綠色建筑聲環境模擬計算及隔聲外窗選型研究

易嘉

（上海朗詩規劃建筑設計有限公司）

1 引言

良好的室內聲環境是綠色建筑的重要控制指標，外窗是分隔室內外的主要圍護結構構件，因此，如何進行環境噪聲評估以及外窗隔聲量計算成為外窗選型的重點。目前，多數工程采用參數類比法來評估噪聲環境及外窗選型，首先依據《聲環境功能區劃分技術規范（GB/T 15190-2014）》[1]第8節確定該建筑所在區域的聲環境功能區劃，將距離1 類、2 類、3類聲環境功能區一定范圍內的交通干線邊界外區域劃分為4a類聲環境功能區，作為《民用建筑隔聲設計規范（GB 50118-2010）》[2]中的“交通干線兩側”的判別條件，對該區域內的建筑物（或其中的一部分）選用相應的噪聲控制標準，接著檢索圖集或著作等文獻，在有限幾種型號的外窗中選取能達到空氣聲隔聲要求且構造較為接近的外窗類型。上述類比法的優點在于通過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中的外窗型號不多，且不能與熱工設計所選的窗型完全對應，只能根據工程師的經驗判斷，但如果遇到需要與室外環境噪聲精確匹配的隔聲窗時，則很難在經濟、適用上作出合理的判斷，或者是統一提高構造標準、增加工程造價，或者是設計的外窗達不到隔聲要求。

2 工程概況

某商業辦公建筑群位于城市核心區，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 棟商業辦公建筑，地上總建筑面積約90000m2。按照《聲環境功能區劃分技術規范（GB/T 15190-2014）》，該用地區域內的建筑類別以行政辦公為主，歸入3類聲環境區，因此城市高架快速路兩側50±5m 的范圍屬于“交通干線兩側”區域，按最不利因素考慮，取該快速路紅線以外55m 的區域作為4a 類聲環境區，該范圍內的外窗需提高隔聲效果。如圖1所示。

圖1 某商業辦公建筑群的聲環境分區總平面圖

3 建筑室外聲環境模擬計算

3.1 建模及環境場地參數設定

在綠建斯維爾SEDU2023軟件中進行場地聲環境建模，主要內容包括：交通干線兩側55m范圍內的建筑、道路、聲屏障、綠化帶或集中綠地、交叉路口點聲源、室外冷卻塔點聲源、屋面空調外機點聲源、活動場地面聲源等。按照現狀實際情況，輸入如下主控參數：平面網格間距為20m×20m，立面網格間距為3m×3m，由此得到模型中總外墻面數為655面，總外墻面積約為7.5萬m2。

本工程室外場地主要噪聲源為交通噪聲，不考慮周邊環境中工業噪聲源，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《環境影響評價技術導則 聲環境（HJ 2.4-2021）》[3]第A.3.3條，該建筑群東側為城市公園，北側為城市綠化隔離帶以及城市輔路，屬于由堅實地面和疏松植被地面組成的混合地面，可以考慮地面效應的降噪作用，在預測點僅計算A聲級前提下，采用如下式（1）計算地面效應引起的倍頻帶衰減：

式（1）中：Agr為地面效應引起的衰減，dB(A)；若Agr計算出負值，則Agr取為0；r 為預測點距聲源的距離，m；hm為傳播路徑的平均離地高度，m。

3.2 環境噪聲模擬計算

本工程取建筑物全部立面網格點的最大噪聲值作為建筑物單體室外噪聲最大值，計算結果表明，考慮了傳播衰減后，1號樓北、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《綠色建筑評價標準（GB/T 50378-2019）》[4]及《綠色建筑評價標準技術細則2019》[5]第8.2.6條，本工程的環境噪聲不大于《聲環境質量標準（GB 3096-2008）》[6]規定的3 類聲環境功能區標準限值，室外聲環境可以獲評5分。

