建筑热环境

5　建筑物理环境

本章导读:

●基本要求　了解建筑与物理环境关系的重要性;掌握建筑热、声、光环境的基本概念;掌握建筑热环境控制、天然采光设计、室内音质设计的要点;熟悉建筑照明设计、噪声控制的要点。

●重点　建筑热环境控制、天然采光设计、室内音质设计要点。

●难点　建筑日照、采光标准、音质设计。

建筑物理环境是研究热、声、光的物理现象和运动规律的一门学科,是建筑技术科学的重要组成部分,也是建筑学的一门重要理论基础课程。它主要研究人们在建筑环境中的声、光、热作用下通过听觉、视觉、触觉和平衡感觉所产生的反应,并采取技术措施调整建筑的物理环境设计,从而提高建筑功能质量,创造舒适健康的生活和工作环境。该学科形成于20世纪30年代。其分支学科主要包括:①建筑热环境,主要研究室内外热环境及建筑日照、建筑保温防热、建筑防潮等方面的问题;②建筑光环境,主要研究天然采光、建筑照明等方面的问题;③建筑声环境,主要研究噪声控制、室内音质设计等方面的问题。

建筑与物理环境的关系密不可分。纵观建筑发展的历史,人类各个阶段的建筑活动无不受到物理环境条件的制约和影响。同时,建筑活动的主要目的也是利用一定的条件和手段创造一定的室内外环境,以满足人类自身生活和生产的需要。因此,建筑从本质上讲就是人类利用和创造环境的结果。图5.1所示为住宅与物理环境的关系。

图5.1　住宅与物理环境的关系示意图

5.1　建筑热环境

建筑外围护结构将人们的生活与工作空间分成了室内和室外两部分,因此,建筑热环境也就分为室内热环境和室外热环境。建筑物常年经受室内外各种热环境因素的作用。如太阳辐射、大气温湿度、风、雨雪等室外气候因素,一般统称为“室外热湿作用”;如室内空气温湿度、壁面辐射、生产和生活散发的热量与水分等,则称为“室内热湿作用”。室内外热湿作用是建筑热环境设计的重要依据,它不仅直接影响室内热环境状况,也在一定程度上影响建筑物的耐久性。

建筑热环境主要研究如何通过建筑规划和设计上的相应措施,有效地防护或利用室内外热湿作用,合理地解决建筑保温、防热、防潮、节能等问题,从而创造良好、舒适、健康的室内热环境,并提高建筑围护体系的耐久性。

5.1.1　室内外热环境

1)室外热环境

室外热环境是指作用在建筑外围护结构上的一切热物理量的总称。建筑外围护结构的功能之一在于抵抗或利用室外热湿作用,为人们的生活和生产提供一个易于控制的室内舒适热环境。室外热环境的构成要素主要有太阳辐射、大气温度、大气湿度、风、降水等,如图5.2所示。

人类通过几千年的建筑活动,根据各自生活所在地自然物理环境的特点,因地制宜、就地取材,积累和总结出许多建筑物理环境设计的经验,逐渐形成了适应当地气候条件的特有建筑形式。例如我国华北地区,由于冬季干冷,夏季湿热,为了能在冬季保暖防寒,夏季防热防雨及春季防风沙,就出现了“四合院”的建筑布局(图5.3)。在我国西北黄土高原地区,由于土质坚实、气候干燥、地下水位低等原因,人们创造了“窑洞”来适应当地冬季寒冷干燥,夏季有暴雨,春季多风沙,气温年较差较大的特殊气候(图5.4)。生活在西双版纳的傣族人民,为了防雨、防湿、防热及防虫兽,创造出了颇具特色的“干栏式”建筑(图5.5)。

图5.2　室外热环境构成要素

图5.3　北京四合院布局

图5.4　陕北窑洞　

图5.5　傣族“干栏式”建筑

2)室内热环境

室内热环境是指由室内空气温度、湿度、气流速度以及壁面辐射热等综合组成的一种室内环境。舒适的室内热环境是维护人体健康的重要条件,也是人们正常工作、学习的前提。在舒适的热环境中,人的知觉、智力、手工操作的能力可以得到最好的发挥;偏离舒适条件,效率就会随之下降;严重偏离时,就会感到过冷过热,甚至使人无法工作和生活。

影响人体冷热感觉的因素主要有两个方面:①环境客观因素,其中包括室内空气温度、湿度、气流速度以及室内平均辐射温度4个方面;②人体主观因素,其中包括人体活动量和衣着两个方面。在同样的室内环境条件下,人体活动状态不同、衣着不同都会有不同的热感觉。

