輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲技術(shù)的研究進(jìn)展?

蘇 峻 趙心悅 王 正 李敏敏

（1.南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037； 3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活水平的提高，人們對建筑居住環(huán)境的舒適度要求越來越高。居住建筑樓蓋隔聲問題一直是我國建筑物業(yè)管理工作中住戶反映最多的問題之一[1]，主要為建筑樓蓋上層的腳步聲、物體墜落聲、桌椅移動(dòng)、吵鬧等日常行為產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響樓下住戶的日常生活，引發(fā)住戶之間矛盾沖突等[2-3]。在建筑設(shè)計(jì)中徹底消除或減少噪聲對住戶的影響已成為建筑行業(yè)亟待解決的主要問題之一。輕型木結(jié)構(gòu)建筑是目前歐美和日本應(yīng)用廣泛，在國內(nèi)主要推廣的一種中低層居住式建筑[4-5]。至今，國內(nèi)外有關(guān)輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲的研究還較少。因此，本文結(jié)合混凝土建筑與重型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋等隔聲技術(shù)相關(guān)研究，介紹國內(nèi)外輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲技術(shù)與隔聲性能的研究進(jìn)展，提出提高我國輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲技術(shù)的幾點(diǎn)措施，以期為提升木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)減振降噪技術(shù)和住宅建筑居住舒適度提供參考。

1 國外輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 隔聲理論研究

近年來，國外學(xué)者對建筑樓蓋結(jié)構(gòu)的隔聲進(jìn)行了一系列探索與研究[6-8]，尤其在鋼筋混凝土樓蓋、木結(jié)構(gòu)樓蓋的隔聲基礎(chǔ)研究方面成果顯著。Yoo等[9]采用有限單元（FEM）法和現(xiàn)場測量法，研究了彈性隔振器和粘彈性阻尼材料對降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重量級地面撞擊聲的影響。同時(shí)，應(yīng)用光束傳遞函數(shù)方法測量材料的動(dòng)態(tài)特性以及FEM模擬特性。研究結(jié)果表明：阻尼材料提供了比彈性隔振器更高的損耗因子和動(dòng)態(tài)彈性模量特性；對安裝阻尼材料的樓蓋進(jìn)行隔聲性能測試發(fā)現(xiàn)，其在低頻時(shí)的撞擊振動(dòng)加速度幅值和地面撞擊聲值均明顯降低；而采用彈性隔振器的樓蓋在低頻時(shí)的撞擊聲壓增加。Okano[10]對于重型樓蓋的撞擊隔聲特性進(jìn)行了研究?；诶幂喬プ矒粼吹臏y量結(jié)果，研究了利用橡膠球撞擊源評估樓蓋隔聲等級的可能性。通過對現(xiàn)有住宅建筑測量結(jié)果進(jìn)行分析，推導(dǎo)出3 種主要多元回歸方程類型。

Churchill等[11]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量分析方法，對木材-混凝土復(fù)合樓蓋的空氣聲隔聲進(jìn)行了預(yù)測模型開發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證，分析了混凝土和OSB的復(fù)合結(jié)構(gòu)與多類型剛性連接件的組合對樓蓋隔聲性能的影響。研究結(jié)果表明：SEA模型得到的計(jì)權(quán)噪聲降低指數(shù)預(yù)測值與實(shí)際測量值誤差在2 dB以內(nèi)，1/3 倍頻程測量值與預(yù)測值之間的平均差值為4 dB。SEA模型可用于模擬相對復(fù)雜樓蓋結(jié)構(gòu)的隔聲測算。Caniato等[12]采用現(xiàn)場測量法測試正交膠合木（CLT）建筑樓蓋和層板膠合木（GLT）建筑樓蓋的撞擊噪聲，分析了其撞擊隔聲量的測試結(jié)果對常見裸木結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)浮筑樓蓋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的撞擊聲壓級建模結(jié)果的影響。Hirakawa等[13]利用瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)能量分析（TSEA），通過引入反向形式的TSEA（ITSEA），以確定從重型撞擊源到浮筑地板的重型底板的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)聲功率輸入，通過浮筑樓蓋的功率輸入差異給出了可用于修改輸入到底層功率的校正因子。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

