虛擬仿真軟件在建環(huán)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張鵬 吳曉南 馬紅艷

摘要：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)城市燃?xì)夤こ谭较蚬芫W(wǎng)規(guī)劃類畢業(yè)設(shè)計(jì)受水力計(jì)算手段限制，存在管網(wǎng)方案布置不盡合理、水力計(jì)算效率低、工況分析不全面等問題，將虛擬仿真模擬軟件作為新的教學(xué)手段引入畢業(yè)設(shè)計(jì)，可明顯改善這一狀況。文章分析了水力計(jì)算手段對(duì)管網(wǎng)規(guī)劃類設(shè)計(jì)的影響，對(duì)適用于畢業(yè)設(shè)計(jì)的虛擬仿真模擬軟件進(jìn)行了介紹，將在畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬仿真軟件作為輔助設(shè)計(jì)手段前后的設(shè)計(jì)效果，從軟件使用前后規(guī)劃方案的變化、水力計(jì)算能力、事故工況分析能力、新題目的出現(xiàn)與完成四個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示，虛擬仿真軟件可明顯提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；畢業(yè)設(shè)計(jì)；建環(huán)專業(yè)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2018）05-0154-05

畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生繼理論學(xué)習(xí)、基本技能訓(xùn)練之后的最后一個(gè)本科工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、鞏固工程設(shè)計(jì)方法和技能、培養(yǎng)良好的職業(yè)道德及事業(yè)心、形成較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)和協(xié)作精神等具有十分重要的意義。

學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱“建環(huán)”專業(yè)）于2001年開設(shè)，下設(shè)城市燃?xì)夤こ毯凸嵬L(fēng)與空調(diào)工程兩個(gè)方向。其中，城市燃?xì)夤こ谭较蚴潜緦I(yè)的特色與優(yōu)勢(shì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇城市燃?xì)夤こ谭较虻膶W(xué)生人數(shù)逐年增加，2015年、2016年選擇城市燃?xì)馀c暖通空調(diào)的比例達(dá)到了2.48∶1、4.67∶1，燃?xì)夤こ谭较蚬芫W(wǎng)規(guī)劃類設(shè)計(jì)分別占設(shè)計(jì)總數(shù)的41.1%、52.9%。越來越多的學(xué)生選擇管網(wǎng)規(guī)劃類題目，這對(duì)提高這類畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量提出了更高的要求。筆者所在的西南石油大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)近年來積極探索畢業(yè)設(shè)計(jì)的有效方法，將虛擬仿真軟件引入畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過多年探索與實(shí)踐，取得了一定效果，提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

一、畢業(yè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與不足

（一）畢業(yè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

在選題和審題工作上，做到了“一人一題”，畢業(yè)設(shè)計(jì)題目均由導(dǎo)師結(jié)合實(shí)際工程布置。第7學(xué)期中期啟動(dòng)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。教師立題，通過教研室審核修定。開動(dòng)員會(huì)，集中向?qū)W生講解畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)事宜。師生雙向選擇后確定畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，然后教師下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，指導(dǎo)學(xué)生開展查找資料、實(shí)地調(diào)研等相關(guān)工作。學(xué)生可以在寒假或第8學(xué)期第一個(gè)月的畢業(yè)實(shí)習(xí)期間查找相關(guān)資料，為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）做好充分準(zhǔn)備。畢業(yè)實(shí)習(xí)結(jié)束后學(xué)生提交開題報(bào)告并進(jìn)行開題答辯，再經(jīng)過評(píng)閱審閱、畢業(yè)答辯等環(huán)節(jié)，獲得畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)。部分課題采用校內(nèi)外指導(dǎo)教師聯(lián)合指導(dǎo)方式，學(xué)生可以在設(shè)計(jì)院等校外單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以由校外教師到校內(nèi)進(jìn)行輔導(dǎo)，校外指導(dǎo)教師經(jīng)驗(yàn)豐富，這部分學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)一般較好[1]。

（二）畢業(yè)設(shè)計(jì)存在的不足

燃?xì)夤こ谭较虻墓芫W(wǎng)規(guī)劃類設(shè)計(jì)是學(xué)校建環(huán)專業(yè)完成數(shù)量最多、占比最大的一類設(shè)計(jì)，該類題目的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)建環(huán)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)整體影響較大。完成了十余屆管網(wǎng)規(guī)劃類設(shè)計(jì)，經(jīng)過十余年的探索與實(shí)踐，學(xué)校建環(huán)專業(yè)已積累了豐富的管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取得了一定的效果，但仍然存在一些問題。

