建筑物理环境基础

第二章建筑物理环境基础 建筑物理环境是指建筑室内空间与人体相关的各个物理要素的总和 包括建筑热环境 建筑声环境和建筑光环境三部分内容 创造舒适的建筑物理环境是人对建筑的基本要求 利用适宜的手段和方法 来创造良好的建筑物理环境 不仅关系到人的舒适性要求 还直接影响建筑的能源资源的消耗 进而影响建筑与环境的关系 影响人类社会的可持续发展 2 1建筑热环境建筑热环境的主要内容有建筑保温 建筑防潮 建筑防热 建筑中的太阳能利用等 建筑热环境控制就是为了在节约资源的前提下 满足人们的热舒适要求 2 1 1建筑热环境基础建筑物及房间各面的围挡物称为建筑围护结构 同室外空气直接接触的围护结构称为外围护结构 如外墙 屋顶 外门和外窗 由于室内外空气温度的差别 通过建筑外围护结构必然有传热现象 传热的基本方式分为传导 对流和辐射三种 1 稳定传热如果室内外空气温度都不随时间变化 通过围护结构的传热过程称为稳定传热 稳定传热计算是建筑保温设计的基础 也是我国严寒和寒冷地区采暖居住建筑节能设计的基础 按照稳态传热计算通过围护结构的传热量公式为Q K ti te F 2 1 式中 Q 单位时间的传热量 W F 垂直于围护结构的计算传热面积 K 围护结构的传热系数 W K ti和te 分别为室内 外空气温度 C 传热系数K由下式确定 式中 围护结构的传热阻 K W 内表面换热阻 0 11 K W 外表面换热阻 0 05 K W d 材料厚度 m 材料导热系数 W m K 2 非稳定传热夏天 室内外空气温度都随时间变化 通过围护结构的传热过程称为非稳定传热 非稳定传热计算是建筑防热设计基础 也是夏热冬冷和夏热冬暖地区建筑节能设计基础 A 室外综合温度 室外综合温度是室外空气温度与太阳辐射当量温度之和 式中 tsa 室外综合温度 I 太阳辐射照度 W 围护结构表面的太阳辐射吸收系数 ac 围护结构外表面换热系数 通常取ac 19 0W K 室外综合温度是一个假想温度 可用它来表征建筑室外热作用的强弱 Tsa是随时间变化的 建筑各个朝向的tsa不同 在我国总纬度地区夏季建筑物各个朝向tsa由大到小的次序为水平面 东西向 南向 北向 这表明 夏季建筑物防热设计应优先考虑屋顶防热和防东 西晒 B 热惰性指标表征围护结构对温度波动衰减快慢的程度 热惰性指标D RS 式中R为材料层的热阻 S为材料层的蓄热系数 其值为D值越大 温度波在围护结构中衰减越快 围护结构的热稳定性越好 为了抵抗室外热作用的波动 要求外围护结构具有足够的热惰性指标 2 建筑热工设计分区我国幅员辽阔 各地气候差异较大 为了使建筑设计能够较好适应气候 我国 民用建筑热工设计规范 提出了建筑热工分区的概念 具体分区和设计要求见表2 1 建筑热工设计分区及设计要求表2 1 2 1 2建筑保温设计严寒与寒冷地区的民用建筑为了保证冬季室内的气温 湿度 气流速度和室内热辐射在一定允许范围内 建筑围护结构内表面温度不低于室内露点温度 必须进行建筑保温设计 建筑保温就是减少由室内 高温 流向室外 低温 的热流 建筑保温设计包括建筑方案设计中的保温综合处理和外围护结构保温的构造设计 1 建筑保温的综合处理措施1 控制体形系数 体形系数是指一栋建筑物的外表面积F0与其所包围的体积V0指比 如果建筑外表凹凸过多 体形系数变大 则建筑物传热耗热量增大 2 合理布置建筑朝向 建筑应朝正南向 建筑立面应避开当地冬季主导风向 3 防止冷风渗透 冬季通过外围护结构缝隙的冷风渗透使建筑物热损失增大 应提高窗户密封性 建筑立面避开冬季主导风 设置避风措施 利用地形 树木来挡风 4 合理选择窗墙面积比 窗墙面积比 窗墙比 是指窗洞口面积与房间立面单元墙面积之比 为了利用太阳能 南向窗墙比最大 北向窗墙比最小 东 西向窗墙比介于其间 2 合理布置建筑朝向 建筑应朝正南向 建筑立面应避开当地冬季主导风向 3 防止冷风渗透 冬季通过外围护结构缝隙的冷风渗透使建筑物热损失增大 应提高窗户密封性 建筑立面避开冬季主导风 设置避风措施 利用地形 树木来挡风 4 合理选择窗墙面积比 窗墙面积比 窗墙比 是指窗洞口面积与房间立面单元墙面积之比 为了利用太阳能 南向窗墙比最大 北向窗墙比最小 东 西向窗墙比介于其间 复合保温结构由保温层和承重层复合而成 复合结构按保温层所处的位置可分为内保温 保温层在室内一侧 外保温 保温层在室外一侧 和中间保温 保温层夹在中间 三种 外保温优点较多 减小热桥处的热损失 有利于防止保温层内部产生凝结水 房间的热稳定性好 降低墙和屋顶的主要部分的温度应力起伏 有利于旧房节能改造 外保温是我国建筑节能的发展方向 3 围护结构异常部位的保温设计 A 窗户的保温 可选用木材 塑料和塑钢窗框 使用断热金属窗框 寒冷地区 可采用多层窗 使用新型节能窗户 如低辐射玻璃窗 即LOW E窗 中空玻璃窗等 低辐射能玻璃 即low E玻璃 是利用真空沉积技术的在玻璃表面沉积一层低辐射涂层 一般由若干金属或金属氧化物薄层和衬底组成 普通玻璃的长波热辐射发射率约为0 8左右 low E玻璃长波热辐射发射率最低可达到0 04 对长波热辐射光谱有很强的反射作用 并可调整制造工艺制造出各种不同光学性能的产品 如对太阳光有不同透过率的高透过low E玻璃 低透过low E玻璃等 但一般来说 都对可见光透过率影响不大 B 热桥保温 