數(shù)字化防塵天幕系統(tǒng)設計與應用

華天波，彭德坤，李坤，周堅，羅建波，朱發(fā)東，何冬東，胡常安，徐詠

（1.中國五冶集團有限公司，成都 610063；2.中國測試技術(shù)研究院，成都 610021；3.西華大學土木建筑與環(huán)境學院，成都 610039）

1 引言

近年來，隨著我國城市化進程加快，建筑工程數(shù)量和規(guī)模日益增大，工程施工過程中帶來的塵土污染和噪聲污染等給社會和環(huán)境也帶來了巨大的困擾[1-2]。堅持綠色發(fā)展，實施綠色施工技術(shù)，是降低建筑施工對自然環(huán)境的破壞污染和對周圍居民生活影響的有效手段。

目前，建筑施工揚塵治理技術(shù)主要有覆蓋、綠化和固化3種[3]。覆蓋治理技術(shù)一般用防塵網(wǎng)來覆蓋容易引起揚塵的場地和土方[4]。沈慧明等[5]結(jié)合防塵網(wǎng)技術(shù)在北倉港口碼頭的應用，對防塵網(wǎng)的作用機理、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材質(zhì)和防塵減塵效果等方面進行了深入研究。隨著國內(nèi)建筑工程的規(guī)模逐漸擴大，施工中對大型、高效能防塵網(wǎng)的需求越來越強，如何保障防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)設計安全、考慮風荷載作用下防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，成為大型防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)設計需解決的關(guān)鍵問題。

綠化治理技術(shù)在工程揚塵治理方面周期長、代價高，但其生態(tài)環(huán)保的特點決定了其在某些特定的施工工地也有一定的應用前景[6]。固化抑塵治理技術(shù)主要有兩種方式：灑水抑塵[7]和化學抑塵[8]。灑水抑塵包括灑水降塵、水霧或超聲波霧化抑塵[9]、磁化水或靜電水抑塵[10]、高壓水抑塵[11]等。灑水可有效抑塵，但周期較短，同時灑水過多或過于頻繁，會在地面形成泥漿，泥漿干涸后經(jīng)車輛碾壓，會形成粒徑更小的微粒，容易造成二次污染。化學抑塵方法投入成本相對低，抑塵效果好，生態(tài)環(huán)保型抑塵劑幾乎不產(chǎn)生二次污染，但難點在于化學試劑創(chuàng)新和研發(fā)。

綜上所述，三大揚塵治理措施（覆蓋、綠化和固化）均有其適用性和各自缺陷。隨著我國城市化建設的加速推進，高層住宅和主干道路建設越來越密集，傳統(tǒng)的揚塵治理技術(shù)已逐漸不能滿足現(xiàn)代施工工地揚塵治理的更高要求，探索新型的實時自動化揚塵監(jiān)控和治理技術(shù)已成為目前綠色施工的重要發(fā)展方向。

2 工程概況

成都市成華區(qū)七醫(yī)院項目位于成華區(qū)保和街道，項目占地面積12918.31 m2，總建筑面積59479.46 m2，地上部分的雙塔樓分別為8 層和13 層高，設2 層地下室，建筑總高度59.95 m。

本工程基坑整體的開挖深度為13.4 m，自上而下地質(zhì)土層依次為人工填土、黏土、粉質(zhì)黏土、砂、卵石及基巖。基坑為不規(guī)則四邊形，東西向長為125～137 m，南北向長為70～108 m，基坑面積約11 000 m2。

3 防塵天幕設計

在本工程中，防塵天幕主要采用型鋼結(jié)構(gòu)、鋼索、防塵網(wǎng)、矩陣式噴淋等系統(tǒng)，共同組建成一套智能化抑塵、降塵的基坑全封閉多重式防護體系，該體系主要有揚塵、降噪、提升安全保障和加快施工速度等功能。

