浮筑地坪在高层建筑中的应用

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  【摘要】中国目前超高层项目越来越多,为了避免生活管网压力过大,也为了节能,在避难层和设备层设置生活给水泵房是通常的做法。但由于泵组运行过程中有较大的噪音和振动,对泵房上下层,以及毗邻的居住办公用房产生极大的干扰,屡被业主投诉,因此2019版GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》中3.8.11条和GB 50788-2012《城镇给水排水技术规范》中3.6.6 条都规定,给水加压、循环冷却等设备不得设置在居住用房的上层、下层和毗邻的房间内。特别是GB 50788-2012《城镇给水排水技术规范》把给水泵房不得设置在居住用房的上、下层和毗邻房间内作为国家强制性条文。让建筑给排水设计师在设计过程中感觉非常棘手。
  【关键词】噪声限值; 振动级别; 隔振降噪; 浮筑地板
  【中国分类号】TU976+.4【文献标志码】A
  1 国家规范要求
  (1)2019年6月国家新的GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》发布,其中3.9.1.5条规定,水泵噪声和振动应符合国家现行的有关标准的规定。规范条文解释是这样的,“生活给水系统选用的加压水泵应控制产品自身的噪声和振动。现行行业标准GB/T29529-2013《泵的噪声测量与评价方法》与GB/T29531-2013《泵的振动测量与评价方法》分别将水泵运行的噪声和振动从小至大分为A、B、C、D四个级别,其中D级为不合格水泵。现行行业标准CJJ140-2010《二次供水工程技术规程》中规定,居住建筑生活给水系统选用水泵的噪声和振动应分别满足现行行业标准GB/T29529-2013《泵的噪声测量与评价方法》与GB/T29531-2013《泵的振动测量与评价方法》中的B级要求,公共建筑给水系统选用水泵的噪声和振动应分别满足现行行业标准GB/T29529-2013《泵的噪声测量与评价方法》与GB/T29531-2013《泵的振动测量与评价方法》中的C级要求。”
  (2)GB 50788-2012《城镇给水排水技术规范》中3.6.6条给水加压、循环冷却等设备不得设置在居住用房的上层、下层和毗邻的房间内,不得污染居住环境。另根据GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》中3.9.9条民用建筑物内设置的生活给水泵房不应毗邻居住用房或在其上层或下层,水泵机组宜设在水池(箱)的侧面、下方,其运行噪声应符合现行国家标准GB 50118-2010《民用建筑隔声设计规范》的规定。
  (3)GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》中 5.5.10 消防水泵不宜設在有防振或有安静要求房间的上一层、下一层和毗邻位置,当必须时,应采取下列降噪减振措施:①消防水泵应采用低噪声水泵;②消防水泵机组应设隔振装置;③消防水泵吸水管和出水管上应设隔振装置;④消防水泵房内管道支架和管道穿墙和穿楼板处,应采取防止固体传声的措施 ;⑤在消防水泵房内墙应采取隔声吸音的技术措施。
  (4)在超高层项目中,设备层需要设高区生活泵和高区消防泵,在酒店和公寓的项目中,转输机房要避开上下层的居住用房难度较大,如果取消泵房上下层的居住用房,无论是公寓还是酒店客房,对建设方来说都是很大的损失。就此问题,上海华东建筑设计研究院在2019年向《城镇给水排水技术规范》编制组发过一个咨询函,询问在超高层建筑避难层设有给水加压、循环冷却等设备的机房内,采取浮筑地坪及机房内的四周和顶板采用隔声处理,且机房内的管道均采用一定静挠度的钢制弹簧支吊架,作为减振降噪措施,是否能满足GB50788-2012《城镇给水排水技术规范》其中第3.6.6条规定《城镇给水排水技术规范》编制组回复说如避难层上层及下层均为居住用房,也可采用在避难层内设置浮动地坪隔振隔音系统,机房内四周及顶板采用隔声处理,机房内的管道采用隔振支吊架。管道穿越顶板、浮动地坪及墙体时,应采取隔声处理。规范组认可采用浮筑地板技术解决毗邻居住用房的泵房降噪隔振问题。
  2 振动及噪声的形成
