秸秆复合墙体隔声性能计算机模拟及试验研究

陈继浩，冀志江，王 静

（中国建筑材料科学研究总院 绿色建材国家重点实验室，北京 100024）

秸秆复合墙体隔声性能计算机模拟及试验研究

陈继浩，冀志江，王 静

（中国建筑材料科学研究总院 绿色建材国家重点实验室，北京 100024）

采用计算机模拟和试验对比的方法，对多层复合的秸秆复合墙板和结合轻钢龙骨结构的双层墙体的隔声性能进行了研究。结果显示，105 mm厚多层复合的秸秆复合墙板隔声达到36 dB，达到建筑内隔墙的隔声性能要求。采用轻钢龙骨作为支撑结构，并两面贴附秸秆复合板的双层墙体隔声性能达到49 dB，具有较好的隔声性能，为充分利用秸秆资源，形成轻钢龙骨结构的装配式建筑具有参考意义。

声学；秸秆；复合墙体；隔声；计算机模拟；试验

我国每年的农业秸秆产量巨大，而秸秆的工业化利用率不高，目前不足5%[1]。大量农业秸秆无处可去，被露天焚烧，成为影响我国空气质量和产生雾霾的重要原因，如何使这种产量巨大的可再生资源得到良好利用成为研究者和社会关心的问题。秸秆是天然可再生资源，零排放、易加工，作为建筑材料，代替农村广泛使用的高耗能的黏土砖，建造的房屋是一种可持续发展且低能耗的绿色建筑，能产生巨大的节约能源和资源的效果，带来巨大的生态环保效益[2–3]。

秸秆纸面草板具有大量利用可再生资源，节能性能突出，环保无污染等特点，适合工厂化大批量生产，加工能耗低，通过与无机面层的结合，形成装配式建筑所用墙体，可以大大提高建筑的建造速度，大幅节约劳动力。与秸秆草砖墙相比，克服了其不便于运输，结构局限、层高限止等问题。特别是与轻钢结构的结合，形成装配式房屋，实现支撑体系与填充体系的明确区分，提高建筑物的可维护性和寿命同时，节能性能突出，在我国北方寒冷地区具有广阔的应用前景[4–6]。但由于纸面草板复合墙体结构较轻，隔声性能仍需要通过多层结构的改善，秸秆复合墙板贴附于轻钢骨架两面形成双层墙体结构，提高墙体的隔声性能。近年来计算机技术应用于建筑结构的研究越来越多，使建筑墙体结构采用计算机模拟技术能大幅提高研究效率，为不同墙体结构快速提供设计依据。采用计算机模拟和试验结合的方式，研究纸面草板与不同面层的结合形成的多层复合单板墙体、双板墙体结构的隔声性能，将为纸面草板复合墙板应用于建筑墙体提供依据。

1 墙体隔声性能计算机模拟条件设置及测试

通过采用应用Comsol Multiphysics软件对墙体隔声性能进行计算机模拟，软件以有限元法为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现墙体的声波传输计算机仿真模拟，模拟结果更加精确。按照《声学—建筑构件隔声的实验室测量-第2部分：空气声隔声的测量》（ISO 10140）中实验室的尺寸建立模型，并假设声源室和接收室中间整个隔墙是模拟的试验墙体，假设声源室和接收室中墙壁的反射系数为0.95。在声源室假设布置声源，通过计算声源室和接收室中墙体的声压级差确定其隔声性能。

为比较计算机模拟的准确性，制造了相同结构的试件，在声学实验室进行测试，以对计算机模拟的结果进行验证。隔声性能测试在北京市劳动保护研究所声学所进行测试，试样为1 m×2 m的秸秆复合墙体，面积为2 m2。

