綠色建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計方法研究

盧子洋，周建民，彭佳輝（同濟(jì)大學(xué)， 上海 20092）

在綠色建筑建造和既有建筑綠色化改造過程中，建筑室內(nèi)聲環(huán)境的評價與控制是極其重要的內(nèi)容，其好壞直接關(guān)系到綠色建筑和既有建筑“綠色性”的評價等級。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲性能是室內(nèi)聲環(huán)境的重點控制因素。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，噪聲問題日趨嚴(yán)重，減少噪聲污染已經(jīng)迫在眉睫。

近年來政府相繼頒布了一系列隔聲設(shè)計規(guī)范，對住房的隔聲性能提出了相當(dāng)高的標(biāo)準(zhǔn)。2010 年 10 月 1 日，GB 50118—2010《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》正式實施，對不同類型、不同功能的建筑有不同的建筑隔聲要求，對于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲性能處理也提出了相應(yīng)的設(shè)計要求。此外，GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)》中也明確規(guī)定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲性能要求。GB/T 50121—2005 將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲性能分為 9 個等級，其中最高等級（9 級）要求墻體的隔聲量達(dá)到 55 dB，最低也必須滿足 35 dB。為了達(dá)到以上要求，可以從圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計來考慮，比如采用雙層或多層復(fù)合結(jié)構(gòu)；也可以從構(gòu)造要求來考慮，比如在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加吸聲材料，對門縫或窗縫采用隔聲性能好的材料封堵等。

目前，國外隔聲規(guī)范中既給出由試驗方法得到的構(gòu)件隔聲量，也包括構(gòu)件隔聲量的工程實用計算方法。我國 GB 50118—2010 只給出了圍護(hù)構(gòu)件隔聲量限值，實際工程中設(shè)計人員是通過查閱《建筑聲學(xué)設(shè)計手冊》以及其他參考資料提供的來自實驗室和現(xiàn)場測試得到的不同構(gòu)造圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲頻率曲線和計權(quán)隔聲量等進(jìn)行設(shè)計的。這種隔聲設(shè)計方法往往會造成隔聲性能的冗余和材料的浪費，也限制了設(shè)計人員對圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸的靈活調(diào)整。

本文將從圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲機理研究出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲量實用計算方法，并結(jié)合 MATLAB 進(jìn)行不同噪聲源下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲設(shè)計，使得實際工程的應(yīng)用更加高效合理。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)實用隔聲計算方法的發(fā)展

對于單層板隔聲規(guī)律的研究，Sewell[1]和 Nilsson[2]較早提出了自己對于質(zhì)量定律的修正式以滿足實用工程計算。Sewell 評價了被迫聲傳輸，適用于 1/2 吻合頻率以下的頻率，評價中考慮了共振傳輸。Nilsson 將房間和板的模態(tài)考慮進(jìn)共振傳輸?shù)挠嬎?，并引入了損耗因子、邊界條件。Cremer[3]對 Nilsson 表達(dá)式進(jìn)行了改進(jìn)，使頻率適用范圍得到擴(kuò)展。

隨著隔聲性能要求的不斷提升，人們開始考慮提高板的隔聲能力的有效方法。增加單層板的厚度可以提高板的隔聲能力，但當(dāng)達(dá)到一定厚度后，這種方法就不再經(jīng)濟(jì)。隨著輕質(zhì)板的大量使用，人們對雙層板的隔聲性能日益重視。但雙層結(jié)構(gòu)的隔聲由于涉及了多種體波和表面波，是一種很復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)中包括了質(zhì)量、密度、彈性模量、泊松比、空氣層厚度、空腔內(nèi)的吸收效應(yīng)以及激勵的頻率和聲源。一般無規(guī)則入射聲條件下雙層板的透射損失理論可用 3 種方法推導(dǎo)：經(jīng)驗的方法、模態(tài)耦合法和擴(kuò)散理論。Cops 和 Myncke[4]等的經(jīng)驗公式得到和實驗結(jié)果較好的一致性，但對不同的材料需要修正。White 和 Powell[5]用模態(tài)耦合法推導(dǎo)了板的透射損失。Beranek[6]用阻抗的方法、London[7]用聲線的方法分別得出了雙層板的隔聲規(guī)律。其中以 London 公式應(yīng)用最為廣泛。

國內(nèi)隔聲設(shè)計規(guī)范對隔聲設(shè)計的認(rèn)識還停留在質(zhì)量定律基礎(chǔ)上，現(xiàn)階段隔聲量是根據(jù)試驗方法得到的，暫未給出隔聲量的工程實用計算方法。適用于工程計算的隔聲量計算公式最早是 Sharp[8]提出的，他根據(jù)試驗結(jié)果歸納提出以多段直線來代替隔聲曲線，提出單層、雙層薄板的工程計算方法。Davy[9]在 1990 年提出更精確的計算方法。歐洲規(guī)范也給出了相應(yīng)的工程計算方法。然而該公式計算比較繁復(fù)，尤其是自適應(yīng)系數(shù)確定也有較大近似，不宜工程應(yīng)用。

