绿色建筑声环境模拟计算及隔声外窗选型研究

易嘉

（上海朗诗规划建筑设计有限公司）

1 引言

良好的室内声环境是绿色建筑的重要控制指标，外窗是分隔室内外的主要围护结构构件，因此，如何进行环境噪声评估以及外窗隔声量计算成为外窗选型的重点。目前，多数工程采用参数类比法来评估噪声环境及外窗选型，首先依据《声环境功能区划分技术规范（GB/T 15190-2014）》[1]第8节确定该建筑所在区域的声环境功能区划，将距离1 类、2 类、3类声环境功能区一定范围内的交通干线边界外区域划分为4a类声环境功能区，作为《民用建筑隔声设计规范（GB 50118-2010）》[2]中的“交通干线两侧”的判别条件，对该区域内的建筑物（或其中的一部分）选用相应的噪声控制标准，接着检索图集或著作等文献，在有限几种型号的外窗中选取能达到空气声隔声要求且构造较为接近的外窗类型。上述类比法的优点在于通过查表的方式快速得到隔声外窗选型，缺陷是图集或著作等文献中的外窗型号不多，且不能与热工设计所选的窗型完全对应，只能根据工程师的经验判断，但如果遇到需要与室外环境噪声精确匹配的隔声窗时，则很难在经济、适用上作出合理的判断，或者是统一提高构造标准、增加工程造价，或者是设计的外窗达不到隔声要求。

2 工程概况

某商业办公建筑群位于城市核心区，北靠城市高架快速路，南邻城市支路，总用地面积45300m2，地面共有9 栋商业办公建筑，地上总建筑面积约90000m2。按照《声环境功能区划分技术规范（GB/T 15190-2014）》，该用地区域内的建筑类别以行政办公为主，归入3类声环境区，因此城市高架快速路两侧50±5m 的范围属于“交通干线两侧”区域，按最不利因素考虑，取该快速路红线以外55m 的区域作为4a 类声环境区，该范围内的外窗需提高隔声效果。如图1所示。

图1 某商业办公建筑群的声环境分区总平面图

3 建筑室外声环境模拟计算

3.1 建模及环境场地参数设定

在绿建斯维尔SEDU2023软件中进行场地声环境建模，主要内容包括：交通干线两侧55m范围内的建筑、道路、声屏障、绿化带或集中绿地、交叉路口点声源、室外冷却塔点声源、屋面空调外机点声源、活动场地面声源等。按照现状实际情况，输入如下主控参数：平面网格间距为20m×20m，立面网格间距为3m×3m，由此得到模型中总外墙面数为655面，总外墙面积约为7.5万m2。

本工程室外场地主要噪声源为交通噪声，不考虑周边环境中工业噪声源，各类噪声源如表1所示。

表1 本工程各类噪声源，单位:dB（A）

由《环境影响评价技术导则 声环境（HJ 2.4-2021）》[3]第A.3.3条，该建筑群东侧为城市公园，北侧为城市绿化隔离带以及城市辅路，属于由坚实地面和疏松植被地面组成的混合地面，可以考虑地面效应的降噪作用，在预测点仅计算A声级前提下，采用如下式（1）计算地面效应引起的倍频带衰减：

式（1）中：Agr为地面效应引起的衰减，dB(A)；若Agr计算出负值，则Agr取为0；r 为预测点距声源的距离，m；hm为传播路径的平均离地高度，m。

3.2 环境噪声模拟计算

本工程取建筑物全部立面网格点的最大噪声值作为建筑物单体室外噪声最大值，计算结果表明，考虑了传播衰减后，1号楼北、东、西向外墙昼间的最大噪声为62dB（A），介于60 dB（A）和65 dB（A）之间，夜间的最大噪声为54dB（A），介于50 dB（A）和55 dB（A）之间，如下图2及图3所示，按照《绿色建筑评价标准（GB/T 50378-2019）》[4]及《绿色建筑评价标准技术细则2019》[5]第8.2.6条，本工程的环境噪声不大于《声环境质量标准（GB 3096-2008）》[6]规定的3 类声环境功能区标准限值，室外声环境可以获评5分。

