围墙在噪声治理项目中的应用研究

引言

当前城市化建设高速发展,城镇居民密度大幅增加,诸如轨道交通噪声、施工噪声、社会生活噪声等各类噪声源充斥于居民周边,极大地影响着居民生活环境。与此同时,随着现代居民生活水平不断提高,人们的环保意识也在日益增强,对居住环境的环保问题特别是噪声问题的容忍度持续下降,噪声问题所引起的投诉和纠纷逐年增多。全国生态环境信访投诉举报管理平台数据显示,2020年度噪声扰民问题占全部举报的41.2%,排各环境污染要素的第二位,仅次于大气污染。如何在城市建设高效发展的同时,治理和改善噪声环境,提高声环境质量,是值得探究的重要课题。

围墙在城市建设中随处可见,是一种用来围合、分割或保护某一特定区域的空间隔断结构,根据其功能服务对象,围墙一般会邻近噪声源或噪声敏感点设置,可作为天然的"声屏障",但因在设计时很少考虑其噪声隔离与降噪效果,其构造型式、高度等均未经过声学设计,故其降噪效果往往不尽如人意。

1围墙简述

建筑围墙设置目的主要为安全防护,国标《城市容貌标准》(GB50449一2008）中规定:“城市道路两侧的用地分界宜采用透景围墙、绿篱、栅栏等形式,绿篱、栅栏的高度不宜超过1.6m……城市各类工地应有围墙、围栏遮挡,围墙的外观宜与环境相协调。临街建筑施工工地周围宜设置不低于2m的遮挡墙,市政设施、道路挖掘施工工地围墙高度不宜低于1.8m,围栏高度不宜低于1.6m。"从以上要求可以看出,城市建设中的围墙构造一般较为简单,高度有限,以城市景观协调设计为主要设计要点,一般不考虑声学降噪效果要求。但不可否认的是,部分围墙的结构构造型式具有优良的隔声性能,凭借其地理位置优势,亦能实现一定的降噪效果。根据声学降噪效果,可将围墙分为实体围墙与栅栏式围墙两大类。实体围墙主要有砖墙、预制水泥板墙、钢板隔离墙等,此类围墙一般拥有良好的隔声性能,可在噪声治理项目中充分利用:栅栏式围墙主要有各式栅栏围墙、水泥花砖围墙等,此类围墙构造为透声结构,几乎没有任何降噪效果。

2围墙降噪原理

根据噪声产生与传播的机理,噪声控制可从噪声源控制、噪声传递路径干扰和敏感点噪声防护这3个方面采取措施。围墙在噪声治理项目中实现降噪的主要原理近似于声屏障[3],是通过在近噪声源位置或噪声敏感点位置干扰噪声传递路径,形成声影区,进而实现降噪的目的。

噪声源发出的声波遇到围墙时,主要有3条传播路径图1）:1）绕射路径,指部分声波越过围墙顶部绕射到达接收点的现象:2）透射路径,是指部分声波穿透围墙直接到达接收点的现象:3）反射路径,是指部分声波在到达围墙壁面后发生反射的现象。围墙的插入损失大小主要取决于声能沿这3条传播路径的大小分配情况。

图1声波传播路径分析

围墙的实际插入损失可通过下式进行计算:

式中:I1为围墙插入损失:A1d为绕射声衰减:A1t为透射声修正量:A1r为反射声修正量:A1G为其他障碍物/地面声吸收衰减。

2.1绕射路径

在有围墙时,声波越过围墙顶端到达接收点的绕射声能要比没有围墙时直接到达接收点的直达声能小,二者的声级之差,称为"绕射声衰减"。影响绕射声能大小的主要影响因素有:声源类型(点声源、线声源等,影响关系如图2所示）、声波波长A、声源与接收点间的直线距离d、声源至围墙顶端的距离A、接收点至围墙顶端的距离B等。

图2绕射声衰减曲线

注:N为菲涅尔数,N=±(A+B-d）.

2.2透射路径

部分声波可穿透围墙到达接收点,此部分即声波的透射,透射声能会大幅降低围墙的插入损失。影响围墙透射声能的主要因素有:围墙构造型式(围墙板面密度、边缝密封效果等）、声波入射角以及声波频率等。透射声修正量可以通过下式进行计算:

式中:71为围墙的传声损失。

由上式可以看出,当71-A1d≥10dB时,A1t≈0。此时,透射声能相对于绕射声能其大小可以忽略不计。

2.3反射路径

当围墙内侧有其他建筑物,特别是建筑物外立面与围墙平行时,声波经围墙反射后会经由建筑物表面再反射,即声波在围墙与建筑物之间多次反射,然后越过围墙顶端绕射到达接收点,进而降低围墙的插入损失。影响反射声能大小的主要因素有:围墙与平行建筑物之间的距离、围墙高度、到达接收点的水平距离、声源与接收点的高度,以及围墙近声源侧的吸声系数等。