  要解决水泵机组的噪声和振动问题,首先要清楚这个噪声和振动是如何产生和传递的。声波与振动是紧密相关的,机械振动常常引起声辐射,物体振动时激励着它周围的空气质点振动,由于空气具有惯性和弹性,在空气质点的相互作用下,振动物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀,并且逐渐向外传播而形成声波。人能听到的声的频率范围大约为20~20 000 Hz,其强度范围大约为0~130 dB。水泵噪声属于物理性质上的噪声,综合来讲,水泵噪声就是水泵在运行时产生的不规则的、间歇的、连续的或随机的噪声。水泵噪声与日常生活接触的工业噪声、交通噪声不相同,它的噪声频谱呈中低频性,其高频噪声较小,在低频段常有一个噪声峰值,其总声级一般在85~95 dBA。低频噪声的特点就是衰减缓慢、声波较长、其衍射波能轻易绕过障碍物,所以低频噪声不易处理。
  水泵房的噪声是由水泵运行时的机械噪声,水泵基础及支撑与地面相连接,管道与墙壁及天花板刚性连接产生以固体形式传递的噪声,管道内水输送流动产生的综合噪声源。水泵运行时的机械噪音为水泵系统运行时对声环境的影响,主要是水泵和管路系统产生的空气噪声辐射和结构噪声传导。 具体表现在以下几个方面:
  (1)水泵运行过程中,泵壳及驱动水泵的电机均向周围辐射空气声。
  (2)水泵的振动和噪声以弹性波的形式通过设备基础、管道支架等传递至建筑结构,并经建筑结构传递出去,迫使建筑结构或建筑结构上的附着物振动发声,固体声随距离的衰减很小,通常能影响整个楼层。
  (3)水泵的噪声在空气中传播,并能通过窗户、楼板等传播至室内。
  3 噪声评定与振动控制
  水泵房隔振降噪,首先要满足水泵自身的隔振降噪要求,即根据GB/T29529-2013《泵的噪声测量与评价方法》与GB/T29531-2013《泵的振动测量与评价方法》的要求,水泵运行的噪声和振动都不能低于C级。   3.1 水泵噪声评定
  (1)水泵输出功率Pu:
  Pu =ρgQH/1000 kW
  式中:ρ为液体密度(kg/m3);g为重力加速度(m/s2);Q为流量(m3/h);H为扬程(m)。
  (2)水泵A、B、C三个等级的噪声限值:
  LA =30+9.7 lg(pun),
  LB =36+9.7 lg(pun),
  LC =42+9.7 lg(pun)
  式中:Pu为泵的输出功率(kW); n为泵的规定转速(r/min)。
  (3)评价表面的半径R:
  式中:l1,l2分别为基准体(恰好包络声源且终止于一个或多个反射面上的最小矩形平行六面体假想表面)的长和宽(m); h为与泵的中心高有关(m)。
  (4)半径为R的评价表面上的声压级LPA:
  式中:LpA为半径为R的评价表面上的声压级(dB); LWA為泵声源的声功率级 (dB); R为规定的评价表面的半径(m); R0为基准半径(1m)。
  (5)泵的噪声评价:
  当LpA≤LA 的泵噪声评价为 A 级; 当LA<LpA或LpA≤LB的泵噪声评价为B级;当 LB<LpA或LpA≤LC 的泵噪声评价为C级; 当LpA>LC 的泵噪声评价为 D级。
  3.2 水泵振动的确定
  对于振动的确定,根据泵的中心高度和转速,以及GB/T29531-2013《泵的振动测量与评价方法》中6.1条和6.2.1条(表1)的规定,首先确定泵的类别,再通过专业仪器测量后,根据(表2)确定泵的振动级别。设备运动状态在优选工作范围内就近启用机器的为A级;在允许工作范围内非限制长期运行为B级;界限运行为C级;振动烈度很强,长期运行容易损坏机器为D级。有同样的要求泵的振动级别不能低于C级。
  3.3 水泵振动的控制
  在满足泵自身的噪声和振动要求以后,还需要满足设备层上、下层建筑用房的使用要求。根据GB 50868-2013《建筑工程容许振动标准》中表6.0.1来确定建筑物内人体舒适性的容许振动计权加速度级(表3)。在通过实测设备的振动加速度有效值后,通过公式VAL=20 lg(a/a0)算出设备的振动加速度级是否满足建筑房间性质的要求,对泵的振动是否满足要求作出评判。式中:VAL为振动加速度级(dB); a0为基准加速度,取a0=10-6 m/s2;a为实测或计算的振动加速度有效值(m/s2)。在超高层建筑设备层的生活给水泵大多采用低转速的变频泵,水泵电机转速大多不高于1 450 r/min运行。
  频率大概为24.2 Hz,噪音在60~80 dB之间,振动的控制主要根据GB 50463-2019《工程隔振设计标准》的4.2.7条, 压缩机、离心机、风机和水泵介质出入口的连接管道应采用柔性连接;连接风机、水泵的管道进行隔振时,宜采用悬挂式或地面支承式(图1~图3),不宜采用墙和柱侧向挑出的悬臂结构支承(图4)。根据3.2.8条,隔振体系的固有圆频率,不宜大于干扰圆频率的0.4倍,即水泵转速是1 450 r/min的话,隔振降噪系统的固有圆频率不应大于9.68 Hz。橡胶隔振垫的固有频率一般是5~15 Hz;弹簧减振器的固有频率为2~6 Hz,产品频率越低,减振效果越好。这里需要注意的是弹簧隔振器支承结构的变形不应大于弹簧压缩量的 1/10,当不能满足要求时,应计入支承结构与隔振系统的耦合作用。
