1某高校建设的结构抗火实验炉图 2结构抗火虚拟仿真实验1 3激发学生的学习兴趣，训练创新能力为了配合 中国制造 2025 的战略计划，培养新一代的后备技术人才，需要对传统的教育方式进行改革，着重培养学生们的动手能力和创新能力。通过建设虚拟仿真实验平台，能够有效降低开展实验学习的门槛，852第 1 期隋斌，等:虚拟仿真技术在钢结构抗火实验教学的应用为学生们提供更灵活、更具有趣味性的学习方式。学生们可以通过虚拟实验平台进行反复操作，提高自己动手解决实际问题的能力;通过对实验过程和实验现象的观察，加深对相关理论知识的理解，利用教学信息化实现“处处能学、时时可学”的便利，增强学生们学习效率与效果。在每个虚拟的单项试验后都预留了相关的拓展思考问题，通过若干问题引导学生对构件参数、火灾下的荷载比、边界条件等关键因素对实验结果的影响进行思考，通过虚拟仿真的试验软件，为学生搭建了一个结构设计方面的创新平台，在足够的创新空间里激发他们的创新思维，挖掘创新潜能。2虚拟仿真抗火实验教学的内容2 1钢结构抗火基本原理学习建设的建筑钢结构抗火虚拟仿真实验项目的主要交互界面如图 3 所示，学生可以在实验平台里面通过漫游从各个视角对抗火实验室及高温试验炉各部分的构造细节进行认识。在实验前学生可利用实验平台内部预置的自主学习部分对相关的基础知识进行学习，包括钢材在高温下的劣化规律、高温下钢材的物理特性、传热学的基本知识、典型结构构件在高温下的设计原理等，如图 4、5 所示，帮助学生分析并理解实验结果，提升实验教学的质量及效果。在自主学习完成后对相关基础知识的掌握情况进行自我检测，见图 6。图 3建筑钢结构抗火虚拟仿真实验试验炉图 4建筑结构抗火背景知识学习图 5建筑结构抗火虚拟仿真实验实验原理学习图 6建筑结构抗火虚拟仿真实验基础知识考核2 2基本钢构件火灾仿真实验本虚拟仿真实验平台可进行基本钢构件抗火实验以及钢框架结构抗火实验等两大类实验。其中基本钢构件抗火实验包括受弯构件抗火实验、普通受压构件抗火实验以及受约束受压构件抗火实验等。以受弯构件抗火实验为例，学生可以自主设计构件的截面形式和尺寸大小等基本参数，如图 7 所示，同时在实验中还可以选择不同的构件防火保护层的厚度等参数。在布置完实验场景并开始实验后，平台根据设置的实验参数进行参数化建模并提交计算，实验人员可以查看系统返回的实验结果，如图 8 所示，并根据掌握的建筑结构抗火的相关知识判断构件是否满足抗火的需求。若构件失效破坏则需对构件进行重新设计，并重新开始实验直至构件能够满足抗火设计需求，完成基本结构构件防火实验。图 7受弯梁构件抗火实验图 8受弯构件抗火实验结果2 3钢框架火灾仿真实验在完成受弯构件、受压构件等基本构件的仿真抗火实验后，学生可以对于钢结构构件在火灾下的受力性能建立一定的认识，在此基础上学生可以进一步开展整体钢框架抗火实验(见图 9)。整体钢框架结构由受弯构件梁、和受压构件柱等基本构件组成，通过钢框架结构抗火实验可以反映钢结构建筑的整体抗火性能。与基本钢构件火灾仿真实验类似，学生可以自主选择梁柱之间的约束形式、钢框架的层高、钢框架的层数、梁柱间距、梁柱构件截面形式与尺寸等基本参数。952第 42 卷在实验开始前平台会给出钢框架的着火位置以及火荷载大小，并根据建筑结构荷载规范15 确定钢框架的荷载大小。学生应根据实际情况对钢框架的构件进行防火保护设计。在设计完成后，平台将钢框架模型提交计算，并输出钢框架的变形、内力等结果，学生需要根据结果判断钢框架是否满足抗火要求，若不能满足要求则需要重新进行防火保护设计并开始实验(见图 10)。当实验完成后，学生需要将自己的虚拟仿真实验结果保存，结合基础理论知识对实验结果进行简要分析论述，形成实验报告并在系统提交。图 9建筑钢框架抗火实验图 10建筑钢框架抗火实验结果3虚拟仿真抗火实验成效3 1提升实验教学效果虚拟实验平台能够避开实体实验教学的劣势，以较低的成本为学生们提供参与防火试验的机会。并且基于本平台开展的实验教学，可以采取灵活的上课方式，将学生和老师从固定的时间和地点解放出来，借助互联网技术实现“处处能学、时时可学”的效果。在实验内容上，本平台突破了常规实体试验中全班同学只有同一套实验方案的现象，可以在实验课上为每位同学提供由不同参数组合成的实验方案，为实验人员提供足够的学习和发挥空间，充分激发学生们的积极性和解决实际工程问题的能力。虚拟仿真实验突破了传统实体实验过程不可视、实验结果有限的问题，能够通过逼真的效果和丰富的实验结果，激发学生对结构抗火知识的学习兴趣，明显提高实验教学效果，学生们在有趣的实验中，建立了对建筑火灾的危害的认知，掌握了建筑结构抗火的设计方法，让学生们离开校园后，无论在设计、施工还是研发岗位上都能从建筑钢结构抗火仿真实验的学习中受益。