《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 8-18建筑消防系统综合虚拟仿真实验

实验报告——建筑消防系统综合虚拟仿真实验1.实验目的①通过该实验学习，对建筑消防系统在建筑火灾控制、人员逃生和消防扑救中所起的作用有更深入地了解，深刻意识到严格按照国家相关消防规范、标准，进行建筑消防系统设计、安装、调试、维护的重要性，并且激发投身建筑消防领域科学研究，探索更加安全、稳定和经济的建筑消防系统技术兴趣和使命感。②通过实验学习，掌握建筑消防系统构成以及各部分功能，掌握建筑消防系统基本知识，并了解建筑消防系统设计主要内容、过程及原则，同时，对建筑消防系统运行特性、调试需求等复杂问题有更深入的理解和思考。③通过实验学习，锻炼对知识学习、消化、应用的自学能力，自主构建建筑消防系统知识体系，对消防系统合理设计、关键技术、系统运行特性等复杂问题有自主的思考和创新。2.实验原理1）实验系统模型（1）实验系统探索、调试交互及实验测试章节的建筑模型实验系统探索、调试交互及实验测试章节的建筑模型为某一办公类公共建筑。建筑地下1层，地上24层，地下层高5.6m，地上建筑高度97.3m。负一层为车库及设备房，建筑面积5410m2；地上为大堂、办公室、会议室、多功能厅，建筑面积为19392m2。实验依据国家《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251—2017）、《建筑防火设计规范》（GB50016—2014）（2018年版）等规范进行防排烟系统设计。建筑楼层模型分为负1~5层、标准层、屋面共8个楼层模型。建筑封闭楼梯间及前室设置机械加压送风系统。负一层地下车库采用排烟兼排风系统，自然补风。地下走道设置机械排烟和机械补风系统。1层大厅和3层的多功能厅采用自然排烟方式，大厅中庭设置机械排烟系统。部分楼层走道满足自然排烟条件，部分楼层走道设置机械排烟。（2）防烟排烟系统设计模型防烟排烟系统设计模型采用某展览建筑5层的某一防火分区平面。建筑地下1层，地上6层，地上建筑高度33.6m。5层的某一防火分区主要功能房间为展厅及其附属用房，净高5.6m，建筑面积2115m2，设置机械排烟系统，楼梯间部分机械加压送风，部分满足不设防烟设施要求。2）知识点及原理火灾时烟气卷吸周围空气形成混合烟气流。火灾烟气是造成人员伤亡、逃生困难及扑救受阻的重要危险因素。（1）火灾排烟原理火灾排烟是通过一定手段将房间、走道等空间的火灾烟气排至建筑外，分为自然排烟和机械排烟。自然排烟原理：利用火灾热烟气流浮力和外部风压作用，通过建筑开口将建筑内的烟气直接排至室外的排烟方式。机械排烟原理：采用机械设备（风机）强制排烟的手段来排除烟气。烟羽流按火焰和烟的流动情形，可分为轴对称型烟羽流、阳台溢出型烟羽流、窗口型烟羽流。实验中主要涉及轴对称型烟羽流。轴对称型烟羽流排烟量计算原理：当Z>Z1时 Mρ=0.071Qc1当Z≤Z1时 Mρ=0.032Qc3 Z=0.166Qc25式中Qc——Z——燃料面到烟层底部的高度m；Z1——火焰极限高度m；Mρ——烟羽流质量流量kg／s。每个防烟分区排烟量： V=MρTρ V=T0+∆T式中V——排烟量m3／s；ρ0——环境温度下的气体密度kg／m3，通常T0=293.15K，ρ0=1.2（T0——环境的绝对温度，K∆T——烟层平均温度与环境的温度差，K；T——烟层的平均绝对温度K。2）火灾防烟原理发生火灾时需通过一定措施防止烟气流向非火灾区，特别保证楼梯间、前室等疏散通道和封闭避难场所等不受烟气侵入，分为自然排风和机械加压送风。自然通风排烟原理：利用火灾热烟气流浮力和外部风压作用，通过楼梯间等疏散通道和封闭避难场所对外开口将侵入的烟气及时排至室外，防止烟气在这些区域积累。机械加压送风原理：通过机械设备（风机）向楼梯间等疏散通道和封闭避难场所鼓入室外空气，维持其正压值，确保打开门洞时形成一定风速的对外气流，从而阻止烟气侵入。