绿色建筑围护结构隔声设计方法研究

卢子洋，周建民，彭佳辉（同济大学， 上海 20092）

在绿色建筑建造和既有建筑绿色化改造过程中，建筑室内声环境的评价与控制是极其重要的内容，其好坏直接关系到绿色建筑和既有建筑“绿色性”的评价等级。其中，围护结构的隔声性能是室内声环境的重点控制因素。随着经济社会的发展，噪声问题日趋严重，减少噪声污染已经迫在眉睫。

近年来政府相继颁布了一系列隔声设计规范，对住房的隔声性能提出了相当高的标准。2010 年 10 月 1 日，GB 50118—2010《民用建筑隔声设计规范》正式实施，对不同类型、不同功能的建筑有不同的建筑隔声要求，对于建筑围护结构隔声性能处理也提出了相应的设计要求。此外，GB/T 50121—2005《建筑隔声评价标准》中也明确规定了建筑围护结构的隔声性能要求。GB/T 50121—2005 将建筑围护结构的隔声性能分为 9 个等级，其中最高等级（9 级）要求墙体的隔声量达到 55 dB，最低也必须满足 35 dB。为了达到以上要求，可以从围护结构设计来考虑，比如采用双层或多层复合结构；也可以从构造要求来考虑，比如在围护结构中添加吸声材料，对门缝或窗缝采用隔声性能好的材料封堵等。

目前，国外隔声规范中既给出由试验方法得到的构件隔声量，也包括构件隔声量的工程实用计算方法。我国 GB 50118—2010 只给出了围护构件隔声量限值，实际工程中设计人员是通过查阅《建筑声学设计手册》以及其他参考资料提供的来自实验室和现场测试得到的不同构造围护结构的隔声频率曲线和计权隔声量等进行设计的。这种隔声设计方法往往会造成隔声性能的冗余和材料的浪费，也限制了设计人员对围护结构尺寸的灵活调整。

本文将从围护结构隔声机理研究出发，根据现阶段围护结构隔声量实用计算方法，并结合 MATLAB 进行不同噪声源下围护结构的隔声设计，使得实际工程的应用更加高效合理。

1 围护结构实用隔声计算方法的发展

对于单层板隔声规律的研究，Sewell[1]和 Nilsson[2]较早提出了自己对于质量定律的修正式以满足实用工程计算。Sewell 评价了被迫声传输，适用于 1/2 吻合频率以下的频率，评价中考虑了共振传输。Nilsson 将房间和板的模态考虑进共振传输的计算，并引入了损耗因子、边界条件。Cremer[3]对 Nilsson 表达式进行了改进，使频率适用范围得到扩展。

随着隔声性能要求的不断提升，人们开始考虑提高板的隔声能力的有效方法。增加单层板的厚度可以提高板的隔声能力，但当达到一定厚度后，这种方法就不再经济。随着轻质板的大量使用，人们对双层板的隔声性能日益重视。但双层结构的隔声由于涉及了多种体波和表面波，是一种很复杂的动力学系统。这一系统中包括了质量、密度、弹性模量、泊松比、空气层厚度、空腔内的吸收效应以及激励的频率和声源。一般无规则入射声条件下双层板的透射损失理论可用 3 种方法推导：经验的方法、模态耦合法和扩散理论。Cops 和 Myncke[4]等的经验公式得到和实验结果较好的一致性，但对不同的材料需要修正。White 和 Powell[5]用模态耦合法推导了板的透射损失。Beranek[6]用阻抗的方法、London[7]用声线的方法分别得出了双层板的隔声规律。其中以 London 公式应用最为广泛。

国内隔声设计规范对隔声设计的认识还停留在质量定律基础上，现阶段隔声量是根据试验方法得到的，暂未给出隔声量的工程实用计算方法。适用于工程计算的隔声量计算公式最早是 Sharp[8]提出的，他根据试验结果归纳提出以多段直线来代替隔声曲线，提出单层、双层薄板的工程计算方法。Davy[9]在 1990 年提出更精确的计算方法。欧洲规范也给出了相应的工程计算方法。然而该公式计算比较繁复，尤其是自适应系数确定也有较大近似，不宜工程应用。

同济大学课题组[10]也在隔声频率变化规律的研究基础上，提出了以下的隔声量计算原理，即首先用质量定律计算围护墙板在垂直入射声波作用下的最大隔声量，然后利用波动吻合理论计算围护墙板在与板面平行入射声作用下的隔声损失量，最终围护结构隔声量为最大隔声值减去相应的隔声损失量。依据此原理，给出相应的隔声工程计算公式。

2 围护结构隔声设计优化方法

2.1 围护结构隔声优化设计原理

在本文围护结构隔声设计优化方法的程序设计中，对于不同的围护结构分别采用了相关研究文献提出的隔声量计算的工程方法。其中：单层墙和复合墙体采用本课题组在文献[10]中提出的公式，而双层门、窗等构件采用了文献[7]中提出的计算公式。

2.2 围护结构隔声优化设计思路

设计师在依据现有隔声设计规范选择隔声构件时，往往是根据规范要求的查询符合设计要求的空气声隔声单值评价量的下限值，再从已有产品目录中挑选符合此要求的隔声构件。然而产品目录中的隔声构件厚度等指标梯度过大，往往会造成材料的冗余。此外，我们的围护墙体往往包含门、窗的附属隔声结构，要提升室内整体的隔声效果也需要对这类隔声结构进行一并的优化考虑。

为此，本节将对此过程进行改进，改进后的隔声设计方法能给予设计师更大的选择自主权，也能达到经济性选材的目的。在上文推导的实用隔声计算公式与计权隔声量的计算基础上，优化后的隔声设计的基本步骤如下。