3 2教学资源共享，提供社会服务本虚拟仿真实验平台建成后，在 2017 年开始向我校土木工程相关专业的学生提供相关课程服务，建筑钢结构抗火虚拟实验已经纳入教学计划，至今已经为超过 800 名本校学生提供服务，取得了良好的教学效果。此外，基于学院的实验中心平台，本平台也已经通过互联网面向社会开放运行，目前在国内 10 余所高校相关课程的实验教学中得到了应用，并且也在建筑设计院、地方消防训练平台等社会单位中也得到了应用，累计为超过 3 000 人提供了仿真实验服务，节省了宝贵的社会资源。未来将通过应用反馈对本平台进行持续建设，并吸收新的科研成果完善实验教学内容，全面提升用户的使用体验。4结语我校根据学科发展趋势以及培养创新型人才的实际需求，建立了建筑钢结构抗火模拟仿真实验平台，在线上开展结构抗火仿真实验教学，弥补了实体实验成本高、危险性大、实验过程不可及的缺点。通过该仿真实验平台，可以进行普通钢构件的抗火性能实验以及钢框架的抗火性能实验。教学实践表明，该平台能够摆脱时间和空间对于实验教学的限制，为学生们提供大量实际动手的机会，让学生们通过实验对火灾下钢结构的破坏机理建立了直观印象，提高了学生们运用理论知识进行综合设计、解决实际工程问题的能力，增强了学生的创新创造能力，实验教学质量得到了明显提升，取得了良好的效果。参考文献(eferences):1eibman Joan，Levy-Carrick Nomi，Miles Terry，et al Destruction ofthe world trade center towers lessons learned from an environmentalhealth disaster J Annals of the American Thoracic Society，2016，13(5):577-5832周义棋，田向亮，钟茂华 基于微博网络爬虫的巴黎圣母院大火舆情分析 J 武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2019，41(5):461-4663王阳，施式亮，李润求，等 2013 2016 年全国火灾事故统计分析及对策 J 安全，2018，39(11):60-634You Y，Liu M，Liu Y，et al Experimental studies on thread-fixedone-side bolted T-stubs in tension at elevated temperaturesJJournal of Constructional Steel esearch，2020，171(1):1061395Wang P，You Y，Liu M，et al Behavior of thread-fixed one-sidebolted T-stubswithbackingplatesatambientandelevatedtemperaturesJ Journal of Constructional Steel esearch，2020，170:1060936李二庆，王红霞 汉峪金融区 打造“金名片”富达装饰集团汉峪金融商务中心 A3 地块 5 号楼幕墙工程施工纪实J 中国建筑装饰装修，2016(5):22-257程实，李跃华，陈晓勇 云计算架构下的虚拟仿真实验平台建设 J 实验室研究与探索，2020，39(12):238-241(下转第 310 页)062第 42 卷果进行积分处罚管理，重新进行安全准入考试或不可预约仪器设备。因此，通过设备共享能够有效地执行开放共享制度，遵循规范预约使用流程，创建良好的共享环境。(3)落实责任管理制度。设备预警可以自定义设置多级预警管理机制，有效落实仪器设备共享责任。每台仪器设备设置专人专管，仪器设备预警提示后，首先通知仪器管理员，由仪器管理员进行处理，当仪器管理员处理结果不当或延时未处理时，触发二级预警，系统会将预警信息送达机构管理员，由机构管理员督促设备管理员及时处理预警事件;如二级预警也无法进行处理时，系统将触发三级预警，将事件推送到实验室与设备管理处平台管理员，到最终完成事件处理;实现多级预警，层层递进，切实改正弊端，责任落实到个人。(4)智能化的全新体验。人脸识别技术目前是一项成熟的应用技术，通过 AI 人工智能技术和硬件设备实现人脸识别、语音识别、红外测温等功能;人脸识别终端应用活体检测技术，识别业务场景中的用户是否为真人，有效抵御照片、视频等行为，验证是本人后，根据人物指令自动开启门禁，通过语音控制仪器设备的开、关机，无须摘下口罩，全程智能化共享使用仪器设备，无须触控，提升共享使用体验，提高实验室安全性，且有效地避免因实验室人员流动复杂而产生交叉感染。