楼梯间或前室的机械加压送风量计算原理： Lj=L1+ Ls＝L1＋L3 （7）式中Lj——Ls——前室的机械加压送风量；L1——门开启时，达到规定风速值所需的送风量，m3／sL2——门开启时，规定风速值下，其他门缝漏风总量，m3／sL3——未开启的常闭送风阀的漏风总量，m3／s。3）风管系统风速分布原理空气在风管内流动，其静压垂直作用于管壁。如在风管的侧壁开孔，由于孔口内外存在静压差，空气会按垂直于管壁的方向从孔口流出。空气从孔口流出时，实际流速和方向受静压产生的流速和方向以及管内流速综合影响。静压差产生的流速为： Vj=2Pj管道中的风速为： Vd=2Pd风管上孔口风速为： tanα=VjV V=Vjsinα式中Pj——风管内空气静压，Paρ——空气的气体密度kg／m3；Pd——风管内空气动压，Pa4）电功率测试原理三相四线制配电，相电流和线电流的区别，主要看负载的连接方法。如果是星型接法，相电流和线电流相同，线电压是相电压的3倍。如果负载是三角形接法，那么，线电流是相电流的根号3倍，相电压和线电压相同。设备电功率计算公式如下： P=AUcosφ=3aucosφ （12）式中P——设备功率，W；A、a——分别为线电流、相电流，A；U、u——分别为线电压、相电压，V；cosφ——功率因数。3.实验系统及装置建筑消防系统综合虚拟仿真实验系统采用Web端访问形式，无须安装任何插件。电脑相关配置要求如下：操作系统：Windows7及以上版本；推荐使用chrome浏览器（其他浏览器可能出现操作命令冲突的情况）； 计算机硬件配置要求：CPU：2核；内存：16GB；显存：512MB；显卡：建议GeForceGTX460及以上版本；在实验过程中涉及数据分析、报告编写，电脑应安装MicrosoftOffice、WPS等文档软件。4.实验步骤及方法1）实验系统登录（1）重庆大学校内学生通过重庆大学官网服务大厅进入个人信息门户，检索“虚拟仿真实验教学共享平台”，在左侧菜单“我的实验”中找到必修实验《建筑消防系统综合虚拟仿真实验》，如图1、图2所示。图1重庆大学官网图2检索虚拟仿真实验教学共享平台（2）其他学校学生由虚拟仿真实验教学共享平台，登录进入，在左侧菜单“我的实验”中找到必修实验《建筑消防系统综合虚拟仿真实验》，如图3所示。图3虚拟仿真实验教学共享平台（3）实验空间用户可从实验空间检索“建筑消防系统综合虚拟仿真实验”，进入实验课程页面，点击“我要做实验”直接跳转进入“建筑消防系统综合虚拟仿真实验”实验系统界面，如图4所示。图4实验空间课程页面2）自主实验（1）进入实验，阅读实验介绍，点击学习资料下载“自学资料”、实验报告和“延伸拓展”等相关资料。点击“开始实验”，则进入实验主界面，如图5所示。图5进入实验（2）实验主界面能看到“视频学习——虚拟实验操作——习题——实验报告”4个实验环节。①“视频学习”，环节可进行线上教学视频学习，了解建筑、给排水、暖通、电气等多个专业建筑消防相关核心知识点、概念等基础知识。②点击“虚拟实验操作”则可进行虚拟实验学习。③点击“习题”可完成教师布置的习题考核。（根据教师教学安排，非必须）④点击“实验报告”可提交实验成果。（3）“虚拟实验操作”学习详细实验步骤如下。①进入实验目录界面。点击“虚拟实验操作”将进入实验目录界面，实验分为4个板块12个步骤，按“章节形式”布置，需要按顺序完成12个实验步骤。每个实验步骤由完成一定学习任务的多个实验交互操作组成。点击“开始学习”即可进入相应实验步骤的实验界面，完成实验之后，点击网页返回“←”，则返回实验目录界面，如图6所示，系统自动记录实验步骤（小节）完成情况和得分。图6实验目录界面实验界面分为普通操作界面和U3d资源操作界面，如图7所示。图7实验操作界面普通操作界面采用鼠标左键点击进行交互。U3d资源操作界面，则需要按以下方法进行交互操作。a.第三视角U3d资源。