張鵬 吳曉南 馬紅艷

摘要：建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)城市燃氣工程方向管網(wǎng)規(guī)劃類畢業(yè)設計受水力計算手段限制，存在管網(wǎng)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(yè)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(wǎng)規(guī)劃類設計的影響，對適用于畢業(yè)設計的虛擬仿真模擬軟件進行了介紹，將在畢業(yè)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(guī)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(xiàn)與完成四個方面進行了對比分析，結(jié)果顯示，虛擬仿真軟件可明顯提高畢業(yè)設計質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；畢業(yè)設計；建環(huán)專業(yè)

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

畢業(yè)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(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學生的工程實踐能力、鞏固工程設計方法和技能、培養(yǎng)良好的職業(yè)道德及事業(yè)心、形成較強的競爭意識和協(xié)作精神等具有十分重要的意義。

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

一、畢業(yè)設計現(xiàn)狀與不足

（一）畢業(yè)設計現(xiàn)狀

在選題和審題工作上，做到了“一人一題”，畢業(yè)設計題目均由導師結(jié)合實際工程布置。第7學期中期啟動畢業(yè)設計工作。教師立題，通過教研室審核修定。開動員會，集中向?qū)W生講解畢業(yè)設計有關(guān)事宜。師生雙向選擇后確定畢業(yè)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(diào)研等相關(guān)工作。學生可以在寒假或第8學期第一個月的畢業(yè)實習期間查找相關(guān)資料，為畢業(yè)設計（論文）做好充分準備。畢業(yè)實習結(jié)束后學生提交開題報告并進行開題答辯，再經(jīng)過評閱審閱、畢業(yè)答辯等環(huán)節(jié)，獲得畢業(yè)設計成績。部分課題采用校內(nèi)外指導教師聯(lián)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(nèi)進行輔導，校外指導教師經(jīng)驗豐富，這部分學生畢業(yè)設計成績一般較好[1]。

（二）畢業(yè)設計存在的不足

燃氣工程方向的管網(wǎng)規(guī)劃類設計是學校建環(huán)專業(yè)完成數(shù)量最多、占比最大的一類設計，該類題目的設計質(zhì)量對建環(huán)專業(yè)畢業(yè)設計整體影響較大。完成了十余屆管網(wǎng)規(guī)劃類設計，經(jīng)過十余年的探索與實踐，學校建環(huán)專業(yè)已積累了豐富的管網(wǎng)規(guī)劃設計經(jīng)驗，取得了一定的效果，但仍然存在一些問題。

對于管網(wǎng)規(guī)劃類設計，水力計算能力及手段至關(guān)重要，方案選擇是否合理、計算數(shù)據(jù)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(yè)設計采用手工計算方式，處理數(shù)據(jù)能力極其有限，效率很低，使得方案選擇、計算過程、工況分析受到制約。在布置管網(wǎng)時，受計算能力的限制，環(huán)數(shù)較少，一般課程設計四個環(huán)左右，畢業(yè)設計最多十幾個環(huán)，與實際工程差別很大。在對環(huán)網(wǎng)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(shù)，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(wǎng)計算上的時間較多，而沒有足夠的精力去探究氣源數(shù)量及位置對管網(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)的運行規(guī)律，難以達到理想的畢業(yè)設計效果。為此，研究新的畢業(yè)設計教學手段作為傳統(tǒng)教學手段的補充，幫助學生真正理解城市管網(wǎng)的運行規(guī)律和工況變化過程，以提高畢業(yè)設計效果。

二、虛擬仿真軟件在畢業(yè)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(tǒng)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(tǒng)的壓力、流量與管線各截面的流動特性聯(lián)系起來，在設計階段用做方案比較和優(yōu)化設計。進行燃氣管道穩(wěn)定流動模擬時一般在幾秒或幾十分鐘內(nèi)就得到計算結(jié)果，知道整個管網(wǎng)及各分氣點的壓力、流量、溫度等參數(shù)，非常適合在畢業(yè)設計中用來確定方案、進行水力計算、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(fā)展有限公司共同開發(fā)的燃氣管網(wǎng)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(wǎng)進行設計運行分析，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)建立與真實管道主要流程、設備參數(shù)一致的管道模型，通過對管道模型的穩(wěn)態(tài)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(jù)模擬結(jié)果對設備控制參數(shù)進行優(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)果制定預先保護方案。

