高伟夫 马 蕙

(天津大学建筑学院 天津 300072)

0 引言

近年来钢结构装配式住宅因其装配化程度高、环保节能、重复利用率高等优点受到市场的青睐，发展迅速［1]。2016年，国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，要求力争在2020年–2025年使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%，钢结构凭借其装配化优势，迎来重要发展机遇［2]。2019年，住建部发布通知强调大力推进钢结构装配式住宅建设试点。钢结构装配式住宅在政策的推动下，逐渐成为住宅建筑市场的焦点。

随着生活水平的提高，人们对住宅的健康性提出了更高要求，其中声环境是健康住宅的重要因素之一［3]。钢结构装配式住宅(以下简称钢结构住宅)在推广和发展过程中，许多物理性能都得到了提升，但隔声性能却未得到足够的重视。钢结构住宅高装配率与轻质化的发展目标对隔声均有着不利的影响，如何在兼顾轻质化与高装配率的同时提高隔声性能，成为了钢结构住宅亟待解决的问题［4]。

由于建筑中的声传递往往是多路径的，除了通过公共隔墙直接传递外，还会通过侧墙、地板及楼板等侧向构件进行传递［5]，所以钢结构住宅的主要隔声性能不仅由建筑围护结构自身属性(如材料特性、厚度等)决定，墙板与钢框架的连接构造也有着很重要的影响［6]，原因是不同构件之间的耦合振动传递会导致侧向传声的出现(图1)，且在低频段最为严重［5,7]。在住宅中除了相邻住户家中产生的活动噪声外，各种设备如空调设备、通风设备、供暖设备等所产生的低频噪声都会对人们日常生活休息产生干扰，甚至对人体造成慢性损伤［8]。而钢构件的材料特性导致振动在其中传递时的能量损耗远低于其他类型建筑［9]，低频噪声与振动的传播距离与穿透能力都会被进一步放大。对于钢结构住宅隔声性能的很多研究都侧重于构件材料的隔声性能方面，而针对构件连接方式对隔声性能影响的研究较为鲜见。

图1 相邻房间传声路径示意Fig.1 Sound transmission path between adjacent rooms

为了提升钢结构住宅侧向传声的抑制能力并进一步优化房间的整体隔声性能，本研究通过建立声学有限元模型进行数值分析，对墙板不同的连接方式的对房间隔声性能的影响进行了对比分析，在此基础上对钢结构的隔声提出改进措施，从而为今后的设计工作提供理论参考。

1 研究方法

对于侧向构件之间耦合较强的钢结构住宅建筑，侧向传声往往成为影响住宅建筑声环境质量的重要因素［5]。现有的钢结构住宅墙板现场施工做法情况往往错综复杂，从连接刚度的角度来看，墙板与周围结构有刚性连接方式，也有柔性连接方式［10]，不同的连接方式是否会影响房间隔声性能、设置柔性连接的墙体选择位置是否合理，目前没有较为深入的研究。因此本文采用数值模拟的方法对钢结构住宅中墙板连接方式对相邻房间隔声性能的影响进行了模拟分析。考虑的频率范围为50～500 Hz，这也是侧向传声影响最大的频段［5,7]。

1.1 有限元模型的建立

在研究住宅隔声问题时，通常选取相邻房间的平均声压级差作为客观评价指标。本文为研究钢结构住宅相邻房间不同位置墙板连接方式对隔声量的影响规律，使用有限元软件Virtual Lab Acoustics对其进行数值模拟。

模拟实验参考相关隔声测量规范［11]中的方法进行，模型以常见公寓住宅尺寸为参照进行建模(图2)，房间1为声源室，房间2为接收室。房间开间3.6 m，进深4.9 m，高2.85 m，两室容积均为50 m3。两室侧墙上各有一扇高1.8 m、宽1.6 m 的窗。隔墙与侧墙均为150 mm 厚蒸压加气混凝土，楼板为200 mm厚钢筋混凝土。

图2 房间模型示意Fig.2 Model of the adjacent rooms

有限元模型如图3所示，结构网格与声学网格均采用了四面体网格，对于有限元网格，要求所有网格必须是封闭的，同时在所求解的最高频率下，最小波长内需要包括至少6 个网格单元［12]，本算例中即网格单元尺寸不能超过110 mm。

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

在房间有限元模型中，结构网格与声学网格的尺寸设置为了40 mm，模型共计3,370,213 个网格单元。室内声学网格由于其形状较为规则，网格划分模块为减少计算量，将其内部的网格采取了优化处理，经计算，可求解的最高频率为1416 Hz，声学分析模块的检查结果为100%的网格可以求解至863 Hz，满足目标计算范围的要求。在模型底部设置了固定边界条件以将模型固定。声学网格中空气密度和声传播速度分别为1.2 kg/m3和340 m/s。室内墙面设置0.01 的吸声系数，窗户位置为非耦合面，其结构振动与声辐射之间不发生相互作用［13]。模型中各材料参数如表1所示。