板块一实验引入“三维建筑整体”、板块二“三维管网整体探索”“三维楼层空间探索”资源操作界面为第三视角，其操作方法见表1。实验步骤（小节）通用操作特有操作三维建筑整体探索①鼠标左键点击不放可旋转模型。②鼠标右键点击不放可改变模型位置。③鼠标滚轮可缩小放大模型。/三维管网整体探索左键点击网管，可查看管网介绍三维楼层空间探索左键点击高亮设备，可查看设备解说，同时解说内容对应的高亮设备闪动。表1第三视角U3d资源操作界面交互方法该部分实验内容可以上帝视角模型观察，通过移动、旋转、缩放模型，查看建筑整体及各层防烟排烟系统。观察整个系统的构成及形式。在上帝视角的三维模型探索中，点击管网和高亮设备，可查看系统及关键设备、构件知识点介绍。b.第一视角U3d资源。板块二“系统调试及评定”、板块三“排烟系统虚拟实验”“防烟系统虚拟实验”资源操作界面属于沉浸式第一视角，其操作方法见表2。表2第一视角U3d资源操作界面交互方法实验步骤（小节）操作方法系统调试及评定①通过移动鼠标，进行左右、上下旋转，控制漫游场景视角。②通过键盘“W、A、D、S”键进行“前行、左移、右移、后退”移动。③通过按“Alt”键，进入交互操作模式，按交互提示点击鼠标左键进行可交互操作，松开“Alt”键则退出交互模式，鼠标功能恢复成“控制漫游场景视角”。注意：鼠标功能恢复成“控制漫游场景视角”。如对确认或取消提示框、选择设备、选择测点等，均需按“Alt”键的同时进行鼠标左键点击。排烟系统虚拟实验防烟系统虚拟实验②实验板块1“实验引入”。点击“开始学习”，进入实验操作界面，如图8、图9所示，观看实验引入视频，并查看建筑整体三维模型及其信息介绍，完成章节实验考核。领导人物图片领导人物图片核？图8实验引入小视频图9实验操作界面③实验板块二“防排烟系统实习及调试”。a.“三维管网整体探索”和“三维楼层空间探索”实验步骤点击“开始学习”，进入实验界面，阅读实验步骤任务书，从第三视角进行三维模型探索，模拟工程实习过程，并完成章节任务考核，如图10—图12所示。Tips：探索过程中，可提前查阅章节考核内容，带着疑问进行虚拟实习，提高学习效率。图10实验步骤（小节）任务书图11三维管网模型图12楼层模型b.“系统调试及评定”实验步骤点击“开始学习”，进入实验界面，阅读实验步骤任务书，如图13所示。从第一视角进行沉浸式探索和交互，模拟工程系统调试，并完成章节任务考核，对系统调试结果进行评定。图13实验步骤（小节）任务书第一人物视角漫游及交互部分可在漫游路径中沉浸式观察防烟排烟系统，可自动和手动模式切换。系统共设置7条漫游路径，如图14所示，其中漫游路径2、3、4设置有系统调试交互操，需按系统提示，完成调试交互操作。图14漫游场景设置有系统调试操作的路径，进入路径界面自动弹出该路径的调试内容，如图15、图16所示，通过界面左下角“交互任务”可反复查看，请仔细阅读。沿着路径指示移动，在操作部位附近系统会自动弹出操作提醒。Tips：交互过程中建议可按地面指示路径行走，进行观察，查找操作控制面板。完成交互之后，鼠标移动视角，可观察系统设施的动作情况。图15系统调试内容说明图16操作提示③实验板块三“防排烟系统虚拟实验及分析”.a.“排烟系统虚拟实验”和“防烟系统虚拟实验”实验步骤点击“开始学习”，进入实验界面，阅读实验步骤任务书，从第一视角进行沉浸式探索和交互，进行系统测试并完成测试数据计算。进入U3d窗口，界面将弹出实验任务书，介绍实验测试内容、工况情况等，请仔细阅读。任务书内容可点击界面下方“实验任务书”反复查看。查看完任务书后，请点击界面下方“测试方法”阅读接下来测试内容的测试方法知识点。Tips：认真阅读实验任务书和测试方法，有利于后续“排烟系统运行分析”实验的顺利完成，如图17所示。图17排烟系统实验测试界面提示按路径指示，到达测试位置附近，将弹出测试界面，如图18、图19所示。实验依从“选择仪器——点击测点测试——获得数据”操作步骤开展虚拟实验，请依据实验操作步骤提示进行，测试结束后再点击“确定”按钮。