吳金順，呂 闖，楊靜靜，胡媛媛，劉學(xué)東，張維亞，魏鋆，張玉菡，張文業(yè)

(1. 華北科技學(xué)院， 北京 東燕郊 065201；2. 北京方信節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 101100；3. 河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038)

0 引言

如今，虛擬仿真已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、精密傳感機(jī)構(gòu)、人機(jī)接口及實(shí)時(shí)圖像處理等領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。BIM的模擬仿真技術(shù)在國(guó)際中發(fā)展迅速，在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華中科技大學(xué)及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校開(kāi)展BIM的研究也風(fēng)起云涌【2】。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用BIM的虛擬仿真技術(shù)來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生更加清晰客觀的理解實(shí)驗(yàn)原理步驟。使虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的深層理解，將理想模擬狀態(tài)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作相比較更能呈現(xiàn)出規(guī)范操作的重要性，和及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的不足問(wèn)題，以及檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備、分析實(shí)驗(yàn)誤差。與理論教學(xué)過(guò)程有機(jī)結(jié)合，將理論中的存在較抽象難理解的問(wèn)題在BIM中明了化，直觀突出存在的問(wèn)題。使之提高了整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，也有利于學(xué)生對(duì)難度較大的專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)的掌握[3]。

本項(xiàng)目研究的對(duì)象是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)中工程熱力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，二氧化碳P-V-T關(guān)系測(cè)定，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是觀察二氧化碳在亞臨界狀態(tài)(t=20℃)、臨界狀態(tài)(t=31.1℃)、超臨界狀態(tài)(t=35℃)的狀態(tài)變化情況[4]，但是在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下，不能實(shí)現(xiàn)全壓變化以及超臨界壓力變化，也很難觀察到全壓下臨界狀態(tài)變化現(xiàn)象，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要加壓，如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作不當(dāng)，就極易發(fā)生爆炸，或損壞設(shè)備，造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。因此有必要運(yùn)用虛擬仿真手段，模擬出真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不能觀察到的現(xiàn)象以及不能實(shí)現(xiàn)的壓力變化，可以讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程更加清晰明了，呈現(xiàn)出更加完美的實(shí)驗(yàn)效果，可以讓學(xué)生直觀生動(dòng)的看到整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程。

1 模型建立

1.1 在Revit中搭建出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

虛擬模型是建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本組成部分，也是建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演示的平臺(tái)，在建立模型時(shí)應(yīng)以實(shí)際操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立和實(shí)際系統(tǒng)一致的虛擬系統(tǒng)。具體操作：①打開(kāi)Revit軟件，點(diǎn)擊新建族，選擇公制常規(guī)模型，命名為活塞式壓力計(jì)， 根據(jù)實(shí)際設(shè)備按照?qǐng)D1流程圖來(lái)建立活塞式壓力計(jì)，得到如圖2所示的模型。其它幾個(gè)設(shè)備雖然不一樣，但它們所用到的基本方法和繪制步驟相同。

圖1 搭建活塞式壓力計(jì)流程圖

圖2 活塞式壓力計(jì)

② 然后，新建項(xiàng)目，選擇建筑樣板，在菜單欄插入命令下，載入做好的設(shè)備族，按照實(shí)驗(yàn)室原型在項(xiàng)目中用管道把各個(gè)設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

建立該模型有助于理解該設(shè)備的構(gòu)成及其設(shè)備中各部件的作用，能夠加深對(duì)該實(shí)驗(yàn)的講述，并且使學(xué)生能詳細(xì)的看出設(shè)備中各個(gè)部件及其之間的鏈接，并對(duì)模塊之間的關(guān)系有了深入學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生了解工程熱力學(xué)中綜合知識(shí)點(diǎn)的融合與交叉，有助于理解難度大的知識(shí)點(diǎn)[5]。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，該模擬能夠吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的認(rèn)知能力，也提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

1.2 在3Ds Max中開(kāi)發(fā)冷凝器的動(dòng)態(tài)部件

具體操作：把Revit文件導(dǎo)出FBX格式，打開(kāi)3Ds Max，在文件中選擇導(dǎo)入該文件。首先分離出設(shè)備中所需部件，如分離冷凝器中的扇葉，在左側(cè)名稱項(xiàng)目欄里，選中冷凝器，按照?qǐng)D4流程圖選中冷凝器中的扇葉和轉(zhuǎn)軸，點(diǎn)擊分離命令，并命名為扇葉。

