虛擬仿真軟件在建環專業畢業設計中的應用

張鵬 吳曉南 馬紅艷

摘要：建筑環境與能源應用工程專業城市燃氣工程方向管網規劃類畢業設計受水力計算手段限制，存在管網方案布置不盡合理、水力計算效率低、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手段引入畢業設計，可明顯改善這一狀況。文章分析了水力計算手段對管網規劃類設計的影響，對適用于畢業設計的虛擬仿真模擬軟件進行了介紹，將在畢業設計中應用虛擬仿真軟件作為輔助設計手段前后的設計效果，從軟件使用前后規劃方案的變化、水力計算能力、事故工況分析能力、新題目的出現與完成四個方面進行了對比分析，結果顯示，虛擬仿真軟件可明顯提高畢業設計質量。

關鍵詞：虛擬仿真；畢業設計；建環專業

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）05-0154-05

畢業設計是學生繼理論學習、基本技能訓練之后的最后一個本科工程實踐教學環節，對培養學生的工程實踐能力、鞏固工程設計方法和技能、培養良好的職業道德及事業心、形成較強的競爭意識和協作精神等具有十分重要的意義。

學校建筑環境與能源應用工程專業（以下簡稱“建環”專業）于2001年開設，下設城市燃氣工程和供熱通風與空調工程兩個方向。其中，城市燃氣工程方向是本專業的特色與優勢。畢業設計選擇城市燃氣工程方向的學生人數逐年增加，2015年、2016年選擇城市燃氣與暖通空調的比例達到了2.48∶1、4.67∶1，燃氣工程方向管網規劃類設計分別占設計總數的41.1%、52.9%。越來越多的學生選擇管網規劃類題目，這對提高這類畢業設計質量提出了更高的要求。筆者所在的西南石油大學建筑環境與能源應用工程專業近年來積極探索畢業設計的有效方法，將虛擬仿真軟件引入畢業設計，經過多年探索與實踐，取得了一定效果，提高了畢業設計質量。

一、畢業設計現狀與不足

（一）畢業設計現狀

在選題和審題工作上，做到了“一人一題”，畢業設計題目均由導師結合實際工程布置。第7學期中期啟動畢業設計工作。教師立題，通過教研室審核修定。開動員會，集中向學生講解畢業設計有關事宜。師生雙向選擇后確定畢業設計選題，然后教師下達設計任務書，指導學生開展查找資料、實地調研等相關工作。學生可以在寒假或第8學期第一個月的畢業實習期間查找相關資料，為畢業設計（論文）做好充分準備。畢業實習結束后學生提交開題報告并進行開題答辯，再經過評閱審閱、畢業答辯等環節，獲得畢業設計成績。部分課題采用校內外指導教師聯合指導方式，學生可以在設計院等校外單位進行設計，也可以由校外教師到校內進行輔導，校外指導教師經驗豐富，這部分學生畢業設計成績一般較好[1]。

（二）畢業設計存在的不足

燃氣工程方向的管網規劃類設計是學校建環專業完成數量最多、占比最大的一類設計，該類題目的設計質量對建環專業畢業設計整體影響較大。完成了十余屆管網規劃類設計，經過十余年的探索與實踐，學校建環專業已積累了豐富的管網規劃設計經驗，取得了一定的效果，但仍然存在一些問題。

對于管網規劃類設計，水力計算能力及手段至關重要，方案選擇是否合理、計算數據是否可靠、工況分析是否全面都有賴于水力計算手段是否先進。學校引進虛擬仿真軟件之前，畢業設計采用手工計算方式，處理數據能力極其有限，效率很低，使得方案選擇、計算過程、工況分析受到制約。在布置管網時，受計算能力的限制，環數較少，一般課程設計四個環左右，畢業設計最多十幾個環，與實際工程差別很大。在對環網進行手工計算及平差時，僅能得到某特定工況下的計算參數，不能進行變工況計算分析，計算費時費力，效果不佳。這樣學生整個設計花費在管網計算上的時間較多，而沒有足夠的精力去探究氣源數量及位置對管網的影響，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，無法深入理解管網的運行規律，難以達到理想的畢業設計效果。為此，研究新的畢業設計教學手段作為傳統教學手段的補充，幫助學生真正理解城市管網的運行規律和工況變化過程，以提高畢業設計效果。