（1）首先通过实测或规范资料掌握声源的声功率，由声源特性和吸声点的声学环境，利用室内声学公式估算或用声级计实测吸声点的各倍频带声压级。

（2）根据目标设计区域的用途，在GB 3096—2008《声环境质量标准》中查到相应的允许的 A 声级LA，然后由A 声级与NR曲线倍频带声压级换算表确定相应NR曲线上各位频程的声压级。根据NR曲线上各倍频程的声压级之差，得到各倍频带上需要的隔声量R。

（3）求得各倍频带上需要的隔声量R后，得到设计隔声量，再代入计权隔声量计算方法中求得设计计权隔声量Rw1。

（4） 根据不同的噪声源来确定围护结构方案以及相应的围护结构构件组合，设定隔声构件的初始厚度h0，求其经过噪声修正后的隔声构件组合计权隔声量Rw2，以Δh为梯度逐步增加隔声构件的厚度，直至求得的隔声构件组合计权隔声量满足Rw2≥Rw1。

2.3 围护结构隔声设计程序编写

在程序设计前，首先要明确需要输入的参数以及输入的逻辑。首先要通过实测声压级和允许声压级，或是应用推图法将目标隔声构件实验测得的隔声频率特性曲线与推动的隔声指数参考曲线对比进行围护结构计权隔声量的计算，得到满足设计要求构件的隔声量作为设计目标。

在得到设计目标后，应用 MATLAB 语言并在可视化界面上通过选择围护结构方案后输入各类结构的材料属性，便可以此得到满足要求的围护结构所需最小厚度及相应的隔声量。最终给出的程序界面如图1 所示。

图1 围护结构优化设计程序界面

3 算例分析

由于医院建筑对于隔声量的要求比一般的民用建筑要高，故对某医院大楼内尺寸为 4 m×3 m×3 m 的病房进行隔声设计，选择合适的构件，使其隔声量满足要求。其总内表面积可由办公室尺寸求得，为 66 m2，其中外墙、内墙以及隔墙厚度分别为 250 mm、200 mm及 150 mm，具体的房间及材料选用如图2 所示。

根据 GB 3096—2008，医院建筑的允许 A 声级要求小于40 dB。查询 A 声级与曲线倍频带声压级换算表，可得病房的允许声压级频率分布如表1 所示。

表1 允许声压级频率分布表

3.1 基本参数输入

由声级计实测得到病房外噪声的声压级 如表2 所示。

表2 病房外部声压级频率分布表

将声级计实测得到的声压级、病房允许声压级、频率分布代入设计隔声量的计算公式中，得到式（1）。

式中：A—A＝α·S，吸声量，m2；

S—病房的总内表面积，m2。

病房的呼吸量频率分布如表3 所示，病房设计隔声量频率分布如表4 所示。

表3 病房的吸声量频率分布

表4 病房设计隔声量频率分布表

由此得到设计隔声量频率分布值后，经计权隔声量计算即可求得该病房的外墙设计计权隔声量Rw1＝47.4 dB，过道内墙的设计计权隔声量Rw1＝35.3 dB，房间内隔墙的设计计权隔声量Rw1＝29.8 dB，而 GB 50118—2010 同时要求医院病房之间的隔墙隔声量≥45 dB，因此按 45 dB 进行隔声设计。

3.2 结果分析

对于外墙的设计，由于窗户的厚度一般较薄，因此在组合墙隔声量设计中，外窗往往处于较为薄弱的部分，故预设外墙混凝土砌块层厚度不变（250 mm），对窗户所需的最小厚度进行设计。由于外噪声源较大，故预设采用双层玻璃。对于过道内墙的设计，由于门的厚度一般较薄，因此在组合墙隔声量设计中，门往往处于较为薄弱的部分，故预设过道内墙混凝土砌块层厚度不变（200 mm），对门所需的最小厚度进行设计。对于病房间隔墙的设计，由于是单一材料的墙体，不存在不同的隔声结构进行组合，故只需对于混凝土砌块的厚度进行优化设计。对于设计中所需用到的材料参数如表5 所示。

表5 病房围护结构设计基本材料参数

经过程序迭代计算可以得出针对各类噪声源所设计出的围护墙体的最小厚度，并与按照传统方法进行《建筑声学设计手册》查找构件表所得的结果进行对比，如表6 所示。

表6 病房围护结构构件设计对比

根据表6 对比可知，根据本文程序进行设计的病房围护结构构件与根据《建筑声学设计手册》[11]构件表进行查找的设计方法相较而言，无论从材料以及用量方法都得到了一定程度上的优化，同时程序还可以根据需要进行构件所需厚度精度的调整以及选择，为设计人员进行构件设计提供了更大的自主性。

4 结 语

（1）按照现阶段规范进行围护结构的隔声性能设计可能会造成材料的浪费，并且产品目录的更新迭代速度跟不上现代建筑对围护结构诸如保温隔声性能等各方面要求快速提升的速度。

（2）本文提出的隔声设计方法，可以求得满足隔声要求的最小厚度墙板以及其他围护结构构件，由设计人员自主把握构件尺寸以及所选的材料属性，能最大化地达到隔声性能与经济性的平衡。

（3）本文围护设计程序中，对于围护结构的隔声性能设计的隔声量计算还引入了对于交通噪声以及粉红噪声的修正，最大限度地保证了计算结果的准确性以及设计的合理性。

（4）通过对于围护结构隔声设计方法的研究以及程序编译，可为绿色建筑围护结构其他性能设计的优化以及设计方法改良，为增强设计方法的适用性以及经济性提供参考。