王樹澤　湯叢文　高梓航

摘 要：針對城市建設(shè)進(jìn)程中，廢、舊建筑拆除時產(chǎn)生大量粉塵，危害居民身體健康、影響市容市貌的問題，解決現(xiàn)有除塵裝置針對性不強(qiáng)、自動化程度低、浪費(fèi)水資源等缺陷，集合機(jī)構(gòu)學(xué)和電子控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套利用水幕隔塵、水霧降塵的節(jié)水型自動化除塵裝置。

關(guān)鍵詞：建筑拆除；除塵裝置；無線傳輸；高效節(jié)水；自動控制；傳感器

中圖分類號：TU746.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0063-02

1 背景及研究意義

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，廢、舊建筑拆除日漸普遍，而粉塵的危害已越來越被全社會所關(guān)注。城市建筑物拆除產(chǎn)生的粉塵速度快、突發(fā)性強(qiáng)、顆粒細(xì)小、在室外條件下懸浮的時間長、污染范圍大且難于控制。粒度非常細(xì)微的拆除粉塵表面會吸附多種有機(jī)物和無機(jī)物（尤其是重金屬），并發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，有可能改變物質(zhì)的化學(xué)形態(tài)和生物毒性。這些粉塵可進(jìn)入人體呼吸道，引起不同程度的危害。另外， 拆除粉塵還對環(huán)境有較大的影響：一是在電網(wǎng)密集處和精密儀器設(shè)備存放處可能引起電路的短接，影響電力的供應(yīng)、設(shè)備的正常工作；二是與空氣作用形成氣溶膠并在空中長時間的漂浮，影響采光和降水的清潔度；三是沉降在各類建筑物、物體表面影響其清潔和美觀。

我國現(xiàn)行《GBZ 1-2010工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、《工業(yè)“三廢”排放試行標(biāo)準(zhǔn)》以及《大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)對大氣的環(huán)境粉塵濃度都作了具體的限制，而拆除施工現(xiàn)場空氣中粉塵濃度往往遠(yuǎn)超這些標(biāo)準(zhǔn)。2014年初國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了《GB/T 50905-2014建筑工程綠色施工規(guī)范》，此標(biāo)準(zhǔn)明確要求拆除工程應(yīng)對拆除產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行收集、沉降等處理。粉塵具有良好的吸濕性，因此利用水霧能大幅度的提高粉塵的吸收率。研究粉塵特征與降塵技術(shù)、解決城市拆除粉塵問題，對保護(hù)人民的身體健康和環(huán)境，有著深遠(yuǎn)的價值和現(xiàn)實(shí)意義。

利用理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過對粉塵、水霧形成特點(diǎn)及拆除粉塵與水幕相互作用的研究，得到建筑物拆除時粉塵的運(yùn)動規(guī)律。分析水幕形成的合理方式，以及水量和隔塵、除塵效果的關(guān)系，設(shè)計(jì)一套利用水幕隔塵、水霧降塵的節(jié)水式自動化機(jī)械裝置。

2 項(xiàng)目研究的實(shí)施方案

本裝置是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

本裝置處理城市拆除產(chǎn)生的粉塵的主要方式為水幕封鎖加噴霧沉降。建筑爆破拆除前在舊建筑物外側(cè)的減振溝外圍搭建包圍式的快速拆裝支架，支架一側(cè)安放彩鋼圍擋，噴頭分布安裝在支架上，利用噴頭產(chǎn)生的水幕、水霧包圍倒塌的建筑。裝置的一個最小單元和噴頭主體部分如圖1所示。

快速拆裝支架采用目前建筑施工中較為常用的圓盤腳手架。該種腳手架具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大、成本低等特點(diǎn)，滿足本裝置使用要求，且由于是租賃使用，單次成本可降到更低。彩鋼圍欄利用螺絲固定，亦可多次租賃使用。

本裝置主要采用兩種噴頭，分別是廣式鴨嘴噴頭和實(shí)心錐霧化噴頭。廣式鴨嘴噴頭由于其扇形的出射結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生大面積水幕，有效封鎖粉塵。借鑒灑水車鴨嘴噴頭的設(shè)計(jì)，其扇形張角為95°。可根據(jù)現(xiàn)場使用情況安裝不同型號的鴨嘴噴頭，在不影響封鎖效果的情況下，減小水幕重疊面積，節(jié)約水資源。

