圍墻在噪聲治理項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

引言

當(dāng)前城市化建設(shè)高速發(fā)展,城鎮(zhèn)居民密度大幅增加,諸如軌道交通噪聲、施工噪聲、社會(huì)生活噪聲等各類噪聲源充斥于居民周邊,極大地影響著居民生活環(huán)境。與此同時(shí),隨著現(xiàn)代居民生活水平不斷提高,人們的環(huán)保意識(shí)也在日益增強(qiáng),對(duì)居住環(huán)境的環(huán)保問題特別是噪聲問題的容忍度持續(xù)下降,噪聲問題所引起的投訴和糾紛逐年增多。全國生態(tài)環(huán)境信訪投訴舉報(bào)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示,2020年度噪聲擾民問題占全部舉報(bào)的41.2%,排各環(huán)境污染要素的第二位,僅次于大氣污染。如何在城市建設(shè)高效發(fā)展的同時(shí),治理和改善噪聲環(huán)境,提高聲環(huán)境質(zhì)量,是值得探究的重要課題。

圍墻在城市建設(shè)中隨處可見,是一種用來圍合、分割或保護(hù)某一特定區(qū)域的空間隔斷結(jié)構(gòu),根據(jù)其功能服務(wù)對(duì)象,圍墻一般會(huì)鄰近噪聲源或噪聲敏感點(diǎn)設(shè)置,可作為天然的"聲屏障",但因在設(shè)計(jì)時(shí)很少考慮其噪聲隔離與降噪效果,其構(gòu)造型式、高度等均未經(jīng)過聲學(xué)設(shè)計(jì),故其降噪效果往往不盡如人意。

1圍墻簡(jiǎn)述

建筑圍墻設(shè)置目的主要為安全防護(hù),國標(biāo)《城市容貌標(biāo)準(zhǔn)》(GB50449一2008）中規(guī)定:“城市道路兩側(cè)的用地分界宜采用透景圍墻、綠籬、柵欄等形式,綠籬、柵欄的高度不宜超過1.6m……城市各類工地應(yīng)有圍墻、圍欄遮擋,圍墻的外觀宜與環(huán)境相協(xié)調(diào)。臨街建筑施工工地周圍宜設(shè)置不低于2m的遮擋墻,市政設(shè)施、道路挖掘施工工地圍墻高度不宜低于1.8m,圍欄高度不宜低于1.6m。"從以上要求可以看出,城市建設(shè)中的圍墻構(gòu)造一般較為簡(jiǎn)單,高度有限,以城市景觀協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)為主要設(shè)計(jì)要點(diǎn),一般不考慮聲學(xué)降噪效果要求。但不可否認(rèn)的是,部分圍墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)造型式具有優(yōu)良的隔聲性能,憑借其地理位置優(yōu)勢(shì),亦能實(shí)現(xiàn)一定的降噪效果。根據(jù)聲學(xué)降噪效果,可將圍墻分為實(shí)體圍墻與柵欄式圍墻兩大類。實(shí)體圍墻主要有磚墻、預(yù)制水泥板墻、鋼板隔離墻等,此類圍墻一般擁有良好的隔聲性能,可在噪聲治理項(xiàng)目中充分利用:柵欄式圍墻主要有各式柵欄圍墻、水泥花磚圍墻等,此類圍墻構(gòu)造為透聲結(jié)構(gòu),幾乎沒有任何降噪效果。

2圍墻降噪原理

根據(jù)噪聲產(chǎn)生與傳播的機(jī)理,噪聲控制可從噪聲源控制、噪聲傳遞路徑干擾和敏感點(diǎn)噪聲防護(hù)這3個(gè)方面采取措施。圍墻在噪聲治理項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)降噪的主要原理近似于聲屏障[3],是通過在近噪聲源位置或噪聲敏感點(diǎn)位置干擾噪聲傳遞路徑,形成聲影區(qū),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降噪的目的。

噪聲源發(fā)出的聲波遇到圍墻時(shí),主要有3條傳播路徑圖1）:1）繞射路徑,指部分聲波越過圍墻頂部繞射到達(dá)接收點(diǎn)的現(xiàn)象:2）透射路徑,是指部分聲波穿透圍墻直接到達(dá)接收點(diǎn)的現(xiàn)象:3）反射路徑,是指部分聲波在到達(dá)圍墻壁面后發(fā)生反射的現(xiàn)象。圍墻的插入損失大小主要取決于聲能沿這3條傳播路徑的大小分配情況。

圖1聲波傳播路徑分析

圍墻的實(shí)際插入損失可通過下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:I1為圍墻插入損失:A1d為繞射聲衰減:A1t為透射聲修正量:A1r為反射聲修正量:A1G為其他障礙物/地面聲吸收衰減。

