城乡规划专业本科四年级《城市燃气系统规划与设计》教案

城乡规划专业本科四年级《城市燃气系统规划与设计》教案

  一、课程理念与定位

  本课程立足于新时代国家能源安全战略、碳达峰碳中和目标以及新型城镇化高质量发展背景，面向城乡规划专业本科四年级学生开设。课程旨在突破传统物质空间规划的局限，引导学生深入理解城市燃气系统作为关键城市基础设施和能源动脉的复杂性与战略性。课程核心理念是“系统思维、交叉融合、动态适应、以人为本”，强调将工程技术与空间规划、社会经济、环境生态、公共政策进行深度整合。课程不仅传授燃气规划的专业知识，更着重培养学生解决复杂城市问题的综合能力，包括系统分析能力、多目标决策能力、风险评估与韧性构建能力，使其能够胜任未来城乡规划实践中涉及能源、基础设施等领域的综合性、前瞻性规划工作，成为具备深厚工程素养和广阔规划视野的复合型人才。

  二、学情分析

  本课程授课对象为城乡规划专业大四学生。经过前三年学习，学生已具备以下知识与能力基础：掌握了城乡规划基本原理、空间设计方法、相关法律法规知识体系；熟悉城市总体规划、详细规划及各专项规划的基本框架与编制流程；具备一定的地理信息系统应用能力和数据分析基础。然而，其知识结构中也存在明显短板：对城市工程系统，特别是燃气这类工艺性较强的市政基础设施，认知多停留在概念层面，缺乏深入的技术原理理解和定量分析能力；习惯于物质空间形态规划思维，对隐藏于地下的、网络化的、动态运行的系统性基础设施的规划逻辑、安全约束、运营协调等认知不足；在跨学科知识整合与解决具有强技术约束的规划问题方面经验欠缺。大四学生正处于由理论学习向综合实践与毕业设计过渡的关键期，求知欲强，对能够直接提升职业竞争力的应用性知识需求迫切，但同时也可能因考研、就业等压力而出现学习专注度分化。因此，课程设计需在巩固规划视角的同时，巧妙融入必要的工程技术内核，通过问题导向和项目实践，激发内在学习动力，弥补知识断层。

  三、教学目标

  （一）核心素养与价值观目标

  1.树立能源安全观与生态伦理观：深刻理解城市燃气系统在国家能源安全、区域生态保护与城市可持续发展中的战略地位，培养严谨负责、敬畏生命的职业操守和安全至上的工程伦理。

  2.强化系统思维与协同意识：建立城市燃气系统与土地利用、空间布局、生态环境、经济社会等多系统相互关联、相互制约的系统认知框架，培养整体性、关联性的思维方式和多部门协同的工作意识。

  3.培育创新精神与前沿视野：关注智慧能源、氢能等新兴技术对传统燃气系统规划的颠覆性影响，鼓励批判性思考和前沿技术应用探索，适应行业快速变革。

  （二）知识体系目标

  1.掌握城市燃气系统的基本构成、技术原理与核心参数：理解气源种类、特性及供应模式；掌握燃气负荷预测与计算的基本方法；熟悉门站、储配站、调压站等设施的功能、工艺及规划选址要求；掌握燃气管网（输配系统）的拓扑结构、水力计算基本原理及管材、压力分级等关键知识。

  2.掌握城市燃气专项规划的核心内容、编制方法与技术标准：熟练掌握从现状诊断、需求预测、气源规划、输配系统规划、设施布局到安全评估、近远期结合的全流程规划编制方法。深入理解相关国家规范标准（如《城镇燃气设计规范》GB50028、《城市燃气规划规范》GB/T51098）的技术内涵及其在规划中的应用。

  3.理解燃气规划与城乡规划体系的衔接与协同：掌握燃气规划与城市总体规划、详细规划（控制性详细规划、修建性详细规划）在编制时序、内容深度、空间落地等方面的互动关系与协调要点。

  （三）能力培养目标

  1.具备燃气系统现状调研与诊断分析能力：能够组织开展燃气设施现状调查，运用专业软件或工具进行数据分析，识别系统存在的主要问题与风险。

  2.具备中远期燃气负荷预测与供需平衡分析能力：能够运用多种预测模型（如指标法、时间序列分析、相关分析法等）进行科学预测，并制定多气源供应保障方案。

  3.具备初步的燃气管网规划与水力分析能力：能够在规划层面进行管网拓扑设计，并利用专业软件（如SPS、SynergiGas等或简化模型）进行稳态水力计算，验证管网规划的合理性。