實(shí)心錐霧化噴頭能產(chǎn)生實(shí)心錐形噴霧，噴流角度為45°到120°。其結(jié)構(gòu)緊湊，霧化效果均勻，噴霧液滴大小為中等到偏大。舊建筑倒塌產(chǎn)生的粉塵在經(jīng)過廣式鴨嘴噴頭產(chǎn)生的水幕封鎖后，速度較小，多懸浮于空氣中。利用實(shí)心錐霧化噴頭產(chǎn)生的均勻噴霧即可使其沉降。其實(shí)際噴霧效果為噴霧區(qū)域成圓形，液滴分布均勻。

為了實(shí)現(xiàn)噴頭傾角的可調(diào)節(jié)，以使得該裝置可適用于不同類型、尺寸的舊建筑拆除工作，設(shè)計(jì)噴頭傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其調(diào)節(jié)原理為，以步進(jìn)電機(jī)為動力源，通過輪系，帶動水管轉(zhuǎn)動。水管噴頭座相連，該噴頭座中空的球形結(jié)構(gòu)使得水管延其軸向轉(zhuǎn)動時，流量大小不改變。

本裝置的最小單元（圖1）的除塵原理如圖2所示。將兩個鴨嘴噴頭成固定角度配合使用，其產(chǎn)生的雙層水幕可將大部分粉塵封鎖在區(qū)域1，粉塵將在水幕的沖擊下沉降到地面。部分粉塵由于速度較快，因此可突破雙層水幕的封鎖。由于粉塵產(chǎn)生后以水平運(yùn)動為主，因此其主要從水平方向突破雙層水幕的封鎖，進(jìn)入?yún)^(qū)域2。這部分粉塵在穿過水幕時將消耗大量動能，且在彩鋼圍擋的作用下，將向上運(yùn)動。此時利用實(shí)心錐霧化噴頭產(chǎn)生大量均勻細(xì)小的液滴，液滴可吸附、聚集粉塵成為大顆粒，從而實(shí)現(xiàn)粉塵的沉降。

在定向拆除施工前會在傾倒范圍內(nèi)采取減振措施，即開挖減振溝以減小樓房倒塌產(chǎn)生的觸地沖量，同時也使樓房倒塌后的建筑廢料高度相對較低。將本實(shí)用新型裝置安裝在減振溝的外側(cè)，可保障裝置不被拆除倒塌物毀壞。本實(shí)用新型裝置安裝使用時，將裝置最小單元（圖1）環(huán)繞待拆除建筑，單元與單元之間用快速拆裝的腳手架連接，利用水幕、彩鋼擋板、水霧的共同作用，有效封鎖、阻擋、沉降拆除產(chǎn)生的粉塵。

為將本裝置的除塵作用最大化，設(shè)計(jì)如圖3所示的基于2G無線通訊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成三個部分的工作：圖像識別、上位機(jī)與下位機(jī)的雙向通訊拆除工作開始后，在建筑物定向倒塌的過程中，攝像頭快速連續(xù)拍照，并傳送至上位機(jī)進(jìn)行圖像分析。圖像處理的目的是通過對當(dāng)前產(chǎn)生粉塵的蔓延狀況、蔓延趨勢進(jìn)行分析，然后將控制信號通過無線通信模塊傳送給下位機(jī)（單片機(jī)）。由于工作現(xiàn)場需要控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多，為保證控制效果，采取多單片機(jī)“分包”的并行工作方式。即一個單片機(jī)負(fù)責(zé)若干個噴頭傾角、噴嘴壓力的信號采集和對噴頭傾角、水泵壓力的調(diào)節(jié)。

3 項(xiàng)目的可行性分析

本裝置采用常見的工程材料，制作成本較低；所設(shè)計(jì)的安裝方案，搭建快捷簡便，施工難度小；采用機(jī)械化、自動化設(shè)計(jì)明顯節(jié)省人力成本，同時還顯著提高了工作環(huán)境的安全性。使用本裝置可以快速有效地將煙塵控制在建筑拆除現(xiàn)場的區(qū)域內(nèi)，有效減少城市拆除煙塵擴(kuò)散影響環(huán)境，凈化城區(qū)空氣質(zhì)量，降低粉塵對周圍居民生產(chǎn)生活的影響，符合當(dāng)前提倡的“綠色施工”的理念。