綠色建筑聲環(huán)境模擬計(jì)算及隔聲外窗選型研究

易嘉

（上海朗詩(shī)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司）

1 引言

良好的室內(nèi)聲環(huán)境是綠色建筑的重要控制指標(biāo)，外窗是分隔室內(nèi)外的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此，如何進(jìn)行環(huán)境噪聲評(píng)估以及外窗隔聲量計(jì)算成為外窗選型的重點(diǎn)。目前，多數(shù)工程采用參數(shù)類比法來(lái)評(píng)估噪聲環(huán)境及外窗選型，首先依據(jù)《聲環(huán)境功能區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范（GB/T 15190-2014）》[1]第8節(jié)確定該建筑所在區(qū)域的聲環(huán)境功能區(qū)劃，將距離1 類、2 類、3類聲環(huán)境功能區(qū)一定范圍內(nèi)的交通干線邊界外區(qū)域劃分為4a類聲環(huán)境功能區(qū)，作為《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50118-2010）》[2]中的“交通干線兩側(cè)”的判別條件，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的建筑物（或其中的一部分）選用相應(yīng)的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)，接著檢索圖集或著作等文獻(xiàn)，在有限幾種型號(hào)的外窗中選取能達(dá)到空氣聲隔聲要求且構(gòu)造較為接近的外窗類型。上述類比法的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)查表的方式快速得到隔聲外窗選型，缺陷是圖集或著作等文獻(xiàn)中的外窗型號(hào)不多，且不能與熱工設(shè)計(jì)所選的窗型完全對(duì)應(yīng)，只能根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)判斷，但如果遇到需要與室外環(huán)境噪聲精確匹配的隔聲窗時(shí)，則很難在經(jīng)濟(jì)、適用上作出合理的判斷，或者是統(tǒng)一提高構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)、增加工程造價(jià)，或者是設(shè)計(jì)的外窗達(dá)不到隔聲要求。

2 工程概況

某商業(yè)辦公建筑群位于城市核心區(qū)，北靠城市高架快速路，南鄰城市支路，總用地面積45300m2，地面共有9 棟商業(yè)辦公建筑，地上總建筑面積約90000m2。按照《聲環(huán)境功能區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范（GB/T 15190-2014）》，該用地區(qū)域內(nèi)的建筑類別以行政辦公為主，歸入3類聲環(huán)境區(qū)，因此城市高架快速路兩側(cè)50±5m 的范圍屬于“交通干線兩側(cè)”區(qū)域，按最不利因素考慮，取該快速路紅線以外55m 的區(qū)域作為4a 類聲環(huán)境區(qū)，該范圍內(nèi)的外窗需提高隔聲效果。如圖1所示。

圖1 某商業(yè)辦公建筑群的聲環(huán)境分區(qū)總平面圖

3 建筑室外聲環(huán)境模擬計(jì)算

3.1 建模及環(huán)境場(chǎng)地參數(shù)設(shè)定

在綠建斯維爾SEDU2023軟件中進(jìn)行場(chǎng)地聲環(huán)境建模，主要內(nèi)容包括：交通干線兩側(cè)55m范圍內(nèi)的建筑、道路、聲屏障、綠化帶或集中綠地、交叉路口點(diǎn)聲源、室外冷卻塔點(diǎn)聲源、屋面空調(diào)外機(jī)點(diǎn)聲源、活動(dòng)場(chǎng)地面聲源等。按照現(xiàn)狀實(shí)際情況，輸入如下主控參數(shù)：平面網(wǎng)格間距為20m×20m，立面網(wǎng)格間距為3m×3m，由此得到模型中總外墻面數(shù)為655面，總外墻面積約為7.5萬(wàn)m2。

本工程室外場(chǎng)地主要噪聲源為交通噪聲，不考慮周邊環(huán)境中工業(yè)噪聲源，各類噪聲源如表1所示。

表1 本工程各類噪聲源，單位:dB（A）

由《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境（HJ 2.4-2021）》[3]第A.3.3條，該建筑群東側(cè)為城市公園，北側(cè)為城市綠化隔離帶以及城市輔路，屬于由堅(jiān)實(shí)地面和疏松植被地面組成的混合地面，可以考慮地面效應(yīng)的降噪作用，在預(yù)測(cè)點(diǎn)僅計(jì)算A聲級(jí)前提下，采用如下式（1）計(jì)算地面效應(yīng)引起的倍頻帶衰減：

式（1）中：Agr為地面效應(yīng)引起的衰減，dB(A)；若Agr計(jì)算出負(fù)值，則Agr取為0；r 為預(yù)測(cè)點(diǎn)距聲源的距離，m；hm為傳播路徑的平均離地高度，m。