二、虛擬仿真軟件在畢業設計中的應用探索與實踐

（一）虛擬仿真軟件的選擇

燃氣管道仿真是對管道系統特性進行描述的一種手段，通過計算機程序來完成，可自動地將系統的壓力、流量與管線各截面的流動特性聯系起來，在設計階段用做方案比較和優化設計。進行燃氣管道穩定流動模擬時一般在幾秒或幾十分鐘內就得到計算結果，知道整個管網及各分氣點的壓力、流量、溫度等參數，非常適合在畢業設計中用來確定方案、進行水力計算、分析變工況參數等。目前常采用的管網仿真模擬軟件有英國ESI公司的PIPELINE STUDIO TGNET、美國STONER公司的SPS、由中國市政工程華北設計研究總院與北京賽遠科技發展有限公司共同開發的燃氣管網分析軟件G-NET等。[2]

PIPELINE STUDIO TGNET軟件可對單管、多管和復雜的管網進行設計運行分析，具有穩態工況和瞬態工況模擬功能。

SPS通過輸入管道參數建立與真實管道主要流程、設備參數一致的管道模型，通過對管道模型的穩態模擬計算實際管道在不同輸送工況下設備的適應性，并根據模擬結果對設備控制參數進行優化；通過管道的瞬態模擬獲得不同事故工況下的參數，并根據結果制定預先保護方案。

G-NET適用于城鎮燃氣在管網的水力分析和計算。G-NET軟件的主要特點：操作界面便捷；管網分析計算與繪圖一體化；自動識別環路管網圖，自動對環、管段及節點編號，自動設定管段流向；數據輸入簡單；分析結果輸出方式多樣，有圖形、文檔及分析過程等；采用圖形處理算法及迭代算法，節省大量的存儲空間[3-4]。

TGNET和SPS動態模擬功能強大，G-NET靜態模擬功能強大，更適合在畢業設計中做方案比選及完成水力計算及分析，因此選擇G-NET做畢業設計的主要模擬軟件。

（二）虛擬仿真軟件在畢業設計中的探索與實踐

學校土建院實驗室于2010年在機房安裝了燃氣管網分析軟件G-NET網絡版，至今已有7年，學生做設計時可選擇使用G-NET或TG-NET。經過7年的實踐，指導教師對應用軟件促進教學效果的提升有了更深的認識。

文中以2002級學生甲、2006級學生乙、2012級學生丙三位學生的畢業設計為研究對象，從軟件使用前后規劃方案的變化、水力計算能力、事故工況分析能力、新題目的出現與完成四個方面進行分析。這三位學生的畢業設計成績均為優秀，其中2002級學生甲的設計是在未使用虛擬軟件之前完成的，在2001級至2005級的管網規劃類畢業設計中具有代表性；2006級是學校第一次在畢業設計中使用G-NET軟件，處于軟件使用的初期階段；2012級學生丙的設計題目屬于管網方案優化改造類選題，是新選題類型，軟件應用比較成熟。三位學生的畢業設計內容如表1 。

從三位學生的畢業設計可以看出：虛擬軟件使用前后、使用初期及成熟階段，學生的方案設計從簡單到復雜，從與工程實際脫節到盡量接近工程實際，再到對實際管網進行改造；水力計算從手工計算到軟件模擬，可完成復雜管網的正常工況與事故工況計算，為選擇合理的方案提供了技術支持；事故工況分析從不能計算到簡單計算，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出現，變工況分析能力有了很大提高；以前只能完成管網規劃類設計，現在可以做規劃、改造、研究等各種類型的選題。