图2 办公产业园区昼间（左图）和夜晚（右图）整体环境噪声分布图（单位：dB(A)）

图3 商业办公1号楼昼间（左图）和夜晚（右图）立面环境噪声分布图（单位：dB(A)）

由于声音传播的指向性，屋面与城市道路所在平面相对平行，因此屋面不会受到交通噪声直接传播导致的声压，仅受到屋面机械设备的面声源的影响，本工程中屋面的空调机室外组，昼夜的噪声值均为54 dB（A）。当屋面设置天窗时，周边的交通噪声、场地噪声等与屋面平行的平面内产生的噪声影响可以忽略不计，仅需考虑屋面上放置的机械设备的点状声源的影响即可。此处需注意的是，屋面接受的噪声与人站立在屋面上能听到噪声不是同一个概念，前者是指屋面及屋面天窗作为一块水平板，受到道路噪声产生的声压影响很小，因为直射的声波被外墙遮挡，而散射的声波要到达500m～600m 高的大气才能作为天波反射回来[7]，故影响很小，如图4 所示；而人站立在屋面时，耳朵的鼓膜位置与建筑外墙类似，垂直于道路平面，故能清晰地听到车辆行驶的噪音。

图4 大气中声波传播的三种主要方式

按照《民用建筑隔声设计规范（GB 50118-2010）》第8.1.1 条，高要求标准的单人办公室、电视电话会议室的室内允许噪声级为≤35dB（A），结合上述环境噪声模拟计算结果，昼间最大室外噪声为62 dB（A），因此，隔声外窗的最低隔声量要求为62-35=27dB（A）。考虑到分析模型中无法完全还原所有的环境噪声源，故适当放大环境噪声至65dB（A）作为叠加效应，则隔声外窗的最低隔声量要求为Rw+Ctr≥30dB（A）。

4 外窗的隔声模拟计算

4.1 构件空气声隔声单值评价量的算法

INSUL 软件是由总部位于新西兰的Marshall Day Acoustics 公司开发的隔声量评估软件，主要用于构件层面的隔声量预测，包括多种复合材料的空气声隔声、撞击声隔声的模拟计算，最多支持计算3层玻璃窗。以下采用INSUL9.0（2017 年版）进行不同构造层次的外窗隔声量模拟计算（见图5）。

图5 INSUL软件计算界面

由于测量结果是一组随频率变化的数值，同样的制品对于不同频率的声音的隔声性能不同，有的材料善于隔绝低频声音（100Hz～500Hz），有的材料善于隔绝中高频声音（500Hz以上），因此，需要通过“计权”得到一个单一值，以利于相互比较。此处的“计权”，不是通常意义理解的按照所占比例进行“加权平均”，而是按照《建筑隔声评价标准（GB/T 50121-2005）》第3.2.1 条，轮次计算代表性频率的不利偏差之和，然后选出使得不利偏差之和最大的Rw作为隔声量单值评价量。

计算出Rw之后，还需按照《建筑隔声评价标准（GB/T 50121-2005）》[8]第3.4.1 条扣除频谱修正量C（A 计权粉红噪声）或Ctr（A 计权交通噪声），如下式（1）所示：

式（2）中：j为频谱序号，j=1 或2，其中1 为计算中高频谱修正量C值，适用于日常活动（谈话、音乐、收音机和电视）、儿童游戏、中高速轨道交通、车速大于80km/h的高速公路交通、近距离喷气飞机等；2为中低频谱修正量Ctr值，适用于一般城市交通、低速轨道交通、螺旋桨飞机、Disco 音乐等；Xw为取16 个1/3倍频程的测量与基准值之间的不利偏差之和的最大值所对应的单值（dB(A)）；i为100Hz～3150Hz的1/3倍频程的倍频程序号；Lij为第j号频谱的第i频带的声压级（dB(A)），按照频率的不同取固定的数值，其中100Hz 的频率用于计算C值对应1/3 倍频程为-29dB(A)，用于计算Ctr 值对应1/3 倍频程为-20dB(A)；3150Hz 的频率用于计算C值对应1/3 倍频程为-9dB(A)，用于计算Ctr值对应1/3倍频程为-15dB(A)；对于100Hz～3150Hz 之间的其他频段，计算C值的Lij值呈规律性递减，计算Ctr值的Lij值呈先减小后增加的趋势；Xi为第i个频带的测量值（dB(A)），精确到0.1dB(A)。该测量值通过相关仪器测量受测试件上的声功率W1与透射试件的透射声功率W2的比值，取以10为底的对数之后再乘以10得到[9]。

4.2 不同构造的玻璃组合的隔声模拟计算

为便于跟国标图集数据对比，外窗尺寸选为1.3m*1.6m=2.08m2，隔声量模拟计算比较的内容包括：

①两种典型构造层次，分别是双玻窗和三玻窗。

②两种典型空气层厚度，分别是12mm和19mm（可容纳中置遮阳卷帘）。

③五种典型玻璃制品，分别是：6mm厚单层平板玻璃、（3+0.76PVB+3）夹胶玻璃、（6+0.76PVB+6）夹胶玻璃、（8+0.76PVB+8）夹胶玻璃、（10+0.76PVB+12）夹胶玻璃。