因此,环境客观因素和人体主观因素共同构成了室内热环境的基本因素,它们的不同组合产生了不同的室内热环境,各因素之间具有互补性。

5.1.2　建筑热环境控制

建筑热环境控制的目的就是通过有效地防护或利用室内外热湿作用,给人们创造一个良好、舒适、健康的室内热环境。它主要包括建筑日照、建筑保温、建筑防热、建筑防潮和建筑节能等方面。

图5.6　一天中太阳高度角和方位角的变化

1)建筑日照

日照是指物体表面被太阳光直接照射的现象。太阳在天空中的位置因时、因地时刻都在变化,正确掌握太阳相对运动的规律,是进行建筑日照设计的关键。

太阳的位置常以太阳高度角hs和方位角As来表示(图5.6)。其中,太阳高度角hs为太阳光线与地平面间的夹角;太阳方位角As为太阳光线在地平面上的投射线与地平面正南线所夹的角。影响太阳高度角hs和方位角As的因素主要有:①赤纬角δ,它表明季节(即日期)的变化;②地理纬度φ,它表明地理位置的差异;③时角Ω,它表明一天时间的变化。

确定太阳高度角和方位角的目的是为了进行日照时数、日照面积、房屋朝向和间距以及房屋周围阴影区范围等方面的设计。

建筑对日照的要求是根据建筑的不同使用性质和当地气候情况而定。建筑室内的日照标准主要包括日照时间和日照质量两个指标。如我国《住宅建筑规范》和《城市居住区规划设计规范》根据不同气候区对住宅日照标准进行了相应的规定,即每套住宅至少应有一个居住空间满足表5.1的日照要求。

表5.1　住宅建筑日照标准

注:①建筑气候区划应符合《建筑气候区划标准》(GB50178—93)的规定。
②底层窗台面是指距室内地坪0.9m高的外墙位置。

此外,对于老年人住宅、病房、中小学教室以及托幼建筑的生活用房等,则有更高的日照要求。

为了满足上述要求获得良好的日照条件,建筑之间必须留出一定的日照间距,以保证日光不受遮挡直接照射到建筑室内。日照间距的大小主要根据相关建筑设计规范中对日照标准的要求来确定,并受当地地理纬度、建筑朝向、建筑高度和长度及用地地形等因素的影响。

对于大部分地区的居住建筑来说,为了保证居民的身心健康和节能的要求,需要争取到更多的日照。因此,在建筑选址和建筑布局中应从以下几个方面争取日照:

①建筑基地应选择在向阳的平地或山坡上,以争取尽量多的日照;

②应选择满足日照间距要求、不受周围其他建筑严重遮挡的基地;

③建筑布局尽可能满足最佳朝向范围,并使建筑内的各主要空间尽可能有充足的日照;

④在多排多列建筑布置时,采用错位布局,有利于山墙空隙争取日照,如图5.7(a)所示;

图5.7　争取日照的措施

⑤点式、条式建筑组合布置时,点式建筑布置在向阳位置,条式建筑布置在其后,如图5.7 (b)所示。

⑥当采用退台式建筑或不同高度建筑组合布置时,将高度低的建筑布置在向阳位置,较高的建筑布置在其后,有利于争取更多的采光面积、减少日照间距、节约用地,如图5.7(c)所示;

⑦当采用封闭或半封闭的周边式建筑方案时,需要进行合理布局或科学组合,争取更多的日照;

⑧采用全封闭围合式建筑组合时,其开口的位置和方位以向阳和居中为好。

建筑日照设计除了争取日照外,有时还需要防止过量的日照,有特殊要求的房间甚至终年要求限制阳光直射。因此要根据房间的使用情况,采取相应的建筑措施,正确地选择房屋的朝向、间距和布局形式,做好窗口的遮阳处理。

2)建筑保温

对于严寒、寒冷及夏热冬冷地区的冬季来说,减少建筑物室内热量向室外散发的措施,对创造适宜的室内热环境和节约能源具有重要作用。建筑保温主要从建筑外围护结构上采取措施,同时还从房间朝向、单体建筑的平面和体形设计,以及建筑群的总体布置等方面加以综合考虑,从而达到节约建筑冬季采暖能耗的目的。

为了充分利用有利因素,克服不利因素,建筑保温设计应注意以下几条基本原则:①充分利用可再生能源;②选择合理的建筑体形与平面形式;③避免冷风的不利影响;④良好的围护结构热工性能与合理的供热系统。

建筑保温设计主要是对建筑外围护结构进行各项保温设计,即主要内容包括:

①外墙和屋顶的保温设计。其保温设计主要包括:a.最小传热阻Ro·min的确定;b.保温构造形式的选择。

②外门、外窗的保温设计。提高外门、外窗保温性能的途径主要有:a.选择保温性能好的门窗类型;b.提高气密性,减少冷风渗透;控制窗墙面积比。

③地面的保温设计。其主要措施有:a.选择热渗透系数小的面层材料,如选用木板作面层; b.沿底层外墙周边进行局部的保温处理,如图5.8所示。

图5.8　底层地面的局部保温

图5.9　外墙角的局部保温

图5.10　屋顶与外墙交角保温

④特殊部位的保温设计。如结构转角或交角,以及结构内部的热桥(钢或钢筋混凝土骨架、圈梁、过梁等)。对这些热工性能薄弱的环节,必须增加相应的保温措施,才能保证结构的正常热工状况和整个房间的正常室内热环境,如图5.9、5.10所示。

建筑外围护结构中还有不少传热较为特殊的构件和部位,上面仅对建筑外围护结构的保温设计进行了简要的介绍,具体的各部位保温构造设计请参见第8章内容。

3)建筑防热

热气候有干热和湿热之分。温度高、湿度大的热气候称为湿热气候;温度高而湿度低的热气候称为干热气候。我国南方地区大多属于湿热气候。其中,四川盆地和湖北省、湖南省一带,夏季气温高、湿度大,加之丘陵环绕,以致风速弱小,形成著名的火炉闷热气候。新疆吐鲁番盆地高山环绕,为世界著名洼地,干旱少雨,夏季酷热,气温高达50℃,昼夜气温变化极大,是典型的干热气候。

热气候地区的传统建筑在长期的经验积累过程中,都具有各自适应气候的特色。热气候的类型、特点和建筑防热设计原则见表5.2所示。

表5.2　热气候特征与建筑防热设计原则

续表

建筑防热的主要任务,就是要尽可能地减弱室外热作用的影响,减少室外热量传入室内,并使室内热量尽快地散发出去,改善室内热环境,避免室内过热。建筑防热设计应根据当地气候特点、人们的生活习惯及房间的使用情况,采取综合的防热措施(图5.11)。主要包括如下几个方面的措施:a.减弱室外的热作用;b.增强外围护结构隔热性能;c.窗口采取遮阳措施;d.组织、加强房间自然通风;e.充分利用自然能源。

图5.11　建筑综合防热措施

建筑防热设计的内容主要包括:

①屋顶、外墙的防热设计。其主要的防热方式包括:反射隔热;保温材料隔热;遮阳通风隔热;种植绿化隔热。

②外窗的防热设计。外窗遮阳的形式主要分为固定遮阳和活动遮阳两类。

③自然通风的利用。自然通风的组织设计必须关注:建筑朝向、间距及建筑群布置,以及建筑开口与室内通风的关系。

④自然资源的利用。其中主要包括:建筑外表面的长波辐射降温;夜间通风降温;被动蒸发降温;地冷空调降温。

上述仅对建筑防热设计作了简要介绍,具体的防热构造设计请参见第二篇各章内容。

4)建筑防潮

围护结构内表面凝结主要发生在两种情况:一种是冬季采暖建筑,易出现在围护结构的热桥部位;另一种是南方居住建筑,在夏季和梅雨季节易出现地面泛潮现象。

(1)防止和控制内部冷凝的措施

①合理布置材料层的相对位置。在材料层次的布置上尽量做到在水蒸气渗透的通路上“进难出易”。

②设置隔蒸汽层。通过在保温层水蒸气流入的一侧设置隔蒸汽层(如沥青或隔蒸汽涂料等),可以使水蒸气在抵达低温表面之前降低其含量,从而避免内部产生冷凝现象。

③设置通风间层或泄气沟道。对于高湿房间的围护结构以及卷材防水屋面的平屋顶结构,采用设置通风间层或泄气沟道的方法,效果比较好。

④冷侧设置密闭空气层。在冷侧设置密闭空气层,可以通过该空气层的“收汗效应”,使处于较高温度侧的保温层经常干燥。

(2)夏季防潮设计

我国南方大部分湿热地区,在春夏之交的梅雨季节或台风骤雨来临前夕,很容易产生结露的现象,特别是首层地面尤为明显。与冬季结露相比,夏季结露的强度大、持续时间长,对人们生活和健康的影响更为严重。因此,应当在建筑设计、构造材料、使用管理上采取相应的防潮措施,减轻夏季结露的强度、危害和影响。常用的防潮设计方法有:

①架空层防潮。通过架空地板降低建筑首层地面、墙面的夏季结露强度。

②材料层防潮。采用热容量小的材料作为房间的内表面材料,如地面采用木地板、地毯等材料,提高表面温度,减少夏季结露的可能。

③呼吸式防潮。利用多孔材料对水分吸附冷凝原理和呼吸作用,减弱夏季结露的强度,有效调节室内空气的湿度,如陶土防潮砖和防潮缸砖等。

④通风防潮。夏季夜间,当室外气温降低后,加强自然通风有利于减湿、干燥、降温、防潮。

⑤空调设备防潮。利用空调或除湿机的除湿功能,对防止夏季结露具有很好的效果。

5.2　建筑光环境

人们从外界获得信息的87%来自视觉器官——眼睛。人们只有在良好的光环境下,才能进行正常工作、学习和生活。舒适的光环境不仅可以减少人眼的视觉疲劳,提高劳动效率,而且对人的身体健康特别是视力健康也有直接影响。因此,创造良好的建筑光环境也是建筑物理环境设计的重要内容之一。