热桥是热量容易通过的地方 例如钢或钢筋混凝土骨架 圈梁 过梁 板材的肋部等 热桥处内表面温度低于主体 对热桥应进行内表面温度验算和保温处理 C 其他异常部位保温 外墙角 外墙与内墙交角 楼地板或屋顶与外墙交角等应加强保温 靠近外墙0 5 1 0m宽的地面散热最大 因此 外墙周边地板采用局部保温措施 地面材料热工特性可用地面吸热指数B描述 B值越大 则地面从人脚吸取的热量愈多愈快 地面划分为3类 木地面 塑料地面等属于 类 用于高级居住建筑 托儿所 幼儿所 医疗建筑等 水泥砂浆地面属于 类 用于一般居住建筑 办公建筑等 水磨石地面属于 类 用于人们短时间逗留的房间 以及室温高于23 的采暖房间 2 1 3建筑防潮设计 1 围护结构内部冷凝受潮判断围护结构内部水蒸气的迁移现象称为蒸汽渗透 根据稳态条件下蒸汽渗透理论 可以判别围护结构内部是否会出现冷凝现象 其中左图水蒸气饱和压力Ps曲线与水蒸气分压力P线不相交 说明围护结构不会产生内部冷凝 右图中Ps线与P线相交 则在Ps小于P部位围护结构内部有冷凝产生 2 围护结构表面结露的防止和控制控制表面冷凝的主要措施有 利用保温材料 增加围护结构传热阻 进而提高其内表面温度 保证室内表面空气气流畅通 加强自然通风 选择具有一定调湿能力的内墙材料 高湿环境应考虑有组织引导表面冷凝水 比如 房间吊顶具有一定坡度 3 围护结构内部冷凝的防止和控制控制内部冷凝的主要措施 利用保温材料提高围护结构内部温度 材料层次的布置应使水蒸气渗透 难进易出 在保温层水蒸气流入的一侧设置隔气层 如沥青 卷材和隔气涂料等 设置通风间层或泄汽沟道使进入保温层的水分有出路 2 1 4建筑防热设计建筑防热设计就是为了尽量减少传入室内的热量并使室内热量尽快散出 防热设计宜根据当地气候特点 采用围护结构隔热 自然通风 窗户遮阳 绿化等综合措施 隔热就是减少由室外 高温 流向室内 低温 的热流 1 围护结构隔热设计1 屋顶隔热建筑围护结构隔热设计的重点是屋顶 隔热屋顶的构造有绝热层隔热屋顶 通风间层隔热屋顶 吊顶隔热屋顶 阁楼隔热屋顶 蓄水隔热屋顶和植被隔热屋顶 屋顶遮阳 浅色屋面可有效防热 通风屋顶长度不大于10m 间层高20 檐口兜风 蓄水面应有水生植物或浅色漂浮物 水深为15 20 有土种植屋面 土壤厚度10 左右 2 外墙隔热自然通风建筑外墙隔热设计重点是东 西墙 空调建筑各个朝向外墙隔热都重要 隔热外墙有空心粘土砖墙 砌块墙 通风墙与遮阳墙等 外墙遮阳和浅色外墙可有效防热 复合墙内侧应为重质材料层 通风间层10 宽 东西外墙用花格构件或绿化遮阳 2 自然通风设计1 热压和风压当较重的冷空气从进风口进入室内后 吸收了室内的热量后变成较轻的热空气上升从出风口排出室外 不断流入的冷空气在室内被加热后从建筑物的上部出风口排出就形成室内自然通风称为热压通风 图2 2热压作用下的自然通风 根据流体力学原理 当风吹向建筑物时 在迎风面形成正压区 在屋顶 两侧及背风面形成负压区 如果建筑物上设有开口 气流就会从正压区流入室内 再经室内流向负压区 图2 3风压作用下的自然通风 自然通风是热压和风压的综合结果 通常 风压通风队改善室内气候条件的效果比较显著 故应首先考虑如何组织风压来进行建筑防热设计 2 自然通风设计建筑群自由式 错列式和斜列式布局及建筑南北朝向有利于自然通风 穿堂风 房间进风口直对着出风口 会使气流直通 风速较大 但风场范围小 进 出风口错开 风场区域大 进 出风口相距太近 室内通风效果不佳 如果进 出风口都开在正压区或负压区墙面一侧或房间只有一个开口 室内通风较差 开口的高度低 气流才能作用到人身上 设辅助高窗可使顶部热空气散出 进出风口面积相等为宜 或进风口小一点 利用窗扇 水平挑檐 百叶板 外遮阳板及绿化可以挡风 导风 有效地组织室内通风 3 窗口遮阳设计窗口遮阳可防止直射阳光进入室内而引起室内过热 东 西向窗户是遮阳设计的重点 遮阳的效果可以用遮阳系数来评价 遮阳系数是指在直射阳光照射的时间内 透进有遮阳窗口的太阳辐射量与透进无遮阳窗口的太阳辐射量之比 遮阳系数越小 防热效果愈好 1 绿化与构件遮阳 合理选择树种 安排适当的位置植树或在窗外种植藤蔓植物就是绿化遮阳 构件遮阳如加宽挑檐 设外廊 阳台旋窗等 2 外遮阳 外遮阳比内遮阳防热效果好 固定遮阳板简单 成本低 便于维修 活动遮阳板可调节 除南向外 活动遮阳板均比固定遮阳板效率高 固定与活动 实体与绿化相结合的遮阳方式效率最高 固定外遮阳板的适用朝向及特性见下表 固定外遮阳特性3 内遮阳 窗帘 卷帘 百叶 活动百叶都可以起到内部遮阳的功效 内遮阳的防热效果不如外遮阳好 但内遮阳调节灵活 使用方便 内遮阳还可以控制眩光 提高私密性 有保温及装饰功能 建筑遮阳 构件遮阳的基本形式水平遮阳垂直遮阳混合遮阳挡板遮阳 2 1 5太阳能在建筑中应用太阳能是一种洁净的可再生能源 建筑中太阳能利用主要包括太阳能热利用 包括太阳能热水器 被动式太阳能建筑等 和太阳能光利用 包括光发电和自然采光 太阳能在建筑中应用也常分为被动式和主动式两类形式 1 被动式太阳能建筑被动式太阳能建筑 太阳房 就是不利用其他机械动力 只依靠太阳能自然供暖的建筑 白天直接依靠太阳能供暖 多余的热量用热容量大的建筑构件 如墙壁 地板等 蓄热槽的卵石 水等吸收 夜间通过自然对流放热 使室内保持一定的温度 