3.2 環(huán)境噪聲模擬計(jì)算

本工程取建筑物全部立面網(wǎng)格點(diǎn)的最大噪聲值作為建筑物單體室外噪聲最大值，計(jì)算結(jié)果表明，考慮了傳播衰減后，1號(hào)樓北、東、西向外墻晝間的最大噪聲為62dB（A），介于60 dB（A）和65 dB（A）之間，夜間的最大噪聲為54dB（A），介于50 dB（A）和55 dB（A）之間，如下圖2及圖3所示，按照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50378-2019）》[4]及《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)細(xì)則2019》[5]第8.2.6條，本工程的環(huán)境噪聲不大于《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3096-2008）》[6]規(guī)定的3 類聲環(huán)境功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限值，室外聲環(huán)境可以獲評(píng)5分。

圖2 辦公產(chǎn)業(yè)園區(qū)晝間（左圖）和夜晚（右圖）整體環(huán)境噪聲分布圖（單位：dB(A)）

圖3 商業(yè)辦公1號(hào)樓晝間（左圖）和夜晚（右圖）立面環(huán)境噪聲分布圖（單位：dB(A)）

由于聲音傳播的指向性，屋面與城市道路所在平面相對(duì)平行，因此屋面不會(huì)受到交通噪聲直接傳播導(dǎo)致的聲壓，僅受到屋面機(jī)械設(shè)備的面聲源的影響，本工程中屋面的空調(diào)機(jī)室外組，晝夜的噪聲值均為54 dB（A）。當(dāng)屋面設(shè)置天窗時(shí)，周邊的交通噪聲、場(chǎng)地噪聲等與屋面平行的平面內(nèi)產(chǎn)生的噪聲影響可以忽略不計(jì)，僅需考慮屋面上放置的機(jī)械設(shè)備的點(diǎn)狀聲源的影響即可。此處需注意的是，屋面接受的噪聲與人站立在屋面上能聽(tīng)到噪聲不是同一個(gè)概念，前者是指屋面及屋面天窗作為一塊水平板，受到道路噪聲產(chǎn)生的聲壓影響很小，因?yàn)橹鄙涞穆暡ū煌鈮φ趽?，而散射的聲波要到達(dá)500m～600m 高的大氣才能作為天波反射回來(lái)[7]，故影響很小，如圖4 所示；而人站立在屋面時(shí)，耳朵的鼓膜位置與建筑外墻類似，垂直于道路平面，故能清晰地聽(tīng)到車(chē)輛行駛的噪音。

圖4 大氣中聲波傳播的三種主要方式

按照《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50118-2010）》第8.1.1 條，高要求標(biāo)準(zhǔn)的單人辦公室、電視電話會(huì)議室的室內(nèi)允許噪聲級(jí)為≤35dB（A），結(jié)合上述環(huán)境噪聲模擬計(jì)算結(jié)果，晝間最大室外噪聲為62 dB（A），因此，隔聲外窗的最低隔聲量要求為62-35=27dB（A）?？紤]到分析模型中無(wú)法完全還原所有的環(huán)境噪聲源，故適當(dāng)放大環(huán)境噪聲至65dB（A）作為疊加效應(yīng)，則隔聲外窗的最低隔聲量要求為Rw+Ctr≥30dB（A）。

4 外窗的隔聲模擬計(jì)算

4.1 構(gòu)件空氣聲隔聲單值評(píng)價(jià)量的算法

INSUL 軟件是由總部位于新西蘭的Marshall Day Acoustics 公司開(kāi)發(fā)的隔聲量評(píng)估軟件，主要用于構(gòu)件層面的隔聲量預(yù)測(cè)，包括多種復(fù)合材料的空氣聲隔聲、撞擊聲隔聲的模擬計(jì)算，最多支持計(jì)算3層玻璃窗。以下采用INSUL9.0（2017 年版）進(jìn)行不同構(gòu)造層次的外窗隔聲量模擬計(jì)算（見(jiàn)圖5）。

圖5 INSUL軟件計(jì)算界面

由于測(cè)量結(jié)果是一組隨頻率變化的數(shù)值，同樣的制品對(duì)于不同頻率的聲音的隔聲性能不同，有的材料善于隔絕低頻聲音（100Hz～500Hz），有的材料善于隔絕中高頻聲音（500Hz以上），因此，需要通過(guò)“計(jì)權(quán)”得到一個(gè)單一值，以利于相互比較。此處的“計(jì)權(quán)”，不是通常意義理解的按照所占比例進(jìn)行“加權(quán)平均”，而是按照《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50121-2005）》第3.2.1 條，輪次計(jì)算代表性頻率的不利偏差之和，然后選出使得不利偏差之和最大的Rw作為隔聲量單值評(píng)價(jià)量。