3.1 設計思路

以冠梁為基礎(chǔ)，采用型鋼、鋼索、防塵網(wǎng)等為材料，構(gòu)建基坑全封閉式天幕結(jié)構(gòu)，具體設計思路和步驟見圖1。

圖1 防塵天幕設計步驟和思路

3.2 結(jié)構(gòu)設計

1）防塵網(wǎng)采用單元式布置，沿基坑短方向，每6 m 寬作為一個單元，立柱采用200 mm×300 mm 矩管，高度2.2 m；每單元設3 道主軌道索（高度1.8 m），間距3 m 布置，主索為6×37-18 鋼絲繩；每單元設2 道牽引索（直徑6 mm 鋼絲繩），沿單元兩邊布置，為防止主索荷載集中，防塵網(wǎng)的開合采用雙向牽引開合方式，即防塵網(wǎng)閉合時，防塵網(wǎng)從單元兩端同步往中間滑動；防塵網(wǎng)開啟時，從單元中間部位分兩幅分別往兩端滑動，避免荷載集中，縮短開閉時間。

2）為提高抑塵效果，在每個防塵網(wǎng)單元間留200 mm 間隙，每個間隙中布置1 根鋼索，沿鋼索方向布置噴淋管，根據(jù)基坑揚塵情況，控制噴淋工作。

3）在防塵網(wǎng)單元間設置LED 燈帶照明設施，補充解決基坑照明。

4）基坑四周在冠梁外側(cè)采用成品防護欄（1.2 m 高）進行封閉防護。

4 防塵天幕數(shù)字管理系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)原理

本工程的防塵天幕數(shù)字管理系統(tǒng)基于西門子APOGEE系統(tǒng)進行功能設計和開發(fā)，以管理層網(wǎng)絡、控制層網(wǎng)絡（控制器）和現(xiàn)場層網(wǎng)絡（現(xiàn)場設備）構(gòu)成的3 級控制網(wǎng)絡，在系統(tǒng)的信息管理層和控制層上以以太網(wǎng)（Ethernet）的方式構(gòu)成綜合管理系統(tǒng)。

防塵天幕數(shù)字管理系統(tǒng)采用Windows 10 作為操作系統(tǒng)，為便于操作，以常用的以太網(wǎng)作為物理標準，以TCP/IP 為網(wǎng)絡通信協(xié)議，網(wǎng)絡配置遵循分散控制、集中監(jiān)視、資源和信息共享的基本原則。

4.2 系統(tǒng)功能

現(xiàn)場控制器采用西門子公司的網(wǎng)絡型PXC 系列DDC 控制器，針對噴淋水泵、天幕電機和基坑照明分別獨立設置控制器和系統(tǒng)進行控制，同時收集、記錄、保存有關(guān)系統(tǒng)的重要信息及數(shù)據(jù)，做到一體化管理，并實現(xiàn)以下功能目標：

1）在基坑上方平均設置6 個PM2.5及灰塵TSP 監(jiān)測傳感器，傳感器采用戶外安裝型，箱體固定在鋼索上，根據(jù)基坑揚塵的TSP 監(jiān)測值，控制噴淋泵工作。啟泵的TSP 值可根據(jù)現(xiàn)場情況由管理人員自由設定。

2）對天幕電機進行控制，根據(jù)揚塵或環(huán)保需要，實現(xiàn)在電腦上控制天幕的開關(guān)。也可進行定時開關(guān)。

3）在南北方向各設置一套照度傳感器，根據(jù)照度開啟基坑照明。開啟照明的照度值根據(jù)現(xiàn)場實際需要可由管理人員自由設定，也可進行定時開關(guān)。

4）傳感器進入DDC 箱，DDC 箱同時對噴淋系統(tǒng)、天幕系統(tǒng)、照明系統(tǒng)進行控制，控制接口與各系統(tǒng)配電箱對接，采用一臺上位機電腦完成控制。

