鋼結構裝配式住宅墻板連接方式對隔聲性能的影響?

高偉夫 馬 蕙

(天津大學建筑學院 天津 300072)

0 引言

近年來鋼結構裝配式住宅因其裝配化程度高、環保節能、重復利用率高等優點受到市場的青睞，發展迅速［1]。2016年，國務院辦公廳發布《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，要求力爭在2020年–2025年使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%，鋼結構憑借其裝配化優勢，迎來重要發展機遇［2]。2019年，住建部發布通知強調大力推進鋼結構裝配式住宅建設試點。鋼結構裝配式住宅在政策的推動下，逐漸成為住宅建筑市場的焦點。

隨著生活水平的提高，人們對住宅的健康性提出了更高要求，其中聲環境是健康住宅的重要因素之一［3]。鋼結構裝配式住宅(以下簡稱鋼結構住宅)在推廣和發展過程中，許多物理性能都得到了提升，但隔聲性能卻未得到足夠的重視。鋼結構住宅高裝配率與輕質化的發展目標對隔聲均有著不利的影響，如何在兼顧輕質化與高裝配率的同時提高隔聲性能，成為了鋼結構住宅亟待解決的問題［4]。

由于建筑中的聲傳遞往往是多路徑的，除了通過公共隔墻直接傳遞外，還會通過側墻、地板及樓板等側向構件進行傳遞［5]，所以鋼結構住宅的主要隔聲性能不僅由建筑圍護結構自身屬性(如材料特性、厚度等)決定，墻板與鋼框架的連接構造也有著很重要的影響［6]，原因是不同構件之間的耦合振動傳遞會導致側向傳聲的出現(圖1)，且在低頻段最為嚴重［5,7]。在住宅中除了相鄰住戶家中產生的活動噪聲外，各種設備如空調設備、通風設備、供暖設備等所產生的低頻噪聲都會對人們日常生活休息產生干擾，甚至對人體造成慢性損傷［8]。而鋼構件的材料特性導致振動在其中傳遞時的能量損耗遠低于其他類型建筑［9]，低頻噪聲與振動的傳播距離與穿透能力都會被進一步放大。對于鋼結構住宅隔聲性能的很多研究都側重于構件材料的隔聲性能方面，而針對構件連接方式對隔聲性能影響的研究較為鮮見。

圖1 相鄰房間傳聲路徑示意Fig.1 Sound transmission path between adjacent rooms

為了提升鋼結構住宅側向傳聲的抑制能力并進一步優化房間的整體隔聲性能，本研究通過建立聲學有限元模型進行數值分析，對墻板不同的連接方式的對房間隔聲性能的影響進行了對比分析，在此基礎上對鋼結構的隔聲提出改進措施，從而為今后的設計工作提供理論參考。

1 研究方法

對于側向構件之間耦合較強的鋼結構住宅建筑，側向傳聲往往成為影響住宅建筑聲環境質量的重要因素［5]。現有的鋼結構住宅墻板現場施工做法情況往往錯綜復雜，從連接剛度的角度來看，墻板與周圍結構有剛性連接方式，也有柔性連接方式［10]，不同的連接方式是否會影響房間隔聲性能、設置柔性連接的墻體選擇位置是否合理，目前沒有較為深入的研究。因此本文采用數值模擬的方法對鋼結構住宅中墻板連接方式對相鄰房間隔聲性能的影響進行了模擬分析。考慮的頻率范圍為50～500 Hz，這也是側向傳聲影響最大的頻段［5,7]。

1.1 有限元模型的建立

在研究住宅隔聲問題時，通常選取相鄰房間的平均聲壓級差作為客觀評價指標。本文為研究鋼結構住宅相鄰房間不同位置墻板連接方式對隔聲量的影響規律，使用有限元軟件Virtual Lab Acoustics對其進行數值模擬。

模擬實驗參考相關隔聲測量規范［11]中的方法進行，模型以常見公寓住宅尺寸為參照進行建模(圖2)，房間1為聲源室，房間2為接收室。房間開間3.6 m，進深4.9 m，高2.85 m，兩室容積均為50 m3。兩室側墻上各有一扇高1.8 m、寬1.6 m 的窗。隔墻與側墻均為150 mm 厚蒸壓加氣混凝土，樓板為200 mm厚鋼筋混凝土。

圖2 房間模型示意Fig.2 Model of the adjacent rooms

有限元模型如圖3所示，結構網格與聲學網格均采用了四面體網格，對于有限元網格，要求所有網格必須是封閉的，同時在所求解的最高頻率下，最小波長內需要包括至少6 個網格單元［12]，本算例中即網格單元尺寸不能超過110 mm。

圖3 有限元模型示意Fig.3 Finite element method models

在房間有限元模型中，結構網格與聲學網格的尺寸設置為了40 mm，模型共計3,370,213 個網格單元。室內聲學網格由于其形狀較為規則，網格劃分模塊為減少計算量，將其內部的網格采取了優化處理，經計算，可求解的最高頻率為1416 Hz，聲學分析模塊的檢查結果為100%的網格可以求解至863 Hz，滿足目標計算范圍的要求。在模型底部設置了固定邊界條件以將模型固定。聲學網格中空氣密度和聲傳播速度分別為1.2 kg/m3和340 m/s。室內墻面設置0.01 的吸聲系數，窗戶位置為非耦合面，其結構振動與聲輻射之間不發生相互作用［13]。模型中各材料參數如表1所示。