表1 模型中各材料物理属性Table 1 Mechanical properties of models

相邻房间体系中依据传声路径不同可将墙体分为公共隔墙与侧墙。为研究其不同连接方式对房间隔声的影响，此处对公共隔墙与侧墙分别设置刚性连接与柔性连接，共4组模拟工况(见图4，黑色墙表示刚性连接，灰色墙表示柔性连接)。模型中，墙板与钢框架的所有接触面均设置刚性或柔性连接属性，其中刚性连接时，墙板与周围钢框架的连接设置为紧固连接，以模拟实际建筑中的刚性连接方式［14]。柔性连接时，墙板与钢框架间布置60 mm厚的复合弹性垫层(EPS+EVA)［15]以对低频振动进行抑制(图5)，柔性材料同样与墙板和钢框架之间设置为紧固连接。同时，每组模型中声源类型为点声源，声源功率、位置、及接收点位置均相同。

图4 不同连接方式墙板位置示意Fig.4 Wall panels with different junction modes

图5 弹性隔振材料位置(红色部分)Fig.5 Position of resilient material(red part)

1.2 有限元模型验证

本文采用计算机模拟的方法进行对比研究，首先选择钢结构装配式住宅对模拟方法进行实测验证。实测场地选择某钢结构装配式公寓住宅，计算机模型简化为两相邻房间，墙板连接方式设置为全部刚性连接(与实验组1 相同)，以模拟实测住宅中墙板与钢框架之间水泥砂浆固定的连接方式，所建模型尺寸与实际房间尺寸一致。由于低频下房间容积较小容易造成驻波的现象，难以达到一个良好的扩散声场，隔声测试规范中对此的要求时声源点至少布置3 个，以对不良结果进行弥补，在此处的模拟中，共布置了4 个声源点位置，尽量减弱低频驻波的不利影响。测量所使用的设备有：Norsonic140 精密声分析仪、Norsonic276十二面体无指向扬声器、Norsonic280 音频功率放大器。

如图6所示，将模拟结果与实测结果进行对比，可以看出二者吻合度较好，计算机模拟和实测所得的各频段差异平均值为0.1，标准差为3.9，显示了计算机模拟方法具有较好的准确度。

图6 模拟结果与实测结果对比Fig.6 The comparison between simulation results and measurement results

2 有限元分析结果

2.1 隔墙与侧墙全部为刚性连接(第1组)

这种连接方式也是目前钢结构住宅中常见的连接方式，隔声量模拟结果如图7所示，50～500 Hz的平均声压级差在30 dB 左右，63 Hz 与160 Hz 处形成两个隔声低谷，以160 Hz 为例，其房间振型云图如图8所示。

图7 隔墙与侧墙全部为刚性连接的模拟结果Fig.7 Simulation under the condition of rigid junction of partition wall and side wall

图8 房间振型云图(160 Hz)Fig.8 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.2 隔墙刚性连接、侧墙柔性连接(第2组)

将侧墙墙板设置为柔性连接后，将隔声模拟结果与第1 组全部刚性连接进行对比(图9)，隔声量在低频段有了明显的升高，尤其在125 Hz 以下和250 Hz 以上，平均声压级差提高了约3 dB，结合160 Hz振型云图(图10)可以直观看到，在侧墙变为柔性连接后，通过侧墙传递的振动有了一定幅度的减少，侧向传声的抑制得到了加强。因此接收室内的平均声压级有所降低，低频段对房间的隔声性能有一定程度的提升。

图9 隔墙刚性连接、侧墙柔性连接的模拟结果Fig.9 Simulation under the condition of rigid junction of partition wall and flexible junction of side wall

图10 房间振型云图(160 Hz)Fig.10 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.3 隔墙柔性连接、侧墙刚性连接(第3组)

仅将隔墙墙板设置为柔性连接后，将隔声模拟结果与第1 组全部刚性连接进行对比(图11)，两室的声压级差在低频段的除200～315 Hz 外，无明显提升，甚至在200 Hz 以下和315 Hz 以上声压级差有所下降，这种情况的原因很可能是房间的直接隔声构件隔墙的约束条件发生了改变，当墙板的约束条件变为柔性后，低频隔声量会有所下降。同样隔声低谷160 Hz 处的房间振型云图(图12)也显示侧墙的振动情况较全部刚性连接无太大变化。

图11 隔墙柔性连接、侧墙刚性连接的模拟结果Fig.11 Simulation under the condition of flexible junction of partition wall and rigid junction of side wall

图12 房间振型云图(160 Hz)Fig.12 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.4 隔墙与侧墙全部柔性连接(第4组)

