基于建筑學(xué)方法的城市快速路全影型聲屏障優(yōu)化設(shè)計

俞慶旸

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年來，全影型聲屏障在城市快速路改造工程中得到了廣泛應(yīng)用，項目建設(shè)方對其設(shè)計的要求不斷提高。例如對于工程主線穿越城市居民區(qū)和商務(wù)區(qū)并接入城市高架主線的全影形聲屏障設(shè)計而言，項目建設(shè)方不再只滿足于要求實現(xiàn)全影型聲屏障的聲學(xué)功能，而是將其提升到了城市設(shè)計的高度，要求創(chuàng)新形式，實現(xiàn)與沿線重要地標(biāo)性商務(wù)區(qū)環(huán)境的融合，防止對區(qū)域環(huán)境造成破壞，同時保持全線設(shè)計的協(xié)調(diào)一致性，并保證可實施性強、預(yù)算可控。

在歐美發(fā)達(dá)國家，獨立設(shè)置的道路聲屏障的視覺效果受到的關(guān)注度甚至超過了聲學(xué)指標(biāo)。美國聯(lián)邦公路總署為解決該問題組織編寫了《聲屏障視覺質(zhì)量設(shè)計導(dǎo)則》，并在新版《聲屏障設(shè)計手冊》中專門對聲屏障美學(xué)進行了總結(jié)，探尋了設(shè)計規(guī)律，將聲屏障完全作為城市小品這樣的建構(gòu)筑物對待，使其融入城市生活，沒有突兀、粗陋感[1]。當(dāng)前國內(nèi)的全影型聲屏障仍主要是從工程結(jié)構(gòu)和聲學(xué)的角度設(shè)計的，缺乏對城市、環(huán)境和功能的頂層協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，已無法滿足業(yè)主提出的更高層次的要求。這些內(nèi)容恰恰是建筑學(xué)范疇內(nèi)要著重思考和解決的問題。

為此，本文以上海市浦東新區(qū)某快速路改造工程為例，結(jié)合業(yè)主的要求，從建筑設(shè)計的角度審視、思考和設(shè)計城市快速路全影型聲屏障。

1 全影型聲屏障設(shè)計現(xiàn)狀及存在的問題

當(dāng)前國內(nèi)的全影型聲屏障設(shè)計均是以聲學(xué)設(shè)計為理論基礎(chǔ)，以工程結(jié)構(gòu)設(shè)計為核心內(nèi)容，以實現(xiàn)聲學(xué)功能為目的開展的，建筑設(shè)計在其中或缺位，或居于輔助和配合的位置。分析形成該現(xiàn)狀的原因，具體如下：

1) 全影型聲屏障本身是為實現(xiàn)聲學(xué)功能設(shè)計的，結(jié)構(gòu)設(shè)計和聲學(xué)設(shè)計在其中的作用比較直接，因此二者在全影型聲屏障設(shè)計工作中占主導(dǎo)地位。

2) 作為一種大型公共交通構(gòu)筑物，全影型聲屏障尚未大規(guī)模應(yīng)用在人口密集的城市，其聲學(xué)功能之外的其他功能尚未被挖掘。因此，建筑設(shè)計的作用還不能在全影型聲屏障設(shè)計中得到充分發(fā)揮。

3) 我國的社會環(huán)境和社會發(fā)展現(xiàn)狀決定了當(dāng)前全影型聲屏障設(shè)計中首先要解決的還是有無問題和基本功能問題，以能滿足工程實踐要求和方便實施為優(yōu)先選擇。因此，在工程設(shè)計中會以聲學(xué)設(shè)計和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計為核心。

對當(dāng)前全影型聲屏障設(shè)計存在的問題進行分析，總結(jié)如下：

1) 全影型聲屏障設(shè)計僅以聲學(xué)設(shè)計和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計為核心，只滿足了單一的聲學(xué)功能，建成的全影型聲屏障通常給使用者留下外觀粗陋，需要優(yōu)化的印象。