在建筑樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究方面，國外專家學(xué)者對樓蓋隔聲的研究成果豐碩[14-16]。早在1978 年，Utley[17]對木框架結(jié)構(gòu)住宅的擱柵樓蓋隔聲進(jìn)行研究，討論了擱柵樓蓋設(shè)計(jì)及其隔聲效果的影響因素，研究表明，樓蓋的撞擊聲隔聲性能較空氣聲隔聲性能差。Fothergill等[18]分別在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場開展對木結(jié)構(gòu)浮筑樓蓋的隔聲研究，分析其彈性層的密度、材料隔聲量、擱柵間距等主要參數(shù)的影響，為木結(jié)構(gòu)浮筑樓蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了提高材料面密度等建議。Johansson等[19]對輕型木結(jié)構(gòu)擱柵樓蓋的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行研究，綜合設(shè)計(jì)了45 種不同構(gòu)造的組合結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室測試優(yōu)選結(jié)構(gòu)后再進(jìn)行現(xiàn)場測試。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室測試的撞擊噪聲指數(shù)為52 dB，而現(xiàn)場測試值為53～58 dB，說明受現(xiàn)場環(huán)境噪聲等影響，其現(xiàn)場撞擊聲測試值與實(shí)驗(yàn)室測試值一致，但波動(dòng)值較大。Ljunggren等[20]對輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響因素進(jìn)行分析，包括應(yīng)用石膏板、礦棉、彈性膠、分隔板、浮筑地板等對樓蓋隔聲產(chǎn)生的影響。研究結(jié)論表明：應(yīng)用彈性膠、安裝額外板層、應(yīng)用浮筑地板等可有效改善樓蓋隔聲。Martins等[21]采用實(shí)驗(yàn)室測量法對木結(jié)構(gòu)樓蓋和木材-混凝土復(fù)合樓蓋進(jìn)行隔聲性能測試，通過多通道采集系統(tǒng)測量得到1/3 倍頻程隔聲曲線圖，并評估有無石膏板、礦棉填充材料情況下樓蓋的聲學(xué)特性。研究結(jié)果表明：在木結(jié)構(gòu)樓蓋中采用混凝土可有效提高建筑樓蓋隔聲效果，達(dá)到建筑居住舒適度要求。

Ryu等[22]研究具有低頻共振板吸收器的懸浮式天花板對重型樓蓋撞擊聲的影響。該共振面板吸收器包括穿孔頂板的設(shè)計(jì)，以確保在100 Hz左右低頻范圍內(nèi)具有高吸聲系數(shù)。采用重型樓蓋撞擊聲源（撞擊器和橡膠球），對建筑物中安裝有最佳共振面板吸收器的吊頂后的樓蓋進(jìn)行撞擊聲測試，并與具有石膏板的正常吊頂?shù)臉巧w測試結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)安裝共振面板吸收器穿孔頂板的樓蓋，在125 Hz倍頻帶中，撞擊聲級降低了6 d B。Schiavi[23]強(qiáng)調(diào)改善浮筑樓蓋撞擊聲隔聲性能的重要性，并提出了一種估算浮筑樓蓋撞擊聲隔聲的本構(gòu)模型?；诹鬟f理論提出的本構(gòu)模型可允許通過簡單的單一函數(shù)精確地估計(jì)浮筑樓蓋的聲學(xué)行為。通過理論假設(shè)、試驗(yàn)驗(yàn)證以及與Cremer-Vér模型計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出模型的有效性。

2 我國輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 鋼筋混凝土建筑樓蓋隔聲性能研究

我國關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲研究工作進(jìn)展相對較為緩慢，成果極少。而在鋼筋混凝土建筑樓蓋隔聲性能評估、改善方面成果較多，相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系較為完善。早在1982 年，志陽[24]對幾種常用混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)撞擊聲下的隔聲特性進(jìn)行總結(jié)，并對不同復(fù)合地氈的樓蓋撞擊聲改善進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：鋪設(shè)網(wǎng)狀聚氯乙烯發(fā)泡再生膠復(fù)合地氈的樓蓋結(jié)構(gòu)隔聲效果十分明顯，其隔聲改善量達(dá)到14dB，因此在實(shí)際工程中可采用具有一定強(qiáng)度和耐磨性的高效彈性墊層和松軟面層復(fù)合地氈加鋪或粘貼在樓蓋結(jié)構(gòu)層上，以有效優(yōu)化樓蓋隔聲性能。謝拯民[25]等在浮筑樓蓋結(jié)構(gòu)中應(yīng)用不同的隔振墊材料，分析不同隔振墊對浮筑樓蓋撞擊聲隔聲的影響。研究結(jié)果表明，在建筑樓蓋表面鋪設(shè)軟塑料墊層時(shí)，在中高頻范圍內(nèi)樓蓋撞擊聲隔聲性能具有較大改善；如在樓蓋結(jié)構(gòu)中增加隔振墊結(jié)構(gòu)，亦可獲得較佳的改善效果。孫啟祥等[26]以柞木、西南樺、柏木、杉木、蕓香、玉檀、HDF(高密度纖維板)和花崗巖8 種材料制作的地板為試驗(yàn)對象，采用小型車輪胎撞擊地板的激勵(lì)方式，研究了不同地板的重級撞擊聲的隔聲特性。研究結(jié)果表明：各種地板實(shí)鋪方式下的樓蓋以及無鋪裝的裸混凝土樓蓋的撞擊聲頻譜特性相似性高；不同地板鋪裝方式對重級撞擊聲頻譜特性影響較大。