對(duì)于管網(wǎng)規(guī)劃類設(shè)計(jì)，水力計(jì)算能力及手段至關(guān)重要，方案選擇是否合理、計(jì)算數(shù)據(jù)是否可靠、工況分析是否全面都有賴于水力計(jì)算手段是否先進(jìn)。學(xué)校引進(jìn)虛擬仿真軟件之前，畢業(yè)設(shè)計(jì)采用手工計(jì)算方式，處理數(shù)據(jù)能力極其有限，效率很低，使得方案選擇、計(jì)算過程、工況分析受到制約。在布置管網(wǎng)時(shí)，受計(jì)算能力的限制，環(huán)數(shù)較少，一般課程設(shè)計(jì)四個(gè)環(huán)左右，畢業(yè)設(shè)計(jì)最多十幾個(gè)環(huán)，與實(shí)際工程差別很大。在對(duì)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行手工計(jì)算及平差時(shí)，僅能得到某特定工況下的計(jì)算參數(shù)，不能進(jìn)行變工況計(jì)算分析，計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不佳。這樣學(xué)生整個(gè)設(shè)計(jì)花費(fèi)在管網(wǎng)計(jì)算上的時(shí)間較多，而沒有足夠的精力去探究氣源數(shù)量及位置對(duì)管網(wǎng)的影響，以及管道流量、壓力、管徑之間的相互影響等更深層次的問題，無法深入理解管網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律，難以達(dá)到理想的畢業(yè)設(shè)計(jì)效果。為此，研究新的畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)手段作為傳統(tǒng)教學(xué)手段的補(bǔ)充，幫助學(xué)生真正理解城市管網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律和工況變化過程，以提高畢業(yè)設(shè)計(jì)效果。

二、虛擬仿真軟件在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索與實(shí)踐

（一）虛擬仿真軟件的選擇

燃?xì)夤艿婪抡媸菍?duì)管道系統(tǒng)特性進(jìn)行描述的一種手段，通過計(jì)算機(jī)程序來完成，可自動(dòng)地將系統(tǒng)的壓力、流量與管線各截面的流動(dòng)特性聯(lián)系起來，在設(shè)計(jì)階段用做方案比較和優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行燃?xì)夤艿婪€(wěn)定流動(dòng)模擬時(shí)一般在幾秒或幾十分鐘內(nèi)就得到計(jì)算結(jié)果，知道整個(gè)管網(wǎng)及各分氣點(diǎn)的壓力、流量、溫度等參數(shù)，非常適合在畢業(yè)設(shè)計(jì)中用來確定方案、進(jìn)行水力計(jì)算、分析變工況參數(shù)等。目前常采用的管網(wǎng)仿真模擬軟件有英國(guó)ESI公司的PIPELINE STUDIO TGNET、美國(guó)STONER公司的SPS、由中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院與北京賽遠(yuǎn)科技發(fā)展有限公司共同開發(fā)的燃?xì)夤芫W(wǎng)分析軟件G-NET等。[2]

PIPELINE STUDIO TGNET軟件可對(duì)單管、多管和復(fù)雜的管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)運(yùn)行分析，具有穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況模擬功能。

SPS通過輸入管道參數(shù)建立與真實(shí)管道主要流程、設(shè)備參數(shù)一致的管道模型，通過對(duì)管道模型的穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算實(shí)際管道在不同輸送工況下設(shè)備的適應(yīng)性，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)設(shè)備控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；通過管道的瞬態(tài)模擬獲得不同事故工況下的參數(shù)，并根據(jù)結(jié)果制定預(yù)先保護(hù)方案。

G-NET適用于城鎮(zhèn)燃?xì)庠诠芫W(wǎng)的水力分析和計(jì)算。G-NET軟件的主要特點(diǎn)：操作界面便捷；管網(wǎng)分析計(jì)算與繪圖一體化；自動(dòng)識(shí)別環(huán)路管網(wǎng)圖，自動(dòng)對(duì)環(huán)、管段及節(jié)點(diǎn)編號(hào)，自動(dòng)設(shè)定管段流向；數(shù)據(jù)輸入簡(jiǎn)單；分析結(jié)果輸出方式多樣，有圖形、文檔及分析過程等；采用圖形處理算法及迭代算法，節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間[3-4]。

TGNET和SPS動(dòng)態(tài)模擬功能強(qiáng)大，G-NET靜態(tài)模擬功能強(qiáng)大，更適合在畢業(yè)設(shè)計(jì)中做方案比選及完成水力計(jì)算及分析，因此選擇G-NET做畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要模擬軟件。

