王文靜，徐得潛，陳國煒，徐 翹

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

建筑給水排水工程是給排水科學與工程專業(yè)的主干專業(yè)課之一[1-3]，傳統(tǒng)教學方式以課堂教學、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、認識實習、生產(chǎn)實習和畢業(yè)實習為主[4]。很少有高校開展建筑給水排水實驗課(以下簡稱建排實驗課)，建排實驗課在提高教學效果方面表現(xiàn)顯著[5]，開設(shè)建筑給水排水實驗室較早的學校為北京建筑工程學院，建設(shè)較好的為北京工業(yè)大學土木工程實驗教學市政工程實驗室。國內(nèi)只有少數(shù)幾所高校的給排水及相關(guān)專業(yè)有建筑給水排水的裝置，一般為自制，以演示參觀和配合實習為主[6]。為了配合開展建排實驗課，增加實驗基地的建排實驗裝置，特自主開發(fā)了一套建筑給水排水的實驗裝置，這套實驗裝置的完成將大大提高建筑給水排水課程的教學效果，增加實習過程的創(chuàng)新性、自主性和學生專業(yè)知識的綜合運用及解決工程問題的能力[7-8]。同時，該裝置也可為本科生綜合創(chuàng)新實踐和相關(guān)專業(yè)的研究生在建筑給水排水工程理論方面的研究和科研活動提供實驗平臺[9]。

這套建筑給水排水實驗裝置包括管路系統(tǒng)、衛(wèi)生器具和自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)通過電磁閥控制各衛(wèi)生器具、通氣管及排水管道等的開關(guān)，并監(jiān)測管內(nèi)流量、壓力等參數(shù)，是集水力演示、測試流量、壓力、真空值等數(shù)據(jù)及研究功能為一體的裝置。

1 實驗裝置組成

本裝置主要包括給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和雨水系統(tǒng)3部分，建筑給水排水系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.1 給水系統(tǒng)

給水系統(tǒng)包括變頻水泵(RBL50-125A)，ABB控制器RBC-2B11(一控二)1臺，衛(wèi)生器具10套和水箱V1。給水方式為變頻泵聯(lián)合水箱加壓下行上給式，水泵從低位水箱吸水，通過立管，供到每層的用水器具上。一層設(shè)置3個洗臉盆，模擬公共場所分別或同時使用小水量衛(wèi)生器具的情景；二層設(shè)置3個坐便器，模擬公共場所分別或同時使用大水量衛(wèi)生器具的情景；三層設(shè)置2個洗臉盆，1個小水箱(模擬浴缸)，1個坐便器，模擬賓館衛(wèi)生間用水情景。這3類模擬情景可以演示用水量從小到大時，排水立管的水流變化情況。

圖1 建筑給水排水實驗裝置設(shè)計原理圖

1.2 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)主要由排水立管、排水橫管、通氣立管和通氣支管-環(huán)形通氣管組成，采用了3種排水通氣方式：1)伸頂通氣單立管排水方式，排水立管向上延伸，立管末端與大氣聯(lián)通，通過關(guān)閉通氣立管上的兩個電磁閥來實現(xiàn)通氣立管封閉，只用排水立管頂端通氣；2)雙立管排水系統(tǒng)，由一根排水立管和一根通氣立管組成，是利用排水立管與另一根立管之間進行氣流交換，通氣立管不排水，通過打開通氣立管上的兩個電磁閥實現(xiàn)通氣立管的通氣；3)環(huán)形通氣管排水系統(tǒng)，當排水橫支管較長，連接的衛(wèi)生器具較多時設(shè)置在通氣支管上，為了加強通氣，通過同時打開通氣立管和環(huán)形通氣支管上的電磁閥來實現(xiàn)環(huán)形通氣管與通氣立管連接并同時通氣。3種通氣排水方式通過對比演示來比較通氣對排水的影響。

1.3 雨水系統(tǒng)

雨水系統(tǒng)由雨水立管、雨水橫管、兩個高位水箱V2和V3、一臺恒速水泵(RBL100-125A)、重力式雨水斗和虹吸式雨水斗等組成。分別演示兩種雨水系統(tǒng)，即重力流(堰流式斗)雨水系統(tǒng)和虹吸流雨水系統(tǒng)。重力流雨水系統(tǒng)由重力式雨水斗、雨水立管、水箱V3和壓力傳感器組成，這種系統(tǒng)是為了演示管中的水流狀態(tài)，驗證立管中壓力變化原理；虹吸流雨水系統(tǒng)由兩根雨水立管組成，一根由一個虹吸雨水斗、雨水立管、水箱V2和壓力傳感器組成，另一根是兩個溢流虹吸雨水斗、雨水立管、水箱V2和壓力傳感器組成，為演示虹吸雨水系統(tǒng)的水流狀態(tài)和管里的壓力變化。