4结语实验室仪器设备共享效益的提升和安全管理一直是实验室仪器设备开放共享的重点工作，设备预警在共享效益提升的过程中提供的是方法，执行的方式也很重要，须找到适合本单位的管理模式。共享效益的提升是一个长期积累的过程，要在日常的管理中去思考、调整和改变。在安全管理方面，将人脸识别技术应用到实验室安全管理，人脸识别终端通过对人脸权限分析，实现逻辑鉴权，语音控制实现无接触开关仪器设备智能化的安全管理，同时在当前疫情零星出现的常态化管理大环境下也能降低感染风险。在未来的大型仪器设备共享管理平台会有更多智能化的产品以及更深层次的管理模块，需要在实践中去探索、创新和发现，不断推进大型仪器设备开放共享工作的健康发展。参考文献(eferences):1国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见:国发 2014 70 号2王文君，胡美琴，付庆玖，等 高校大型仪器设备开放共享的探索与实践 J 实验技术与管理，2021，38(1):231-2343王玲玲，张宗文 分享经济视野下科研仪器设备开放共享若干问题思考 J 实验室研究与探索，2020，39(1):289-2924金雪明，黄小波，谢庆平，等 新冠疫情下实验室安全应急防控体系构建 J 实验室研究与探索，2021，40(7):295-2995胡国强，杨彦荣 智慧教育北京下高校智慧实验室的构建和研究J 实验技术与管理，2021，38(3):283-2876孙江，刘存海，李荫 基于物联网和主动学习模式的开放实验室建设 J 实验技术与管理，2017，34(4):163-1657薛俊伟，刘雨濛 物联网技术在高校大型仪器管理中的应用J信息技术与信息化，2021(2):145-1478李娟，蓝秀健，张选红，等 高校仪器共享服务的人文化管理模式探讨和实践J 实验室研究和探索，2020，39(10):274-2769周玉宇，张龙钊，王睿，等 贵重仪器设备共享的柔性激励机制设计J 实验技术与管理，2015，32(4):7-10 10吴炳坤 移动互联网大数据分析及应用探讨J 信息与电脑，2019(12):180-182 11王文虎，张德祥，李晓鹏 基于移动互联网的大型仪器设备共享管理模式研究J 信息与电脑，2019(15):176-179 12屠盈盈，俞新武 基于智能移动终端的区域仪器设备共享机制探究 J 实验室研究与探索，2017，36(4):262-266 13李春梅，何洪，程南璞，等 高校大型仪器设备共享管理模式和运行机制探讨J 西南师范大学学报(自然科学版)，2018，43(2):83-88 14王文俊，沙锋，戴文彬，等 移动物联管理平台推动校企仪器资源共享的探究J 实验室研究与探索，2021，40(7):274-278 15熊伟，黄玉钗 高校实验室“自助共享”式智慧管理J 实验技术与管理，2020，37(10):259-262 16肖娜，胡蓉蓉，马超，等“双一流”建设背景下大型仪器设备开放共享平台构建与管理机制研究J 中国现代教育装备，2021(13):檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿4-7(上接第 260 页)8耿志挺，陈学军 材料力学虚拟仿真实验系统的设计与开发J 实验室研究与探索，2019，38(5):98-1019吴攀，单建强，张博 虚拟仿真实验在核工程与核技术专业中的应用 J 实验室研究与探索，2018，37(4):102-106 10高娟，李峰 虚拟仿真技术在应用电子技术专业课程教学中应用的探索与实践J 电子技术，2013，42(12):60-62 11杨智慧，刘海林，王晓峰 康普顿散射虚拟仿真实验设计及教学实践J 实验室研究与探索，2021，40(3):102-106 12何磊，陈欣，唐建军 虚实结合的生态学实验教学体系构建 J 实验室研究与探索，2021，40(6):187-190 13周倩倩，朱爱勇，曹文婷 虚拟仿真技术在助产专业教学中应用 J 实验室研究与探索，2021，40(7):237-240 14Wang Peijun，You Yang，Xu Qingfeng，et alShear behavior oflapped connections bolted by thread-fixed one-side bolts at elevatedtemperatures J Fire Safety Journal，2021，125:103415 15中华人民共和国建设部 建筑结构荷载规范 M 北京:中国建筑工业出版社，2006013