2) 因缺乏建筑設(shè)計，導(dǎo)致設(shè)計的全影型聲屏障與整個城市和周邊的環(huán)境不協(xié)調(diào)。

3) 作為一種大型公共交通構(gòu)筑物，只滿足于實現(xiàn)其單一的聲學(xué)功能，未充分挖掘其別的社會價值；同時，缺乏對建筑工程業(yè)可持續(xù)發(fā)展的思考，以及對節(jié)約資源和材料發(fā)展趨勢的回應(yīng)。

2 建筑設(shè)計在全影型聲屏障設(shè)計中的運用

對于建筑設(shè)計在快速路全影型聲屏障設(shè)計中的運用，主要從以下幾個方面進行分析。

2.1 建筑設(shè)計的合理性

全影型聲屏障作為功能導(dǎo)向明確的交通構(gòu)筑物，為實現(xiàn)自身的功能性，具有專業(yè)的聲學(xué)設(shè)計構(gòu)造。

對于上海市浦東新區(qū)某快速路改造工程而言，鑒于該項目具有施工時間短、施工配合復(fù)雜和預(yù)算受控等特點，不適宜為達(dá)到業(yè)主的要求而全面推翻原有的較為成熟的全影型聲屏障造型重新設(shè)計。

2.2 建筑設(shè)計的原則

根據(jù)項目的現(xiàn)實情況，確定建筑設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

1) 建筑設(shè)計模塊化；

2) 保留原有的聲學(xué)模塊單元不變；

3) 將原有的全影型聲屏障主鋼結(jié)構(gòu)作為新造型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；

4) 重新設(shè)計部分鋼結(jié)構(gòu)件，重構(gòu)全影型聲屏障；

5) 在重點區(qū)域設(shè)計新的模塊化建筑外表皮，覆蓋原有的聲學(xué)模塊單元，將其作為全影型聲屏障的新外部造型。

只有遵循以上設(shè)計原則，才能充分保障整個建筑設(shè)計的合理性，使整個設(shè)計在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)、有序開展，并在總體上做到可實施性強和預(yù)算可控。

2.3 建筑設(shè)計與城市及周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性

該項目沿線除了有居民區(qū)以外，還有具有強烈的地標(biāo)特征的上海前灘國際商務(wù)區(qū)。前灘國際商務(wù)區(qū)建筑群具有建筑體型簡潔、現(xiàn)代感和工業(yè)感強的整體外形特征，大量采用金屬和玻璃幕墻外表皮設(shè)計，主要標(biāo)志性建筑物的外立面設(shè)計均具有線性序列排列規(guī)則、清晰和強烈的特點。

該項目采用的全影型聲屏障為與前灘國際商務(wù)區(qū)建筑群緊臨的交通構(gòu)筑物，在設(shè)計時需結(jié)合其特點，在整體造型和外觀上向這些建筑群靠攏，只有如此才能提升聲屏障與前灘及周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

因此，該項目的全影型聲屏障建筑造型設(shè)計以能與周邊商務(wù)區(qū)建筑群相互呼應(yīng)并互為延伸為基礎(chǔ)理念。從周邊建筑群中汲取和提煉設(shè)計元素進行再設(shè)計，打造既具有現(xiàn)代新穎造型，又具有區(qū)域特征的交通構(gòu)筑物。

建筑設(shè)計通過表皮表現(xiàn)場所精神，以及與城市及周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性。由此，最終汲取和提煉的設(shè)計元素如下：

1) 密集排列的淺色直線條。密集排列的淺色金屬線性元素，在項目沿線的標(biāo)志性建筑群中廣泛運用，并主要集中在建筑的外表皮上，見圖1～圖3。

圖1 變化的線性元素

圖2 規(guī)則排列的線性元素

圖3 排列緊密的線性元素

此次全影型聲屏障設(shè)計汲取該設(shè)計元素，通過設(shè)計沿道路延伸方向規(guī)則密集排列的銀色鋁方通重現(xiàn)該元素，并將其作為全影型聲屏障全封閉段的建筑外表皮使用。

2) 組合排列的三角形。三角形元素也是項目沿線標(biāo)志性建筑群中隨處可見的幾何形態(tài)，用于打破建筑物及立面線條密集排列帶來的單調(diào)感，豐富空間造型，見圖4～圖6。