表1 模型中各材料物理屬性Table 1 Mechanical properties of models

相鄰房間體系中依據傳聲路徑不同可將墻體分為公共隔墻與側墻。為研究其不同連接方式對房間隔聲的影響，此處對公共隔墻與側墻分別設置剛性連接與柔性連接，共4組模擬工況(見圖4，黑色墻表示剛性連接，灰色墻表示柔性連接)。模型中，墻板與鋼框架的所有接觸面均設置剛性或柔性連接屬性，其中剛性連接時，墻板與周圍鋼框架的連接設置為緊固連接，以模擬實際建筑中的剛性連接方式［14]。柔性連接時，墻板與鋼框架間布置60 mm厚的復合彈性墊層(EPS+EVA)［15]以對低頻振動進行抑制(圖5)，柔性材料同樣與墻板和鋼框架之間設置為緊固連接。同時，每組模型中聲源類型為點聲源，聲源功率、位置、及接收點位置均相同。

圖4 不同連接方式墻板位置示意Fig.4 Wall panels with different junction modes

圖5 彈性隔振材料位置(紅色部分)Fig.5 Position of resilient material(red part)

1.2 有限元模型驗證

本文采用計算機模擬的方法進行對比研究，首先選擇鋼結構裝配式住宅對模擬方法進行實測驗證。實測場地選擇某鋼結構裝配式公寓住宅，計算機模型簡化為兩相鄰房間，墻板連接方式設置為全部剛性連接(與實驗組1 相同)，以模擬實測住宅中墻板與鋼框架之間水泥砂漿固定的連接方式，所建模型尺寸與實際房間尺寸一致。由于低頻下房間容積較小容易造成駐波的現象，難以達到一個良好的擴散聲場，隔聲測試規范中對此的要求時聲源點至少布置3 個，以對不良結果進行彌補，在此處的模擬中，共布置了4 個聲源點位置，盡量減弱低頻駐波的不利影響。測量所使用的設備有：Norsonic140 精密聲分析儀、Norsonic276十二面體無指向揚聲器、Norsonic280 音頻功率放大器。

如圖6所示，將模擬結果與實測結果進行對比，可以看出二者吻合度較好，計算機模擬和實測所得的各頻段差異平均值為0.1，標準差為3.9，顯示了計算機模擬方法具有較好的準確度。

圖6 模擬結果與實測結果對比Fig.6 The comparison between simulation results and measurement results

2 有限元分析結果

2.1 隔墻與側墻全部為剛性連接(第1組)

這種連接方式也是目前鋼結構住宅中常見的連接方式，隔聲量模擬結果如圖7所示，50～500 Hz的平均聲壓級差在30 dB 左右，63 Hz 與160 Hz 處形成兩個隔聲低谷，以160 Hz 為例，其房間振型云圖如圖8所示。

圖7 隔墻與側墻全部為剛性連接的模擬結果Fig.7 Simulation under the condition of rigid junction of partition wall and side wall

圖8 房間振型云圖(160 Hz)Fig.8 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.2 隔墻剛性連接、側墻柔性連接(第2組)

將側墻墻板設置為柔性連接后，將隔聲模擬結果與第1 組全部剛性連接進行對比(圖9)，隔聲量在低頻段有了明顯的升高，尤其在125 Hz 以下和250 Hz 以上，平均聲壓級差提高了約3 dB，結合160 Hz振型云圖(圖10)可以直觀看到，在側墻變為柔性連接后，通過側墻傳遞的振動有了一定幅度的減少，側向傳聲的抑制得到了加強。因此接收室內的平均聲壓級有所降低，低頻段對房間的隔聲性能有一定程度的提升。

圖9 隔墻剛性連接、側墻柔性連接的模擬結果Fig.9 Simulation under the condition of rigid junction of partition wall and flexible junction of side wall

圖10 房間振型云圖(160 Hz)Fig.10 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.3 隔墻柔性連接、側墻剛性連接(第3組)

僅將隔墻墻板設置為柔性連接后，將隔聲模擬結果與第1 組全部剛性連接進行對比(圖11)，兩室的聲壓級差在低頻段的除200～315 Hz 外，無明顯提升，甚至在200 Hz 以下和315 Hz 以上聲壓級差有所下降，這種情況的原因很可能是房間的直接隔聲構件隔墻的約束條件發生了改變，當墻板的約束條件變為柔性后，低頻隔聲量會有所下降。同樣隔聲低谷160 Hz 處的房間振型云圖(圖12)也顯示側墻的振動情況較全部剛性連接無太大變化。

圖11 隔墻柔性連接、側墻剛性連接的模擬結果Fig.11 Simulation under the condition of flexible junction of partition wall and rigid junction of side wall