如表2 所示，INSUL 软件模拟计算的隔声量均大于国标图集《建筑隔声与吸声构造（08J931）》[10]第42 页的检测值，一般超过1dB(A)～3dB(A)，当单片夹胶玻璃的总厚度超过20mm 时，INSUL 软件模拟计算的隔声量比国标图集超出约5dB(A)～7dB(A)。由于INSUL 软件为理论预测值，而国标图集中为实际检测值，因此，理论值优于检测值1dB(A)～2dB(A)是正常的。而对于总厚度超过20mm 的夹胶玻璃，理论计算值则可能存在较大的偏差，应慎重采用，原因是当玻璃的厚度大幅增加、质量增大时，空气声隔声的控制因素将遵循质量效应或吻合效应，不再是共振效应，计算公式也将有所不同。

表2 不同玻璃构造的隔声量模拟计算比较

按照上述INSUL软件的模拟计算，满足Rw+Ctr≥30dB（A）隔声要求的玻璃组合包括：单层玻璃8mm（31dB(A)）、单层玻璃12mm（32dB(A)）、单片夹层玻璃3+0.76 PVB +3（31dB(A)）、单片夹层玻璃5+0.76 PVB +5（34dB(A)）、双玻单腔8+12A+6（30dB(A)）、双玻单腔8+19A+6（30dB(A)）、双玻单腔夹胶6+12A+（5+0.76PVB+5）（34dB(A)）、三玻两腔夹胶6+12A+6+12A+（5+0.76PVB+5）（32dB(A)）、国产单片夹胶8+0.76+8（37dB(A)）、国产单片夹胶10+0.76+12（39dB(A)）、杜邦单片夹胶10+0.76+12（39dB(A)）。

除了国标图集和INSUL 软件模拟计算，在中南地区图集《民用建筑隔声与吸声构造（15ZJ502）》[11]第64～65 页给出了空气间层为100mm 左右的双层和三层窗的斜玻璃构造及其隔声量参考值，双层窗隔声量可达45dB(A)～49dB(A)，三层窗隔声量可达50dB(A)～60dB(A)，但此类多层窗的总厚度达到150m'm～300mm，要求外窗所在土建墙体的厚度相应增大，除非用于特殊场合（如疗养院等需要十分安静的场所），否则需慎重选用。

5 外窗热工性能校核及选型

除满足隔声要求外，本工程按照热工计算，要求外窗的整窗传热系数不大于1.8W/(m2·K)，上述满足隔声性能的外窗中的单层玻璃、单片夹胶玻璃虽然满足了隔声的要求，但是其传热系数约为5.00W/(m2·K)左右，远超过外窗传热系数的最大限值要求，因此不能采用，只能选用双玻单腔或者三玻两腔的玻璃构造。

本工程拟选用隔热铝合金为型材，按照《民用建筑热工设计规范（GB50176-2016）》[12]附录C，搭配双玻单腔玻璃时的整窗传热系数K的最小值为2.1W/(m2·K)＞1.8W/(m2·K)，不能满足要求；按照《近零能耗建筑技术标准（GB/T51350-2019）》[13]附录D，搭配三玻两腔高透光充氩气的5+12Ar+5+12Ar+5Low-E时，整窗传热系数K为1.7W/(m2·K)～1.9W/(m2·K)，可行。此外还需注意，声音的传播速度随物质的密度增加而增加，空气的密度仅为1.29kg/m3，当玻璃之间充惰性气体（如氩气Ar、氪气Kr、氙气Xe）时，氩气的密度是1.78kg/m3，氪气的密度是3.74kg/m3，氙气的密度是5.89kg/m3，而此类惰性气体的密度均比空气大，故充惰性气体会加强声音传导，不利于隔声，隔声量相应降低1dB(A)～2dB(A)。

最终，选择的窗型为“三玻两腔夹胶6+12Ar+6+12Ar+（6+0.76PVB+6）”，K≈1.8W/(m2·K)，隔声量约为30dB(A)，恰好满足本工程的需求。

6 结语

由上述工程实践研究可知，紧邻交通干线的隔声外窗构造设计需要遵循整体到局部的原则，从场地声环境模拟分析入手，得到环境噪声后，再进行构件层面的隔声量测算，并将测算结果与相关图集进行对比，以判别概念是否合理，最后结合外窗的热工要求确定外窗选型。此外，因为计算机软件模拟的是理想状态下的隔声量，忽略了很多实际影响因素，建议将软件模拟计算的隔声量值降低1～2dB(A)作为外窗实际隔声量，并同步进行现场噪声检测和外窗隔声性能检测。当软件模拟计算结果与现场检测结果出现较大偏差时，应进行分析和论证，以确保能合理解释两者的偏差来源，为外窗选型提供自洽的计算依据。