譚華[27]對鋪設(shè)不同木地板構(gòu)造的混凝土樓蓋的撞擊聲隔聲性能進(jìn)行對比測試，并對其隔聲機(jī)理進(jìn)行定性理論分析，對鋪裝方法、彈性墊層應(yīng)用等影響因素進(jìn)行討論，研究木地板構(gòu)造對混凝土樓蓋撞擊聲隔聲的作用及影響。結(jié)果表明：木地板構(gòu)造可有效降低建筑樓蓋撞擊聲的輻射。其中，應(yīng)用浮筑木地板構(gòu)造的樓蓋結(jié)構(gòu)隔聲改善效果尤為顯著，可使樓蓋撞擊聲隔聲性能達(dá)到GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的1 級要求。黃險(xiǎn)峰[28]運(yùn)用SEA理論對樓蓋結(jié)構(gòu)的撞擊聲激勵(lì)進(jìn)行模擬分析，建立理論模型并進(jìn)行隔聲理論計(jì)算，其預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值吻合。黃新[29]對3A住宅樓蓋的隔聲性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：通過在建筑客廳樓蓋結(jié)構(gòu)中增加橡膠顆粒墊層與在臥室鋪設(shè)木地板的方式，可使樓蓋撞擊聲得到有效改善，其建筑樓蓋空氣聲隔聲量大于50 dB，計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化撞擊聲壓級小于65 dB。

王軍強(qiáng)等[30]結(jié)合承建項(xiàng)目，在樣板間建造了9 種不同建造工藝的混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行現(xiàn)場隔聲測試。研究結(jié)果表明：采取浮筑樓蓋結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計(jì)、正確施工、減少聲橋的措施對改善建筑樓蓋的隔聲性能具有重要意義。2016 年，華實(shí)等[31]對鎮(zhèn)江地區(qū)4 種不同類型的建筑樓蓋的撞擊聲隔聲性能進(jìn)行現(xiàn)場檢測，并對比同樓蓋澆筑隔聲砂漿前后的撞擊聲隔聲性能變化，得出以下結(jié)論：在相同樓蓋結(jié)構(gòu)建造的房間里增鋪30 mm厚的JNS型無機(jī)保溫砂漿，可將樓蓋的計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化撞擊聲壓級由73 dB降低至68 dB，樓蓋撞擊聲隔聲性能等級由2 級提升至3 級，同時(shí)還降低了室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷，使樓蓋的隔聲性能、節(jié)能效果均得到提高。李楊等[32]設(shè)計(jì)了FJK型聚氨酯橡膠隔振隔聲墊板，并將不同厚度的墊板材料應(yīng)用于混凝土浮筑樓蓋結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)撞擊聲隔聲性能測試。結(jié)果表明，該樓蓋結(jié)構(gòu)的隔聲改善值達(dá)到30 dB以上。林瀟弘[33]采用現(xiàn)場測量法，通過在混凝土毛坯樓蓋結(jié)構(gòu)的表面鋪設(shè)不同厚度的塑膠地板，驗(yàn)證了應(yīng)用塑膠地板能較大提高樓蓋結(jié)構(gòu)隔聲性能。郭雄偉[34]將交聯(lián)發(fā)泡聚乙烯減振墊板應(yīng)用于混凝土工程項(xiàng)目，使得建筑樓蓋等結(jié)構(gòu)隔聲效果得到明顯改善，并降低了成本。邱威[35]對采用BGL型改性聚苯乙烯發(fā)泡板材料保溫隔聲系統(tǒng)的鋼筋混凝土浮筑樓蓋進(jìn)行研究，分析了混凝土保護(hù)層上裂縫產(chǎn)生的原因，提出一系列相應(yīng)防護(hù)技術(shù)與施工措施，提高了該浮筑樓蓋的整體隔聲。