計(jì)算出Rw之后，還需按照《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50121-2005）》[8]第3.4.1 條扣除頻譜修正量C（A 計(jì)權(quán)粉紅噪聲）或Ctr（A 計(jì)權(quán)交通噪聲），如下式（1）所示：

式（2）中：j為頻譜序號(hào)，j=1 或2，其中1 為計(jì)算中高頻譜修正量C值，適用于日?；顒?dòng)（談話、音樂(lè)、收音機(jī)和電視）、兒童游戲、中高速軌道交通、車(chē)速大于80km/h的高速公路交通、近距離噴氣飛機(jī)等；2為中低頻譜修正量Ctr值，適用于一般城市交通、低速軌道交通、螺旋槳飛機(jī)、Disco 音樂(lè)等；Xw為取16 個(gè)1/3倍頻程的測(cè)量與基準(zhǔn)值之間的不利偏差之和的最大值所對(duì)應(yīng)的單值（dB(A)）；i為100Hz～3150Hz的1/3倍頻程的倍頻程序號(hào)；Lij為第j號(hào)頻譜的第i頻帶的聲壓級(jí)（dB(A)），按照頻率的不同取固定的數(shù)值，其中100Hz 的頻率用于計(jì)算C值對(duì)應(yīng)1/3 倍頻程為-29dB(A)，用于計(jì)算Ctr 值對(duì)應(yīng)1/3 倍頻程為-20dB(A)；3150Hz 的頻率用于計(jì)算C值對(duì)應(yīng)1/3 倍頻程為-9dB(A)，用于計(jì)算Ctr值對(duì)應(yīng)1/3倍頻程為-15dB(A)；對(duì)于100Hz～3150Hz 之間的其他頻段，計(jì)算C值的Lij值呈規(guī)律性遞減，計(jì)算Ctr值的Lij值呈先減小后增加的趨勢(shì)；Xi為第i個(gè)頻帶的測(cè)量值（dB(A)），精確到0.1dB(A)。該測(cè)量值通過(guò)相關(guān)儀器測(cè)量受測(cè)試件上的聲功率W1與透射試件的透射聲功率W2的比值，取以10為底的對(duì)數(shù)之后再乘以10得到[9]。

4.2 不同構(gòu)造的玻璃組合的隔聲模擬計(jì)算

為便于跟國(guó)標(biāo)圖集數(shù)據(jù)對(duì)比，外窗尺寸選為1.3m*1.6m=2.08m2，隔聲量模擬計(jì)算比較的內(nèi)容包括：

①兩種典型構(gòu)造層次，分別是雙玻窗和三玻窗。

②兩種典型空氣層厚度，分別是12mm和19mm（可容納中置遮陽(yáng)卷簾）。

③五種典型玻璃制品，分別是：6mm厚單層平板玻璃、（3+0.76PVB+3）夾膠玻璃、（6+0.76PVB+6）夾膠玻璃、（8+0.76PVB+8）夾膠玻璃、（10+0.76PVB+12）夾膠玻璃。

如表2 所示，INSUL 軟件模擬計(jì)算的隔聲量均大于國(guó)標(biāo)圖集《建筑隔聲與吸聲構(gòu)造（08J931）》[10]第42 頁(yè)的檢測(cè)值，一般超過(guò)1dB(A)～3dB(A)，當(dāng)單片夾膠玻璃的總厚度超過(guò)20mm 時(shí)，INSUL 軟件模擬計(jì)算的隔聲量比國(guó)標(biāo)圖集超出約5dB(A)～7dB(A)。由于INSUL 軟件為理論預(yù)測(cè)值，而國(guó)標(biāo)圖集中為實(shí)際檢測(cè)值，因此，理論值優(yōu)于檢測(cè)值1dB(A)～2dB(A)是正常的。而對(duì)于總厚度超過(guò)20mm 的夾膠玻璃，理論計(jì)算值則可能存在較大的偏差，應(yīng)慎重采用，原因是當(dāng)玻璃的厚度大幅增加、質(zhì)量增大時(shí)，空氣聲隔聲的控制因素將遵循質(zhì)量效應(yīng)或吻合效應(yīng)，不再是共振效應(yīng)，計(jì)算公式也將有所不同。