光是以电磁波形式传播的辐射能。电磁波的波长范围极其宽广,而人眼能感受到的波长只是其中的一小部分,即380～780nm,这部分电磁波称之为可见光。同时,人眼对于不同波长的感受是不同的,这不仅表现在不同波长的光在视觉上形成不同的颜色,而且也表现在亮度感觉方面。

建筑光环境设计主要是通过天然采光、人工光源和灯具等方面的设计,为人们创造一个良好、舒适的光环境。

5.2.1　天然采光

从视觉功效方面来看,人眼在天然光下比在人工光下具有更高的视觉功效,并感到舒适和有益于身心健康。充分利用天然光,可以节约用电,对节能减排和社会经济的可持续发展具有重要意义。

1)我国的光气候特点与光气候分区

我国幅员辽阔,各地光气候差异较大,因此在进行天然采光设计前必须了解和掌握当地的光气候状况。

天然光主要由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光三部分组成(图5.12)。在采光设计时,除地表面被白雪或白沙覆盖外,一般可不考虑地面反射光的影响。因此,晴天时天然光由直射光和漫射光两部分组成;全云天则只有天空漫射光。

图5.12　天然光组成

影响光气候的因素主要有:太阳高度、云状、云量、日照率等。

我国地域辽阔,同一时刻南北方的太阳高度相差很大。从日照率来看,由北、西北往东南方向逐渐减少,而以四川盆地一带为最低。从云量来看,大致是自北向南逐渐增多,新疆南部最少,四川盆地最多;从云状来看,南方以低云为主,向北逐渐以高、中云为主。

因此,《建筑采光设计标准》(GB/T50033—2001)根据室外天然光年平均总照度值大小,将我国划分为Ⅰ～Ⅴ类光气候区。再根据光气候特点,按年平均总照度值确定光气候系数K,见表5.3。

表5.3　光气候系数K

2)采光系数与采光标准

(1)采光系数

采光系数C是指在全阴天空漫射光照射下,室内给定平面上的某一点由天空漫射光所产生的照度En与室内某一点同一时间、同一地点,在室外无遮挡水平面上由天空漫射光所产生的照度Ew的比值。这是因为室外照度是经常变化的,这必然使室内照度随之而变,不可能是一固定值,因此我国和其他许多国家都用采光系数来进行采光数量上的控制。

利用采光系数,就可根据室内要求的照度换算出需要的室外照度,或由室外某时刻的照度值求出当时的室内任一点的照度。

(2)采光标准

我国《建筑采光设计标准》中对天然采光设计的规定主要包括以下几方面:

①采光系数标准值。采光标准综合考虑多方面因素,将视觉工作分为Ⅰ～Ⅴ级,提出了各级视觉工作要求的室内天然光临界照度值。同时,由于不同的采光类型在室内形成不同的光分布,故采光标准按采光类型,分别提出不同的要求。采光系数标准值见表5.4。表中所列采光系数值适用于Ⅲ类光气候区,其他地区的采光系数标准值则需要乘上表5.3中该光气候区所对应的光气候系数K。

表5.4　视觉作业场所工作面上的采光系数标准值

注:①表中所列采光系数标准值适用于我国Ⅲ类光气候区。该标准值是根据室外临界照度为5000lx制定的。
②亮度对比小的Ⅱ、Ⅲ级视觉作业,其采光等级可提高一级采用。

②采光均匀度。视野内照度分布不均匀,易使人眼疲乏,视觉功效下降,影响工作效率。因此,标准要求顶部采光时,Ⅰ～Ⅳ级采光等级的采光均匀度不宜小于0.7。

③合适的光反射比。为了使室内各表面的亮度比较均匀,必须使室内各表面具有适当的光反射比。例如,对于办公、图书馆、学校等建筑的房间,其室内各表面的光反射比宜符合表5.5的规定。