  4 振动及噪声的处理
  (1)根据GB 50118-2010《民用建筑隔声设计规范》中4.1条,7.1条和8.1条规定,住宅卧室夜间允许噪声级最低限要求为37 dB,旅馆客房夜间允许噪声级最低限要求为40 dB。办公室允许噪声级最低限要求为45 dB。而变频机组正常噪音在60~80 dB这个范围,设备层的消防泵一般功率不超过90 kW,噪音在80 dB左右,因此,从规范来说降噪是有量化标准的,工程中可以通过下述的各种措施,把振动和噪声控制在规范规定值之下。
  (2)目前声学原理上治理噪声往往是很困难的,早期用于支撑浮筑板的是矿渣棉、泡沫聚苯乙烯、多孔泡沫体或橡胶垫材料制成的垫板,这种隔振降噪系统的固有频率范围较高,为10~20 Hz,与水泵运行的频率24 Hz较为接近,隔振效率很低,且更新维修困难。近几年浮筑地板技术也有了大的发展,由阻尼钢弹簧减振器(图1~图3)、管道弹性托架、各种橡胶减振件,不锈钢金属软管、波纹补偿器、橡胶挠性接管、抗震支架、浮筑地板隔振系统等,组成了新一代的浮筑地板产品。隔振降噪系统更为完善,隔振降噪效果更为明显。
  (3)从泵房整套设施产生的噪声主要为机械噪声,目前声学原理上治理噪声的方法较常使用的是控制噪声的传播途径,主要有隔声、吸声、消声、减振等。隔声是利用隔声结构将声源与受声点隔开,浮筑地板系统中的减振器(橡胶减振垫或弹簧减振器)(图5、图7)、浮筑混凝土板(100 mm厚度或以上)很好的把声源与传递介质(楼板,梁)隔离开,杜绝结构传声;吸声是利用吸声材料或吸声结构的粘滞性和内摩擦作用,对声波的质点振动起到阻碍作用,从而使声能不断转化为热能,降低噪声,一般是在龙骨内填吸音棉,最外面覆盖有吸声结构的穿孔板(穿孔石膏板、穿孔铝板、穿孔镀锌板等)(图6);消声是利用阻性、抗性等原理,降低噪声声量值;其中阻性消声利用消声材料或吸声结构的吸声作用,使沿管道传播的噪声随距离而衰减,从而达到消声目的。常用吸声材料有玻璃纤维丝、低碳钢丝网、毛毡等。这类消声器对高频噪声具有良好的消声效果,而低频消声性能较差。抗性消声器借助于管道截面的突然扩张(或收缩)或旁接共振腔,使沿管道传播的某些频率的声波在突变处向声源方向反射回去,从而达到消声目的。它比较适用于消除低中频噪声,而对高频噪声的消声作用较差。在设备机房里,尽量考虑浮筑地板满铺设置,虽然局部减振和满铺减振效果差距不大,但两者的隔声量是有区别的,在双层板中声波传播的过程见图8,当空间I中的声波投射到板a上时,部分声能在板中消耗,部分被反射到空间I中。透射到空间II的声波经空气衰减后又投射到b板上。同样,投射到b板上的声波又部分被反射,部分在板中损耗,余下的部分透射到空间III中,这就是声波通过双层板结构时的过程。由于经过再次反射和损耗,声波从空间I传到空间III是有较大的衰减,隔声性能得以提高。   5 結论
  机电设备的振动及噪声控制是一个系统的工程,需要在多个方面采取配套的措施方能达到要求,新一代的浮筑地板隔振降噪技术主要包括了以下几个部分:
  (1) 隔振降噪浮筑地板处理。
  (2) 设备及其管道的隔振、消声处理。
  (3) 机房内部整体隔声处理及吸声处理。
  (4) 机房内的通风系统消声处理。
  其中水泵尽量采用卧式水泵,降低水泵中心高度;浮筑地板尽量满铺设置,双层板隔声效果更好。不光是水泵,电气专业的变配电设备,暖通设备都可以采用相关隔振降噪处理。
  广州富力大厦,34层设备层在做浮筑地坪改造前,下面两层、上面一层,共3层办公楼因为生活泵的运行噪音,6年都没有租出去,按照当时的租赁价格,建设方损失1 400万元租金。通过水泵管道支架进行减振改造、解决了噪声的固体传播,将楼层振动与噪声测试由原来58.7 dB降至45.8 dB,满足了客户使用要求。
  广州标志性项目广州国际金融中心(西塔)时,了解该项目原来该项目选用某中外合资品牌浮筑地板、减振器后,在7个中间设备转换层上下两层受到低频声严重影响,共14层承租方投诉、撤租,导致多层楼层长期空置,令业主受到不可估计的经济损失。后由原来供应商等单位改造后均无法达到要求。最后由广州华侨振动控制科技有限公司全面进行改造方案深化、设计、选型、提供安装指导、进行管道、机房“一站式”整体改造,改造成本约为2 500元/m2,改造后受影响楼层振动与噪声测试由原来66 dB降至48 dB,得到了业主的一致认可,成功为项目、业主挽回不可估计的经济损失。
  以上案例说明,在超高层中间设备层的设备机房,采用浮筑地坪系统,加上管道减振降噪及机房内的降噪隔声处理,是可以满足上下楼层办公、住宅、旅馆的相关使用要求的。该技术在超高层建筑项目中有重要的实用性和经济价值。
  参考文献
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