G-NET適用于城鎮(zhèn)燃氣在管網(wǎng)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(wǎng)分析計算與繪圖一體化；自動識別環(huán)路管網(wǎng)圖，自動對環(huán)、管段及節(jié)點編號，自動設定管段流向；數(shù)據(jù)輸入簡單；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)省大量的存儲空間[3-4]。

TGNET和SPS動態(tài)模擬功能強大，G-NET靜態(tài)模擬功能強大，更適合在畢業(yè)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(yè)設計的主要模擬軟件。

（二）虛擬仿真軟件在畢業(yè)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(wǎng)分析軟件G-NET網(wǎng)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(jīng)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(yè)設計為研究對象，從軟件使用前后規(guī)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(xiàn)與完成四個方面進行分析。這三位學生的畢業(yè)設計成績均為優(yōu)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(wǎng)規(guī)劃類畢業(yè)設計中具有代表性；2006級是學校第一次在畢業(yè)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(wǎng)方案優(yōu)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(yè)設計內(nèi)容如表1 。

從三位學生的畢業(yè)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(jié)到盡量接近工程實際，再到對實際管網(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(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)劃類設計，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)的水力計算采用手工計算，數(shù)據(jù)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(wǎng)，經(jīng)過反復計算，有些學生能得到比較滿意的計算結(jié)果；有些學生計算結(jié)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(jié)果。為了保證學生都能計算出結(jié)果，完成設計，教師必須根據(jù)學生的學習能力和特點，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)從幾個環(huán)到十幾個環(huán)不等），有時候做出的方案與地形差異較大，計算結(jié)果也與實際工程相差較大，使得畢業(yè)設計效果與工程要求相關(guān)甚遠，達不到畢業(yè)設計應有的工程訓練效果。

使用G-NET或TG-NET做畢業(yè)設計后，計算能力大幅提高，各種管網(wǎng)都能順利完成計算，是否能計算出合理結(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、是否有天然人工障礙、設備與管理水平、調(diào)壓儲氣方式等多方面要求學生布置管網(wǎng)，并經(jīng)過多次討論、反復修改最終確定管網(wǎng)方案，再進入下一個設計環(huán)節(jié)。經(jīng)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(wǎng)環(huán)數(shù)一般只有幾個，個別能力較強的學生能完成11～12個環(huán)的水力計算。只能計算單氣源管網(wǎng)，不能計算多氣源管網(wǎng)，因而高-中壓二級管網(wǎng)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(wǎng)方案的布置。采用G-NET和TG-NET后，各種管網(wǎng)都能計算，環(huán)數(shù)、形狀、布置完全不受限制，每個學生在經(jīng)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(jié)出了軟件使用的技巧和經(jīng)驗。

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(wǎng)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(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算分析，保證管網(wǎng)設計方案的合理性。

4.新題目的出現(xiàn)與完成

以前畢業(yè)設計只限于管網(wǎng)規(guī)劃類題目，采用虛擬仿真軟件輔助畢業(yè)設計后，畢業(yè)設計的內(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、軟件對比選擇等。

三、結(jié)語

通過對比三位學生的部分畢業(yè)設計，從軟件使用前后規(guī)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(xiàn)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(yè)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(yōu)秀學生已經(jīng)達到了專業(yè)設計院的基本要求。虛擬仿真模擬軟件對提高畢業(yè)設計質(zhì)量的促進作用明顯，今后應加大其在畢業(yè)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(yè)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(huán)節(jié)挖掘其潛力，以提高教學效果，培養(yǎng)更多高質(zhì)量的建環(huán)專業(yè)畢業(yè)生。參考文獻：

[1]周翔，李崢嶸，李錚偉，等. 建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)畢業(yè)設計配套課程建設與效果調(diào)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(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)可靠性分析[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)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）