圖2 辦公產業園區晝間（左圖）和夜晚（右圖）整體環境噪聲分布圖（單位：dB(A)）

圖3 商業辦公1號樓晝間（左圖）和夜晚（右圖）立面環境噪聲分布圖（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平行，因此屋面不會受到交通噪聲直接傳播導致的聲壓，僅受到屋面機械設備的面聲源的影響，本工程中屋面的空調機室外組，晝夜的噪聲值均為54 dB（A）。當屋面設置天窗時，周邊的交通噪聲、場地噪聲等與屋面平行的平面內產生的噪聲影響可以忽略不計，僅需考慮屋面上放置的機械設備的點狀聲源的影響即可。此處需注意的是，屋面接受的噪聲與人站立在屋面上能聽到噪聲不是同一個概念，前者是指屋面及屋面天窗作為一塊水平板，受到道路噪聲產生的聲壓影響很小，因為直射的聲波被外墻遮擋，而散射的聲波要到達500m～600m 高的大氣才能作為天波反射回來[7]，故影響很小，如圖4 所示；而人站立在屋面時，耳朵的鼓膜位置與建筑外墻類似，垂直于道路平面，故能清晰地聽到車輛行駛的噪音。

圖4 大氣中聲波傳播的三種主要方式

按照《民用建筑隔聲設計規范（GB 50118-2010）》第8.1.1 條，高要求標準的單人辦公室、電視電話會議室的室內允許噪聲級為≤35dB（A），結合上述環境噪聲模擬計算結果，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）。考慮到分析模型中無法完全還原所有的環境噪聲源，故適當放大環境噪聲至65dB（A）作為疊加效應，則隔聲外窗的最低隔聲量要求為Rw+Ctr≥30dB（A）。

4 外窗的隔聲模擬計算

4.1 構件空氣聲隔聲單值評價量的算法

INSUL 軟件是由總部位于新西蘭的Marshall Day Acoustics 公司開發的隔聲量評估軟件，主要用于構件層面的隔聲量預測，包括多種復合材料的空氣聲隔聲、撞擊聲隔聲的模擬計算，最多支持計算3層玻璃窗。以下采用INSUL9.0（2017 年版）進行不同構造層次的外窗隔聲量模擬計算（見圖5）。

圖5 INSUL軟件計算界面

由于測量結果是一組隨頻率變化的數值，同樣的制品對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“計權”得到一個單一值，以利于相互比較。此處的“計權”，不是通常意義理解的按照所占比例進行“加權平均”，而是按照《建筑隔聲評價標準（GB/T 50121-2005）》第3.2.1 條，輪次計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作為隔聲量單值評價量。

計算出Rw之后，還需按照《建筑隔聲評價標準（GB/T 50121-2005）》[8]第3.4.1 條扣除頻譜修正量C（A 計權粉紅噪聲）或Ctr（A 計權交通噪聲），如下式（1）所示：

式（2）中：j為頻譜序號，j=1 或2，其中1 為計算中高頻譜修正量C值，適用于日常活動（談話、音樂、收音機和電視）、兒童游戲、中高速軌道交通、車速大于80km/h的高速公路交通、近距離噴氣飛機等；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、Disco 音樂等；Xw為取16 個1/3倍頻程的測量與基準值之間的不利偏差之和的最大值所對應的單值（dB(A)）；i為100Hz～3150Hz的1/3倍頻程的倍頻程序號；Lij為第j號頻譜的第i頻帶的聲壓級（dB(A)），按照頻率的不同取固定的數值，其中100Hz 的頻率用于計算C值對應1/3 倍頻程為-29dB(A)，用于計算Ctr 值對應1/3 倍頻程為-20dB(A)；3150Hz 的頻率用于計算C值對應1/3 倍頻程為-9dB(A)，用于計算Ctr值對應1/3倍頻程為-15dB(A)；對于100Hz～3150Hz 之間的其他頻段，計算C值的Lij值呈規律性遞減，計算Ctr值的Lij值呈先減小后增加的趨勢；Xi為第i個頻帶的測量值（dB(A)），精確到0.1dB(A)。該測量值通過相關儀器測量受測試件上的聲功率W1與透射試件的透射聲功率W2的比值，取以10為底的對數之后再乘以10得到[9]。