（二）虛擬仿真軟件在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的探索與實(shí)踐

學(xué)校土建院實(shí)驗(yàn)室于2010年在機(jī)房安裝了燃?xì)夤芫W(wǎng)分析軟件G-NET網(wǎng)絡(luò)版，至今已有7年，學(xué)生做設(shè)計(jì)時(shí)可選擇使用G-NET或TG-NET。經(jīng)過7年的實(shí)踐，指導(dǎo)教師對(duì)應(yīng)用軟件促進(jìn)教學(xué)效果的提升有了更深的認(rèn)識(shí)。

文中以2002級(jí)學(xué)生甲、2006級(jí)學(xué)生乙、2012級(jí)學(xué)生丙三位學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，從軟件使用前后規(guī)劃方案的變化、水力計(jì)算能力、事故工況分析能力、新題目的出現(xiàn)與完成四個(gè)方面進(jìn)行分析。這三位學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)均為優(yōu)秀，其中2002級(jí)學(xué)生甲的設(shè)計(jì)是在未使用虛擬軟件之前完成的，在2001級(jí)至2005級(jí)的管網(wǎng)規(guī)劃類畢業(yè)設(shè)計(jì)中具有代表性；2006級(jí)是學(xué)校第一次在畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用G-NET軟件，處于軟件使用的初期階段；2012級(jí)學(xué)生丙的設(shè)計(jì)題目屬于管網(wǎng)方案優(yōu)化改造類選題，是新選題類型，軟件應(yīng)用比較成熟。三位學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容如表1 。

從三位學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以看出：虛擬軟件使用前后、使用初期及成熟階段，學(xué)生的方案設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從與工程實(shí)際脫節(jié)到盡量接近工程實(shí)際，再到對(duì)實(shí)際管網(wǎng)進(jìn)行改造；水力計(jì)算從手工計(jì)算到軟件模擬，可完成復(fù)雜管網(wǎng)的正常工況與事故工況計(jì)算，為選擇合理的方案提供了技術(shù)支持；事故工況分析從不能計(jì)算到簡(jiǎn)單計(jì)算，再到多種工況、多種條件變化甚至兩種及以上事故工況同時(shí)出現(xiàn)，變工況分析能力有了很大提高；以前只能完成管網(wǎng)規(guī)劃類設(shè)計(jì)，現(xiàn)在可以做規(guī)劃、改造、研究等各種類型的選題。

1.軟件使用前后規(guī)劃方案的變化

未使用軟件前管網(wǎng)的水力計(jì)算采用手工計(jì)算，數(shù)據(jù)多、難度大、計(jì)算量大、效率低，不少學(xué)生花費(fèi)在水力計(jì)算上的時(shí)間接近一個(gè)月。略復(fù)雜的管網(wǎng)，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，有些學(xué)生能得到比較滿意的計(jì)算結(jié)果；有些學(xué)生計(jì)算結(jié)果不太合理，要花費(fèi)很多時(shí)間修改；有些學(xué)生甚至無法算出結(jié)果。為了保證學(xué)生都能計(jì)算出結(jié)果，完成設(shè)計(jì)，教師必須根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和特點(diǎn)，控制方案中環(huán)的數(shù)量及管網(wǎng)的基本形狀（一般總環(huán)數(shù)從幾個(gè)環(huán)到十幾個(gè)環(huán)不等），有時(shí)候做出的方案與地形差異較大，計(jì)算結(jié)果也與實(shí)際工程相差較大，使得畢業(yè)設(shè)計(jì)效果與工程要求相關(guān)甚遠(yuǎn)，達(dá)不到畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)有的工程訓(xùn)練效果。

使用G-NET或TG-NET做畢業(yè)設(shè)計(jì)后，計(jì)算能力大幅提高，各種管網(wǎng)都能順利完成計(jì)算，是否能計(jì)算出合理結(jié)果已經(jīng)不再是方案布置的主要限制，因此，教師可以按照實(shí)際工程的要求，從氣源、城市規(guī)模、各種用戶的數(shù)量及用氣特點(diǎn)、是否有天然人工障礙、設(shè)備與管理水平、調(diào)壓儲(chǔ)氣方式等多方面要求學(xué)生布置管網(wǎng)，并經(jīng)過多次討論、反復(fù)修改最終確定管網(wǎng)方案，再進(jìn)入下一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。經(jīng)過反復(fù)論證的方案一般與工程實(shí)際比較接近，完成這樣的方案對(duì)學(xué)生而言更有意義。學(xué)生由原來把大量時(shí)間花費(fèi)在水力計(jì)算上改為花費(fèi)在方案確定上，這樣的時(shí)間分配是合理的，接近工程實(shí)際，能更好地起到工程訓(xùn)練的目的。

