1、实验原理

本项目结构抗火实验包括钢筋混凝土板、混凝土梁以及钢结构承重墙抗火实验，其实验原理为：根据本科课程《混凝土结构设计基本原理》和《钢结构设计基本原理》，确定实验用的混凝土和钢结构试件的参数规格；根据国家规范GB/T9978 建筑构件耐火试验方法的规定，利用大型水平炉抗火实验系统进行混凝土板和梁抗火实验，利用大型垂直炉抗火实验系统进行钢结构承重墙抗火实验，获取混凝土及钢结构构件的受火破坏现象与特征，确定混凝土及钢结构实验构件的耐火极限。

2、实验过程、方法

本项目采用虚实结合的实验方法，通过课堂理论学习，掌握基本实验理论和知识点；通过线上虚拟实验设备学习，并结合参观本校的城市地下空间火灾防护重点实验室以及工程结构火安全重点实验室加深理解；通过本虚拟仿真实验在网页端的“学习模式”，进行虚拟仿真实验线上学习与练习，结合手机端的APP程序进行线下学习与练习；通过命题式考核以及知识点考核，完成该课程的实验教学考核。校内学生通过身份认证即可登录进行虚拟仿真实验，校外用户需首先进行注册，注册成功后可登录进行虚拟仿真实验。

          在线课程理论学习                        虚拟仿真实验网页端学习模式

          虚拟教具APP下载链接                      手机端APP程序学习模式                      

3、面向学生要求

（1）专业与年级要求

①土木工程专业本科三年级学生、土木工程专业研究生，作为专业学习的必要实践环节；

②建筑类、安全工程、消防工程等工科专业本科学生的通识实验教学，作为知识拓展的补充手段；

③非工科专业的学生，可初步了解建筑火灾的发展过程，普及结构抗火基础知识。

（2）基本知识和能力要求

进行本项目实验学习的学生，应掌握土木工程的基础知识，选修了《土木工程概论》课程，原则上还应学习了《结构力学》、《混凝土结构设计基本原理》、《钢结构设计基本原理》等专业课程，对结构设计以及防灾减灾有基本性了解。

4、实验步骤要求

（1）实验认知与人员准备

“实验认知与人员准备”模块中，通过知识点学习，对建筑结构抗火实验建立整体性认识。实验人员进入实验大厅后，通过漫游功能可以在虚拟实验大厅行走，并通过点击大厅中虚拟设备的形式，了解抗火实验设备的相关功能。

虚拟实验大厅漫游

（2）实验模型制作与安装

“实验模型制作与安装”模块中，学习者根据所掌握的结构抗火设计基本原理，选定实验模型的基础参数，并且亲自动手完成实验模型的制作与安装全过程，从而加深对前期所学习的土木工程专业课程的认识。本模块中，学生利用鼠标对屏幕显示界面的实验材料进行拖拽或点击动作，进行实验模型的制作；通过控制屏幕显示界面的操作手柄，完成行车吊装作业以及抗火试验炉的行走等。

      钢龙骨拼装                自攻螺钉位置绘制                 自攻螺钉安装

     钢龙骨骨架吊装                   螺栓安装位置绘制              螺栓安装 

 背火侧基层墙板安装     背火侧填充层安装        背火侧面层墙板安装      热电偶线安装          

（3）实验设备准备与控制

现实中的大型土木工程实验普遍都是由专业实验人员进行现场操作。利用虚拟仿真技术，可以使学生在“实验设备准备与控制”模块中，亲自操作大型抗火实验设备，加深其对建筑结构抗火试验的认识与理解。

  抗火试验炉移动与就位               脚手架安装              传感器与采集设备连接

   实验大厅地面引导提示            加载系统设置              抗火试验炉控制系统设置

（4）抗火实验开启与停止

本模块中，点击“开始实验”，炉体点火，正式开启实验。实验过程中，可移动摄像机镜头，可切换炉内及炉外视角。本模块的突出特点是实时显示模型变形曲线及温度曲线，并且真实呈现了实验模型受火烟气释放、开裂、防火板脱落等重要的结构抗火实验现象。实验结束后点击“拆除”按键，可观察钢结构构件的受火屈曲模态。