  4.具备燃气设施选址与空间综合协调能力：能够综合考虑安全、环境、经济、规划条件等多因素，进行燃气场站的初步选址与布局，并与其他用地和设施进行协调。

  5.具备编制规范的专业技术报告与图纸的表达能力：能够按照行业标准，完整、清晰、规范地呈现规划成果。

  四、教学内容、重难点与学时分配（总学时：48学时，含16学时实践）

  模块一：导论与基础理论（6学时）

  1.教学内容：城市燃气系统概述（定义、功能、在城市建设中的地位）；我国燃气事业发展历程与政策导向；燃气种类与特性（天然气、液化石油气、人工煤气等）；燃气规划相关的法规标准体系；燃气规划与城乡规划体系的关系。

  2.教学重点：燃气系统的构成与特点；燃气规划的法律法规和标准规范框架。

  3.教学难点：理解燃气作为一种特殊“商品”兼具公共产品与市场属性的双重特性，及其对规划理念的影响。

  模块二：燃气负荷预测与气源规划（8学时，含2学时实践）

  1.教学内容：燃气用户分类与用气规律；各类用户用气指标研究；负荷预测的经典方法与模型（人均用气指标法、分类加和法、横向比较法、弹性系数法、时间序列预测等）；预测不确定性与多情景分析；城市燃气供需平衡分析；气源种类、选择原则与供应方案制定；应急调峰与储气设施规划。

  2.教学重点：分类用气指标的确定与适用条件；负荷预测方法的选择与应用；多气源互补的供应体系构建。

  3.教学难点：如何基于有限数据和城市发展阶段，选择并合理修正预测模型，提高预测科学性；调峰需求计算与储气方式的经济技术比较。

  模块三：燃气输配系统规划（12学时，含6学时实践）

  1.教学内容：燃气输配系统的构成与压力分级；管网形制选择（环状、枝状及其混合）与可靠性分析；管网布局原则与优化方法；燃气管道水力计算基本原理（流量公式、摩阻计算、管网平差概念）；管网规划方案的比选与评价；GIS在管网规划中的应用。

  2.教学重点：管网系统压力分级与拓扑设计；管网布局与城市空间结构的耦合关系；规划层面水力计算的基本流程。

  3.教学难点：理解水力计算背后的流体力学原理并将其简化为规划可用的工具；管网可靠性、经济性与安全性的多目标权衡。

  模块四：燃气场站与设施规划（8学时，含4学时实践）

  1.教学内容：门站、储配站、调压站（箱、柜）、液化天然气（LNG）站、汽车加气站等各类设施的功能、工艺流程图解；设施选址的原则、安全间距要求（与规范条文结合讲解）；设施用地控制指标与形态布局；设施与周边环境的协调与景观化处理。

  2.教学重点：各类场站的核心功能与规划选址的核心约束条件，特别是安全防护距离。

  3.教学难点：将抽象的规范安全距离转化为具体的空间影响范围，并在实际地形和规划用地中落实；设施集约化、地下化、景观化等新型建设模式的理解与应用。

  模块五：安全、防灾与智慧化发展（6学时，含2学时实践）

  1.教学内容：燃气系统主要风险源辨识（第三方破坏、腐蚀、自然灾害等）；管网完整性管理概念；燃气事故应急响应与救援体系规划；防灾空间规划与燃气设施的关系（如避难场所、消防通道）；智慧燃气系统概述（SCADA、智能调压、泄漏监测、数字孪生等）及其对规划的影响。

  2.教学重点：系统安全风险的规划防控措施；智慧化技术如何提升系统安全与运营效率。

  3.教学难点：从被动防护到主动预警的规划思维转变；理解数字孪生等新技术如何与物理规划深度互动。

  模块六：综合实践与规划编制（8学时实践）

  1.教学内容：以一个简化但真实的城市片区或新区为背景，完成一份微型城市燃气专项规划方案。涵盖现状分析、负荷预测、气源规划、输配管网布局、关键设施选址、安全措施、图纸绘制与报告撰写全流程。