2.1繞射路徑

在有圍墻時(shí),聲波越過圍墻頂端到達(dá)接收點(diǎn)的繞射聲能要比沒有圍墻時(shí)直接到達(dá)接收點(diǎn)的直達(dá)聲能小,二者的聲級(jí)之差,稱為"繞射聲衰減"。影響繞射聲能大小的主要影響因素有:聲源類型(點(diǎn)聲源、線聲源等,影響關(guān)系如圖2所示）、聲波波長(zhǎng)A、聲源與接收點(diǎn)間的直線距離d、聲源至圍墻頂端的距離A、接收點(diǎn)至圍墻頂端的距離B等。

圖2繞射聲衰減曲線

注:N為菲涅爾數(shù),N=±(A+B-d）.

2.2透射路徑

部分聲波可穿透圍墻到達(dá)接收點(diǎn),此部分即聲波的透射,透射聲能會(huì)大幅降低圍墻的插入損失。影響圍墻透射聲能的主要因素有:圍墻構(gòu)造型式(圍墻板面密度、邊縫密封效果等）、聲波入射角以及聲波頻率等。透射聲修正量可以通過下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:71為圍墻的傳聲損失。

由上式可以看出,當(dāng)71-A1d≥10dB時(shí),A1t≈0。此時(shí),透射聲能相對(duì)于繞射聲能其大小可以忽略不計(jì)。

2.3反射路徑

當(dāng)圍墻內(nèi)側(cè)有其他建筑物,特別是建筑物外立面與圍墻平行時(shí),聲波經(jīng)圍墻反射后會(huì)經(jīng)由建筑物表面再反射,即聲波在圍墻與建筑物之間多次反射,然后越過圍墻頂端繞射到達(dá)接收點(diǎn),進(jìn)而降低圍墻的插入損失。影響反射聲能大小的主要因素有:圍墻與平行建筑物之間的距離、圍墻高度、到達(dá)接收點(diǎn)的水平距離、聲源與接收點(diǎn)的高度,以及圍墻近聲源側(cè)的吸聲系數(shù)等。

3降噪圍墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過圍墻降噪原理分析可以看出,若想使建筑圍墻在噪聲治理項(xiàng)目中發(fā)揮降噪功用,其主要設(shè)計(jì)要素有:圍墻隔聲性能、吸聲性能、圍墻位置、高度及頂部構(gòu)造型式。

3.1隔聲性能

為減小圍墻透射聲能,一般要求圍墻具有足夠的隔聲性能。影響圍墻隔聲性能的因素主要有兩個(gè):圍墻板的隔聲性能和邊縫密封設(shè)計(jì)。圍墻邊縫密封設(shè)計(jì)是圍墻構(gòu)造中極易被忽視的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。根據(jù)組合構(gòu)件隔聲量計(jì)算原理,縫隙漏聲對(duì)于組合構(gòu)件隔聲性能影響巨大:1面積縫隙可使30dB隔聲量的原有墻體隔聲量下降10.4dB。此時(shí),透射聲能和繞射聲能大小相近,透射聲能對(duì)圍墻降噪效果的影響增大,整體降噪效果減少2～3dB。

參考聲屏障構(gòu)造隔聲要求,一般要求圍墻的傳聲損失71=23～30dB。圍墻的各構(gòu)件之間,特別是墻板與立柱之間的間距控制,底部基礎(chǔ)與圍墻下部結(jié)構(gòu)之間的縫隙、墻板之間的縫隙是導(dǎo)致圍墻構(gòu)造漏聲、降低圍墻降噪性能的薄弱環(huán)節(jié)。因此,需對(duì)圍墻構(gòu)件單元之間的連接節(jié)點(diǎn)、邊縫密封等給出詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.2吸聲性能

為降低反射聲能,可將圍墻近聲源側(cè)做成吸聲結(jié)構(gòu),其吸聲性能要求以適應(yīng)噪聲源特性為選擇標(biāo)準(zhǔn)。比如在聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,道路聲屏障一般要求其吸聲結(jié)構(gòu)的降噪系數(shù)NRC大于305,鐵路聲屏障吸聲結(jié)構(gòu)的降噪系數(shù)NRC大于306。