 模型变形曲线及温度曲线实时呈现           试验中烟气释放          实验中防火板开裂

   实验中防火板脱落              实验停止前提示           钢结构受火屈曲模态

（5）实验分析与总结

本模块中，点击“实验结果分析”，分析实验图像与结果曲线；点击“实验报告”，进入实验报告填写界面，完成知识点考核题目，填写实验记录，分析结果，提交报告。

一、项目负责人简介

陈伟，中国矿业大学结构工程、防灾减灾工程学科带头人专业助手，校优秀青年骨干教师，中国建筑学会结构抗火专业委员会委员，江苏省地震学会地震工程委员会委员、徐州市工程结构火安全重点实验室主要负责人，工程科学学报（EI源刊）学术编辑，建筑结构学报、ASCE Journal of Structural Engineering、Construction & Building Materials、Thin-Walled Structures等国内外期刊审稿人，中国大学MOOC“土木工程防灾与减灾”在线课程负责人，主要从事钢结构抗火研究，主持国家自然科学基金青年基金、十三五国家重点研发计划课题子题、江苏省自然科学面上及青年基金、国家自然科学基金重点项目子题、公安部重点试验室重点项目等十余项项目研究工作。

二、教学获奖、教学研究论文

          江苏省青年教师讲课竞赛                                                               江苏省高校微课教学比赛

    工业与信息化教育                                         高等建筑教育                                         住建部“十三五”规划教材

三、学术研究情况        

1、学术研究课题

本虚拟仿真课程为探索研究类实验，涉及高危极端环境，高成本、高消耗以及不可逆操作等问题，需要科学研究项目及成果提供支撑。近5年，团队主要成员承担与本项虚拟仿真项目（即结构抗火）相关的科研项目9项，如下：

[1] 叶继红.国家自然科学基金重点项目，多层轻钢龙骨式复合剪力墙结构体系创新、基础理论与设计方法研究，2016/01-2020/12，结题

[2] 陈伟.江苏省自然科学基金面上项目、轻钢龙骨复合墙体真实火灾全过程解析与等效爆火研究、2020.07・2023.06，在研

[3] 陈伟.中国矿业大学重大项目培育专项、大尺度隧道结构火灾安全综合试验系统、2020.06-2024.05，在研

[4] 陈伟.徐州市重点研发计划、装配式轻钢一混凝土板组合结构体系抗火关键技术应用研究、2020.08-2022.07，在研

[5] 陈伟.国家自然科学基金（青年）项目、火灾诱发多层轻钢复合墙体结构失效理论及倒塌仿真研究、2016/01-2018/12，结题

[6] 陈伟.江苏省自然科学基金（青年）项目、标准及震后火灾下新型轻钢复合墙体力学性能及失效机理研究、2015/07-2018/06，结题

[7] 陈伟.建筑消防工程技术公安部重点实验室重点项目、新型装配式轻钢结构受火连续倒塌仿真技术研究、2016/01-2018/12，结题

[8] 姜健.国家自然科学基金（面上）项目，考虑火灾蔓延和降温影响的高层钢框架结构连续倒塌机理与设计理论研究，2021.1-2024.12，在研

[9] 姜健.国家自然科学基金（青年）项目，火灾下高层建筑钢框架结构连续性倒塌的模式与设计方法研究，2015.1-2017.12，在研

2、学术研究论文

团队主要成员近5年发表与虚拟仿真项目（即结构抗火）密切相关的学术论文80多篇，限于篇幅，列举5篇代表性成果如下：

[1] Wei Chen, Jihong Ye, Yukui Tong, Yu Bai, Jian Jiang, Kun Liu, Wenwen Chen, Liang Yin, Influence of board joint configurations on the fire performance of cold-formed steel walls,Journal of Constructional Steel Research, 2021, 179, 106553（SCI收录,JCR一区）

[2] Wei Chen, Kun Liu, Jihong Ye, Jian Jiang, Changzheng Xu, Lei Jin, Meng Zhang, High-temperature steady-state experiments on G550 cold-formed steel during heating and cooling stages,Thin-Walled Structures, 2020, 151, 106760(SCI收录,JCR一区)

[3] Wei Chen, Jihong Ye, Lei Jin, Jian Jiang, Kun Liu, Meng Zhang, Wenwen Chen, Hua Zhang, High-temperature material degradation of Q345 cold-formed steel during the full-range compartment fires, Journal of Constructional Steel Research, 2020, 175, 106366(SCI收录,JCR一区)

[4] Wei Chen, Jihong Ye, Qingyang Zhao, Jian Jiang, Kun Liu, Meng Zhang, Changzheng Xu, Mid-scale and full-scale experiments of cavity-insulated gypsum and calcium-silicate sheathed CFS walls under different fire exposures,Thin-Walled Structures, 2020, 155, 106928(SCI收录,JCR一区)

[5] Wei Chen, Jihong Ye, Qiang Wang, Jian Jiang, Yafei Qin, Postearthquake fire performance of cavity-insulated CFS shear walls with gypsum and calcium-silicate sheathing,Thin-Walled Structures, 2020, 148, 106597 (SCI收录,JCR一区)