达到采暖的目的 根据采暖方式的不同 被动式太阳能房可分为直接得热式 集热墙式和附加阳光间式 被动太阳能建筑 就地取材 技术简单 不耗费或较少耗费其他常规能源 其缺点是冬季平均供暖温度偏低 太阳房夏季应注意防止室内过热 三种类型被动式太阳能建筑示意 直接得热式集热墙式附加阳光间式 2 主动式太阳能热利用主动式太阳能热利用需要一定的动力进行热循环 它主要由太阳集热器 管道 储热装置 循环泵 热能交换器组成 主动式太阳能利用能够较好的满足住户的生活要求 可以保证室内采暖和供热水 甚至制冷空调 但设备复杂 投资大 需要消费辅助能源和电功率 而且所有的热水集热系统都需要设有防冻措施 主动式太阳热能利用系统示意 3 光伏发电系统与建筑一体化通常 光伏发电系统由太阳电池 方阵 板 储能装置 备用电源 辅助发电机或电网 以及负载组成 此外还有功率调节和控制装置 图2 6 光伏发电系统与建筑一体化是指太阳能发电设备或构件在建筑上利用 并做到了与建筑设计有机地结合 图2 7 图2 6简单的太阳发电系统 图2 7光伏发电通风屋顶 建筑光环境控制包括建筑采光设计和建筑照明两部分内容 建筑采光设计就是设法通过采光口使光线进入室内 2 2 1采光设计标准 1 基本光度单位光环境设计常用的基本单位有光通量 照度 发光强度和亮度 光通量 表示光源发出的光能的多少 单位为lm 流明 照度 表示照射到单位面积上光通量的多少 单位为lx 勒克斯 发光强度I是光通量的空间密度 单位为Cd 坎德拉 亮度L是发光体在视看方向上单位面积发出的发光强度 单位为Cd 坎德拉每平方米 2 2建筑光环境 2 采光标准在采光设计中 天然光指的是天空光 日光在通过地球大气层时被空气中的尘埃和气体分子扩散 使白天的天空呈现出一定的亮度 这就是天空光 它是建筑采光的主要光源 天然光变化快 不好控制 因此 我国 建筑采光设计标准 GB T50033 2001 规定 在采光设计中 天然采光标准以采光系数为指标 采光系数C是室内某一点直接或间接接受天空漫射光所形成的照度与同一时间不受遮挡的该天空半球在室外水平面上产生的天空漫射光照度之比 这样 不管室外天然光如何变化 室内某一点的采光系数是不变的 建筑采光设计标准 给出不同作业场所工作面的采光系数标准值 表2 3 表2 4 侧面采光采光系数标准采用最低值Cmin作为标准 顶部采光取采光系数平均值Cav作为标准 视觉作业场所工作面上的采光系数标准表2 3 我国幅员辽阔 各地光气候差别较大 因此 国家标准中将我国划分为 个光气候区 采光设计时 各光气候区取不同的光气候系数K 详见 建筑采光设计标准 表2 3和表2 4中采光系数标准值都是以 类光气候区为基准给出的 在其他光气候区 各类建筑的工作面上的采光系数标准值应为标准中给出的数值乘以相应的光气候系数所得到的数值 建筑的采光等级举例表2 4 1 采光均匀度采光均匀度为工作面上的最低采光系数与平均采光系数之比 顶部采光 级采光均匀度在0 7以上 对顶部采光 级和侧面采光无要求 2 眩光眩光是在视野中由于亮度的分布或范围不适宜 或存在极端的亮度对比 以致引起不舒适和降低物体可见度的视觉条件 眩光会影响人们的注意力 增加视疲劳 降低视度 甚至丧失视力采光视觉中 减小窗户眩光主要措施有 作业区应减少或避免直射阳光 工作人员的视觉背景不宜为窗口 为降低窗户亮度或减少天空视域 可采用室内外遮阳设施 窗户结构的内表面或窗户周围的内墙面 宜采用浅色粉刷 2 2 2建筑采光设计采光设计可分为被动式和主动式两类 被动式采光就是利用不同形式的采光窗进行采光 主动式采光是利用集光 传光等设备与控制系统将天然光传送到需要照明的部位 1 侧窗 侧面采光 侧窗采光的特点是房间的天然光照度随进深的增加而迅速降低 照度分布很不均匀 图2 8 为了有较好的采光均匀度 单侧采光房间的进深一般不超过窗高的1 5 2倍为宜 改善侧窗采光特性的措施 利用透光材料本身的反射 扩散和折射性能控制光线 使用固定或活动的遮阳板 遮光百叶 遮光格栅 2 天窗 顶部采光 顶部采光包括矩形天窗 锯齿形天窗 平天窗等 A 矩形天窗 普通矩形天窗是在屋架上架起一列天窗架构成的 窗户的方向与屋架相垂直 称为纵向天窗 如果将屋面板隔跨分别架设在屋架上弦和下弦位置 窗扇立在屋架外侧 紧贴屋架 这称为横向矩形天窗 其采光均匀度好 自然通风效果显著改善 B 平天窗 平天窗采光口位于水平面或接近水平面它的采光效率最高 约为矩形天窗采光效率的2 2 5倍透明的平天窗容易产生眩光 夏季会造成室内过热 所以 炎热地区平天窗要采取遮阳措施 平天窗采光 C 锯齿形天窗 锯齿形天窗的屋面倾斜 可以充分利用顶棚的反射光 采光效率比矩形天窗约高15 20 当窗口朝北向布置时 接受北向天空漫射光 光线稳定 因此减小了室内温湿度的波动及眩光 锯齿形天窗非常适用于美术馆 超市 体育馆及特殊车间使用 采光棚 2 2 3采光窗面积的确定采光窗口面积的确定 通常根据建筑空间的采光 通风 立面处理等综合要求 先大致确定窗口面积 然后根据房间的采光要求进行校验 验证是否符合采光标准值 采光计算方法很多 建筑采光设计标准 规定了一种简易图表计算方法 采光要求不十分精确时 利用窗地比可以估算出采光面积 窗地面积比是指窗洞口面积与室内地面面积之比 注 非 类光气候的窗地面积比应乘以光气候系数K 建筑声环境包括室内音质设计 