圖4 建筑頂部的三角形元素

圖5 建筑立面中的三角形元素

圖6 建筑造型中的三角形元素

此次全影型聲屏障設(shè)計汲取該設(shè)計元素，通過設(shè)計V型排列的中柱結(jié)構(gòu)，改變原有全影型聲屏障中柱垂直排列的形態(tài)，形成三角形組合排列的效果，豐富設(shè)計語言。

3) 圓形及弧線。圓形及弧線形態(tài)的出現(xiàn)對項目沿線標(biāo)志性建筑群中大部分建筑物四四方方的外輪廓線起到了很好的調(diào)節(jié)和平衡作用，豐富了空間形態(tài)，見圖7和圖8。

圖7 建筑立面中的弧形元素

圖8 建筑造型中的橢圓形元素

此次全影型聲屏障設(shè)計汲取該設(shè)計元素，在解決建筑外表皮頂部采光問題時，將橢圓形態(tài)用在銀色鋁方通采光開口上。在V型中柱設(shè)計中拋棄以往的工字型截面，改用圓形截面；頂部剛性系桿和鋼梁收頭均采用圓形設(shè)計，鋼梁開孔采用長圓形孔；保留原有的全影型聲屏障設(shè)計中頂部與立面過渡處的弧形轉(zhuǎn)角設(shè)計。這些細(xì)節(jié)的處理和相互協(xié)調(diào)對改善全影型聲屏障整體造型和呼應(yīng)區(qū)域環(huán)境都能起到很好的作用，并提升鋼構(gòu)造型的完整度。

2.4 建筑設(shè)計的手法

該項目為增強全影型聲屏障全線設(shè)計的整體性，與區(qū)域環(huán)境的協(xié)調(diào)性，并保障可實施和預(yù)算可控，采用整體模塊化設(shè)計和建筑外表皮設(shè)計2種設(shè)計手法，并對二者進行有機結(jié)合。同時，對主結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行重構(gòu)和輕量化設(shè)計。

2.4.1 整體模塊化設(shè)計

模塊化思想是基于功能分析和重組，對原本復(fù)雜的功能進行分解和簡化，結(jié)合目前的實際需求重新設(shè)計功能模塊，并通過對模塊進行選擇和組合得到具有可變性、適用性的全新產(chǎn)品[2]。該方法在提升設(shè)計的靈活性、降低設(shè)計和施工的復(fù)雜性、方便工業(yè)化生產(chǎn)和維護、節(jié)約建筑全壽命周期成本和降耗增效等方面具有獨特的優(yōu)勢。然而，以往國內(nèi)的全影型聲屏障設(shè)計基本上都未全線采用模塊化設(shè)計方式，大部分都是針對單個屏障進行個性化設(shè)計，或局限于對吸聲材料進行模塊化設(shè)計。

此次項目考慮到工程線路較長，全線的全影型聲屏障有全封閉段、半封閉段、全封閉半封閉轉(zhuǎn)換銜接段、半封閉段和外造型須全新重點裝飾段等多種形式，采用整體模塊化設(shè)計能很好地起到協(xié)調(diào)全線全影型聲屏障造型的作用，根據(jù)不同功能地段的需要，自由組合不同的模塊單元。這樣既能保證項目全線設(shè)計語言的一致性，又能滿足項目全線不同區(qū)域?qū)υO(shè)計造型的不同需求。建筑模塊化設(shè)計理念中設(shè)計邏輯的簡單性、單元建構(gòu)的地域性和模塊參數(shù)的自發(fā)性在此得到了很好的體現(xiàn)[3]。

將此次項目中的全影型聲屏障分為中柱單元(見圖9)、半封閉屏體單元(見圖10)和建筑外表皮單元(見圖11)等3個基本構(gòu)成模塊單元，其中：中柱單元包含路中支撐柱和支撐柱與地面及屏體鋼結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造形式；半封閉屏體單元包含半封閉屏體主鋼結(jié)構(gòu)、半封閉直立段屏體組合和半封閉頂部透明屏體；建筑外表皮單元包含鋁合金外裝飾及其附屬連接結(jié)構(gòu)。在實際使用時，可對三者進行自由組合，得到不同形式的全影型聲屏障；各單元之間采用裝配式組合方式，拆裝便捷。