4.2 不同構造的玻璃組合的隔聲模擬計算

為便于跟國標圖集數據對比，外窗尺寸選為1.3m*1.6m=2.08m2，隔聲量模擬計算比較的內容包括：

①兩種典型構造層次，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 軟件模擬計算的隔聲量均大于國標圖集《建筑隔聲與吸聲構造（08J931）》[10]第42 頁的檢測值，一般超過1dB(A)～3dB(A)，當單片夾膠玻璃的總厚度超過20mm 時，INSUL 軟件模擬計算的隔聲量比國標圖集超出約5dB(A)～7dB(A)。由于INSUL 軟件為理論預測值，而國標圖集中為實際檢測值，因此，理論值優于檢測值1dB(A)～2dB(A)是正常的。而對于總厚度超過20mm 的夾膠玻璃，理論計算值則可能存在較大的偏差，應慎重采用，原因是當玻璃的厚度大幅增加、質量增大時，空氣聲隔聲的控制因素將遵循質量效應或吻合效應，不再是共振效應，計算公式也將有所不同。

表2 不同玻璃構造的隔聲量模擬計算比較

按照上述INSUL軟件的模擬計算，滿足Rw+Ctr≥30dB（A）隔聲要求的玻璃組合包括：單層玻璃8mm（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)）、國產單片夾膠8+0.76+8（37dB(A)）、國產單片夾膠10+0.76+12（39dB(A)）、杜邦單片夾膠10+0.76+12（39dB(A)）。

除了國標圖集和INSUL 軟件模擬計算，在中南地區圖集《民用建筑隔聲與吸聲構造（15ZJ502）》[11]第64～65 頁給出了空氣間層為100mm 左右的雙層和三層窗的斜玻璃構造及其隔聲量參考值，雙層窗隔聲量可達45dB(A)～49dB(A)，三層窗隔聲量可達50dB(A)～60dB(A)，但此類多層窗的總厚度達到150m'm～300mm，要求外窗所在土建墻體的厚度相應增大，除非用于特殊場合（如療養院等需要十分安靜的場所），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，本工程按照熱工計算，要求外窗的整窗傳熱系數不大于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，但是其傳熱系數約為5.00W/(m2·K)左右，遠超過外窗傳熱系數的最大限值要求，因此不能采用，只能選用雙玻單腔或者三玻兩腔的玻璃構造。

本工程擬選用隔熱鋁合金為型材，按照《民用建筑熱工設計規范（GB50176-2016）》[12]附錄C，搭配雙玻單腔玻璃時的整窗傳熱系數K的最小值為2.1W/(m2·K)＞1.8W/(m2·K)，不能滿足要求；按照《近零能耗建筑技術標準（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，整窗傳熱系數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的密度增加而增加，空氣的密度僅為1.29kg/m3，當玻璃之間充惰性氣體（如氬氣Ar、氪氣Kr、氙氣Xe）時，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，故充惰性氣體會加強聲音傳導，不利于隔聲，隔聲量相應降低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 結語

由上述工程實踐研究可知，緊鄰交通干線的隔聲外窗構造設計需要遵循整體到局部的原則，從場地聲環境模擬分析入手，得到環境噪聲后，再進行構件層面的隔聲量測算，并將測算結果與相關圖集進行對比，以判別概念是否合理，最后結合外窗的熱工要求確定外窗選型。此外，因為計算機軟件模擬的是理想狀態下的隔聲量，忽略了很多實際影響因素，建議將軟件模擬計算的隔聲量值降低1～2dB(A)作為外窗實際隔聲量，并同步進行現場噪聲檢測和外窗隔聲性能檢測。當軟件模擬計算結果與現場檢測結果出現較大偏差時，應進行分析和論證，以確保能合理解釋兩者的偏差來源，為外窗選型提供自洽的計算依據。