綠色建筑圍護結(jié)構(gòu)隔聲設計方法研究

盧子洋，周建民，彭佳輝（同濟大學， 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，其好壞直接關系到綠色建筑和既有建筑“綠色性”的評價等級。其中，圍護結(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)濟社會的發(fā)展，噪聲問題日趨嚴重，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計規(guī)范，對住房的隔聲性能提出了相當高的標準。2010 年 10 月 1 日，GB 50118—2010《民用建筑隔聲設計規(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，對于建筑圍護結(jié)構(gòu)隔聲性能處理也提出了相應的設計要求。此外，GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價標準》中也明確規(guī)定了建筑圍護結(jié)構(gòu)的隔聲性能要求。GB/T 50121—2005 將建筑圍護結(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到 55 dB，最低也必須滿足 35 dB。為了達到以上要求，可以從圍護結(jié)構(gòu)設計來考慮，比如采用雙層或多層復合結(jié)構(gòu)；也可以從構(gòu)造要求來考慮，比如在圍護結(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 只給出了圍護構(gòu)件隔聲量限值，實際工程中設計人員是通過查閱《建筑聲學設計手冊》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)造圍護結(jié)構(gòu)的隔聲頻率曲線和計權隔聲量等進行設計的。這種隔聲設計方法往往會造成隔聲性能的冗余和材料的浪費，也限制了設計人員對圍護結(jié)構(gòu)尺寸的靈活調(diào)整。

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

1 圍護結(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)考慮進共振傳輸?shù)挠嬎悖⒁肓藫p耗因子、邊界條件。Cremer[3]對 Nilsson 表達式進行了改進，使頻率適用范圍得到擴展。

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，但當達到一定厚度后，這種方法就不再經(jīng)濟。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，是一種很復雜的動力學系統(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：經(jīng)驗的方法、模態(tài)耦合法和擴散理論。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 公式應用最為廣泛。

國內(nèi)隔聲設計規(guī)范對隔聲設計的認識還停留在質(zhì)量定律基礎上，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)范也給出了相應的工程計算方法。然而該公式計算比較繁復，尤其是自適應系數(shù)確定也有較大近似，不宜工程應用。

同濟大學課題組[10]也在隔聲頻率變化規(guī)律的研究基礎上，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墻板在與板面平行入射聲作用下的隔聲損失量，最終圍護結(jié)構(gòu)隔聲量為最大隔聲值減去相應的隔聲損失量。依據(jù)此原理，給出相應的隔聲工程計算公式。

2 圍護結(jié)構(gòu)隔聲設計優(yōu)化方法

2.1 圍護結(jié)構(gòu)隔聲優(yōu)化設計原理

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

2.2 圍護結(jié)構(gòu)隔聲優(yōu)化設計思路

設計師在依據(jù)現(xiàn)有隔聲設計規(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)件厚度等指標梯度過大，往往會造成材料的冗余。此外，我們的圍護墻體往往包含門、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)進行一并的優(yōu)化考慮。

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

（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環(huán)境，利用室內(nèi)聲學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)目標設計區(qū)域的用途，在GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》中查到相應的允許的 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，得到設計隔聲量，再代入計權隔聲量計算方法中求得設計計權隔聲量Rw1。

（4） 根據(jù)不同的噪聲源來確定圍護結(jié)構(gòu)方案以及相應的圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合，設定隔聲構(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)件組合計權隔聲量滿足Rw2≥Rw1。

2.3 圍護結(jié)構(gòu)隔聲設計程序編寫

在程序設計前，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，或是應用推圖法將目標隔聲構(gòu)件實驗測得的隔聲頻率特性曲線與推動的隔聲指數(shù)參考曲線對比進行圍護結(jié)構(gòu)計權隔聲量的計算，得到滿足設計要求構(gòu)件的隔聲量作為設計目標。

在得到設計目標后，應用 MATLAB 語言并在可視化界面上通過選擇圍護結(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結(jié)構(gòu)所需最小厚度及相應的隔聲量。最終給出的程序界面如圖1 所示。

圖1 圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計程序界面

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 的病房進行隔聲設計，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 病房設計隔聲量頻率分布表

由此得到設計隔聲量頻率分布值后，經(jīng)計權隔聲量計算即可求得該病房的外墻設計計權隔聲量Rw1＝47.4 dB，過道內(nèi)墻的設計計權隔聲量Rw1＝35.3 dB，房間內(nèi)隔墻的設計計權隔聲量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 進行隔聲設計。

3.2 結(jié)果分析

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

表5 病房圍護結(jié)構(gòu)設計基本材料參數(shù)

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

表6 病房圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計對比

根據(jù)表6 對比可知，根據(jù)本文程序進行設計的病房圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件與根據(jù)《建筑聲學設計手冊》[11]構(gòu)件表進行查找的設計方法相較而言，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)需要進行構(gòu)件所需厚度精度的調(diào)整以及選擇，為設計人員進行構(gòu)件設計提供了更大的自主性。

4 結(jié) 語

（1）按照現(xiàn)階段規(guī)范進行圍護結(jié)構(gòu)的隔聲性能設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結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由設計人員自主把握構(gòu)件尺寸以及所選的材料屬性，能最大化地達到隔聲性能與經(jīng)濟性的平衡。

（3）本文圍護設計程序中，對于圍護結(jié)構(gòu)的隔聲性能設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)果的準確性以及設計的合理性。

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