1.軟件使用前后規劃方案的變化

未使用軟件前管網的水力計算采用手工計算，數據多、難度大、計算量大、效率低，不少學生花費在水力計算上的時間接近一個月。略復雜的管網，經過反復計算，有些學生能得到比較滿意的計算結果；有些學生計算結果不太合理，要花費很多時間修改；有些學生甚至無法算出結果。為了保證學生都能計算出結果，完成設計，教師必須根據學生的學習能力和特點，控制方案中環的數量及管網的基本形狀（一般總環數從幾個環到十幾個環不等），有時候做出的方案與地形差異較大，計算結果也與實際工程相差較大，使得畢業設計效果與工程要求相關甚遠，達不到畢業設計應有的工程訓練效果。

使用G-NET或TG-NET做畢業設計后，計算能力大幅提高，各種管網都能順利完成計算，是否能計算出合理結果已經不再是方案布置的主要限制，因此，教師可以按照實際工程的要求，從氣源、城市規模、各種用戶的數量及用氣特點、是否有天然人工障礙、設備與管理水平、調壓儲氣方式等多方面要求學生布置管網，并經過多次討論、反復修改最終確定管網方案，再進入下一個設計環節。經過反復論證的方案一般與工程實際比較接近，完成這樣的方案對學生而言更有意義。學生由原來把大量時間花費在水力計算上改為花費在方案確定上，這樣的時間分配是合理的，接近工程實際，能更好地起到工程訓練的目的。

2.水力計算能力的提高

使用虛擬軟件前，管網環數一般只有幾個，個別能力較強的學生能完成11～12個環的水力計算。只能計算單氣源管網，不能計算多氣源管網，因而高-中壓二級管網的中壓部分布置比較簡單，方案不盡合理，因此手工計算能力嚴重影響管網方案的布置。采用G-NET和TG-NET后，各種管網都能計算，環數、形狀、布置完全不受限制，每個學生在經過較短時間的學習后均可順利完成正常工況及事故工況水力計算，有些學生還總結出了軟件使用的技巧和經驗。

3.變工況分析能力的提高

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

4.新題目的出現與完成

以前畢業設計只限于管網規劃類題目，采用虛擬仿真軟件輔助畢業設計后，畢業設計的內容、選題更廣泛，可以是規劃、改造、新方案研究等各種類型的題目，如大型管網分區布置、軟件對比選擇等。

三、結語

通過對比三位學生的部分畢業設計，從軟件使用前后規劃方案的變化、水力計算能力、事故工況分析能力、新題目的出現與完成四個方面的分析可以看出，隨著G-NET和TG-NET軟件在畢業設計中的廣泛應用，教師的指導能力日益提高，設計難度與深度越來越接近實際工程，甚至超越了部分小型工程設計。學生的設計、分析、計算能力相比以前有了很大提高，部分優秀學生已經達到了專業設計院的基本要求。虛擬仿真模擬軟件對提高畢業設計質量的促進作用明顯，今后應加大其在畢業設計中的應用力度。

虛擬仿真軟件除了可作為先進計算工具直接應用于畢業設計外，還可以在課堂教學、課程設計、實驗、實習等各個教學環節挖掘其潛力，以提高教學效果，培養更多高質量的建環專業畢業生。參考文獻：

[1]周翔，李崢嶸，李錚偉，等. 建筑環境與能源應用工程專業畢業設計配套課程建設與效果調查[J].高等建筑教育，2015.24（1）：127-131.

[2]孫暉.上海市天然氣主干管網系統運行工況分析研究[D].上海：同濟大學，2007.

[3]呂凱，詹淑慧，黃葵，等. 基于軟件模擬城市中壓燃氣管網可靠性分析[J].天然氣技術與經濟，2013，7（1）：52-55.

[4]張鵬，馬紅艷，吳曉南. G-net 在燃氣輸配課程設計中的應用與實踐[J].科技資訊，2015（28）：241，243 .

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

（責任編輯 梁遠華）