2 實驗裝置特點

開發(fā)研制的這套建排實驗裝置具有以下3個特點。

2.1 實驗裝置動態(tài)水流演示效果顯著

此實驗裝置的衛(wèi)生器具和管道固定在由鋼架組成的支架上，支架固定在靠墻的位置上，可以直觀地看到橫支管、立管和橫干管，其中的排水管采用透明管，水流狀態(tài)清晰可見，且支架具有一定的高度，使得實驗裝置能模擬真實的三層建筑的給排水系統(tǒng)，如圖2所示。

這套裝置清晰提供完整的建筑內(nèi)部給水排水系統(tǒng)的整體布局，解決了在實習工地中由于管道安裝后難以觀察到的管道布局的難題。

圖2 給水排水系統(tǒng)及雨水排水系統(tǒng)正面布置圖

2.2 實驗裝置可模擬多種場景

這套實驗裝置通過電磁閥可以控制各衛(wèi)生器具、通氣管及排水系統(tǒng)等的開關(guān)，電磁閥的開啟都是由自動控制系統(tǒng)上的人機界面操作，從而實現(xiàn)10種情景下的給水排水情景，如表1所示，泵和電磁閥示意圖如圖1所示。

2.3 實驗裝置具有先進性

建筑給水排水工程這門課是給排水及相關(guān)專業(yè)的必修課之一，以教授設(shè)計和施工為主，在教學中對設(shè)計原理和規(guī)范講解較多，對工程實例講解較少[10-12]，本裝置也是一個實際的工程，現(xiàn)在把原來隱藏在建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的管道全部直觀地露在外邊，管道全部采用透明管道，衛(wèi)生器具通過支架掛在墻上，這種直觀的管道工程較為少見，且由于增加了自控系統(tǒng)控制電磁閥切換，可以模擬3種用水情景下排水系統(tǒng)和不同通氣狀態(tài)下排水系統(tǒng)的水流狀態(tài)和立管的壓力變化，3種雨水系統(tǒng)雨水管道中的水流狀態(tài)和立管橫管的壓力變化等10種實際工程下的情景；建筑給水排水工程的原理一直以來研究較少，大多以介紹工程經(jīng)驗為主，這套裝置在管道上裝置了壓力計、真空計和流量計，為管道的流態(tài)和管道內(nèi)部的流量壓力的研究提供了平臺，為印證原有的原理和做進一步研究提供了可能性。

3 實驗裝置應(yīng)用

本實驗裝置在教學方面具有應(yīng)用價值，對建筑給水排水工程、管道安裝、建筑給排水施工技術(shù)及建筑設(shè)備等課堂教學提供動態(tài)、三維、直觀的模型，在課堂教學中穿插參觀本裝置，開展建排實驗課，可強化課程理論教學效果，提高學生對具體知識點的掌握和實際運用。在本科教學最初的認識實習，到高年級的生產(chǎn)實習和畢業(yè)實習提供了實習的場所，因本裝置的管道、衛(wèi)生器具安裝外露，具有很強的直觀性，加強了對實際工程的感官認識。在研究方面，本裝置為大學生的創(chuàng)新性實驗提供了實驗平臺，也為土木工程專業(yè)及建筑學等其他專業(yè)的研究生和教師在建筑給水排水工程理論方面的研究和科研活動提供了實驗平臺。

表1建筑給水排水實驗裝置模擬情景

編號模擬的情景操作方法1公共建筑小流量排水現(xiàn)象打開P-1泵后,開啟電磁閥1-1,1-2,1-3,使3個洗臉盆同時排水2公共建筑衛(wèi)生間大流量衛(wèi)生器具同時排水現(xiàn)象打開P-1泵后,開啟電磁閥2-1,2-2,2-3,使3個坐便器同時排水3賓館衛(wèi)生間衛(wèi)生器具排水打開P-1泵后,開啟電磁閥3-1,3-2,3-3,使洗臉盆,坐便器,浴缸同時排水4公共建筑衛(wèi)生間大流量衛(wèi)生器具同時排水無專用通氣管打開P-1泵后,開啟電磁閥2-1,2-2,2-3,使3個坐便器同時排水

(續(xù)表)