2.水力計(jì)算能力的提高

使用虛擬軟件前，管網(wǎng)環(huán)數(shù)一般只有幾個(gè)，個(gè)別能力較強(qiáng)的學(xué)生能完成11～12個(gè)環(huán)的水力計(jì)算。只能計(jì)算單氣源管網(wǎng)，不能計(jì)算多氣源管網(wǎng)，因而高-中壓二級(jí)管網(wǎng)的中壓部分布置比較簡(jiǎn)單，方案不盡合理，因此手工計(jì)算能力嚴(yán)重影響管網(wǎng)方案的布置。采用G-NET和TG-NET后，各種管網(wǎng)都能計(jì)算，環(huán)數(shù)、形狀、布置完全不受限制，每個(gè)學(xué)生在經(jīng)過較短時(shí)間的學(xué)習(xí)后均可順利完成正常工況及事故工況水力計(jì)算，有些學(xué)生還總結(jié)出了軟件使用的技巧和經(jīng)驗(yàn)。

3.變工況分析能力的提高

使用虛擬仿真軟件之前，管網(wǎng)很多事故工況不能手工計(jì)算，如：某管段故障，故障時(shí)的管段流量無法獲得，水力計(jì)算無法進(jìn)行；多氣源中的某一氣源故障，故障時(shí)的管網(wǎng)流量分配情況無法獲得，水力計(jì)算無法進(jìn)行；允許的氣源最低壓力無法計(jì)算等。采用G-NET和TG-NET，可得到各種事故工況下的管網(wǎng)流量分配或各管段流量；可以按照管網(wǎng)最低壓力或最小管徑要求反復(fù)試算，確定最低氣源壓力，因而可以完成管網(wǎng)的各種事故工況的可靠性計(jì)算分析，保證管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的合理性。

4.新題目的出現(xiàn)與完成

以前畢業(yè)設(shè)計(jì)只限于管網(wǎng)規(guī)劃類題目，采用虛擬仿真軟件輔助畢業(yè)設(shè)計(jì)后，畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、選題更廣泛，可以是規(guī)劃、改造、新方案研究等各種類型的題目，如大型管網(wǎng)分區(qū)布置、軟件對(duì)比選擇等。

三、結(jié)語

通過對(duì)比三位學(xué)生的部分畢業(yè)設(shè)計(jì)，從軟件使用前后規(guī)劃方案的變化、水力計(jì)算能力、事故工況分析能力、新題目的出現(xiàn)與完成四個(gè)方面的分析可以看出，隨著G-NET和TG-NET軟件在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，教師的指導(dǎo)能力日益提高，設(shè)計(jì)難度與深度越來越接近實(shí)際工程，甚至超越了部分小型工程設(shè)計(jì)。學(xué)生的設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算能力相比以前有了很大提高，部分優(yōu)秀學(xué)生已經(jīng)達(dá)到了專業(yè)設(shè)計(jì)院的基本要求。虛擬仿真模擬軟件對(duì)提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的促進(jìn)作用明顯，今后應(yīng)加大其在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用力度。

虛擬仿真軟件除了可作為先進(jìn)計(jì)算工具直接應(yīng)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)外，還可以在課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)挖掘其潛力，以提高教學(xué)效果，培養(yǎng)更多高質(zhì)量的建環(huán)專業(yè)畢業(yè)生。參考文獻(xiàn)：

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Abstract： Building environment and energy application engineering city gas engineering direction pipeline network planning graduation design is limited by hydraulic calculation means， and there are problems such as unreasonable pipeline network scheme， low-efficiency hydraulic calculation， and incomprehensive working condition analysis， etc. The introduction of virtual simulation software as a new teaching method can significantly improve this situation. This paper analyzes the influence of hydraulic calculation methods on the design of pipeline network planning， and introduces the virtual simulation software suitable for graduation design. The changes of planning schemes， hydraulic calculation ability， analysis ability of accident conditions， and emergence and completion of new problems after using virtual simulation software as auxiliary design method in graduation design are compared and analyzed. Conclusion that virtual simulation software can significantly improve the quality of graduation design is obtained.

Key words： virtual simulation； graduation design； building environment specialty

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）