建筑隔声和噪声控制三方面的内容 室内音质设计一般只限于各类厅堂如影剧院 音乐厅 体育馆 报告厅 教室 礼堂和各类多功能厅等 建筑隔声和噪声控制是各类建筑都存在的一个普遍性问题 声音源于物体的震动 正在发出声音的物体称为声源 空气中的声音就是在弹性媒质中传播的疏密波 常温下声波的传播速度为340m s 人耳可听到的声音频率范围为20Hz 20000Hz 根据波长 声速 频率的关系 相应的人耳可听到的声音波长范围为17 17m 声音是一种波动 在传播过程中 它具有反射 绕射 折射等现象 声波是能量的携带者 材料或结构对声音可以吸收 反射和透射 2 3建筑声环境 人耳所感受到的声音的强弱可以用A计权网络声压级来表示 简称A声级 声压级符号为Lp 单位为dB A 声压级的叠加按照对数运算法则进行 两个相等的声压级叠加 声压级只增大3dB 常见声源A声级 阈 YU 泛指界限或范围 2 3 1吸声材料与吸声结构 1 多孔吸声材料多孔吸声材料是主要吸声材料 它具有良好的高频吸声性能 最初是以麻 棉 毛等有机纤维材料为主 现在大部分由玻璃棉 超细玻璃棉 岩棉 矿棉等无机纤维材料代替 除了棉状的以外 还可用适当的粘着剂制成的板材或毡片 1 多孔吸声材料的特点多孔吸声材料具有大量内外连通的微小间隙和连续气泡 因而具有一定的通气性 当声波入射到材料表面时 声波很快地顺着微孔进入材料内部 引起空隙间的空气振动 由于摩擦 空气粘滞阻力和空隙间空气与纤维之间的热传导作用 使相当一部分声能转化为热能而被吸收掉 所以多孔材料吸声的先决条件是声波能很容易进入微孔内 因此不仅材料内部 而且在材料表面上也应当多孔 如果多孔材料的微孔被灰尘污垢或抹面油漆等封闭时 会对材料的吸声性能产生不利影响 常用的多孔吸声材料有玻璃棉 矿渣棉 泡沫塑料 各种轻质纤维板 木丝板 微孔吸声砖吸声粉刷 目前又有压铸铝纤维吸声板 是绿色防火 防潮的吸声材料 2 影响多孔材料吸声系数的因素多孔材料的吸声性能与材料的表观密度和内部构造有关 在实际应用中 多孔材料的厚度 容重 材料背后是否有空气层以及材料表面的装饰处理等 都对其吸声性能有影响 A 材料厚度的影响 多孔材料的吸声系数 一般随着厚度的增加而提高其低频的吸声效果 而高频影响不显著 但材料厚度增加到一定程度后 吸声效果的提高就不明显了 所以为了提高材料的吸声性能而无限制地增加厚度是不适宜的 B 材料密度的影响 改变材料的密度可以间接控制材料内部微孔尺寸 通常多孔材料密度的适当增加 意味着微孔的的减少 即孔隙率的减少 能使低频吸声效果有所提高 但高频吸声性能可能下降 多孔吸声材料的孔隙率一般在70 以上 多数达90 C 背后空气层的影响 当多孔吸声材料背后留有空气层时 与该空气层用同样的材料填满的效果近似 所以可利用空气层 既提高吸声系数又节省吸声材料 D 材料表面装饰处理的影响 在建筑装修中为了改善材料吸声性能的要求 常常要进行表面装饰处理 如表面钻孔 开槽 粉刷 油漆 利用其他材料护面 吸声材料表面的空洞和开口孔隙 对吸声也是有利的 当材料吸湿或表面喷涂油漆 孔口充水或堵塞 会大大降低吸声材料的吸声效果 E 声波的频率和入射条件 多孔材料的吸声系数随着频率的提高而增大 对于通常实用的厚度 5 左右 中高频有较大的吸声系数 吸声系数还与入射条件有关 垂直和斜入射是比较特殊的 实际情况多是无规入射 高温高湿也会影响到吸声性能 这是由于吸湿吸水后 材料中孔隙率减少 使高频吸声系数降低 随着含湿量的增加 其影响的频率范围便进一步扩大 2 薄板 薄膜吸声1 薄板吸声构造任何一种不透气的材料装在墙壁上并保持一定的空气层 就成为板状吸声构造 当声波撞击板面时便发生振动 板的挠曲振动将吸收部分入射声能 并把这种声能转变为热能 把胶合板 硬质纤维板 石膏板 石棉水泥板等板材周边固定在框架上 连同板后的封闭空气层 也构成振动系统 系统的弹性除与空气密度 板的单位面积质量和空气层厚度有关外 还受薄板的结构刚度影响 薄板的刚度与板的弹性 骨架构造 安装情况有关 就同一种材料来说 板越薄 支承它的龙骨间距越大 刚度因素值就越小 不同的材料 即使构造 尺寸相同 刚度因素也往往不同例如 板厚都是6 龙骨间距都是450 安装方法都一样 某种石膏板的刚度因素值约为1 106 S2 而另一种石棉水泥板的刚度因素值约为2 5 106 S2 一般板材刚度因素值约为1 106 3 106 S2 在板与刚性壁之间空气层的厚度值较小 几厘米 时 它对共振频率影响较大 适当改变板与刚性壁之间空气层的厚度值 可在一定程度上调整吸声频率范围 但是 当板与刚性壁之间空气层的厚度值较大 超过100 时 吸声范围就几乎与空气层无关 建筑中薄板结构共振频率多在80 300Hz之间 其吸收系数约为0 2 0 5 因而可以作为低频吸声构造 多孔吸声材料 在厅堂内表面的装饰构造中 下列薄板吸声能有效地吸收低频 木板和硬纸板 石膏板 悬吊式抹灰顶 硬塑料板 拉毛干灰板 窗 门 玻璃 木地板 木讲台 金属板散热器等 为了使吸声构造耐磨经用 很多非穿孔的薄板吸声构造都设在墙壁的较低部分作为墙裙的装饰 2 薄膜吸声构造皮革 人造革 塑料薄膜等材料具有不透气 柔软 受张拉时有弹性等特性 这些薄膜材料可与其背后封闭的空气层形成共振系统 用以吸收共振频率附近的入射声能 共振系统的弹性与膜所受的张力和背后空气层的弹性有关 