4.3 系統(tǒng)控制

噴淋系統(tǒng)的控制器同時接入PM2.5傳感器及灰塵用TSP傳感器（布置6 套，沿基坑平均布置），根據(jù)傳感器實測值與用戶上限設定值比較，如果實測值超過上限值，控制噴淋泵開啟工作。工作一段時間或?qū)崪y值達到合理值后關(guān)閉噴淋泵。

天幕系統(tǒng)的控制器與天幕控制箱對接，監(jiān)控天幕電機的控制、工作狀態(tài)、故障報警和手自動狀態(tài)4 項參數(shù)。天幕系統(tǒng)根據(jù)灰塵或環(huán)保狀況開啟或關(guān)閉，也可定時實現(xiàn)遠程開關(guān)。

照明系統(tǒng)設計為兩個6 回路控制模塊，共計12 路，并設置兩套8 路開關(guān)模塊（預留4 路備用）。通過專用照明控制總線與兩套照度傳感器對接，通過支線耦合器進入交換機，以網(wǎng)線形式回到工作站進行控制。

4.4 功能實現(xiàn)

SIEMENS 樓宇自控系統(tǒng)Apogee Insight 監(jiān)控應用軟件基于Microsoft Window 實時多任務處理操作系統(tǒng)，采用分層面向用戶的模塊化結(jié)構(gòu)，同時提供許多功能模塊，便于系統(tǒng)功能的擴充和更新。功能實現(xiàn)方式如下：

1）系統(tǒng)監(jiān)控。系統(tǒng)包含的專用繪圖軟件，可以根據(jù)建筑各樓層設備的平面布局圖、各受控設備控制的工藝流程圖、自動控制系統(tǒng)圖繪制相應的圖形界面，直觀顯示各受控設備的地理位置，并對不同設備能通過圖形、圖像、動畫、報表等多種方式，表示設備的開/關(guān)狀態(tài)、等級、人工/自動模式、粒子、照度、位置等狀態(tài)和參數(shù)。操作人員只需通過鍵盤或鼠標等操作方式就能通過交互式菜單實現(xiàn)對有關(guān)設備的監(jiān)制和監(jiān)視。

2）安全機制。系統(tǒng)具有多級操作和口令設置，按管理層次劃分，具有超時保護顯示功能和較強的容錯能力及較短的響應時間

3）程序調(diào)試。系統(tǒng)操作軟件同時包含編程工具軟件、無模型自適應控制及自適應最優(yōu)化控制軟件、故障診斷軟件、能源管理軟件、用戶在線編程軟件，以及數(shù)據(jù)庫編程軟件等。

4）報警處理。當設備發(fā)生故障時，自動跳出自動報警信息文本框的方式提供報警顯示和報警設備名稱、類型、位置等信息，便于報警事件和設備維護檢修，同時建立設備的維護檔案。

對上述數(shù)字管理系統(tǒng)進行安裝調(diào)試，閉合后的防塵天幕效果如圖2 所示。在現(xiàn)場安裝后，防塵天幕系統(tǒng)可控制PM10平均值低于國控值20%～85%，效果明顯。

圖2 防塵天幕系統(tǒng)閉合效果

5 結(jié)語

本工程通過防塵天幕的結(jié)構(gòu)設計和數(shù)字管理系統(tǒng)開發(fā)，對噴淋水泵、天幕電機和基坑照明分別獨立設置控制器和系統(tǒng)進行控制，組建成一套智能化抑塵、降塵的基坑全封閉多重式防護系統(tǒng)，可實時監(jiān)控基坑施工過程中的粉塵污染物濃度，將施工揚塵控制在基坑內(nèi)。現(xiàn)場的應用監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，防塵天幕的綜合防塵、降塵系統(tǒng)控制現(xiàn)場的揚塵平均值低于國控值20%～85%，效果顯著，在本工程中顯著降低了項目揚塵和噪聲污染，可在類似工程中推廣應用。