火灾是威胁公众安全、危害人民生命财产安全的重要灾害。充分了解火灾发展规律,掌握建筑结构耐火性能是土木工程技术人员的重要学习与工作内容。然而，大型火灾实验普遍存在的高成本、高消耗和高安全风险等不利因素，学习者很难有机会现场观摩。

中国矿业大学结构抗火虚拟仿真实验，依托土建类人才国家级工程实践教育中心、江苏省城市地下空间火灾防护重点实验室等省部级以上的重要教学科研平台，服务于《土木工程防灾与减灾》专业课程实践教学，解决了实体火灾实验普遍存在的高成本、高消耗、高安全风险的不利问题，体现了从火灾温度场到结构抗火的连贯性教学内容。

学习者可利用教学平台中的虚拟教具以及虚拟微试验课程进行知识点预学习。在结构抗火虚拟仿真实验中，可实现双人协同操作。学习者通过虚拟实操，再现了典型混凝土构件及钢结构构件的抗火实验全过程，真实呈现了构件制作与装配过程、实验参数设置、以及实验过程中的水渍产生、裂缝发展、防火板脱落等重要现象。通过实验的学习，学习者能够理解一般室内火灾与大空间火灾的差异性，掌握如何通过改变截面尺寸以及保护层厚度的方式提高混凝土构件的耐火性能，如果通过改变防火构造提高钢结构构件的耐火性能，从而加深对结构抗火基本原理的正确认识。

           AR互动仿真教具系统                         虚拟微试验课程

       虚拟教具——大型垂直炉试验系统                   虚拟教具——墙体模型

                   虚拟仿真实验（多人协同操作）                                                      手机端APP程序学习模式

（1）根据本科课程《混凝土结构设计基本原理》和《钢结构设计基本原理》，确定实验用的混凝土和钢结构试件的设计规格；

（2）根据国家规范GB50016《建筑设计防火规范》确定建筑结构构件的耐久等级及耐火极限要求；

（3）根据本科课程《土木工程防灾与减灾》以及国家规范GB51249《建筑钢结构防火技术规范》选定混凝土以及钢结构构件的防火保护措施；

（4）根据国家规范GB/T9978 《建筑构件耐火试验方法》，利用本项目虚拟仿真实验平台的大型水平炉抗火实验系统进行混凝土板和梁构件抗火虚拟仿真实验，利用大型垂直炉抗火实验系统进行钢结构承重墙抗火虚拟仿真实验，获取混凝土及钢结构构件的受火破坏现象与特征，确定混凝土及钢结构实验构件的耐火极限; 

（5）通过探索性实验过程，掌握混凝土及钢结构实验构件的抗火性能提高原理与措施。

中国矿业大学力学与土木工程学院开发的“建筑结构抗火虚拟仿真实验”，直接服务于《土木工程防灾与减灾》等专业课程实践教学。结合虚拟仿真技术，达到以下教学目的：

（1）了解建筑火灾发展实验和结构抗火实验的主要设备及其功能；

（2）了解建筑火灾从引燃、发展、蔓延到衰减的全过程，加深对于一般室内火灾与大空间火灾的差异性的理解与认识；

（3）了解结构抗火试验方法；掌握建筑耐火等级与结构耐火极限要求，掌握结构构件耐火极限判定准则；了解典型混凝土结构与钢结构构件的受火破坏现象与特征；掌握混凝土结构及钢结构构件的抗火性能提升措施。

通过上述过程实验教学过程，学习掌握了课程知识点；通过实验探索过程，培养学生解决复杂问题的综合协作能力和高级思维，并且弘扬了社会主义核心价值观，促使学生自觉建立起对社会的一份责任感与担当意识。

设立“命题式考核模式”，注重创新能力培养。命题随机出现，学生有自由发挥空间，鼓励学生反复实验，直至达到满意答案，体现科学研究与探索的严谨性，提高学生解决实际问题的能力。课程采用预习成绩、操作成绩、实验报告、教师评价报告综合进行成绩评定，达到“预习，学习，练习，考核”四位于一体的学习模式，具体如下：

①设立“自主式学习模式”，强调学习自主化，学习者可以根据语音提示以及步骤引导，能够自主完成本虚拟实验内容，课程理论学习部分设置答题形式的知识点考核，操作过程部分设置操作步骤考核，针对学生预习成绩、操作成绩进行评定。

操作步骤成绩评定

②实验报告部分需要结合试验图片完成现象描述记录，并要求学习者根据实验曲线自主判定与输入实验结果，进行实验报告考核。

③根据学生课程学习情况记录、操作情况、实验报告，教师对学生课程学习出具评价报告，用于学生成绩评定。