2.2 木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲性能研究

國內(nèi)在木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲研究方面成果鮮見。周海賓[36]對木結(jié)構(gòu)建筑的墻體隔聲性能和樓蓋振動(dòng)性能進(jìn)行了研究，通過對墻體構(gòu)造因素的理論研究，提出了一系列計(jì)算表達(dá)式，并通過預(yù)測與實(shí)測結(jié)果比較分析，得出兩者具有較好的一致性等結(jié)論。張三明[37]等結(jié)合杭州市的一幢歷史保護(hù)性木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了修繕與改造研究，對樓蓋老舊木材進(jìn)行替換，增加彈性連接，對浮筑樓面和隔聲吊頂?shù)冗M(jìn)行改善，并進(jìn)行隔聲測試。結(jié)果表明：修復(fù)后的木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋的空氣聲計(jì)權(quán)隔聲量在35 dB以下，撞擊標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級為61 dB，其隔聲改善效果明顯。

近年來，有研究成果表明，軟木材料具有質(zhì)輕、絕緣、隔熱、防潮、難燃、無甲醛、抗震、尺寸穩(wěn)定性高、耐腐性強(qiáng)、不蟲蛀和不易老化特性等優(yōu)勢，應(yīng)用于室內(nèi)裝飾，不僅實(shí)用，能提高舒適度和美感，而且還是一種具有良好減振性能的環(huán)保型材料[38-39]。軟木板在結(jié)構(gòu)隔聲應(yīng)用方面有很好的發(fā)展前景[40-42]。2015 年，國家建筑材料測試中心依據(jù)GB/T19889.3—2005《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3 部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量》和GB/T50121—2005《建筑隔聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，對4 塊規(guī)格為500 mm×1 000 mm×30 mm的葡萄牙AMORIM軟木板進(jìn)行空氣隔聲量測定。測試結(jié)果表明，軟木板的計(jì)權(quán)隔聲量達(dá)20 dB。

3 結(jié)語

綜上所述，國外在木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)隔聲優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)測中，采用主動(dòng)隔聲和被動(dòng)隔聲兩種形式，并運(yùn)用建模計(jì)算、有限元計(jì)算法、空氣聲隔聲和撞擊聲隔聲方式的現(xiàn)場測量法、瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)能量分析法等手段，對木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)隔聲性能進(jìn)行系統(tǒng)研究[43]。將預(yù)測模型、理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，提高樓蓋結(jié)構(gòu)隔聲測量精度和可靠度。通過對浮筑樓蓋彈性層材料密度、阻尼動(dòng)力特性等主要參數(shù)，擱柵樓蓋結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接的不同構(gòu)造組合、擱柵間距等因素的分析研究，提出了改善樓蓋撞擊聲隔聲性能的措施等。

我國對木結(jié)構(gòu)樓蓋隔聲技術(shù)研究尚局限于對其結(jié)構(gòu)材料的更換設(shè)計(jì)、簡易模擬分析和現(xiàn)場測量與評價(jià)等方面，亟待加大投入力度深入研究。在今后的輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲技術(shù)研究中，可充分借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有混凝土建筑與重型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋等隔聲技術(shù)的研究成果，揚(yáng)長避短，建議做好以下四點(diǎn)：1）加速行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂工作。如制訂木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)規(guī)范等。2）重視建筑樓蓋隔聲理論基礎(chǔ)性研究和不同激勵(lì)方式下的試驗(yàn)方法研究。利用專業(yè)理論知識開展理論假設(shè)等研究，掌握樓蓋本構(gòu)建模的建立與計(jì)算、有限元計(jì)算、概率模擬、瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)能量分析和新的試驗(yàn)技術(shù)，提高現(xiàn)有木結(jié)構(gòu)樓蓋的振動(dòng)、隔聲性能。3）運(yùn)用層板復(fù)合材料、動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)理論等進(jìn)行隔聲樓蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。重視隔聲木結(jié)構(gòu)浮筑樓蓋、木材-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)樓蓋等研發(fā)工作,將發(fā)泡隔聲板彈性墊層材料和軟木板彈性墊層材料用于樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。4）強(qiáng)化樓蓋施工工藝技術(shù)。做好地面鋪裝、地板層鋪設(shè)、獨(dú)立隔聲吊頂施工、填充材料、阻尼減振器安裝、節(jié)點(diǎn)連接等相關(guān)工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用。最終實(shí)現(xiàn)我國木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)隔聲技術(shù)的整體提升，滿足人們對木結(jié)構(gòu)住宅建筑居住舒適度的要求。