图18排烟系统实验测试界面图19防烟系统实验测试界面Tips：完成每个环节实验操作，获得测试数据之后，采用“截图”方式截取和保存实验数据，以便后续实验数据分析。b.“排烟系统运行分析”和“防烟系统运行分析”实验步骤点击“开始学习”，进入实验界面，阅读实验步骤任务书，结合“系统运行参数数据”“系统测试条件信息”“系统设计参数”综合分析，判断系统运行参数是否满足设计要求，选择合适的解决措施，如图20、图21所示。图20实验步骤操作任务及说明图21排烟系统运行分析实验界面如分析判断不合理，可根据系统提示并观察运行数据的变化，重新分析选择，实验系统将根据分析过程进行迭代赋分。④实验板块四“防排烟系统设计及模拟优化”a.“排烟系统自主设计”和“防烟系统自主设计”步骤点击“开始学习”，按系统提示逐步完成“1防烟分区划分——2排烟量及补风量计算——3排烟及补风系统选型——4排烟风口布置——5补风风口布置”设计过程，如图22、图23所示。图22自主设计实验界面图23自主设计实验界面以防烟分区划分为例，在实验界面进行防烟分区划分之后，点击右下角“提交”，系统将提示划分结果是否满足要求，满足要求，则可点击左上角菜单栏“下一步”进行下一步实验。菜单栏中任务书、操作提示、知识点可随时点击查看为大家提供设计帮助。b.“防排烟系统自主搭建”点击“开始学习”，阅读实验操作和说明提示，选择防排烟系统关键部位的搭建方案，如图24所示。需要序号顺序完成各部分搭建，系统自动根据选择结果赋分。图24系统搭建实验界面c.“多场景模拟及系统优化”步骤，点击“开始学习”，进入实验界面，阅读实验任务和操作说明，系统将自动根据上一实验步骤“防排烟系统自主搭建”的搭建方案进行第一轮平时场景和火灾场景的模拟推演，如图25所示。如模拟结果存在问题，可点击“继续学习”继续优化搭建方案，直到方案合理无误。通过点击“结束学习”，即可完成该实验步骤的学习。系统将自动根据优化操作过程，进行迭代赋分。图25系统多场景模拟⑤完成实验操作并回顾总结。完成4个实验板块12个实验步骤之后，可点击实验目录界面“结束课程”，如图26所示。系统将通过实验平台生成实验报告书（报告内容为虚拟实验操作环节的实验过程、得分和评价情况）。可查看实验报告书，了解实验各步骤得分率和基于实验全程监测生成的5个核心指标达成度。Tips：实验报告不仅可查看各实验步骤的得分，还能查看系统基于实验过程和成果评价的“知识应用”“研究探索”“终生学习”“职业规范”“实验操作”5项核心指标的程度，分析总结自身“知识－能力－素养”多维度目标达成情况，根据自身薄弱环节进行实验回顾和总结。点击对应步骤“回顾”，即可回顾实验过程和考核答题情况。如需重新实验，可点击“重新学习”，则系统将清除原学习记录，可重新开始实验。图26实验目录界面⑥完成“实验操作”之后，可回到实验主界面，如图27—图29所示。根据教师实验布置情况，完成“习题”“实验报告”等环节学习。实验空间用户点击“实验报告”页面“提交”实验记录和报告将传输回实验空间。图27返回实验主界面操作演示图28实验报告界面图29实验提交⑦完成线上实验学习之后，根据实验教师教学安排，可利用“延伸拓展”学习资料，进行分组研讨，听取其他同学的分享，老师的意见，进一步拓展学习深度和广度，锻炼沟通、合作能力，培养创新思维。5.实验数据记录通过虚拟实验，可获得以下测试参数测试数据。表3二层排烟系统风速测试数据表项目测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8测点9风管风速/(m³·h-1)风口1风速/(m³·h-1)风口2风速/(m³·h-1)风口3风速/(m³·h-1)风口4风速/(m³·h-1)注：测试工况下，风口阀门尚未进行风量调节表4排烟风机入口风压测试测点1测点1-1测点1-2测点1-3测点1-4测点1-5测点1-6测点1-7测点1-8测点1-9测点1-10风机入口全压/Pa风机入口静压/Pa表5排烟