基于BIM二氧化碳P-V-T关系测定实验教学的应用

吴金顺，吕 闯，杨静静，胡媛媛，刘学东，张维亚，魏鋆，张玉菡，张文业

(1. 华北科技学院， 北京 东燕郊 065201；2. 北京方信节能技术有限公司，北京 101100；3. 河北工程大学，河北 邯郸 056038)

0 引言

如今，虚拟仿真已经发展为一门涉及计算机图形学、精密传感机构、人机接口及实时图像处理等领域的综合性学科。BIM的模拟仿真技术在国际中发展迅速，在国内，清华大学、同济大学、华中科技大学及哈尔滨工业大学等高校开展BIM的研究也风起云涌【2】。在实验教学中利用BIM的虚拟仿真技术来模拟实验过程，使学生更加清晰客观的理解实验原理步骤。使虚拟与现实相结合，加深学生对实验过程的深层理解，将理想模拟状态与实际实验操作相比较更能呈现出规范操作的重要性，和及时发现实际实验的不足问题，以及检查实验设备、分析实验误差。与理论教学过程有机结合，将理论中的存在较抽象难理解的问题在BIM中明了化，直观突出存在的问题。使之提高了整体实验教学效率，也有利于学生对难度较大的专业基础课程知识的掌握[3]。

本项目研究的对象是建筑环境与能源应用工程专业中工程热力学的实验，二氧化碳P-V-T关系测定，该实验内容主要是观察二氧化碳在亚临界状态(t=20℃)、临界状态(t=31.1℃)、超临界状态(t=35℃)的状态变化情况[4]，但是在现有的实验设备条件下，不能实现全压变化以及超临界压力变化，也很难观察到全压下临界状态变化现象，并且实验过程中需要加压，如果实验过程中操作不当，就极易发生爆炸，或损坏设备，造成人身伤害和财产损失。因此有必要运用虚拟仿真手段，模拟出真实实验中不能观察到的现象以及不能实现的压力变化，可以让整个实验的过程更加清晰明了，呈现出更加完美的实验效果，可以让学生直观生动的看到整个实验运行过程。

1 模型建立

1.1 在Revit中搭建出实验模型

虚拟模型是建立实验系统的基本组成部分，也是建立系统动态演示的平台，在建立模型时应以实际操作系统为基础，建立和实际系统一致的虚拟系统。具体操作：①打开Revit软件，点击新建族，选择公制常规模型，命名为活塞式压力计， 根据实际设备按照图1流程图来建立活塞式压力计，得到如图2所示的模型。其它几个设备虽然不一样，但它们所用到的基本方法和绘制步骤相同。

图1 搭建活塞式压力计流程图

图2 活塞式压力计

② 然后，新建项目，选择建筑样板，在菜单栏插入命令下，载入做好的设备族，按照实验室原型在项目中用管道把各个设备连接起来，实验模型如图3所示。

建立该模型有助于理解该设备的构成及其设备中各部件的作用，能够加深对该实验的讲述，并且使学生能详细的看出设备中各个部件及其之间的链接，并对模块之间的关系有了深入学习，有助于学生了解工程热力学中综合知识点的融合与交叉，有助于理解难度大的知识点[5]。相对于传统实验，该模拟能够吸引学生的注意力，提高学生对实验的兴趣，提高了学生对复杂问题的认知能力，也提高学生创新能力。

1.2 在3Ds Max中开发冷凝器的动态部件

具体操作：把Revit文件导出FBX格式，打开3Ds Max，在文件中选择导入该文件。首先分离出设备中所需部件，如分离冷凝器中的扇叶，在左侧名称项目栏里，选中冷凝器，按照图4流程图选中冷凝器中的扇叶和转轴，点击分离命令，并命名为扇叶。

然后对扇叶做简单动画，先选中扇叶，点击屏幕下方设置关键点中的自动关键点，选择右边控制面板中层次的调整轴命令，选择仅影响轴，居中到对象，点击旋转命令，鼠标左击风扇上XZ面上的黄色曲线拖动旋转，使风扇转动6～8圈，把关键帧拖动到100帧的位置，点击播放，就实现了一个风扇转动动画。

图3 二氧化碳P-V-T关系测定实验模型

图4 分离命令流程图

图5 扇叶旋转制作图

1.3 在Unity中实现工况调节

具体操作：在手柄通过旋转加压过程中，压力表指针旋转，与此同时管道中有粒子流通过，并且数据指示器中会有相应的数据显示。选择要做粒子流的管道点击鼠标右键创建粒子流，接着右击，由于手柄旋转需要给它赋予代码让它运转，右击该手柄创建c#，通过编写对应的程序来实现加压过程。通过UI命令添加按钮，来实现工况调节。用NGUI 插件创建一个“Sprite”精灵，在“Inspector”检视面板中的UI Sprite(Script)中选择一张图片，可以选择它的背景颜色，在Widget中设置按钮的大小，在Anchors中设置锚点，选中Box Collider碰撞组件，使图片变为可点击的按钮[6]。实现程序如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using DG.Tweening;

using UnityEngine;

public class WorkingCondition : MonoBehaviour

{

public Transform coolFan; //冷风扇

public Transform joyStick; //摇杆

public Transform pointer; //压力表指针

public Transform pValve; //压力表阀门

public Transform oValve; //油杯阀门

public Transform vValve; //油路阀门

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();