  2.教学重点：综合运用前序模块知识解决实际规划问题；规划成果的规范性与完整性。

  3.教学难点：多目标、多约束条件下的方案生成与决策；各环节知识的连贯应用与迭代修正。

  五、教学资源与工具

  1.核心教材与规范：《城市燃气规划》（高等学校规划教材），《城镇燃气设计规范》GB50028，《城市燃气规划规范》GB/T51098等最新版。

  2.参考书目：《燃气输配》、《城市工程系统规划》、《能源经济学》相关章节，国内外先进城市燃气规划案例集。

  3.数字资源：国家能源局、住房和城乡建设部等官网政策文件；国内外燃气企业、研究机构发布的行业报告；智慧燃气、氢能应用等前沿技术视频资料。

  4.软件工具：ArcGIS/QGIS用于空间分析与图纸绘制；专业水力计算软件（如SPS、Pipeflo等）演示版或简化计算工具（如Excel模板）；思维导图软件用于知识梳理；CAD用于规划图纸深化。

  5.实践平台：校企合作建立的虚拟仿真实验平台（模拟管网规划与运行）；邀请行业专家进课堂讲座；组织参观城市燃气门站或调度中心（视条件而定）。

  六、教学实施过程详细设计

  本课程采用“理论讲授-案例研讨-软件实操-项目驱动”四维一体、螺旋递进的教学模式。强调以学生为中心，通过真实问题情境激发探究，在实践应用中内化知识，在协作研讨中提升思维。

  第一单元：认知唤醒与框架构建（对应模块一）

  课时1-2：能源变革中的城市“动脉”——燃气系统导论

  *情境导入：播放一段短视频，对比一个传统燃煤城市与一个现代天然气普及城市在天空色彩、工厂烟囱、居民厨房等方面的巨大差异。提出问题：“是什么带来了这种变化？这条支撑城市清洁运转的‘隐形动脉’是如何被规划布局的？”

  *核心讲授与互动：

    1.系统脉络勾勒：摒弃罗列定义的枯燥方式，以“气从何处来？（气源）→需要多少？（负荷）→怎样送达？（输配）→放在哪里？（设施）→如何保障安全可靠？（安全与智慧）”为主线，勾勒出课程总框架，使学生对全局有初步把握。

    2.关键概念辨析：通过对比图表，清晰区分天然气、LNG、CNG、LPG等易混淆概念，结合实物图片或模型，加深理解。重点讲解天然气的优势及其作为主体气源的意义。

    3.政策语境嵌入：引导学生查阅近期国家关于“能源安全”、“储气能力建设”、“城乡燃气一体化”等政策文件摘要，分组讨论这些政策导向可能对燃气规划提出哪些新要求。使知识学习置身于宏观战略背景之下。

  *案例研讨：提供某特大城市的燃气规划目录或摘要，让学生反向推导其规划框架，并与课堂讲授的框架进行比对，理解规划文本的组成逻辑。

  *课后任务：要求学生选择自己家乡或熟悉的某个城市，通过网络公开信息，初步调研其主要气源类型、主导燃气企业，并记录下第一个疑问。

  第二单元：定量分析基石——负荷预测与气源谋划（对应模块二）

  课时3-5：预测未来用气需求

  *问题启动：展示某新区规划图，提问：“若要为该新区规划燃气系统，你首先需要知道的关键数据是什么？”引导学生得出“用气量”这一核心。

  *理论精讲：深入讲解各类用气指标（居民、商业、工业、采暖、汽车等）的内涵、取值依据及其巨大的地域和时代差异性。通过具体城市数据对比，让学生深刻理解指标不可机械套用。

  *方法演练：以一个简化城市为例，分步骤演示“分类加和法”预测全过程。重点讲解：如何获取和甄别基础数据（人口、面积、工业产值等）；如何根据城市发展定位和产业政策选择合理的用气指标；如何进行不均匀系数修正（月、日、小时）；如何呈现预测结果。

  *实践工作坊（2学时）：学生分组，给定不同情境（如旅游城市、工业城市、高密度住宅区），使用提供的简化数据包，分别选用并应用至少两种方法进行负荷预测。要求对比不同方法的结果差异，并分析差异产生的原因及哪种结果更可信。教师巡回指导，重点解决指标选取的合理性和计算过程的规范性。