3.3高度及頂部構(gòu)造型式

根據(jù)圍墻降噪原理,增加圍墻高度是提升繞射聲衰減的重要技術(shù)手段,但因到達(dá)一定高度后,結(jié)構(gòu)成本會(huì)大幅增加,而降噪量提升有限,故需追求最佳性價(jià)比。3～6m高的建筑圍墻或聲屏障板,在聲影區(qū)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)5～12dB降噪量。此外,還可以通過在圍墻頂部追加特定型式構(gòu)造來提高圍墻的"等效高度"。常見圍墻構(gòu)造頂部型式主要有T型、y型和箭頭型這三種。在直立墻體頂部安裝一個(gè)水平結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了T型構(gòu)造,y型與箭頭型結(jié)構(gòu)可以看作是T型結(jié)構(gòu)的變形,即將T型結(jié)構(gòu)的左右臂以不同的角度上下變化,將兩臂以一定的角度向上變化時(shí),就構(gòu)成了y型結(jié)構(gòu),相反,就是箭頭型結(jié)構(gòu)。此外,亦可參考聲屏障的圓形、菱形或聲波干涉型頂部構(gòu)造型式。一般頂部構(gòu)造型式帶來的噪聲衰減量附加值為2～3dB。

4應(yīng)用案例

4'.廠界噪聲控制

工業(yè)廠界噪聲和施工廠界噪聲一直是居民噪聲投訴的重點(diǎn),而圍墻作為廠界的重要組成部分,其合理設(shè)置對(duì)于廠界噪聲控制具有重大意義。

以建筑施工廠界為例,將施工噪聲等效為一四面體聲源(聲源高度2m）,施工廠界(距離建筑面聲源10m位置處）設(shè)置2m高鋼板隔離墻,利用室外噪聲級(jí)預(yù)測(cè)軟件CadnaA對(duì)隔離墻安裝前后施工廠界噪聲進(jìn)行仿真預(yù)測(cè),結(jié)果如圖3、圖4所示。

通過圖3和圖4可以看出,在2m高度面聲源四周距離10m位置處設(shè)置2m高圍墻條件下,圍墻對(duì)于廠界噪聲抑制效果明顯,對(duì)比廠界1m遠(yuǎn)位置、1.5m高度位置處噪聲級(jí),在有無圍墻條件下,噪聲級(jí)差為6dB(A）。

通過以上分析可以看出,部分廠界圍墻的設(shè)置,雖以安全隔離和視覺遮擋為初衷,但在廠界噪聲處理上亦達(dá)到了一定效果。不過,一般圍墻的設(shè)置,由于其高度有限,再加上板材構(gòu)造選擇及施工過程中不注意邊縫設(shè)計(jì)等因素,導(dǎo)致聲波透射嚴(yán)重,整體降噪效果大幅下降。

基于圍墻可實(shí)現(xiàn)廠界噪聲治理的降噪原理,在以往很多噪聲治理項(xiàng)目中衍生出一種通過附加"圍墻"來實(shí)現(xiàn)廠界噪聲控制的方法:通過在建筑圍墻內(nèi)側(cè)或建筑圍墻基礎(chǔ)上增做聲屏障的形式,提高圍墻高度與吸隔聲性能,進(jìn)而達(dá)到控制廠界噪聲的目的,建成效果如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)較好的降噪效果,一般將圍墻/聲屏障高度增加至5m甚至更高,一般5～7m高的吸隔聲圍墻,在聲影區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)8～15dB(A）的降噪量。

4.2噪聲敏感點(diǎn)保護(hù)

除廠界噪聲控制外,亦可利用圍墻靠近噪聲敏感點(diǎn)位置的地理位置優(yōu)勢(shì),對(duì)敏感點(diǎn)噪聲進(jìn)行有效控制。何金平等人在解決城市道路對(duì)某別墅小區(qū)噪聲干擾問題的項(xiàng)目中,在別墅區(qū)邊界設(shè)置了圍墻聲屏障(圖6）,即采用3m高圍墻＋3.5m高聲屏障的結(jié)構(gòu)型式,降噪量近10dB,效果顯著。

5結(jié)語

距離高噪聲源較近的工業(yè)/施工廠界位置,以及噪聲敏感區(qū)域(如居民區(qū)）的鄰近位置,一般都會(huì)設(shè)置建筑圍墻,此類位置都是噪聲治理的有利位置區(qū)域。但因以往項(xiàng)目圍墻設(shè)計(jì)過程中,一般很少考慮其隔聲降噪作用,而以視覺因素、隔離效果為主要設(shè)計(jì)要點(diǎn),未考慮圍墻高度、板材選擇與設(shè)計(jì),故其隔聲降噪效果有限?；诖?利用圍墻所處的地理位置優(yōu)勢(shì),做吸隔聲構(gòu)造降噪圍墻,在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其構(gòu)造型式、高度以及密封設(shè)計(jì)等方面加以重視與考慮,在發(fā)揮安全防護(hù)作用的同時(shí)兼顧降噪效果,在噪聲治理項(xiàng)目中具有重大的應(yīng)用意義。