表2 不同玻璃構(gòu)造的隔聲量模擬計(jì)算比較

按照上述INSUL軟件的模擬計(jì)算，滿足Rw+Ctr≥30dB（A）隔聲要求的玻璃組合包括：?jiǎn)螌硬Ａ?mm（31dB(A)）、單層玻璃12mm（32dB(A)）、單片夾層玻璃3+0.76 PVB +3（31dB(A)）、單片夾層玻璃5+0.76 PVB +5（34dB(A)）、雙玻單腔8+12A+6（30dB(A)）、雙玻單腔8+19A+6（30dB(A)）、雙玻單腔夾膠6+12A+（5+0.76PVB+5）（34dB(A)）、三玻兩腔夾膠6+12A+6+12A+（5+0.76PVB+5）（32dB(A)）、國(guó)產(chǎn)單片夾膠8+0.76+8（37dB(A)）、國(guó)產(chǎn)單片夾膠10+0.76+12（39dB(A)）、杜邦單片夾膠10+0.76+12（39dB(A)）。

除了國(guó)標(biāo)圖集和INSUL 軟件模擬計(jì)算，在中南地區(qū)圖集《民用建筑隔聲與吸聲構(gòu)造（15ZJ502）》[11]第64～65 頁(yè)給出了空氣間層為100mm 左右的雙層和三層窗的斜玻璃構(gòu)造及其隔聲量參考值，雙層窗隔聲量可達(dá)45dB(A)～49dB(A)，三層窗隔聲量可達(dá)50dB(A)～60dB(A)，但此類多層窗的總厚度達(dá)到150m'm～300mm，要求外窗所在土建墻體的厚度相應(yīng)增大，除非用于特殊場(chǎng)合（如療養(yǎng)院等需要十分安靜的場(chǎng)所），否則需慎重選用。

5 外窗熱工性能校核及選型

除滿足隔聲要求外，本工程按照熱工計(jì)算，要求外窗的整窗傳熱系數(shù)不大于1.8W/(m2·K)，上述滿足隔聲性能的外窗中的單層玻璃、單片夾膠玻璃雖然滿足了隔聲的要求，但是其傳熱系數(shù)約為5.00W/(m2·K)左右，遠(yuǎn)超過(guò)外窗傳熱系數(shù)的最大限值要求，因此不能采用，只能選用雙玻單腔或者三玻兩腔的玻璃構(gòu)造。

本工程擬選用隔熱鋁合金為型材，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50176-2016）》[12]附錄C，搭配雙玻單腔玻璃時(shí)的整窗傳熱系數(shù)K的最小值為2.1W/(m2·K)＞1.8W/(m2·K)，不能滿足要求；按照《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T51350-2019）》[13]附錄D，搭配三玻兩腔高透光充氬氣的5+12Ar+5+12Ar+5Low-E時(shí)，整窗傳熱系數(shù)K為1.7W/(m2·K)～1.9W/(m2·K)，可行。此外還需注意，聲音的傳播速度隨物質(zhì)的密度增加而增加，空氣的密度僅為1.29kg/m3，當(dāng)玻璃之間充惰性氣體（如氬氣Ar、氪氣Kr、氙氣Xe）時(shí)，氬氣的密度是1.78kg/m3，氪氣的密度是3.74kg/m3，氙氣的密度是5.89kg/m3，而此類惰性氣體的密度均比空氣大，故充惰性氣體會(huì)加強(qiáng)聲音傳導(dǎo)，不利于隔聲，隔聲量相應(yīng)降低1dB(A)～2dB(A)。

最終，選擇的窗型為“三玻兩腔夾膠6+12Ar+6+12Ar+（6+0.76PVB+6）”，K≈1.8W/(m2·K)，隔聲量約為30dB(A)，恰好滿足本工程的需求。

6 結(jié)語(yǔ)

由上述工程實(shí)踐研究可知，緊鄰交通干線的隔聲外窗構(gòu)造設(shè)計(jì)需要遵循整體到局部的原則，從場(chǎng)地聲環(huán)境模擬分析入手，得到環(huán)境噪聲后，再進(jìn)行構(gòu)件層面的隔聲量測(cè)算，并將測(cè)算結(jié)果與相關(guān)圖集進(jìn)行對(duì)比，以判別概念是否合理，最后結(jié)合外窗的熱工要求確定外窗選型。此外，因?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件模擬的是理想狀態(tài)下的隔聲量，忽略了很多實(shí)際影響因素，建議將軟件模擬計(jì)算的隔聲量值降低1～2dB(A)作為外窗實(shí)際隔聲量，并同步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲檢測(cè)和外窗隔聲性能檢測(cè)。當(dāng)軟件模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差時(shí)，應(yīng)進(jìn)行分析和論證，以確保能合理解釋兩者的偏差來(lái)源，為外窗選型提供自洽的計(jì)算依據(jù)。