然后對(duì)扇葉做簡(jiǎn)單動(dòng)畫(huà)，先選中扇葉，點(diǎn)擊屏幕下方設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)中的自動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)，選擇右邊控制面板中層次的調(diào)整軸命令，選擇僅影響軸，居中到對(duì)象，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)命令，鼠標(biāo)左擊風(fēng)扇上XZ面上的黃色曲線拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)6～8圈，把關(guān)鍵幀拖動(dòng)到100幀的位置，點(diǎn)擊播放，就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)。

圖3 二氧化碳P-V-T關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖4 分離命令流程圖

圖5 扇葉旋轉(zhuǎn)制作圖

1.3 在Unity中實(shí)現(xiàn)工況調(diào)節(jié)

具體操作：在手柄通過(guò)旋轉(zhuǎn)加壓過(guò)程中，壓力表指針旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)管道中有粒子流通過(guò)，并且數(shù)據(jù)指示器中會(huì)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示。選擇要做粒子流的管道點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵創(chuàng)建粒子流，接著右擊，由于手柄旋轉(zhuǎn)需要給它賦予代碼讓它運(yùn)轉(zhuǎn)，右擊該手柄創(chuàng)建c#，通過(guò)編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)加壓過(guò)程。通過(guò)UI命令添加按鈕，來(lái)實(shí)現(xiàn)工況調(diào)節(jié)。用NGUI 插件創(chuàng)建一個(gè)“Sprite”精靈，在“Inspector”檢視面板中的UI Sprite(Script)中選擇一張圖片，可以選擇它的背景顏色，在Widget中設(shè)置按鈕的大小，在Anchors中設(shè)置錨點(diǎn)，選中Box Collider碰撞組件，使圖片變?yōu)榭牲c(diǎn)擊的按鈕[6]。實(shí)現(xiàn)程序如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using DG.Tweening;

using UnityEngine;

public class WorkingCondition : MonoBehaviour

{

public Transform coolFan; //冷風(fēng)扇

public Transform joyStick; //搖桿

public Transform pointer; //壓力表指針

public Transform pValve; //壓力表閥門(mén)

public Transform oValve; //油杯閥門(mén)

public Transform vValve; //油路閥門(mén)

public RotateMode mode { get; private set; }

// Use this for initialization

void Start ()

{

Tweener coolFan_R = coolFan.DORotate(new Vector3(coolFan.rotation.x, coolFan.rotation.y, 80), 4);

coolFan_R.SetAutoKill(false);

coolFan_R.Pause();

Tweener joyStick_R = joyStick.DOLocalRotate(new Vector3(joyStick.rotation.x, joyStick.rotation.y, 90), 8);

joyStick_R.SetAutoKill(false);

joyStick_R.Pause();

Tweener joyStick_M = joyStick.DOLocalMoveZ(1.7f, 8);

joyStick_M.SetAutoKill(false);

joyStick_M.Pause();

Tweener pointer_R = pointer.DOLocalRotate(new Vector3(pointer.rotation.x, pointer.rotation.y, 65), 5);

pointer_R.SetAutoKill(false);

pointer_R.Pause();

Tweener pValve_R = pValve.DORotate(new Vector3(90, pValve.rotation.y, pValve.rotation.z), 4);

pValve_R.SetAutoKill(false);

pValve_R.Pause();

Tweener oValve_R = oValve.DOLocalRotate(new Vector3(oValve.rotation.x, 90, oValve.rotation.z), 5);

oValve_R.SetAutoKill(false);

oValve_R.Pause();

Tweener vValve_R = vValve.DOLocalRotate(new Vector3(90, vValve.rotation.y, vValve.rotation.z), 5);

vValve_R.SetAutoKill(false);

vValve_R.Pause();

}

// Update is called once per frame

void Update ()

{

coolFan.DOPlayForward();

joyStick.DOPlayForward();

pointer.DOPlayForward();

pValve.DOPlayForward();

oValve.DOPlayForward();

vValve.DOPlayForward();

}

}

以上程序主要實(shí)現(xiàn)了冷凝器風(fēng)扇、搖桿、壓力表指針、壓力表閥門(mén)、油杯油路閥門(mén)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)，能夠更加真實(shí)的表示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每個(gè)過(guò)程。

2 運(yùn)行分析

二氧化碳P-V-T關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)是分別在亞臨界、臨界、超臨界狀態(tài)下運(yùn)行，來(lái)觀察二氧化碳的狀態(tài)變化，通過(guò)圖6控制界面來(lái)選擇運(yùn)行方案。

2.1 啟動(dòng)

“啟動(dòng)”按鈕是觸發(fā)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于結(jié)束的開(kāi)關(guān),對(duì)應(yīng)的溫度是24℃(環(huán)境溫度)，對(duì)應(yīng)的壓力是0MPa，無(wú)現(xiàn)象。

