数字化防尘天幕系统设计与应用

华天波，彭德坤，李坤，周坚，罗建波，朱发东，何冬东，胡常安，徐咏

（1.中国五冶集团有限公司，成都 610063；2.中国测试技术研究院，成都 610021；3.西华大学土木建筑与环境学院，成都 610039）

1 引言

近年来，随着我国城市化进程加快，建筑工程数量和规模日益增大，工程施工过程中带来的尘土污染和噪声污染等给社会和环境也带来了巨大的困扰[1-2]。坚持绿色发展，实施绿色施工技术，是降低建筑施工对自然环境的破坏污染和对周围居民生活影响的有效手段。

目前，建筑施工扬尘治理技术主要有覆盖、绿化和固化3种[3]。覆盖治理技术一般用防尘网来覆盖容易引起扬尘的场地和土方[4]。沈慧明等[5]结合防尘网技术在北仓港口码头的应用，对防尘网的作用机理、结构参数、材质和防尘减尘效果等方面进行了深入研究。随着国内建筑工程的规模逐渐扩大，施工中对大型、高效能防尘网的需求越来越强，如何保障防尘网结构设计安全、考虑风荷载作用下防尘网结构的优化设计，成为大型防尘网结构设计需解决的关键问题。

绿化治理技术在工程扬尘治理方面周期长、代价高，但其生态环保的特点决定了其在某些特定的施工工地也有一定的应用前景[6]。固化抑尘治理技术主要有两种方式：洒水抑尘[7]和化学抑尘[8]。洒水抑尘包括洒水降尘、水雾或超声波雾化抑尘[9]、磁化水或静电水抑尘[10]、高压水抑尘[11]等。洒水可有效抑尘，但周期较短，同时洒水过多或过于频繁，会在地面形成泥浆，泥浆干涸后经车辆碾压，会形成粒径更小的微粒，容易造成二次污染。化学抑尘方法投入成本相对低，抑尘效果好，生态环保型抑尘剂几乎不产生二次污染，但难点在于化学试剂创新和研发。

综上所述，三大扬尘治理措施（覆盖、绿化和固化）均有其适用性和各自缺陷。随着我国城市化建设的加速推进，高层住宅和主干道路建设越来越密集，传统的扬尘治理技术已逐渐不能满足现代施工工地扬尘治理的更高要求，探索新型的实时自动化扬尘监控和治理技术已成为目前绿色施工的重要发展方向。

2 工程概况

成都市成华区七医院项目位于成华区保和街道，项目占地面积12918.31 m2，总建筑面积59479.46 m2，地上部分的双塔楼分别为8 层和13 层高，设2 层地下室，建筑总高度59.95 m。

本工程基坑整体的开挖深度为13.4 m，自上而下地质土层依次为人工填土、黏土、粉质黏土、砂、卵石及基岩。基坑为不规则四边形，东西向长为125～137 m，南北向长为70～108 m，基坑面积约11 000 m2。

3 防尘天幕设计

在本工程中，防尘天幕主要采用型钢结构、钢索、防尘网、矩阵式喷淋等系统，共同组建成一套智能化抑尘、降尘的基坑全封闭多重式防护体系，该体系主要有扬尘、降噪、提升安全保障和加快施工速度等功能。

3.1 设计思路

以冠梁为基础，采用型钢、钢索、防尘网等为材料，构建基坑全封闭式天幕结构，具体设计思路和步骤见图1。

图1 防尘天幕设计步骤和思路

3.2 结构设计

1）防尘网采用单元式布置，沿基坑短方向，每6 m 宽作为一个单元，立柱采用200 mm×300 mm 矩管，高度2.2 m；每单元设3 道主轨道索（高度1.8 m），间距3 m 布置，主索为6×37-18 钢丝绳；每单元设2 道牵引索（直径6 mm 钢丝绳），沿单元两边布置，为防止主索荷载集中，防尘网的开合采用双向牵引开合方式，即防尘网闭合时，防尘网从单元两端同步往中间滑动；防尘网开启时，从单元中间部位分两幅分别往两端滑动，避免荷载集中，缩短开闭时间。

2）为提高抑尘效果，在每个防尘网单元间留200 mm 间隙，每个间隙中布置1 根钢索，沿钢索方向布置喷淋管，根据基坑扬尘情况，控制喷淋工作。

3）在防尘网单元间设置LED 灯带照明设施，补充解决基坑照明。

4）基坑四周在冠梁外侧采用成品防护栏（1.2 m 高）进行封闭防护。

4 防尘天幕数字管理系统

4.1 系统原理

本工程的防尘天幕数字管理系统基于西门子APOGEE系统进行功能设计和开发，以管理层网络、控制层网络（控制器）和现场层网络（现场设备）构成的3 级控制网络，在系统的信息管理层和控制层上以以太网（Ethernet）的方式构成综合管理系统。