編號模擬的情景操作方法5公共建筑衛(wèi)生間大流量衛(wèi)生器具同時排水有專用通氣管打開P-1泵后,開啟通氣閥4-1,4-2,5-1,5-2,同時開啟電磁閥2-1,2-2,2-3,使3個坐便器同時排水6公共建筑衛(wèi)生間大流量衛(wèi)生器具同時排水有專用通氣管和環(huán)形通氣管打開P-1泵后,開啟通氣閥4-1,4-2,5-1,5-2,同時開啟電磁閥2-1,2-2,2-3,使3個坐便器同時排水7建筑所有衛(wèi)生器具排水無專用通氣管打開P-1泵后,打開電磁閥1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3,3-1,3-2,3-3,使所有衛(wèi)生器具同時排水8建筑所有衛(wèi)生器具排水有專用通氣管打開P-1泵后,打開4-1,4-2,同時打開電磁閥1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3,3-1,3-2,3-3,使所有衛(wèi)生器具同時排水9建筑所有衛(wèi)生器具排水有專用通氣管和環(huán)形通氣管打開P-1泵后,打開4-1,4-2,5-1,5-2,同時打開電磁閥1-1,1-2,1-3,2-1,2-2,2-3,3-1,3-2,3-3,使所有衛(wèi)生器具同時排水10屋頂重力流雨水排水,單斗虹吸流雨水排水、兩斗溢流虹吸流雨水排水狀態(tài)打開P-2泵的開關(guān),同時關(guān)閉所有的電磁閥

4 實驗裝置的創(chuàng)新點

1)直觀真實地模擬建筑給水排水系統(tǒng)的水流狀態(tài)，排水系統(tǒng)分別模擬賓館房間排水、公共場所大流量排水和普通生活小流量排水等10種情景。

2)真實直觀的模擬3種雨水系統(tǒng)的水流狀態(tài)及立管和橫管的壓力變化，分別為重力流、虹吸流和溢流虹吸雨水排水3種形式。

3)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)可實時控制水泵流量、各衛(wèi)生器具和通氣管等的開關(guān)，并監(jiān)測管內(nèi)流量、壓力和真空值。

5 結(jié)束語

本裝置通過自行設(shè)計、施工及安裝，開發(fā)了這套大型的建筑給水排水實驗裝置，該裝置可實現(xiàn)與實際工程相同的使用功能，并通過自控系統(tǒng)切換電磁閥裝置提供多種建筑不同給排水下的情景，為給排水工程及相關(guān)專業(yè)的學生及研究生實現(xiàn)演示、教學，開展綜合性和設(shè)計性實驗搭建平臺，也可用于認識實習、生產(chǎn)實習和創(chuàng)新性實驗等實踐活動環(huán)節(jié)。

[1]王華.建筑消防給水工程課程教學改革探討[J].高等建筑教育，2014，23(2):47-49.

[2]左梅梅，丁昭霞，吳恬，等.建筑給水排水工程課程教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2011，20(6):64-67.

[3]張林軍，王宏.《建筑給水排水工程》課程設(shè)計教學改革研究[J].實驗科學與技術(shù)，2012，10(1):86-88.

[4]劉德明.建筑給水排水工程課程綜合教學體系建設(shè)與實踐[J].高等建筑教育，2013，22(3):58-60.

[5]王先兵，郭海娟.以實踐引導教學的建筑給水排水工程課程教學改革[J].經(jīng)濟研究導刊，2014，226(8):94-95.

[6]蘇饋足，徐得潛，王偉，等.厭氧-好氧廢水生物處理實驗平臺的開發(fā)與研制[J].實驗科學與技術(shù)，2014，12(2):208-210.

[7]馮景偉，陳慧，袁守軍，等.給水排水工程專業(yè)水質(zhì)工程學教學改革初探[J].宿州學院學報，2010，26(8):118-120.

[8]王偉，王科，蘇饋足，等.《水處理工程實驗技術(shù)》課程教學改革初探[J].實驗科學與技術(shù)，2014，12(3):118-119.

[9]王偉，胡真虎，蘇饋足，等.大學生創(chuàng)新實驗項目教學改革和實踐[J].實驗科學與技術(shù)，2014，12(5):178-179.

[10]李霞.高層建筑給水排水工程課程教學實踐與探討[J].山西建筑，2011，37(1):247-248.

[11]崔鳳國，牟雪峰.建筑給水排水工程課程設(shè)計的教學改革探討[J].東北電力大學學報，2011，31(6):182-184.

[12]張林軍，王宏.《建筑給水排水工程》課程設(shè)計教學改革研究[J].實驗科學與技術(shù)，2012，10(11):86.