2 单板秸秆复合板隔声性能计算机模拟和试验对比

2.1 秸秆墙体结构

对两种复合了面层的秸秆复合板单板进行了隔声性能的计算机模拟，两种墙体结构如图1所示：

图1 两种秸秆复合板单板

图中(a)为秸秆纸面草板两面贴附无机面板，除提高秸秆纸面草板耐水、耐火等性能外，也通过重质面层的加入，形成多层复合的板材，提高其隔声能力，(b)为在(a)基础上，为增加复合板材的隔声性能，在面层下面又增加一层带孔刨花板，形成不同厚度多层结构，也可以提高复合墙板的强度。这两种板材适用于室内隔墙，能充分利用其便于加工，面积较大，施工快捷的优点。

2.2 计算机模拟与试验结果对比

计算机模拟后不同频率在声源室和接收室的分布如图2：

图2 隔声性能计算机模拟图像

图中显示不同频率的声波分布的图像，其中左侧为声源室，右侧为接收室。Comsal软件可以通过可视化的声波分布来清楚分析声压级在隔墙作用下的变化，从图中可以看出，更高的频率声音的分布更为均匀。

制作了与计算机模拟结构一致的秸秆复合板并进行了隔声性能测试，图3为两种秸秆复合墙板隔声性能计算机模拟结果和测试结果的对比图。

从图中可以看出，计算机模拟的隔声性能和实测结果从趋势上一致，但在1 000 Hz以上频率时，计算机模拟的结果比实测结果偏高，这可能是由于墙体试件安装以及面积与计算机模拟时较为理想的整面墙体存在偏差。在1 000 Hz以上频率，随着频率的增高，墙体的隔声量也相应提高，这说明在高频范围，随着波长的变短，声波更难透过。两种墙体实际隔声性能的计算机模拟结果和测试结果如表1所示。

从表1可以看出，计算机模拟的计权隔声量稍高，这与试件的制造、安装条件与模拟条件并不完全一致有关。实测的105 mm秸秆复合板隔声性能达到住宅建筑对墙体的要求，70 mm的秸秆复合板隔声量仍需提高。

3 双层墙体结构改善墙体隔声性能计算机模拟和试验对比

3.1 秸秆复合板双层墙体结构

根据双层墙体的理论，双层墙体能够显著提高隔声性能，由于秸秆复合板易于支撑大型板材，特别适合于和轻钢结构结合，贴附于轻钢结构两面形成双层结构，因此对双层墙结构的隔声性能进行了计算机模拟和实测研究，隔声性能模拟和实测研究采用两种双层墙结构，如图4。

两种墙体结构都采用100 mm的轻钢龙骨隔开，中间形成空腔，龙骨的间距为600 mm。其中(a)为采用图1中70 mm厚的两层秸秆复合板中间用轻钢龙骨隔开形成240 mm厚的双层墙体，(b)为避开吻合谷效应采用70 mm和105 mm两种厚度的秸秆复合墙体，中间用轻钢龙骨隔开，形成275 mm厚的双层墙体。

图3 秸秆复合板单板隔声性能计算机模拟和试验对比

表1 单板隔声性能计算机模拟和实测对比

图4 两种双层墙板结构

3.2 计算机模拟和试验结果对比

图5 两种双层墙体隔声性能计算机模拟和实测对比

测试结果和模拟结果的对比如图5。

由图5可以看出，两种墙体隔声性能计算机模拟和实测结果趋势一致，但在中低频的个别频率有较大差别。另外，在实测结果高频段较计算机模拟值低，这是由于计算机模拟设置与试件面积及安装条件等造成的差异。

对四种墙体结构的实测比较如图6。

图6 四种结构墙体隔声性能实测对比

从图6可以看出，105 mm单层秸秆复合墙板在增加刨花板层后，隔声量在各个频段都有所提高，但提高较少。而采用轻钢龙骨连接的两种双层墙体的计权隔声量与单层相比有显著提高，提高值在13 dB以上，大幅改善了秸秆墙体的隔声性能，说明与轻钢龙骨配合的双层墙结构，能够为墙体围护结构提供良好的隔声性能，为建筑室内提供安静空间。但275 mm厚双层墙体和240 mm厚双层墙体的隔声性能相差不大，从经济性和提高建筑的空间利用率的角度考虑，240 mm复合墙体是更为合理的选择。