薄膜吸声结构频率通常在200 1000Hz范围最大吸声系数约为0 3 0 4 一般把它作为中频范围的吸声材料 3 空腔共振吸声空腔 亥姆霍兹 共振器 是一个内部为硬表面的封闭体 连接一条颈状的狭窄通道 以便声波通过狭窄通道进入封闭体内 它是一个封闭的空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构 各种穿孔板 狭缝板背后设置空气层形成吸声结构 根据其的吸声机理 均属于空腔共振吸声结构这类结构的材料可用穿孔的石棉水泥板 石膏板 硬质纤维板 胶合板以及钢板 铝板等 使用这些板材和一定的结构做法 可以很容易的根据要求来设计所需的吸声特性并在工程中达到设计要求 而且 材料本身具有足够的强度 所以这种吸声结构在建筑中使用比较广泛 空腔共振器可分为 单个吸声体 穿孔板共振器 窄缝共振器 空腔共振吸声构造 是在构造中封闭有一定体积的空气 并通过开口或小孔与声场空间连通 如亥姆霍兹共振器 各种穿孔板 如穿孔石膏板 金属板 纤维水泥板 木板等 狭缝板等背后设置空气层形成的吸声构造 亥姆霍兹共振器 如图3 5 a 所示 可用石膏浇筑 或采用专门设计的带孔径的空心砖或空心砌块 由封闭空腔通过开口与外部空间相联系 其吸声原理可用图3 5 b 说明 当孔深t和孔径d比声波波长小得多时 孔径中空气柱的作用类似于质量块 而空腔V比孔径大得多 其作用相当于空气弹簧 于是形成一共振系统 弹簧质量块系统 当外界入射声波的频率和系统的固有频率相等时 孔径中的空气柱由于共振而剧烈振动并与孔壁摩擦从而消耗声能 穿孔板吸声构造可看成是许多并联的亥姆霍兹共振器 如图3 5 c 所示 1 单个空腔共振器单个空腔共振器可以是规格不一的空的陶土容器 中世纪有些国家的教堂已经采用 它们的吸声范围为100 400Hz 按一定的级配搅拌的混凝土制造的带狭窄槽空腔的标准砌块 称为吸声砌块 这种砌块就是一种空腔共振器 由于砌块不需作吸声处理 所以是一种控制混响或噪声的经济方法 低频时 砌块的吸声量最大 高频时减少 砌块表面可以涂油漆 不影响它们的吸声效果 这种砌块的最大优点是坚固耐久 适用于体育馆 游泳池 工业厂房 交通运输终点站和比地面低的公路等 2 穿孔板共振器把穿孔板与墙壁隔开一定距离安装 将板后空气层划分为许多小空腔 每一个开孔与背后一个开孔小空腔对应 充分利用空腔共振器的吸声原理 形成许多并联的亥姆霍兹共振器 穿孔板厚度 穿孔率 孔径 孔距 背后空气层厚度 以及是否填充多孔吸声材料等 都直接影响吸声结构的吸声性能 市场上已有穿孔吸声板为穿孔铝合金板 胶合板 硬质纤维板 石膏板 石棉水泥板 薄钢板 将周边固定在龙骨上并在背后设置空气层或填充多孔材料而构成 这种吸声结构在现代装饰工程中普遍使用 它对某些频率进行有选择的吸收 同样的吸声结构在板后直接铺厚2 5 5 0 的岩棉 玻璃棉时的吸声特性 吸声系数普遍增大 因为在高频范围主要靠多孔材料吸收 而各种多孔吸声材料高频的吸收差别不大 吸声系数都很大 因此在高频范围 结构的吸声系数主要取决于穿孔率的大小 穿孔率越大 吸声系数越大 防火波浪海绵防火波 图2 15穿孔板构造中背衬材料位置对吸声特性的影响 3 窄缝共振器用木 金属或硬塑料做成的条板 用带有开口缝隙或外露槽口的空心砌块来装饰墙面 后面填充毛毡等多孔吸声材料 构成一种窄缝吸声构造 它的作用与穿孔板共振器很相似 窄缝象颈状在后面构成空腔 所有的缝隙起透声作用 它的面积最少应占总面积的35 这种吸声构造由于处理手法可以灵活多变 有利于空间造型处理 4 空间吸声体空间吸声体用穿孔板材 钢 铝 硬纸板条 作成各种形状如板形 棱柱体形 立方体形 球形 圆柱体形 单锥和双锥壳体形 通常填充或衬贴玻璃棉 矿棉 适用于噪声很大的工厂 板式空间悬挂吸声体 布艺柱形吸声体 5 可变吸声体对于某些功能需要转换的空间 其声学要求也将随使用功能而变化 因此 某种固定的吸声做法难以满足变化的要求 这时可以利用可变吸声体进行声音的吸收与反射之间的转换 常用的可变吸声体有伸缩式帘幕 旋转式吸声板 平移式吸声板 铰链式吸声板 旋转式圆柱体等形式 帘幕吸声体是利用具有通气性能的纺织品 安装在离墙面或窗洞一定距离处 背后设置空气层 这种吸声体对中 高频都有一定的吸声效果帘幕吸声体安装 拆卸方便 兼具装饰作用应用价值较高 纺织品中除了帆布一类因流阻很大 透气性差而具有膜状材料的性质以外 大都具有多孔材料的吸声性能 只是由于一般这类织物较薄 吸声效果比厚的多孔材料差 若幕布 窗帘等离墙面 窗玻璃有一定距离 恰如多孔材料背后设置了空气层 尽管没有完全封闭 对中高频甚至低频仍具有一定的吸声作用 人和家具实际上也是吸声体 例如室内的桌 椅 柜和被服都具有一定的吸声能力 有的是多孔材料 有的是薄板吸声结构 人的穿着不同 吸声能力也有所差别 一般的吸声材料和结构可按其吸声系数和有效面积的乘积求得吸声量 吸声单位 它的单位是 但是 人和家具很难计算吸声的有效面积 所以其吸声特性用每个人或每件家具的吸声量表示 它们与个数 或件数 的乘积即为总吸声量 2 3 2噪声控制 1 噪声的危害与评价广义的噪声定义为 凡人们不愿听的各种声音都是噪声 从物理学的角度来看 噪声是指由频率和强度都不同的各种声音杂乱地组合而产生的声音 城市噪声来自交通噪声 工厂噪声 