圖12 房間振型云圖(160 Hz)Fig.12 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.4 隔墻與側墻全部柔性連接(第4組)

該工況下，將隔聲模擬結果與第1 組全部剛性連接進行對比(圖13)，隔聲量僅在某些頻率下略有提升，同時結合第2、第3 組的模擬結果以及160 Hz處房間振型云圖(圖14)來看，全部改為柔性連接后雖然側向傳聲得到了抑制，但隔墻位置的隔聲性能卻有所下降。綜合來看，全部采用柔性連接的方式對房間隔聲性能提升并不顯著。

圖13 隔墻與側墻全部為柔性連接的模擬結果Fig.13 Simulation under the condition of flexible junction of partition wall and side wall

圖14 房間振型云圖(160 Hz)Fig.14 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.5 不同彈性材料的分析結果

在實際工程中，EPS、EVA、橡膠等彈性材料常被用來填充到墻板與框架的縫隙中，形成柔性連接。前文的模擬結果顯示，僅在側墻墻板周圍加入彈性墊層變為柔性連接后，房間在低頻段上的隔聲表現最好，因此這部分模擬以第2 組工況(隔墻剛性連接，側墻柔性連接)為基礎，探究墻板連接處彈性材料物理參數對側向傳聲的抑制能力會有怎樣的影響。

模擬實驗通過控制變量的方法，分別調整彈性材料彈性模量以及密度的值。參考工程中常用彈性墊層材料的物理參數范圍，第一組實驗控制密度為800 kg/m3，泊松比為0.4 不變，彈性模量值分別取0.1 MPa、1 MPa、10 MPa、100 MPa、1000 MPa。第二組實驗控制彈性模量為10 MPa、泊松比同樣為0.4 不變，密度值分別取200 kg/m3、500 kg/m3、800 kg/m3、1100 kg/m3、1400 kg/m3。實驗結果如圖15、圖16所示。

圖15 彈性材料不同密度下的兩室聲壓級差值模擬結果Fig.15 Simulation results of the difference in sound pressure level between two chambers under different densities of elastic materials

圖16 彈性材料不同彈性模量下的兩室聲壓級差值模擬結果Fig.16 Simulation results of the difference in sound pressure level between two chambers under different elastic modulus of elastic materials

結果顯示，密度和彈性模量兩種材料參數對于側向傳聲的抑制均有一定程度的影響：聲壓級差會隨著彈性材料密度值的減小而增大，在實驗選取的材料參數范圍內，密度值最小時的聲壓級差比密度值最大時的聲壓級差平均提升約1.6 dB；聲壓級差會隨著彈性材料彈性模量值的減小而增大，在實驗選取的材料參數范圍內，彈性模量值最小時的聲壓級差比彈性模量值最大時的聲壓級差平均提升約2.8 dB。由此可見側墻選取密度較小的材料作為彈性墊層時，對于側向傳聲有一定的抑制作用，但效果較為有限；選取彈性模量較小的材料作為彈性墊層時，可以達到更好地抑制側向傳聲的效果。

3 結論

模擬結果發現，對于低頻聲，側墻墻板與其周圍構件的連接方式對側向傳聲有很大影響，當側墻墻板周圍加入彈性墊層變為柔性連接后，房間在低頻段上的整體隔聲量有所提升，相鄰兩室的平均聲壓級差提高3 dB 左右；但是當公共隔墻墻板周圍加入彈性墊層變為柔性連接后，因其約束條件發生了改變，房間在低頻段上的整體隔聲量沒有顯著提升，在某些頻率下甚至會降低。基于模擬結果，提出如下改進策略：

(1)在鋼結構住宅中，側墻墻板可以選擇柔性連接的方式固定，墻板與周圍鋼框架中可加入對低頻振動隔絕效果良好的彈性材料來抑制側向傳聲，其縫隙的封堵也宜選擇彈性封堵材料，防止形成聲橋。

(2)公共隔墻墻板柔性連接方式對房間低頻段的隔聲性能沒有提升作用，改善公共隔墻的隔聲性能時應避免柔性連接的出現，盡量通過剛性連接的方式來固定公共隔墻墻板。考慮到縫隙對房間隔聲量同樣存在較大影響，墻板連接構造處在考慮耐久性與經濟性的同時，也需重視其空氣聲隔聲性能，避免縫隙出現。

住宅隔聲是一項系統性工程，本文主要研究了鋼結構裝配式住宅中墻板連接方式對房間隔聲量的影響。通過有限元數值分析的方法，得到了墻板連接方式對于房間側向傳聲的影響規律：房間中不同位置墻板的連接方式會影響隔聲水平，僅在側墻墻板采用柔性連接的隔聲效果相對較好。基于上述結果可在鋼結構裝配式住宅設計階段對墻板的施工工藝進行相應調整，以提升房間隔聲能力。后續工作將針對鋼結構裝配式住宅中的側向傳聲問題，對墻板柔性連接中使用的彈性材料的物理屬性參數與隔振構造方式進行更為系統的研究，以得到更具普遍性的規律，并在實際工程中進行驗證，使鋼結構裝配式住宅擁有更好的居住聲環境。