双层墙体结构中，中间空腔厚度会对双层墙隔声性能产生显著影响，因此利用计算机模拟计算便利、节省时间的特点，对于双层墙体中间空气层厚度从10 mm到160 mm在有无声桥存在的情况下的隔声性能进行了模拟研究。其中假设双层墙无声桥时，两层墙独立存在，中间为不同厚度的空气层，有声桥时，两层墙体通过100 mm宽的轻钢龙骨连接，轻钢龙骨的间距为600 mm。不同厚度空气层的双层墙体隔声性能模拟值如图7。

由图7可以看出，当双层墙独立存在而无声桥连接时，隔声量随着双层墙中间空气层厚度的增加而增加，当有轻钢龙骨在两层墙体中间建立声桥时，隔声量显著降低，而且空腔厚度对隔声性能的影响较小，说明如果想提高双层墙的隔声性能，声桥的影响不可忽略，需要在声桥上采取抑制措施来提高墙体的隔声性能。

图7 有无声桥隔声量模拟值的比较

4 结语

采用计算机模拟和试验对比的方法，对秸秆纸面草板复合面层的秸秆复合板进行了隔声性能评价研究，结果显示：

（1）两面复合面层的70 mm秸秆复合板单板的隔声性能不能达到建筑隔墙的要求，通过中间增加不同厚度的面层形成的105 mm厚的多层复合墙体隔声性能得到改善，达到建筑隔墙的要求。

（2）与轻钢龙骨结合的双层秸秆墙体隔声性能比单层墙体得到大幅提高，是解决秸秆复合墙体隔声能力不足的良好方式。

（3）对不同厚度空腔的双层墙体隔声性能的计算机模拟显示，没有声桥的双层墙体隔声性能显著提高，而声桥对双层墙隔声性能影响较大，需要采取抑制措施，提高隔声性能。

[1]张波.农业废弃物秸秆生产人造板的资源化利用[J].中国胶黏剂，2013，22（12）：46-49.

[2]朱永忠.农村住宅节能现状浅谈[J].四川建材，2014，40（2）：12-15.

[3]解万玉，蒋赛百，鲁闻君.农村住宅节能现状与节能设计策略研究[J].建筑节能，2014，42（4）：53-55.

[4]王保祥.金禾板——真正的绿色环保墙材[J].建筑知识，2001（3）：31-32.

[5]杜永新.轻钢龙骨结构纸面草板节能房[J].建设科技，2010（5）：68-69.

[6]张维熙，王晓玉.我国钢结构住宅体系现状以及发展前景[J].门窗，2013（5）：379-380.

Computer Simulation and Experiment Research of Sound Insulating Performance of Composite Straw Walls

CHEN Ji-hao,JI Zhi-jiang,WANG Jing
(State Key Laboratory of Green Building Materials,China Building MaterialAcademy,Beijing 100024,China)

The sound insulating performance of composite straw walls and double layer walls with light weight steel frame structure are studied by computer simulation and experiments.The results show that the 105mm thick composite straw wall has a good sound insulating performance,its sound transmission loss can reach 36 dB and satisfy the building insulating standard.The sound transmission loss of the double layer straw wall with the light weight steel frame can reach 49 dB,it also has a good sound insulating performance.This work has some reference significance in the point of view of using straw resource as building materials.

acoustics;straw;composite wall;sound insulation;computer simulation;experiment

O422.6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.038

1006-1355(2017)05-0185-04

2017-03-13

国际科技合作专项，节能隔声多功能复合墙体材料和结构合作研究（2014DFA71290）；十三五国家重点研发计划，秸秆基绿色建筑板材的制备关键技术研究与集成示范（2016YFC0701005）

陈继浩，男（1973－），河北省献县人，高级工程师，博士，主要研究方向为建筑节能和噪声控制研究。

E-mail:cjhchenjihao@163.com