}

}

以上程序主要实现了冷凝器风扇、摇杆、压力表指针、压力表阀门、油杯油路阀门的旋转动画，能够更加真实的表示实验过程中的每个过程。

2 运行分析

二氧化碳P-V-T关系测定实验是分别在亚临界、临界、超临界状态下运行，来观察二氧化碳的状态变化，通过图6控制界面来选择运行方案。

2.1 启动

“启动”按钮是触发实验开始于结束的开关,对应的温度是24℃(环境温度)，对应的压力是0MPa，无现象。

图6 运行控制界面

2.2 亚临界

“亚临”按钮是触发亚临界工况的开关；对应的温度是10℃，对应的压力是4.6 MPa，水珠出现(大小由0～1)；加压的同时水银腔体里面相应的水银柱高度应该增加(不透明的白色液体)，与此同时，水银柱上方出现二氧化碳气体液化的现象(带颜色)并且二氧化碳液体高度逐渐增高，一定程度后高度不变。

2.3 临界

“临界”按钮是触发临界工况的开关；对应的温度是31.1℃，对应的压力是7.5 MPa，水珠消失(大小由1～0)，同时雾出现，继而很快消失；出现二氧化碳气体瞬即雾状的现象，此后继续加压无现象。

2.4 超临界

“超临”按钮是触发超临界工况的开关；对应的温度是35℃，对应的压力是9.5 MPa，无现象；t=35℃加压过程中水银柱升高，其它没有任何现象。

通过加压操纵手柄给玻璃腔内的气体加压，当压力达到4.6MPa，温度为10℃时，水银腔体里面相应的水银柱高度增加，二氧化碳气体开始发生液化；当压力达到7.5MPa，温度为31.1℃时，出现二氧化碳气体瞬即雾状的现象，此后继续加压无现象；当压力达到9.5MPa，温度为35℃时，二氧化碳全部液化，水银柱高度增加。

3 结束语

基于BIM二氧化碳P-V-T关系测定模拟仿真实验可与实际教学相结合，更好的服务于老师与学生。它可以减少常规实验教学手段的局限性，可以进行动态可视化教学和实验研究，便于学生直观了解系统的整体模型，提高学生对复杂问题的认知能力和创新能力。本项目BIM技术也可以为其他类似项目的研究提供参考依据，让更多的实验教学实现“以虚为主，虚实结合，以虚补实，以实验虚”，通过该教学改革创新理念，来促进学校信息化、现代化、网络化等多方面建设[7-8]。BIM技术作为新兴技术在国际发展迅猛，BIM技术的广泛普及是必然性的。国内的BIM技术的发展正如火如荼的开展。而将BIM技术结合到教学实践中，不仅提高了教学质量，而且更可以对院校学生以及乃至整个建筑行业的发展与创新具有革命性的意义[9]。

[1] 吴金顺，鞠洪磊，晋文. 基于组态软件的空调系统虚拟仿真实验开发[J]. 潍坊学院学报,2015(6):86.

[2] 刘红勇,何维涛,黄秋爽. 普通高等院校BIM实践教学路径探索[J]. 土木建筑工程信息技术,2013,5(5):98-101.

[3] 张娜娜，潘晓茹.PBL教学模式在分析化学教学中的应用研究[J].潍坊学院学报，2015(6)：86.

[4] 张伟亚，崔蕾.建筑环境与设备工程专业实验及实训指导[M].煤炭工业出版社，2011.

[5] 陈志杨，罗飞.基于WebGL的Revit三维建筑模型重建[J].浙江工业大学学报，2016，44(6)：608-613.

[6] 陈晓晴，王少伟.基于Unity的虚拟现实技术在教育中的应用[J].软件导刊(教育技术)，2011，10(12)：76-78.

[7] 刘红勇，何维涛，黄秋爽.普通高等院校BIM实践教学路径探索[J].工木建筑工程信息技术，2013，5(5)：98-101.

[8] 刘圆圆.模拟仿真技术在计算机网络实践中的应用[J].教育现代化，2016(1)：101-103.

[9] 唐菡，杜莉.BIM教学在本科院校应用推广的障碍反对策[J].黑龙江科技信息，2016(24)：67-68.