圖9 V字型排列中柱

圖10 完整半封閉屏體

圖11 建筑外表皮及其附屬結(jié)構(gòu)

1) 1組半封閉屏體+中柱組成全影型聲屏障半封閉段(見圖12)；

圖12 完整的全影型聲屏障半封閉段

2) 1組半封閉屏體+中柱+建筑外表皮組成全影型聲屏障分幅路基全封閉段(見圖13)；

圖13 帶外表皮的全影型聲屏障(分幅路基)

3) 2組對稱半封閉屏體+中柱+建筑外表皮組成全影型聲屏障全封閉段(見圖14)；

圖14 帶外表皮的全影型聲屏障全封閉段

4) 半封閉屏體+中柱+全封閉屏體組成全影型聲屏障銜接段(見圖15和圖16)。

圖15 半封閉屏體與全封閉屏體銜接段(鳥瞰)

圖16 半封閉屏體與全封閉屏體銜接段(人視角)

在此次模塊設(shè)計中，首次采用不對稱的半封閉屏體作為基本全影型屏體單元，以其不對稱性和不穩(wěn)定性打破原有全影型聲屏障始終對稱穩(wěn)定的造型，為后續(xù)應(yīng)對全線設(shè)計中的各種變化打下基礎(chǔ)。同時，因聲屏障的不對稱性，最大程度地降低了總體設(shè)計的復(fù)雜性，增強了模塊的通用性，大大減少了后續(xù)施工所需加工構(gòu)件的種類，節(jié)約了材料，減少了浪費，便捷了施工，單位造價也與原有全影型聲屏障維持在同一水平。

2.4.2 建筑外表皮設(shè)計

建筑外表皮設(shè)計是現(xiàn)代建筑設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種外立面設(shè)計手法。對表皮的關(guān)注可追溯到德國建筑學(xué)家森佩爾的理論，赫爾佐格和德梅隆設(shè)計的國家體育館“鳥巢”無疑是當(dāng)代中國最著名的表皮建筑之一。簡單地看，建筑中直接與人接觸的圍合部分就是建筑表皮，是建筑與其外部空間直接接觸的界面。建筑表皮可理解為建筑外裝飾，既獨立于建筑結(jié)構(gòu)之外，又與建筑結(jié)構(gòu)有內(nèi)在關(guān)聯(lián)。通過塑造表皮，使建筑既獨立于環(huán)境之外，又參與到環(huán)境中[4]。建筑外表皮在此次項目中的運用具有以下特點：

1) 設(shè)置靈活便捷，受原有全影型聲屏障內(nèi)部功能性構(gòu)造的約束較小，造型變化可通過形象和構(gòu)成的方式形成鮮明的風(fēng)格；

2) 不影響原有全影型聲屏障的內(nèi)部設(shè)計，可保障從聲屏障內(nèi)部行車視角協(xié)調(diào)其與道路沿線其他未作建筑外表皮設(shè)計的全影型屏障的視覺一致性；

3) 基本上保留了原有全影型聲屏障的主體鋼結(jié)構(gòu)。

此次項目中的建筑外表皮由沿高架道路縱向密集排列的銀白色金屬鋁方通組成(見圖17和圖18)。排列形式和間距呼應(yīng)周邊商務(wù)區(qū)建筑群內(nèi)的外立面設(shè)計語言，強化區(qū)域特征。為保障全影型聲屏障內(nèi)部的自然采光和行車安全，打開頂部的鋁方通，將其設(shè)計成由橢圓形幾何圖案組成的開放部分，與外表皮的硬朗線條形成對比，緩和單一排列線條造成的單調(diào)感。該設(shè)計能使整個建筑外表皮既排列有序、形式感強烈，又兼顧自然采光和行車安全，同時與周邊建筑群相呼應(yīng)。