施工噪声和社会生活噪声 其中交通噪声的影响最大 范围最广 噪声的危害是多方面的 噪声可以使人听力衰退 严重的可导致噪声性耳聋 噪声会引起多种疾病 会影响人的正常生活 使劳动生产率降低 此外 国外还有极强的噪声损坏建筑物的报道 城市区域环境噪声标准 民用建筑隔声设计规范 建筑施工场界噪声限值 铁路边界噪声限值及其测量方法 机场周围飞机噪声环境标准 和 工业企业噪声卫生标准 等标准给出了城市不同区域和不同建筑内部的噪声级允许标准 2 居住区内交通干道噪声控制居住区内交通干道噪声控制措施有 一是把交通干道设计成地下或半地下 另一个就是利用隔声屏障来降低噪声 这里重点介绍利用隔声屏障的噪声控制措施 隔声屏障是用来遮挡声源和接收点之间直达声的措施 隔声屏障对波长短的高频声降噪明显对波长较长的低频声隔声效果较差 隔声屏障所用材料多种多样 如砖石和砌块砌筑 混凝土板木板 钢板 玻璃钢声屏障 隔声屏障有直立式吸声直立式 上端倾斜式 T形 Y形等 隔声屏障宽度应为高度的2倍以上 此外 在居住区交通干道噪声控制中要灵活地利用土堤 围墙 建筑物 路堑的挡土墙等自然声屏障 绿化林带也是一种常用的降噪方法 防噪绿带宜选用常绿的或落叶期短的树种 高低配植成林带 林带树木茂密 树间杂草丛生 才能起到减噪作用 3 建筑室内噪声控制利用隔声 吸声降噪和消声等技术措施可以有效地控制室内噪声 使用隔声墙或楼板等构件 隔声罩 隔声间 隔声幕等技术能降低噪声级20 50dB 对于内部为清水墙或抹灰墙面以及水泥或水磨石地面等坚硬材料的房间 如在室内天花或墙面上布置吸声材料或吸声结构 可使混响声减弱 这时 人们主要听到的是直达声 那种被噪声 包围 的感觉将明显减弱 这种利用吸声原理降低噪声的方法称为 吸声降噪 吸声降噪只能降低混响声 而对直达声无效 因此 吸声降噪效果不大于15dB 4 隔振设计为了减弱设备运行时产生的振动以及振动引起的固体声 必须对设备进行隔振设计 设备隔振一般包括设备基础隔振和管道隔振两部分内容 在振源 设备 与基础之间配置隔振器和隔振垫 可有效地控制振动 从而减低由建筑结构传递的振动和固体声 常用的隔振器有金属螺旋弹簧 金属碟形弹簧 不锈钢钢丝弹簧 橡胶隔振器及金属丝隔振器 常见的隔振垫有橡胶垫 玻璃棉板 矿棉毡 软木板 海绵 泡沫塑料等 金属弹簧适用于扰动频率较低的风机和空压机 橡胶隔振器和橡胶垫适用于扰动频率较高的水泵和冷冻机组 管道隔振是通过设备与管道之间的软连接 即弹性连接 实现的 目前常用的隔振软管有橡胶软管 可挠曲橡胶软管及不锈钢波纹软管等几类 金属螺旋弹簧 橡胶弹簧 碟形弹簧 阻性消声器 中高频消声 2 3 3室内音质设计在剧场 音乐厅等以听闻作为主要功能的建筑 音质设计是建筑设计的关键 厅堂音质评价指标包括主观评价指标和客观指标两类 主观评价标准有合适的响度 高清晰度 足够的丰满度 良好的空间感 无回声等声缺陷以及低背景噪声等 客观评价指标有标志压级Lp 混响时间T60 反射声的时间 空间分布和背景噪声级 厅堂音质设计的目的就是满足听闻者的要求 2 厅堂音质设计策略 观众厅平面形状 较高视听要求 室内音质设计原理为了创造良好的室内听音环境 需做好室内音质设计 房间的音质设计最终体现在建筑的体型 尺寸 构造和材料布置等方面 并与建筑的各种功能要求 建筑艺术处理有密切的关系 因此 音质设计工作应在建筑设计一开始即应同时进行 贯穿于设计和施工的全过程中 并要经过必要的测试及相应的调整 修改 达到预期效果 第一节 音质的评价标准一个对听音有要求的房间 其音质是否良好 最终要看是否满足使用者 听众和演员的听闻要求 这种要求 对于语言和音乐是不一样的 但一般可归纳为以下四个方面 由于这些要求涉及到人们主观听闻的反映 所以我们称其为 主观听闻要求 主观听音要求1 合适的响度 要求声音和音乐有足够的响度 它们的响度应高于环境噪音 或者说背景噪音 2 高的清晰度 语言的清晰度一般不需要每个字都听清楚 因为有一个连贯的原因 一般用语言可懂度来表示 即 听者听到的音节与测定所用音节的百分比 简单的说 测试100个字 测试者听懂多少个字 音乐的清晰度有两个方面的含义 其中之一 可以清楚的区分每种声音的音色 之二 可以听清楚每一个音符 分清楚节奏和旋律 3 足够的丰满度 通常认为 语音悠扬 饱满浑厚 4 无回声和噪声干扰 回声的出现让人感到讨厌 影响注意力的集中 时间长了还回促使听力疲劳 上述各点均属于人们在主观听音感觉上的要求 是音质设计要达到的最终目标 二 客观的声学技术指标最早的反映客观的声学技术指标的是 混响时间 当时人们认为它是衡量室内音质的唯一的标准 随着声学测定技术的发展 许多人力图通过研究 找到能独立于混响时间的新的技术指标 经过研究 得到以下几点规律 下面简单地介绍一下 1 脉冲声响应的分析 我们知道 声波是一个一个的脉冲波 听众听到的声波都是由直达的脉冲声和一系列的反射脉冲声组成的 直达声与声源距离成反比来衰减 就是说 离声源的距离越长 声波的能量越小 我们已经介绍过声波是有速度的 一般地 我们认为反射声在50ms 毫秒 内到达者的反射声可以使直达声加强 这是人的耳朵生理特点所决定的 如果超过50ms人耳就会感觉声音产生断续的 因此 一般将50ms后经过多次反射到达人耳的声音叫做混响声 3 脉冲声响应对响度的影响 响度的大小主要决定于直达声与前次反射声的强度 