同濟(jì)大學(xué)課題組[10]也在隔聲頻率變化規(guī)律的研究基礎(chǔ)上，提出了以下的隔聲量計算原理，即首先用質(zhì)量定律計算圍護(hù)墻板在垂直入射聲波作用下的最大隔聲量，然后利用波動吻合理論計算圍護(hù)墻板在與板面平行入射聲作用下的隔聲損失量，最終圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲量為最大隔聲值減去相應(yīng)的隔聲損失量。依據(jù)此原理，給出相應(yīng)的隔聲工程計算公式。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計優(yōu)化方法

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲優(yōu)化設(shè)計原理

在本文圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計優(yōu)化方法的程序設(shè)計中，對于不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用了相關(guān)研究文獻(xiàn)提出的隔聲量計算的工程方法。其中：單層墻和復(fù)合墻體采用本課題組在文獻(xiàn)[10]中提出的公式，而雙層門、窗等構(gòu)件采用了文獻(xiàn)[7]中提出的計算公式。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲優(yōu)化設(shè)計思路

設(shè)計師在依據(jù)現(xiàn)有隔聲設(shè)計規(guī)范選擇隔聲構(gòu)件時，往往是根據(jù)規(guī)范要求的查詢符合設(shè)計要求的空氣聲隔聲單值評價量的下限值，再從已有產(chǎn)品目錄中挑選符合此要求的隔聲構(gòu)件。然而產(chǎn)品目錄中的隔聲構(gòu)件厚度等指標(biāo)梯度過大，往往會造成材料的冗余。此外，我們的圍護(hù)墻體往往包含門、窗的附屬隔聲結(jié)構(gòu)，要提升室內(nèi)整體的隔聲效果也需要對這類隔聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行一并的優(yōu)化考慮。

為此，本節(jié)將對此過程進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的隔聲設(shè)計方法能給予設(shè)計師更大的選擇自主權(quán)，也能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性選材的目的。在上文推導(dǎo)的實用隔聲計算公式與計權(quán)隔聲量的計算基礎(chǔ)上，優(yōu)化后的隔聲設(shè)計的基本步驟如下。

（1）首先通過實測或規(guī)范資料掌握聲源的聲功率，由聲源特性和吸聲點的聲學(xué)環(huán)境，利用室內(nèi)聲學(xué)公式估算或用聲級計實測吸聲點的各倍頻帶聲壓級。

（2）根據(jù)目標(biāo)設(shè)計區(qū)域的用途，在GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中查到相應(yīng)的允許的 A 聲級LA，然后由A 聲級與NR曲線倍頻帶聲壓級換算表確定相應(yīng)NR曲線上各位頻程的聲壓級。根據(jù)NR曲線上各倍頻程的聲壓級之差，得到各倍頻帶上需要的隔聲量R。

（3）求得各倍頻帶上需要的隔聲量R后，得到設(shè)計隔聲量，再代入計權(quán)隔聲量計算方法中求得設(shè)計計權(quán)隔聲量Rw1。

（4） 根據(jù)不同的噪聲源來確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案以及相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合，設(shè)定隔聲構(gòu)件的初始厚度h0，求其經(jīng)過噪聲修正后的隔聲構(gòu)件組合計權(quán)隔聲量Rw2，以Δh為梯度逐步增加隔聲構(gòu)件的厚度，直至求得的隔聲構(gòu)件組合計權(quán)隔聲量滿足Rw2≥Rw1。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計程序編寫

在程序設(shè)計前，首先要明確需要輸入的參數(shù)以及輸入的邏輯。首先要通過實測聲壓級和允許聲壓級，或是應(yīng)用推圖法將目標(biāo)隔聲構(gòu)件實驗測得的隔聲頻率特性曲線與推動的隔聲指數(shù)參考曲線對比進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)計權(quán)隔聲量的計算，得到滿足設(shè)計要求構(gòu)件的隔聲量作為設(shè)計目標(biāo)。

在得到設(shè)計目標(biāo)后，應(yīng)用 MATLAB 語言并在可視化界面上通過選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案后輸入各類結(jié)構(gòu)的材料屬性，便可以此得到滿足要求的圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需最小厚度及相應(yīng)的隔聲量。最終給出的程序界面如圖1 所示。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序界面