圖6 運(yùn)行控制界面

2.2 亞臨界

“亞臨”按鈕是觸發(fā)亞臨界工況的開(kāi)關(guān)；對(duì)應(yīng)的溫度是10℃，對(duì)應(yīng)的壓力是4.6 MPa，水珠出現(xiàn)(大小由0～1)；加壓的同時(shí)水銀腔體里面相應(yīng)的水銀柱高度應(yīng)該增加(不透明的白色液體)，與此同時(shí)，水銀柱上方出現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w液化的現(xiàn)象(帶顏色)并且二氧化碳液體高度逐漸增高，一定程度后高度不變。

2.3 臨界

“臨界”按鈕是觸發(fā)臨界工況的開(kāi)關(guān)；對(duì)應(yīng)的溫度是31.1℃，對(duì)應(yīng)的壓力是7.5 MPa，水珠消失(大小由1～0)，同時(shí)霧出現(xiàn)，繼而很快消失；出現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w瞬即霧狀的現(xiàn)象，此后繼續(xù)加壓無(wú)現(xiàn)象。

2.4 超臨界

“超臨”按鈕是觸發(fā)超臨界工況的開(kāi)關(guān)；對(duì)應(yīng)的溫度是35℃，對(duì)應(yīng)的壓力是9.5 MPa，無(wú)現(xiàn)象；t=35℃加壓過(guò)程中水銀柱升高，其它沒(méi)有任何現(xiàn)象。

通過(guò)加壓操縱手柄給玻璃腔內(nèi)的氣體加壓，當(dāng)壓力達(dá)到4.6MPa，溫度為10℃時(shí)，水銀腔體里面相應(yīng)的水銀柱高度增加，二氧化碳?xì)怏w開(kāi)始發(fā)生液化；當(dāng)壓力達(dá)到7.5MPa，溫度為31.1℃時(shí)，出現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w瞬即霧狀的現(xiàn)象，此后繼續(xù)加壓無(wú)現(xiàn)象；當(dāng)壓力達(dá)到9.5MPa，溫度為35℃時(shí)，二氧化碳全部液化，水銀柱高度增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于BIM二氧化碳P-V-T關(guān)系測(cè)定模擬仿真實(shí)驗(yàn)可與實(shí)際教學(xué)相結(jié)合，更好的服務(wù)于老師與學(xué)生。它可以減少常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的局限性，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究，便于學(xué)生直觀了解系統(tǒng)的整體模型，提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的認(rèn)知能力和創(chuàng)新能力。本項(xiàng)目BIM技術(shù)也可以為其他類似項(xiàng)目的研究提供參考依據(jù)，讓更多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)“以虛為主，虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)，以實(shí)驗(yàn)虛”，通過(guò)該教學(xué)改革創(chuàng)新理念，來(lái)促進(jìn)學(xué)校信息化、現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化等多方面建設(shè)[7-8]。BIM技術(shù)作為新興技術(shù)在國(guó)際發(fā)展迅猛，BIM技術(shù)的廣泛普及是必然性的。國(guó)內(nèi)的BIM技術(shù)的發(fā)展正如火如荼的開(kāi)展。而將BIM技術(shù)結(jié)合到教學(xué)實(shí)踐中，不僅提高了教學(xué)質(zhì)量，而且更可以對(duì)院校學(xué)生以及乃至整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新具有革命性的意義[9]。

[1] 吳金順，鞠洪磊，晉文. 基于組態(tài)軟件的空調(diào)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)[J]. 濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2015(6):86.

[2] 劉紅勇,何維濤,黃秋爽. 普通高等院校BIM實(shí)踐教學(xué)路徑探索[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2013,5(5):98-101.

[3] 張娜娜，潘曉茹.PBL教學(xué)模式在分析化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(6)：86.

[4] 張偉亞，崔蕾.建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)[M].煤炭工業(yè)出版社，2011.

[5] 陳志楊，羅飛.基于WebGL的Revit三維建筑模型重建[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44(6)：608-613.

[6] 陳曉晴，王少偉.基于Unity的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊(教育技術(shù))，2011，10(12)：76-78.

[7] 劉紅勇，何維濤，黃秋爽.普通高等院校BIM實(shí)踐教學(xué)路徑探索[J].工木建筑工程信息技術(shù)，2013，5(5)：98-101.

[8] 劉圓圓.模擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2016(1)：101-103.

[9] 唐菡，杜莉.BIM教學(xué)在本科院校應(yīng)用推廣的障礙反對(duì)策[J].黑龍江科技信息，2016(24)：67-68.