该工况下，将隔声模拟结果与第1 组全部刚性连接进行对比(图13)，隔声量仅在某些频率下略有提升，同时结合第2、第3 组的模拟结果以及160 Hz处房间振型云图(图14)来看，全部改为柔性连接后虽然侧向传声得到了抑制，但隔墙位置的隔声性能却有所下降。综合来看，全部采用柔性连接的方式对房间隔声性能提升并不显著。

图13 隔墙与侧墙全部为柔性连接的模拟结果Fig.13 Simulation under the condition of flexible junction of partition wall and side wall

图14 房间振型云图(160 Hz)Fig.14 Operational deflection shapes of vibration for 160 Hz

2.5 不同弹性材料的分析结果

在实际工程中，EPS、EVA、橡胶等弹性材料常被用来填充到墙板与框架的缝隙中，形成柔性连接。前文的模拟结果显示，仅在侧墙墙板周围加入弹性垫层变为柔性连接后，房间在低频段上的隔声表现最好，因此这部分模拟以第2 组工况(隔墙刚性连接，侧墙柔性连接)为基础，探究墙板连接处弹性材料物理参数对侧向传声的抑制能力会有怎样的影响。

模拟实验通过控制变量的方法，分别调整弹性材料弹性模量以及密度的值。参考工程中常用弹性垫层材料的物理参数范围，第一组实验控制密度为800 kg/m3，泊松比为0.4 不变，弹性模量值分别取0.1 MPa、1 MPa、10 MPa、100 MPa、1000 MPa。第二组实验控制弹性模量为10 MPa、泊松比同样为0.4 不变，密度值分别取200 kg/m3、500 kg/m3、800 kg/m3、1100 kg/m3、1400 kg/m3。实验结果如图15、图16所示。

图15 弹性材料不同密度下的两室声压级差值模拟结果Fig.15 Simulation results of the difference in sound pressure level between two chambers under different densities of elastic materials

图16 弹性材料不同弹性模量下的两室声压级差值模拟结果Fig.16 Simulation results of the difference in sound pressure level between two chambers under different elastic modulus of elastic materials

结果显示，密度和弹性模量两种材料参数对于侧向传声的抑制均有一定程度的影响：声压级差会随着弹性材料密度值的减小而增大，在实验选取的材料参数范围内，密度值最小时的声压级差比密度值最大时的声压级差平均提升约1.6 dB；声压级差会随着弹性材料弹性模量值的减小而增大，在实验选取的材料参数范围内，弹性模量值最小时的声压级差比弹性模量值最大时的声压级差平均提升约2.8 dB。由此可见侧墙选取密度较小的材料作为弹性垫层时，对于侧向传声有一定的抑制作用，但效果较为有限；选取弹性模量较小的材料作为弹性垫层时，可以达到更好地抑制侧向传声的效果。

3 结论

模拟结果发现，对于低频声，侧墙墙板与其周围构件的连接方式对侧向传声有很大影响，当侧墙墙板周围加入弹性垫层变为柔性连接后，房间在低频段上的整体隔声量有所提升，相邻两室的平均声压级差提高3 dB 左右；但是当公共隔墙墙板周围加入弹性垫层变为柔性连接后，因其约束条件发生了改变，房间在低频段上的整体隔声量没有显著提升，在某些频率下甚至会降低。基于模拟结果，提出如下改进策略：

(1)在钢结构住宅中，侧墙墙板可以选择柔性连接的方式固定，墙板与周围钢框架中可加入对低频振动隔绝效果良好的弹性材料来抑制侧向传声，其缝隙的封堵也宜选择弹性封堵材料，防止形成声桥。

(2)公共隔墙墙板柔性连接方式对房间低频段的隔声性能没有提升作用，改善公共隔墙的隔声性能时应避免柔性连接的出现，尽量通过刚性连接的方式来固定公共隔墙墙板。考虑到缝隙对房间隔声量同样存在较大影响，墙板连接构造处在考虑耐久性与经济性的同时，也需重视其空气声隔声性能，避免缝隙出现。

住宅隔声是一项系统性工程，本文主要研究了钢结构装配式住宅中墙板连接方式对房间隔声量的影响。通过有限元数值分析的方法，得到了墙板连接方式对于房间侧向传声的影响规律：房间中不同位置墙板的连接方式会影响隔声水平，仅在侧墙墙板采用柔性连接的隔声效果相对较好。基于上述结果可在钢结构装配式住宅设计阶段对墙板的施工工艺进行相应调整，以提升房间隔声能力。后续工作将针对钢结构装配式住宅中的侧向传声问题，对墙板柔性连接中使用的弹性材料的物理属性参数与隔振构造方式进行更为系统的研究，以得到更具普遍性的规律，并在实际工程中进行验证，使钢结构装配式住宅拥有更好的居住声环境。