而混响时间对短促的声音增加不了多少 据研究 在直达声后20 30ms的比较强的反射声作用最明显 最大界限不应超过50ms 4 脉冲声响应对清晰度的影响 声音的清晰度决定于直达声和前次反射声对混响声部分的比例 室内混响时间的长短并不是影响清晰度的唯一因素 减弱它只是使清晰度更有保证 5 脉冲声响应与回声 噪声干扰 回声的出现是由于长时差的强反射声突出混响时间而形成的 噪声可以对正常听音产生干扰和掩蔽作用 对于观众厅 可以分为内部噪音和外部噪音 外部噪音主要靠建筑设计和内部的声学装饰设计 内部噪音主要指室内的观众噪音和机械设备的运行噪音 因此 为减少内部噪音 除要求观众保持安静外 主要要提高直达声和反射声的水平 而对于机械噪音 我们通过提高其运行质量 减少振动 综上所述 在音质设计过程中 应根据房间的具体使用要求 如主要用于语言 音乐还是综合使用 做到充分利用直达声 合理地分布前次反射声 正确的控制混响声 这就有可能达到主观听音的要求 第二节 房间的容积确定室内音质设计首先应根据建筑功能和声学要求来确定房间的容积 房间容积的大小不仅影响到音质效果 同时也影响到建筑造价和其他功能 如通风 卫生要求等 因此 应综合考虑 从声学角度来确定房间容积 一般应按保证有足够的响度与合适的混响时间这两方面的要求的考虑 1 保证足够的响度人发出的自然声功率较弱 房间容积很大时 随着与声源的距离增加 直达声将有较大的衰减 对于不用扩声设备的讲演厅等一类建筑 为保证有足够的响度 一般要求其容积不大于2000 3000M3 约容纳700人 而采用扩声设备时 则容积不受限制 对于歌唱及乐器演奏 由于声功率较大 可以允许房间有较大的容积 如不采用电声设备的音乐厅 在充分利用直达声和反射声的房间 可以使容积达到20000M3 在不用扩声设备时最大允许各类房间的容积 2 保证合适的混响时间塞宾公式 T60 K V A 2 4 其中 T60 混响时间s K 常数 一般取0 161 V 房间容积 M3A 室内的总吸声量 从混响时间的计算公式来看 房间容积和观众人数在声音的混响控制在很大程度上控制了混响时间 在实际工程中 常用每座容积V n 这一指标 单位为M3 座 根据经验 为了达到适当的混响时间 对各类房间可采用以下容积建议值 各类房间每座容积建议值 由此表格可以查出每种使用性质的声学用房的容积 求出层高 第三节 房间的体型设计房间的体型设计对室内音质有很大影响 它涉及直达声 前次反射声的控制 利用等问题 而且又具体体现在房间的形式 尺寸 构造 室内顶棚 墙面等界面的形式及尺寸比例等方面 在设计上常又遇到与建筑的使用和艺术处理的矛盾 一般的 在体型设计上应注意的主要问题 1 充分利用直达声 2 争取和控制直达声 3 消除可能出现的声学缺陷 一 充分利用直达声1 减少直达声的传播距离并考虑声源方向性的影响 为了充分利用直达声 应在平面设计中使用听众尽量靠近声源 所以座椅的最后一排距舞台应尽量缩短 2 避免直达声被遮挡和被观众掠射吸收 当观众厅地面没有升起或升起很少时 直达声将被遮挡或掠过观众的头部到达后部观众 声能将被大量吸收 根据计算 观众厅座位地面升起的幅度每排应不小于8cm 这与视线要求相一致的 二 争取和控制前次放射声如前所述 前次放射声主要是指直达声后50ms后到达的反射声 如果以声音的传播距离计算 约相当于17M的路程 声速以340m s 根据声波传播路线分析 一些没有从声学要求考虑的房间 往往是顶棚和侧墙面的一次反射声为得到合理的利用 造成不良的音质效果 因此 我们在处理时 在顶棚做放射角度不同的造型顶棚 使声波能够均匀反射到观众厅的每个角落 最后需要指出的是 在一般剧场的后部 特别是楼座后部 其音质效果往往一楼中前部好 就是因为这里聚集了大量来自与顶棚和墙面的前次反射声 同时为防止后墙面再次反射而干扰下一次的反射声 需要在这些部位做强的吸声处理 三 前次反射声的控制措施1 调节反射面的倾斜角度 利用几何作图法可以在平面和立面上作图可以求得声音反射所覆盖的区域 从而调整墙面和顶棚的倾斜角度 2 减小一次反射声至声源的距离 降低顶棚高度和减小两侧墙面的距离 可以缩短反射声的延迟时间 但大型的会堂和剧场中 为了容纳更多的观众 房间容积会很大 顶棚和墙面离声源距离较远 为了解决这一矛盾 我们考虑在舞台上方接近台口的地方布置悬挂的反射板 来调整角度和面积来增加放射到全场的一次反射声 在一些专供音乐演出的音乐厅和大型演播室往外在舞台和乐池的侧面 顶棚和后部布置喇叭形的声音反射板 调整好角度后不仅可使声音均匀的反射到观众区 还可以使大型交响乐团的各个演奏者之间能够相互听闻 促使整个乐队有和谐一致的演奏效果 3 增加扩散反射 房间做凸凹不平的表面处理 由于其不规则的反射作用 可将声音均匀扩散到整个室内 例如 不规则的几何扩散墙面 壁柱 雕刻 跌级的藻井 大的吊灯等等 实践证明 这些处理有利于提高音质的效果 在赛宾公式的基础上 后人通过研究又做了某些修正 导出了在工程中普遍应用的伊林 努特生 Eyring Knud sen 公式 T60 0 161V SLn 1 4Mv 2 5 其中 S 室内总表面积M2 室内平均吸声系数 4m 空气吸收系数在计算混响时间时 为了求得各个频率的混响时间 需将材料对各频率的吸声系数代入公式 通常我们取125 250 500 