3降噪围墙设计要点

通过围墙降噪原理分析可以看出,若想使建筑围墙在噪声治理项目中发挥降噪功用,其主要设计要素有:围墙隔声性能、吸声性能、围墙位置、高度及顶部构造型式。

3.1隔声性能

为减小围墙透射声能,一般要求围墙具有足够的隔声性能。影响围墙隔声性能的因素主要有两个:围墙板的隔声性能和边缝密封设计。围墙边缝密封设计是围墙构造中极易被忽视的设计要点。根据组合构件隔声量计算原理,缝隙漏声对于组合构件隔声性能影响巨大:1面积缝隙可使30dB隔声量的原有墙体隔声量下降10.4dB。此时,透射声能和绕射声能大小相近,透射声能对围墙降噪效果的影响增大,整体降噪效果减少2～3dB。

参考声屏障构造隔声要求,一般要求围墙的传声损失71=23～30dB。围墙的各构件之间,特别是墙板与立柱之间的间距控制,底部基础与围墙下部结构之间的缝隙、墙板之间的缝隙是导致围墙构造漏声、降低围墙降噪性能的薄弱环节。因此,需对围墙构件单元之间的连接节点、边缝密封等给出详细设计。

3.2吸声性能

为降低反射声能,可将围墙近声源侧做成吸声结构,其吸声性能要求以适应噪声源特性为选择标准。比如在声屏障的结构设计中,道路声屏障一般要求其吸声结构的降噪系数NRC大于305,铁路声屏障吸声结构的降噪系数NRC大于306。

3.3高度及顶部构造型式

根据围墙降噪原理,增加围墙高度是提升绕射声衰减的重要技术手段,但因到达一定高度后,结构成本会大幅增加,而降噪量提升有限,故需追求最佳性价比。3～6m高的建筑围墙或声屏障板,在声影区内能实现5～12dB降噪量。此外,还可以通过在围墙顶部追加特定型式构造来提高围墙的"等效高度"。常见围墙构造顶部型式主要有T型、y型和箭头型这三种。在直立墙体顶部安装一个水平结构就构成了T型构造,y型与箭头型结构可以看作是T型结构的变形,即将T型结构的左右臂以不同的角度上下变化,将两臂以一定的角度向上变化时,就构成了y型结构,相反,就是箭头型结构。此外,亦可参考声屏障的圆形、菱形或声波干涉型顶部构造型式。一般顶部构造型式带来的噪声衰减量附加值为2～3dB。

4应用案例

4'.厂界噪声控制

工业厂界噪声和施工厂界噪声一直是居民噪声投诉的重点,而围墙作为厂界的重要组成部分,其合理设置对于厂界噪声控制具有重大意义。

以建筑施工厂界为例,将施工噪声等效为一四面体声源(声源高度2m）,施工厂界(距离建筑面声源10m位置处）设置2m高钢板隔离墙,利用室外噪声级预测软件CadnaA对隔离墙安装前后施工厂界噪声进行仿真预测,结果如图3、图4所示。

通过图3和图4可以看出,在2m高度面声源四周距离10m位置处设置2m高围墙条件下,围墙对于厂界噪声抑制效果明显,对比厂界1m远位置、1.5m高度位置处噪声级,在有无围墙条件下,噪声级差为6dB(A）。

通过以上分析可以看出,部分厂界围墙的设置,虽以安全隔离和视觉遮挡为初衷,但在厂界噪声处理上亦达到了一定效果。不过,一般围墙的设置,由于其高度有限,再加上板材构造选择及施工过程中不注意边缝设计等因素,导致声波透射严重,整体降噪效果大幅下降。

基于围墙可实现厂界噪声治理的降噪原理,在以往很多噪声治理项目中衍生出一种通过附加"围墙"来实现厂界噪声控制的方法:通过在建筑围墙内侧或建筑围墙基础上增做声屏障的形式,提高围墙高度与吸隔声性能,进而达到控制厂界噪声的目的,建成效果如图5所示。为实现较好的降噪效果,一般将围墙/声屏障高度增加至5m甚至更高,一般5～7m高的吸隔声围墙,在声影区内可实现8～15dB(A）的降噪量。

4.2噪声敏感点保护

除厂界噪声控制外,亦可利用围墙靠近噪声敏感点位置的地理位置优势,对敏感点噪声进行有效控制。何金平等人在解决城市道路对某别墅小区噪声干扰问题的项目中,在别墅区边界设置了围墙声屏障(图6）,即采用3m高围墙＋3.5m高声屏障的结构型式,降噪量近10dB,效果显著。

5结语

距离高噪声源较近的工业/施工厂界位置,以及噪声敏感区域(如居民区）的邻近位置,一般都会设置建筑围墙,此类位置都是噪声治理的有利位置区域。但因以往项目围墙设计过程中,一般很少考虑其隔声降噪作用,而以视觉因素、隔离效果为主要设计要点,未考虑围墙高度、板材选择与设计,故其隔声降噪效果有限。基于此,利用围墙所处的地理位置优势,做吸隔声构造降噪围墙,在设计时对其构造型式、高度以及密封设计等方面加以重视与考虑,在发挥安全防护作用的同时兼顾降噪效果,在噪声治理项目中具有重大的应用意义。