  *高阶讨论：引入“预测总是不准的”这一命题，引导学生思考预测的意义何在？进而探讨如何通过敏感性分析、多情景规划（基准情景、高速发展情景、低碳强化情景）来应对不确定性，使规划具备弹性。

  课时6-7：编织可靠的气源供应网

  *案例切入：分析某年冬季北方地区“气荒”事件，讨论其成因（需求激增、供应不足、调峰能力欠缺、管网互联互通不够等）。引出气源规划的核心目标：保障稳定、经济、灵活的供应。

  *系统讲授：图解长输管道、LNG接收站、地下储气库、LNG液化厂/气化站等不同气源设施在供应链中的角色。重点阐述“多气源、多路径、互联互通”现代供应体系的内涵。

  *策略研讨：给定一个能源资源匮乏、依赖外输的城市案例，学生分组设计其气源保障方案。需考虑：主力气源与备用应急气源如何搭配？如何规划建设储气调峰设施以满足小时、日、季节调峰需求？计算简单的储气容积需求。

  *前沿拓展：简要介绍氢能（绿氢、蓝氢）作为潜在未来气源的前景，讨论其对现有燃气设施（管道、场站）的兼容性要求与改造挑战，激发学生对行业未来的思考。

  第三单元：空间与网络的交响——输配系统与设施布局（对应模块三、四）

  课时8-11：构建高效流动的地下网络

  *可视化导入：利用城市三维地图或剖面图，叠加显示地下错综复杂的各类管线（燃气、给水、排水、电力、通信）。提问：“如何在这拥挤的地下空间里，为燃气管道找到安全、高效的‘路径’？”

  *核心知识构建：

    1.压力体系：类比供水系统，生动解释高压、次高压、中压、低压四级压力体系的作用，强调其与供气范围、安全距离、管材造价的关系。

    2.管网形态：通过动画演示环状管网与枝状管网在事故工况下的气流路径变化，直观理解环状管网更高的可靠性与枝状管网的经济性。引导学生思考如何在规划中根据区域重要性采用混合形态。

    3.布局原则：结合城市道路网规划知识，讲解管网沿路敷设的原则、避免穿越的限制区域（建筑基础、桥梁、大型沟渠等）。

  *软件辅助教学：演示专业水力计算软件（或简化教学工具）如何将物理管网转化为数学模型，进行稳态流量、压力分布计算。重点不在于学生掌握复杂计算，而在于理解“规划布局”需要经过“水力验证”这一关键环节，以及软件计算输出的压力云图、管径优化建议等结果如何指导规划调整。

  *综合实践（6学时）：在GIS环境中，给定某规划区的用地布局图、道路网、已知的气源接入点位置。学生任务：①设计合理的压力级制；②布置中压主干管网（要求形成至少一个环网）；③为典型居住区和商业区设计庭院管网（低压枝状）。使用简化计算工具或遵循经验管径，对主干管网进行水力校核，确保末端压力满足要求。提交成果包括管网布局图、设计说明及简要的水力计算书。此过程将空间布局与水力分析初步结合。

  课时12-15：安全红线内的设施落地

  *“安全间距”深度解析：不再死记硬背规范数字，而是分组查阅《城镇燃气设计规范》中关于不同压力管道、各类场站与建筑物、构筑物的安全间距规定。每组负责一类设施，探究其安全距离设定的科学原理（如防火间距基于辐射热计算、爆炸冲击波模拟等），并上台分享。使学生理解规范是“底线”，而非“目标”。

  *选址模拟与冲突协调：提供一个真实的区域地形图，图中已规划有居住区、学校、公园、工业区、变电站、河流等要素。要求各组为一个规划的中压调压站或小型LNG气化站进行选址。过程必须包括：①初步圈定符合安全距离要求的可能区域；②考虑工程地质、交通接入、环境影响（噪声、视觉）等因素进一步筛选；③评估与周边其他规划用地的冲突，并提出协调方案（如调整设施位置、优化布局、增加防护措施等）。使用GIS缓冲区分析工具辅助决策。