圖17 前灘區(qū)域全影型聲屏障設(shè)計效果

圖18 前灘區(qū)域全影型聲屏障實景

2.4.3 主結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重構(gòu)和輕量化設(shè)計

此次項目中的全影型聲屏障的中柱作為行車視角中的一個主要獨立建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其形式對改變?nèi)藗儗θ靶吐暺琳显煨偷挠∠笥兄匾饔谩Ｒ虼?，重新設(shè)計該構(gòu)件的形式也是此次全影型聲屏障設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。

遵循從周邊建筑群中汲取設(shè)計元素的原則，使設(shè)計的聲屏障與周邊環(huán)境相呼應(yīng)。由此，汲取三角形設(shè)計元素，將其運用到中柱造型(即前文提到的V型排列中柱)設(shè)計中。三角形本身能代替原有的垂直立柱，給人更強的視覺穩(wěn)定感，搭配全新設(shè)計的具有不對稱性和不穩(wěn)定性的半封閉屏體單元更加合適，使其在視覺的不穩(wěn)定中獲得穩(wěn)定的支撐(見圖19)，從而在變化中維持整體造型的穩(wěn)定性。三角形的斜邊能給中柱單元帶來變化和動感，改變原來單調(diào)的垂直排列的中柱設(shè)計。

另外，為在不對稱設(shè)計中獲得美感和穩(wěn)定感，改變原有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的笨重感，需使結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡潔輕盈。因此，在此次項目中對原有全影型聲屏障的主鋼結(jié)構(gòu)進行簡化和減重。在主鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸變化不大的情況下，通過優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)主鋼結(jié)構(gòu)單跨跨度翻倍(見圖20)；所有大尺寸主鋼梁都在保證強度的情況下開橢圓孔(見圖21)。這些方法取得了良好的效果，在大大緩解構(gòu)筑物內(nèi)部的視覺壓抑感的同時，減少了鋼材用量。

圖19 三角形元素在中柱設(shè)計中的運用

圖20 輕量化結(jié)構(gòu)構(gòu)件示意圖

圖21 輕量化結(jié)構(gòu)構(gòu)件實景

3 建筑設(shè)計在全影型聲屏障設(shè)計中的應(yīng)用效果

將上述建筑設(shè)計手法應(yīng)用在某快速路全影型聲屏障設(shè)計中，主要取得以下效果：

1) 建筑設(shè)計的加入大大提升了該項目的完成度，使原本功能單一的全影型聲屏障達(dá)到了城市小品的高度，挖掘了聲屏障新的社會價值，得到了沿線居民的好評；

2) 滿足了業(yè)主提出的全影型聲屏障要與周邊環(huán)境相融合的要求，取得了良好的視覺和藝術(shù)效果；

3) 通過系統(tǒng)的建筑設(shè)計，實現(xiàn)了降耗增效，控制了單位造價，可實施性不輸原有的全影型聲屏障，各單元間采用裝配式組合使得后期維護便捷，體現(xiàn)了綠色與可持續(xù)發(fā)展的理念；

4) 驗證了建筑設(shè)計在城市道路全影型聲屏障設(shè)計中能起到良好的作用，能串聯(lián)起聲屏障其他各專業(yè)進行更好的協(xié)同；

5) 為后續(xù)道路全影型聲屏障設(shè)計樹立了新的標(biāo)桿。

4 結(jié) 語

本文以上海市浦東新區(qū)某快速路改造工程為例，在其全影型聲屏障設(shè)計中采用以建筑設(shè)計引領(lǐng)全影型聲屏障設(shè)計的方式，圓滿實現(xiàn)了業(yè)主對聲屏障設(shè)計提出的創(chuàng)新形式、與環(huán)境融合、協(xié)調(diào)統(tǒng)一、預(yù)算可控和可實施性強等設(shè)計目標(biāo)，為后續(xù)全影型聲屏障設(shè)計提供了新的方法和思路，響應(yīng)了國家提出的新時代建筑業(yè)綠色與可持續(xù)發(fā)展的要求，展現(xiàn)了建筑設(shè)計在新一代城市全影型聲屏障設(shè)計中的優(yōu)勢和重要性。