防尘天幕数字管理系统采用Windows 10 作为操作系统，为便于操作，以常用的以太网作为物理标准，以TCP/IP 为网络通信协议，网络配置遵循分散控制、集中监视、资源和信息共享的基本原则。

4.2 系统功能

现场控制器采用西门子公司的网络型PXC 系列DDC 控制器，针对喷淋水泵、天幕电机和基坑照明分别独立设置控制器和系统进行控制，同时收集、记录、保存有关系统的重要信息及数据，做到一体化管理，并实现以下功能目标：

1）在基坑上方平均设置6 个PM2.5及灰尘TSP 监测传感器，传感器采用户外安装型，箱体固定在钢索上，根据基坑扬尘的TSP 监测值，控制喷淋泵工作。启泵的TSP 值可根据现场情况由管理人员自由设定。

2）对天幕电机进行控制，根据扬尘或环保需要，实现在电脑上控制天幕的开关。也可进行定时开关。

3）在南北方向各设置一套照度传感器，根据照度开启基坑照明。开启照明的照度值根据现场实际需要可由管理人员自由设定，也可进行定时开关。

4）传感器进入DDC 箱，DDC 箱同时对喷淋系统、天幕系统、照明系统进行控制，控制接口与各系统配电箱对接，采用一台上位机电脑完成控制。

4.3 系统控制

喷淋系统的控制器同时接入PM2.5传感器及灰尘用TSP传感器（布置6 套，沿基坑平均布置），根据传感器实测值与用户上限设定值比较，如果实测值超过上限值，控制喷淋泵开启工作。工作一段时间或实测值达到合理值后关闭喷淋泵。

天幕系统的控制器与天幕控制箱对接，监控天幕电机的控制、工作状态、故障报警和手自动状态4 项参数。天幕系统根据灰尘或环保状况开启或关闭，也可定时实现远程开关。

照明系统设计为两个6 回路控制模块，共计12 路，并设置两套8 路开关模块（预留4 路备用）。通过专用照明控制总线与两套照度传感器对接，通过支线耦合器进入交换机，以网线形式回到工作站进行控制。

4.4 功能实现

SIEMENS 楼宇自控系统Apogee Insight 监控应用软件基于Microsoft Window 实时多任务处理操作系统，采用分层面向用户的模块化结构，同时提供许多功能模块，便于系统功能的扩充和更新。功能实现方式如下：

1）系统监控。系统包含的专用绘图软件，可以根据建筑各楼层设备的平面布局图、各受控设备控制的工艺流程图、自动控制系统图绘制相应的图形界面，直观显示各受控设备的地理位置，并对不同设备能通过图形、图像、动画、报表等多种方式，表示设备的开/关状态、等级、人工/自动模式、粒子、照度、位置等状态和参数。操作人员只需通过键盘或鼠标等操作方式就能通过交互式菜单实现对有关设备的监制和监视。

2）安全机制。系统具有多级操作和口令设置，按管理层次划分，具有超时保护显示功能和较强的容错能力及较短的响应时间

3）程序调试。系统操作软件同时包含编程工具软件、无模型自适应控制及自适应最优化控制软件、故障诊断软件、能源管理软件、用户在线编程软件，以及数据库编程软件等。

4）报警处理。当设备发生故障时，自动跳出自动报警信息文本框的方式提供报警显示和报警设备名称、类型、位置等信息，便于报警事件和设备维护检修，同时建立设备的维护档案。

对上述数字管理系统进行安装调试，闭合后的防尘天幕效果如图2 所示。在现场安装后，防尘天幕系统可控制PM10平均值低于国控值20%～85%，效果明显。

图2 防尘天幕系统闭合效果

5 结语

本工程通过防尘天幕的结构设计和数字管理系统开发，对喷淋水泵、天幕电机和基坑照明分别独立设置控制器和系统进行控制，组建成一套智能化抑尘、降尘的基坑全封闭多重式防护系统，可实时监控基坑施工过程中的粉尘污染物浓度，将施工扬尘控制在基坑内。现场的应用监控数据显示，防尘天幕的综合防尘、降尘系统控制现场的扬尘平均值低于国控值20%～85%，效果显著，在本工程中显著降低了项目扬尘和噪声污染，可在类似工程中推广应用。