表5.5　室内各表面的光反射比

④眩光的控制。侧窗位置较低,对于工作视线处于水平的场所极易形成不舒适眩光,故应采取措施避免和减小侧窗产生的眩光。

3)天然采光的设计步骤

(1)收集相关资料

①了解设计对象对室内采光的要求,如房间的工作特点及精密度要求、工作面位置、工作对象的表面状况、工作区域对采光的要求等。

②了解设计对象其他要求,主要包括是否有采暖、通风、泄爆等方面的要求。

③了解设计对象所处的周围环境概况,如周围建筑物、构筑物和影响采光的物体(如树木、山丘等)的高度,以及它们和房间的间距等。

(2)选择合适的窗洞口形式

根据房间的朝向、尺度、生产状况、周围环境,选择适合的窗洞口形式。在一幢建筑物内可能采取几种不同的窗洞口形式,以满足不同的要求。例如,在进深大的车间,往往边跨采用侧窗,中间几跨采用天窗来解决中间跨采光不足的问题。

(3)确定窗洞口位置及可能开设窗口的面积

在窗洞口类型和位置的选择上,由于侧窗建造方便、造价低廉、维护使用方便,故应优先考虑侧窗,采光不足部分再用天窗补充。

(4)估算窗洞口尺寸

根据视觉工作分级和拟采用的窗洞口形式及位置,可从表5.6查出所需的窗地面积比。通过窗地比和室内地面的面积就可以估算出窗洞口的面积。值得注意的是,这种方法估算的窗洞口面积可能与实际值差别较大。因此,不能把估算值当作最终确定的开窗面积。

表5.6　窗地面积比Ac/Ad

注:非Ⅲ类光气候区的窗地面积比应乘以表5.2的光气候系数K。

(5)布置窗洞口

根据估算出的窗洞口面积,确定窗的高、宽尺寸后,就可进一步确定窗的位置。确定时不仅要考虑采光需要,而且还应考虑通风、日照、美观等要求,拟出几个方案进行比较,选出最佳方案。

(6)采光计算

采光计算的目的在于验证所进行的采光设计是否符合采光标准中规定的各项指标。根据上述5个步骤拟定的窗洞口形式、面积和位置,进行采光系数的校验核算。若计算所得的采光系数低于标准时,则应调整所设计的窗洞口形式、面积和位置,使其最终满足采光标准的各项要求。

5.2.2　建筑照明

天然光具有很多优点,但它的应用受到时间和地点的限制。建筑物内不仅在夜间必须采用人工照明,在某些场合,白天也需要人工照明。人工照明的目的是按照人的生理、心理和社会的需求,创造一个人为的光环境。人工照明主要分为工作照明(或功能性照明)和装饰照明(或艺术性照明)。前者主要着眼于满足人们生理上、生活上和工作上的实际需要,具有实用性的目的;后者主要满足人们心理、精神上和社会上的观赏需要,具有艺术性的目的。

1)电光源

电光源由于它们的发光机理不同,可分为热辐射光源、气体放电光源和固体发光光源。

①热辐射光源。它是利用金属加热到发出可见光这一原理制造的照明光源,且温度越高,可见光成分越多。这类光源有:白炽灯、卤钨灯等。

②气体放电光源。它是由气体、金属蒸气或几种气体与金属蒸气的混合放电而发光的光源。这类光源有:荧光灯、紧凑型荧光灯、荧光高压汞灯、金属卤化物灯、钠灯等。

③固体发光光源。它是某种适当物质与电场相互作用而发光的电光源,如场致发光灯和发光二极管(LED)属于这类光源。

上述各种光源都有其各自的优缺点。通常会根据实际使用情况,选择光效高、寿命长、显色性能好的光源。

2)照明灯具

灯具是能透光、分配和改变光源光分布的器具,是光源所需的灯罩及其附件的总称。灯具可分为装饰灯具和功能灯具两大类。

灯具的光特性主要用配光曲线、遮光角和灯具效率三项技术指标来表征。

在进行建筑照明设计的时候,选用合适的照明灯具对于提高光环境质量、创造环境氛围具有很大的影响。因此,在选择灯具时应综合考虑以下几个方面:光源的特性;灯具的配光需求;灯具安装的环境条件;灯具的经济性。

3)照明方式和照明种类

在照明设计中,照明方式的选择对照明质量、照明经济性和建筑艺术风格都有重要的影响。合理的照明方式应当既符合建筑的使用要求,又与建筑结构形式相协调。

(1)照明方式

照明方式一般分为一般照明、分区一般照明、局部照明、混合照明4种方式(图5.13)。每种照明方式都有其各自的特点,在确定照明方式时,还必须考虑照明灯具或设备的选择。

(2)照明种类

照明种类分为正常照明、应急照明、值班照明、警卫照明和障碍照明等。其中应急照明包括备用照明、安全照明和疏散照明。

4)室内工作照明设计

室内工作照明是以满足人们生活、学习、工作等视觉工作要求为主的照明。其照明设计可按下列几个步骤进行:

图5.13　不同照明方式及照度分布

①选择合理的照明方式。根据室内视觉工作要求的特点,选择合理的照明方式。

②确定照明标准。根据对工作对象的分析,确定房间照明的数量和质量标准。

③光源和灯具的选择。综合考虑经济和性能等因素,选择合理的光源和灯具。

④布置灯具。灯具布置要能均匀照亮整个工作场地,同时考虑照明场所的建筑结构形式、工艺设备等技术要求。

⑤照明计算。根据上述条件进行照明计算,验证照度或照明功率密度是否达到设计要求。

5)室内外环境照明设计

照明设计除了在功能方面满足人们生产、生活和学习的要求外,还有以艺术美观为主、满足建筑艺术要求、为人们提供舒适的休闲娱乐场所的照明。这种与建筑本身有密切联系并突出艺术效果的照明设计,称为“环境照明设计”。

(1)室内环境照明设计

常用的室内环境照明设计有三种处理方法:以灯具的艺术装饰为主的处理方法,如吊灯、天棚灯、壁灯等;用灯具排列成图案;“建筑化”大面积照明艺术处理,如发光顶棚、光梁、反光顶棚等。

(2)室外环境照明设计

室外照明包含城市功能照明和夜间景观照明。其主要内容包括:建筑物立面照明设计;城市广场和道路的照明;室外光污染的控制。

5.3　建筑声环境

良好的声环境可以保证人们的身心健康,提高劳动生产率,提高人们生活品质,以及保证工艺过程的要求。因此,建筑声环境设计的目的就是创造一个良好的、满足功能要求的声环境,主要包含室内音质设计和噪声控制两方面的内容。

人耳是声音的接收器,声音要靠人耳做出最后评价。因此,人耳的听觉特征是对音质和噪声环境采取控制手段的依据。人耳的听觉特征主要包括以下几个方面:

(1)人耳的听闻范围

人耳可听的频率为20～20000Hz;人耳可听的声压大小在2×10-5(声压级为0dB)～2× 10Pa(声压级为120dB)。

(2)声音的主观响度

人耳对声音大小的主观感觉取决于许多因素,其中最主要的是频谱。人耳对声音的响应是随频率而变化的。也就是说,相同声压级的声音如果频率不同,人耳听起来是不一样响的;反之,不同频率的声音若要听起来一样响,则它们会具有不同的声压级。图5.14的等响曲线图清晰表达了人耳的这一现象。

图5.14　纯音等响曲线

(3)时差效应

对于两个时间间隔小于50ms的声音,人耳就不易察觉这两个声音是断续的;而当两者的时差超过50ms,人耳就容易辨别出它们是来自不同方向的两个独立声音。这种现象称之为人耳的时差效应。一般认为,在室内直达声到达50ms之后到达的强反射声,则易形成回声。而回声会妨碍人耳的听闻,是室内音质的一种声缺陷。

(4)双耳听闻效应

双耳听闻效应是指用双耳收听可以判断声源的方向和远近的现象。这是由于人耳分布在头部两侧,声源发出的声波到达双耳具有一定的时间差、强度差和相位差,从而可以判断出声源的方向和远近,进行声像的定位。通常,人耳分辨水平方向声源位置的能力要比垂直方向的好。

(5)掩蔽效应

掩蔽效应是指人耳对一个声音的听阈因为另一个声音的存在而提高的现象。掩蔽效应的强弱取决于这两个声音的频谱、声压级差和到达听者的时间和相位关系等。如频率相近时声音掩蔽最显著;掩蔽声的声压级越大,掩蔽量就越大。

5.3.1　噪声控制

现代工业文明在给人类带来快速发展的同时,也带来了前所未有的噪声干扰。噪声污染已经和水污染、空气污染、垃圾污染并列为现代世界的四大公害。噪声的危害是多方面的,它不仅损害听力、影响听闻,还会干扰人们的休息与睡眠,降低工作与学习效率,甚至会引起其他各种疾病。因此,为了创造一个安静的生活环境和不影响健康的工作条件,必须进行噪声控制。

1)噪声控制的标准

我国现行的与建筑声环境相关的噪声标准有:《声环境质量标准》(GB3096—2008)、《社会生活环境噪声排放标准》(GB22337—2008)、《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB12348—2008)、《建筑隔声评价标准》(GB/T50121—2005)、《建筑施工场界噪声限值》(GB12523—90)和《铁路边界噪声限值及其测量方法》(GB12525—90)等。表5.7所示为各类声环境功能区环境噪声限制的规定。

表5.7　各类声环境功能区环境噪声限制　　　单位:dB(A)

注:各类声环境功能区划分详见《声环境质量标准》(GB3096—2008)。

此外,在各类建筑设计规范中,也有相关噪声控制方面的条文。

2)城市噪声控制

城市噪声控制问题涉及面十分广泛,这是因为城市噪声来源很广,不仅有交通噪声,而且有工厂噪声、建筑施工噪声及生活噪声等。城市噪声的控制主要包括以下几个方面:

