數字化防塵天幕系統設計與應用

華天波，彭德坤，李坤，周堅，羅建波，朱發東，何冬東，胡常安，徐詠

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

1 引言

近年來，隨著我國城市化進程加快，建筑工程數量和規模日益增大，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境也帶來了巨大的困擾[1-2]。堅持綠色發展，實施綠色施工技術，是降低建筑施工對自然環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主要有覆蓋、綠化和固化3種[3]。覆蓋治理技術一般用防塵網來覆蓋容易引起揚塵的場地和土方[4]。沈慧明等[5]結合防塵網技術在北倉港口碼頭的應用，對防塵網的作用機理、結構參數、材質和防塵減塵效果等方面進行了深入研究。隨著國內建筑工程的規模逐漸擴大，施工中對大型、高效能防塵網的需求越來越強，如何保障防塵網結構設計安全、考慮風荷載作用下防塵網結構的優化設計，成為大型防塵網結構設計需解決的關鍵問題。

綠化治理技術在工程揚塵治理方面周期長、代價高，但其生態環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，生態環保型抑塵劑幾乎不產生二次污染，但難點在于化學試劑創新和研發。

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，傳統的揚塵治理技術已逐漸不能滿足現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控和治理技術已成為目前綠色施工的重要發展方向。

2 工程概況

成都市成華區七醫院項目位于成華區保和街道，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，自上而下地質土層依次為人工填土、黏土、粉質黏土、砂、卵石及基巖。基坑為不規則四邊形，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構、鋼索、防塵網、矩陣式噴淋等系統，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，采用型鋼、鋼索、防塵網等為材料，構建基坑全封閉式天幕結構，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 結構設計

1）防塵網采用單元式布置，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，防塵網的開合采用雙向牽引開合方式，即防塵網閉合時，防塵網從單元兩端同步往中間滑動；防塵網開啟時，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，根據基坑揚塵情況，控制噴淋工作。

3）在防塵網單元間設置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采用成品防護欄（1.2 m 高）進行封閉防護。

4 防塵天幕數字管理系統

4.1 系統原理

本工程的防塵天幕數字管理系統基于西門子APOGEE系統進行功能設計和開發，以管理層網絡、控制層網絡（控制器）和現場層網絡（現場設備）構成的3 級控制網絡，在系統的信息管理層和控制層上以以太網（Ethernet）的方式構成綜合管理系統。

防塵天幕數字管理系統采用Windows 10 作為操作系統，為便于操作，以常用的以太網作為物理標準，以TCP/IP 為網絡通信協議，網絡配置遵循分散控制、集中監視、資源和信息共享的基本原則。

4.2 系統功能

現場控制器采用西門子公司的網絡型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進行控制，同時收集、記錄、保存有關系統的重要信息及數據，做到一體化管理，并實現以下功能目標：

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

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

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

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

4.3 系統控制

噴淋系統的控制器同時接入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。工作一段時間或實測值達到合理值后關閉噴淋泵。

天幕系統的控制器與天幕控制箱對接，監控天幕電機的控制、工作狀態、故障報警和手自動狀態4 項參數。天幕系統根據灰塵或環保狀況開啟或關閉，也可定時實現遠程開關。

照明系統設計為兩個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，以網線形式回到工作站進行控制。

4.4 功能實現

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

1）系統監控。系統包含的專用繪圖軟件，可以根據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/關狀態、等級、人工/自動模式、粒子、照度、位置等狀態和參數。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對有關設備的監制和監視。

2）安全機制。系統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）程序調試。系統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，以及數據庫編程軟件等。

4）報警處理。當設備發生故障時，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。

對上述數字管理系統進行安裝調試，閉合后的防塵天幕效果如圖2 所示。在現場安裝后，防塵天幕系統可控制PM10平均值低于國控值20%～85%，效果明顯。

圖2 防塵天幕系統閉合效果

5 結語

本工程通過防塵天幕的結構設計和數字管理系統開發，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，可實時監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。現場的應用監控數據顯示，防塵天幕的綜合防塵、降塵系統控制現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。