  *创新设计思维：展示国内外燃气设施地下化、集约化（如与变电站合建）、景观化（如将调压箱设计成艺术品或融入绿化带）的优秀案例。鼓励学生在保证安全功能的前提下，对设施的外观和与城市空间的融合方式进行创新构思，绘制概念草图并阐述设计理念。

  第四单元：风险防控与未来图景（对应模块五）

  *课时16-17：构筑系统安全与韧性

  *事故案例复盘：详细分析一起典型的城市燃气重大事故（如管道第三方破坏导致爆炸）的完整时间线，从规划、建设、运营、监管、应急响应等多个环节剖析事故链。引导学生思考：规划阶段可以采取哪些措施来切断或缓解这个事故链？（例如：规划专用管廊、加强对高后果区的识别与管理、优化管网结构提高冗余度、合理布局应急抢险站点等）。

  *韧性规划概念引入：介绍“韧性城市”理念，并引申到“韧性燃气系统”。讨论如何通过规划手段提升系统应对极端天气（如冰冻、洪水）、地质灾害、人为破坏等“黑天鹅”“灰犀牛”事件的能力。包括：关键设施的防洪抗震设防标准、重要管段的双重保障或可快速隔离设计、应急气源和移动供气设备的布局等。

  *智慧化系统观摩：通过企业提供的宣传片或模拟系统，展示智慧燃气调度中心如何实时监控全市管网压力、流量，如何进行泄漏预警与定位，如何进行远程切断与调度。让学生直观感受数字化、智能化技术如何赋能传统燃气系统，使其从“静态规划”走向“动态运营、实时优化”。

  第五单元：知行合一——综合规划实践（对应模块六）

  *课时18-48（含大量课外时间）：微型燃气专项规划编制项目

    阶段一：项目启动与现状调研（4学时）：发布项目任务书，背景为一个人口约20万、正在快速发展的新城或城市重点片区。提供基础资料包（城市总规图、控规图、现状人口经济数据、现状燃气设施简况等）。学生分组（每组4-5人），明确角色分工（项目经理、数据分析师、规划设计师、绘图员、报告统稿等）。学习并制定现状调研提纲，分析现有资料，识别现状问题与规划条件。

    阶段二：方案构思与初步设计（课内4学时+课外）：各小组进行头脑风暴，确定规划目标与技术路线。完成负荷预测计算，提出气源方案。在GIS底图上进行初步的管网系统构架和主要设施选址。小组内部进行第一次方案评审，形成初步方案。

    阶段三：深化分析与方案优化（课内4学时+课外）：对主干管网进行水力计算分析，验证并优化管径与布局。深化设施选址分析，完成安全间距校核。协调与道路、绿地、其他管线的空间关系。绘制规划总图、管网布局图、设施布局图等核心图纸的草图。

    阶段四：成果整合与汇报答辩（课内4学时）：各小组整理完善全套规划成果，包括规划文本（简版）、说明书、图集。制作汇报PPT。举行正式的模拟规划评审会，邀请行业专家（或由教师和优秀研究生模拟）、其他小组代表组成评审团。每组进行15分钟汇报，10分钟答辩。评审团从技术合理性、创新性、规范性、表达能力等方面进行质询和评分。

    阶段五：复盘反思与个性提升（课内2学时）：项目结束后，组织全体学生进行复盘。分享在项目过程中遇到的挑战、解决的方法、最大的收获。教师对各组共性问题和亮点进行总结点评。学生根据反馈，修改完善个人承担部分的成果，形成最终的个人作业存档。

  七、教学评估与反馈机制

  建立“过程性评价与终结性评价相结合、能力导向与成果导向并重”的多元评估体系。

  1.过程性评估（占总评50%）：

    *课堂参与（10%）：包括提问、讨论、案例分析的贡献度，重点考察思维的深度与广度。

    *个人作业与练习（15%）：如负荷预测计算作业、安全间距分析报告、设施选址分析图等，考察对关键知识技能点的掌握。

    *小组项目过程贡献（15%）：通过小组互评、个人日志、阶段性成果提交等方式，综合评估学生在团队合作中的参与度、协作能力和承担任务的质量。

    *实践操作（10%）：对GIS操作、简化水力计算工具使用、图纸绘制规范等实践技能进行随堂或课后检查。

  2.终结性评估（占总评50%）：

    *小组项目最终成果（30%）：从技术内容