(1)城市噪声管理的完善

城市噪声管理的关键在于制定合理的噪声控制法规,并保证其法规真正落实与实施。城市噪声立法工作的内容主要包括:交通噪声的管理;工业噪声的管理;建筑施工噪声的管理;生活噪声的管理。同时,还应该完善和落实环境噪声的监测、监督及惩罚的相应措施。

(2)合理的城市规划

合理的城市规划,对未来的城市噪声控制具有十分重要的意义。为了控制城市噪声,在城市规划设计时应注意以下三个方面的问题:

①城市人口的控制。城市噪声随人口的增加而增加。现今世界各国的噪声之所以日益严重,是由于人口的过度集中。根据美国环保局发表的资料表明,城市噪声与人口密度之间存在对数正比关系。因此,严格控制人口是控制城市噪声的有效手段,许多国家正在探索和完善卫星城或带形城市的规划方法。

②功能分区。在规划中应尽量避免居民区与工业、商业区混合。例如日本东京,将主要工厂都集中在飞机场附近而远离居民区,由于工业区域内本身噪声较高,因此对来自飞机的噪声干扰就不明显。图5.15为城市规划中合理分区示意图。从图中可以看出重工业区、工业区、商业区与居民区的关系,以及公路、铁路与整个城市的关系。因此,通过城市规划的合理分区,对控制噪声污染是十分重要的。

图5.15　城市规划中合理布局示意图

③建筑选址及总体布局。噪声控制设计应贯彻于规划建筑设计全过程。在建筑选址时,要求特别安静的建筑如观演建筑、文教建筑、医疗建筑等不宜靠近高强噪声源(如铁路、交通干道等)建造;在总体布局时,应把要求安静的建筑布置在背向噪声源的一侧;在房间布置时,噪声较大的房间不宜紧靠要求安静的房间,两者之间应有辅助房间、走道等隔离,如泵房、风机房不应直接与客房、卧室相邻等。

(3)道路交通噪声的控制

道路交通噪声是城市环境噪声的主要来源,是当前城市噪声的主要控制对象。控制方法主要包括:改善道路设施;增加交通噪声的衰减;道路两侧建筑的合理布局。

3)建筑中的噪声控制

建筑中噪声控制的任务就是通过一定的降噪减振措施,使房间内部噪声达到允许噪声标准。建筑中常用的噪声控制手段主要有吸声减噪、建筑隔声与建筑隔振。

(1)吸声减噪

吸声减噪的原理就是通过在室内布置吸声材料或吸声结构,减少声音经过各个界面多次反射形成的混响声,从而降低噪声的大小。吸声减噪的设计步骤如下:①了解噪声源的声学特性;②了解房间的声学特性;③根据所需的降噪量,结合房间声学特性,分析吸声降噪的可行性;④确定材料所需的吸声系数,选择合理的吸声材料或吸声构造。

值得注意的是,吸声减噪只能降低混响声,而对直达声无效。只靠吸声减噪要求降低噪声级10dB以上,几乎是不可能的。

(2)建筑隔声

噪声传播的途径有空气传声和固体传声两种。隔声是噪声控制的重要手段之一,它是将噪声局限在部分空间范围内,或者是不让外界噪声侵入,从而为人们提供适宜的声环境。建筑构件隔绝的若是空气声,则称为空气声隔绝;若隔绝的是固体声,则称为固体声隔绝。对于空气声和固体声的控制方法是有区别的,并有各自的隔声标准。我国现已颁布实施的《民用建筑隔声设计规范》(GBJ118—88)和《建筑隔声评价标准》(GB/T50121—2005)对两者都有具体的规定。

在建筑隔声设计中,固体声的隔绝主要体现在提高楼板隔绝撞击声的能力;空气声的隔绝主要包含以下几个方面的内容:①墙体的空气声隔绝,即采用重质墙体、双层墙体的方式提高墙体的隔声能力;②门窗的空气声隔绝,即采用密封处理、多层构造的方式提高门窗的隔声能力;③采用隔声间和隔声屏障来降低噪声源对周边的影响。

关于空气声隔绝和固体声隔绝的构造设计及其要点将在第9章进行详细介绍。

(3)建筑隔振

在建筑设计中,常常遇到振动问题。振动除了直接影响人体各种生理反应与设备的运行和操作外,还会产生噪声。例如,直接安装在楼板上的风机和设备的振动,将激发楼板振动而辐射噪声,使楼下房间不得安宁,甚至损坏楼板。因此,控制振动在建筑内噪声控制中至关重要。