3 算例分析

由于醫(yī)院建筑對于隔聲量的要求比一般的民用建筑要高，故對某醫(yī)院大樓內(nèi)尺寸為 4 m×3 m×3 m 的病房進(jìn)行隔聲設(shè)計，選擇合適的構(gòu)件，使其隔聲量滿足要求。其總內(nèi)表面積可由辦公室尺寸求得，為 66 m2，其中外墻、內(nèi)墻以及隔墻厚度分別為 250 mm、200 mm及 150 mm，具體的房間及材料選用如圖2 所示。

根據(jù) GB 3096—2008，醫(yī)院建筑的允許 A 聲級要求小于40 dB。查詢 A 聲級與曲線倍頻帶聲壓級換算表，可得病房的允許聲壓級頻率分布如表1 所示。

表1 允許聲壓級頻率分布表

3.1 基本參數(shù)輸入

由聲級計實測得到病房外噪聲的聲壓級 如表2 所示。

表2 病房外部聲壓級頻率分布表

將聲級計實測得到的聲壓級、病房允許聲壓級、頻率分布代入設(shè)計隔聲量的計算公式中，得到式（1）。

式中：A—A＝α·S，吸聲量，m2；

S—病房的總內(nèi)表面積，m2。

病房的呼吸量頻率分布如表3 所示，病房設(shè)計隔聲量頻率分布如表4 所示。

表3 病房的吸聲量頻率分布

表4 病房設(shè)計隔聲量頻率分布表

由此得到設(shè)計隔聲量頻率分布值后，經(jīng)計權(quán)隔聲量計算即可求得該病房的外墻設(shè)計計權(quán)隔聲量Rw1＝47.4 dB，過道內(nèi)墻的設(shè)計計權(quán)隔聲量Rw1＝35.3 dB，房間內(nèi)隔墻的設(shè)計計權(quán)隔聲量Rw1＝29.8 dB，而 GB 50118—2010 同時要求醫(yī)院病房之間的隔墻隔聲量≥45 dB，因此按 45 dB 進(jìn)行隔聲設(shè)計。

3.2 結(jié)果分析

對于外墻的設(shè)計，由于窗戶的厚度一般較薄，因此在組合墻隔聲量設(shè)計中，外窗往往處于較為薄弱的部分，故預(yù)設(shè)外墻混凝土砌塊層厚度不變（250 mm），對窗戶所需的最小厚度進(jìn)行設(shè)計。由于外噪聲源較大，故預(yù)設(shè)采用雙層玻璃。對于過道內(nèi)墻的設(shè)計，由于門的厚度一般較薄，因此在組合墻隔聲量設(shè)計中，門往往處于較為薄弱的部分，故預(yù)設(shè)過道內(nèi)墻混凝土砌塊層厚度不變（200 mm），對門所需的最小厚度進(jìn)行設(shè)計。對于病房間隔墻的設(shè)計，由于是單一材料的墻體，不存在不同的隔聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，故只需對于混凝土砌塊的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對于設(shè)計中所需用到的材料參數(shù)如表5 所示。

表5 病房圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本材料參數(shù)

經(jīng)過程序迭代計算可以得出針對各類噪聲源所設(shè)計出的圍護(hù)墻體的最小厚度，并與按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行《建筑聲學(xué)設(shè)計手冊》查找構(gòu)件表所得的結(jié)果進(jìn)行對比，如表6 所示。

表6 病房圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計對比

根據(jù)表6 對比可知，根據(jù)本文程序進(jìn)行設(shè)計的病房圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件與根據(jù)《建筑聲學(xué)設(shè)計手冊》[11]構(gòu)件表進(jìn)行查找的設(shè)計方法相較而言，無論從材料以及用量方法都得到了一定程度上的優(yōu)化，同時程序還可以根據(jù)需要進(jìn)行構(gòu)件所需厚度精度的調(diào)整以及選擇，為設(shè)計人員進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計提供了更大的自主性。

4 結(jié) 語

（1）按照現(xiàn)階段規(guī)范進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲性能設(shè)計可能會造成材料的浪費，并且產(chǎn)品目錄的更新迭代速度跟不上現(xiàn)代建筑對圍護(hù)結(jié)構(gòu)諸如保溫隔聲性能等各方面要求快速提升的速度。

（2）本文提出的隔聲設(shè)計方法，可以求得滿足隔聲要求的最小厚度墻板以及其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由設(shè)計人員自主把握構(gòu)件尺寸以及所選的材料屬性，能最大化地達(dá)到隔聲性能與經(jīng)濟(jì)性的平衡。

（3）本文圍護(hù)設(shè)計程序中，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲性能設(shè)計的隔聲量計算還引入了對于交通噪聲以及粉紅噪聲的修正，最大限度地保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及設(shè)計的合理性。

（4）通過對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計方法的研究以及程序編譯，可為綠色建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)其他性能設(shè)計的優(yōu)化以及設(shè)計方法改良，為增強設(shè)計方法的適用性以及經(jīng)濟(jì)性提供參考。