1000 2000 4000Hz六个频段的数值 需要指出的是 在观众厅内 观众和座椅的吸收 通常用每个座椅所具有的吸声量乘以总个数 2 4建筑空气质量2 4 1室内空气质量概念室内空气环境是人们接触最频繁 最密切的外环境之一 人们约有80 的时间在室内度过 一个成年人平均每天吸入15 空气 人5分钟不呼吸空气就会导致死亡 室内空气质量的优劣对人们的健康和舒适至关重要 20世纪70年代 国外发现了 建筑病综合症 SBS 的存在 由此 世界各国逐渐重视室内空气质量研究和控制 1996年美国采暖 制冷和空调工程师协会提出了 可接受的室内空气质量 IAQ 和 感受到的可接受的室内空气质量 等概念 其中 可接受的室内空气质量 定义为 空调房中绝大多数人没有对室内空气质量表示不满意 而且空气中没有已知污染物达到了可能对人体健康产生严重威胁的浓度 感受到的可接受的室内空气质量定义为 空调房中绝大多数人没有因为气味或刺激性表示不满意 它是达到可接受的室内空气质量的必要而非充分的条件 2 4 2室内空气污染与人体健康 1 室内化学污染在我国和大多数发展中国家 化学性污染物是室内最主要的污染物 1 燃烧产物造成的污染燃烧产物造成的污染主要由室内燃烧 烹调油烟以及吸烟等活动产生的污染 燃煤和生物性燃料污染物主要包括颗粒物 SO2 二氧化硫 CO 一氧化碳 CO2 二氧化碳 NOx 鍩 以及多环芳径类物质对人体呼吸系统的危害较大 烹调油烟中含有杂环胺 苯并笓等多种致癌化合物 会引起呼吸功能下降 导致呼吸系统疾病患病率增加 环境烟草烟雾可以增加室内苯的浓度 被动吸烟者患肺癌和心血管疾病的危险度增加 EnvironmentTobaccoSmoke 简称ETS 世卫组织 框架公约 第八条所涉及烟雾类型 环境中的烟草烟雾是室内空气污染物的一个主要的来源 2 室内装修和家用化学品污染室内装修和家用化学品污染主要由建筑材料装饰材料 胶粘剂 化妆品 消毒剂 杀虫剂等化工产品产生的污染 污染物主要以挥发性有机物 VOCS 和甲醛为主 这类污染物对皮肤 眼 鼻 咽喉有强烈的刺激 甲醛会使人体神经系统 呼吸系统的疾病发生率增加 挥发性有机物中的苯系物 如苯 甲苯 会致癌 引起中枢神经抑制和白血病等 3 空调引起的二次污染空调引起的二次污染可以产生 空调综合症 如疲乏 头痛 胸闷 嗜睡 易感冒等症状 军团病 由军团菌引起的类似于肺炎症状 和建筑病综合症 SBS如头晕 头痛 恶心 易疲劳 呼吸困难 皮肤以及黏膜干燥等症状 而离开该建筑物后 症状则可消退 4 其他污染室内臭氧O3主要源于复印设备 O3暴露可使肺功能水平降低 可促使支气管超敏性发展 室内铅Pb主要来源于电池 油漆和复印机等 长期低水平铅暴露可导致中枢神经和周围神经损伤 认知障碍 慢性贫血 发育迟缓 听力损伤 2 室内微生物污染室内微生物污染包括细菌 病菌 真菌 支原体 螨虫等 室内微生物污染物的主要危害是人类呼吸道传染病的传播 3 室内放射性污染室内放射性污染主要指土壤 岩石和建筑材料中的氡 Rn 氡暴露可导致肺癌 2 4 3室内空气质量标准国家标准 室内环境质量标准 GB T18883 2002 规定了住宅和办公建筑室内空气质量参数及检验方法 见P44 表2 8 2 4 4室内空气污染控制 1 污染源的控制消除或减少室内污染物是改善室内空气品质最经济最有效的途径 具体如在室内减少吸烟 燃烧过程 进行燃具改造 减少气雾剂 化妆品使用 控制能够给环境带来污染的材料 家具进入室内 源头控制的策略主要是选择和开发低污染的建筑装饰材料 大量使用绿色建筑装饰材料 绿色建筑材料是采用清洁生产技术 少用天然资源和能源 大量使用工业或城市固态废弃物生产无毒害 无污染 无放射性 有利于环境保护和人体健康的建筑材料 正确勘察选择建筑物的地基可以避免氡污染 沙土透气性太强有利于氡的进入 不透气性泥土利于防止氡污染 住宅建在泥土上为宜 2 室内通风换气消除室内空气污染最经济 最有效的方式是通风换气 通风是指将 新鲜 空气导入人所停留的空间 以除去室内污染物 余热和余湿 通风不畅 室内新风不足 是室内污染的主要原因 国内外实例表明 建筑病综合症的重要原因就是新风量不足 一般家庭居室内 每人每小时需要新风量约为30m3 即30m3的房间仅有一人时 每小时也要换气一次 3 采用空气净化装置室内污染控制可以降低室内空气污染程度 但很难完全避免污染 通常对于室内空气可以利用净化的方法降低污染物浓度 常用的方法可分为物理法 化学法和生物法 室内空气净化器一般可分为机械式 静电式 负氧离子式 物理吸附式 化学吸附式 组合式 1 机械式室内空气净化器机械式室内空气净化器采用多孔性过滤材料如无纺布 滤纸和纤维材料等 把气流中的颗粒物截留下来 使空气净化 它除尘效率高 容尘量大 使用寿命长 一般家庭和办公室室内空气中颗粒物浓度很低 可以较长时间不用更换过滤材料 静电式室内空气净化器 负氧离子空气净化器 2 静电式室内空气净化器利用阳极电晕放电原理 使气流中的颗粒物带正电荷 然后借助库仑力的作用 将带电颗粒物捕集在集尘装置上而净化空气 其除尘效率高达90 以上 能够捕集小于0 01 0 1 m左右的微粒 但需要高压电源 集尘量小 一般1 2周需将积尘装置清洗一次 3 负氧离子空气净化器用人工方法造成的强电场 使空气中的中性分子失去一个外层电子 该分子成为基