建筑隔振设计是一个比较复杂,牵涉面广的内容,在深入分析与处理隔振时,需要掌握较多的数学、力学与物理知识。建筑的减振设计主要是通过增加质量块和减振装置或减振器的方法来实现。其中,质量块的质量与大小应由设备的类型及振动特性决定。减振器的选择,则需要根据各类型减振器的特点和隔振设计的需求进行选择。

5.3.2　室内音质设计

室内音质设计是建筑声环境设计的重要组成部分。在以听闻功能为主或有声学要求的建筑中,如音乐厅、剧场、电影院、录音室、演播室等建筑,其音质设计的好坏往往是评价建筑设计优劣的决定性因素之一。室内是否具有良好的音质,不仅取决于声源本身和电声系统的性能,更取决于室内良好的建筑声学环境。为了使房间具有良好的建筑声学环境,需要认真做好室内音质设计。

1)室内音质评价的标准

室内音质评价的标准包括主观、客观两方面。客观评价标准是进行音质设计的依据,也是前人经验的总结。但判别室内音质是否优劣的标准,最终要看能否满足使用者(听众和演员)的主观听闻要求,即能否让使用者得到满意的主观感受。

(1)主观评价标准

对于一个兼做语言和音乐使用的厅堂,其主观评价标准一般归纳为4个方面:无声缺陷(图5.16);合适的响度;较高的清晰度和明晰度;优美的音质。

图5.16　厅堂常见的声缺陷
1—回声;2—声聚焦;3—声影

(2)客观评价标准

目前国内外比较公认的几个主要客观评价指标有:a.声压级及声场不均匀度;b.混响时间及其频率特性;c.声脉冲响应分析(反射声的时间分布);d.方向性扩散(反射声的空间分布); e.允许噪声级。

这些客观评价指标根据不同功能类型的建筑,其要求也不同。在各类建筑设计规范和声学设计资料中都有相关的规定。为了达到相应的客观评价标准,就必须进行建筑声学设计,主要包括厅堂容积的确定、体形设计、混响时间设计和电声系统配置等方面。

2)建筑声学设计主要内容

(1)厅堂容积的确定

从声学角度来确定厅堂容积,一般需要考虑以下两个方面的因素:足够的响度;合适的混响时间。在实际工程中,建筑方案设计初期通常根据建筑功能、有无扩声系统和所容纳的人数来确定厅堂的容积值。

值得注意的是,厅堂容积的大小不仅影响音质效果,而且也直接影响建筑的艺术造型、结构体系、空调设备和经济造价等方面。因此,厅堂容积的确定必须加以综合考虑。

(2)厅堂的体形设计

厅堂的体形设计直接关系直达声的分布、反射声的空间和时间构成以及是否有声缺陷,是室内音质设计中十分重要的环节。厅堂的体形设计包括合理选择大厅平、剖面的形式、尺寸和比例以及各部分表面(如天棚、墙面)的具体尺寸、倾角和形式等一系列内容。

实践证明,成功的体形设计主要在于了解在体形上影响音质的基本规律,掌握具体处理的主要原则和方法。厅堂的体形设计方法和基本原则包括以下几个方面:

图5.17　克雷斯特彻奇音乐厅内景

①充分利用直达声。在体形设计中,必须尽量减少直达声的传播距离并考虑声源方向性的影响,同时通过增加地面起坡或提高声源的方式避免直达声被遮挡和被观众掠射吸收,充分利用直达声。

②争取和控制早期反射声。研究表明,早期反射声有利于提高音质效果,因此,在剖面设计中,应尽可能结合声学设计调整顶棚、侧墙、楼座、挑台等部位的高度和角度,使大部分观众区域能获得尽可能多的早期反射声。如对于环绕式的音乐厅,可以将顶棚设计成悬吊的反射板阵列(图5.17)。

③适当的声扩散处理。为了保证厅堂的声场具有良好的均匀度和立体感,声学设计时需要厅堂具有一定的扩散性。通常可以采用不规则平剖面设计、扩散体和吸声材料的不规则布置来进行扩散处理。

④防止和消除声缺陷。在厅堂体形设计中,特别要注意防止产生回声、颤动回声、声聚焦、声影等声缺陷。

防止和消除回声和颤动回声的具体措施有:a.将吸声材料布置于易产生回声的部位,减弱其反射能力;b.采用扩散处理的方法;c.适当改变反射墙面或与后墙相邻顶棚的倾斜角度,使反射声落入附近的观众席形成早期反射声(图5.18)。

防止和消除声聚焦的措施有:a.在凹面上进行全频带强吸声;b.选择具有比较大曲率半径的弧形表面;c.在凹面上设置或悬挂扩散反射板或扩散吸声板。

为了避免声影对音质的影响,在厅堂体形设计中,对于有楼座厅堂,必须控制挑台下空间的进深与开口高度的比值。

图5.18　消除回声的措施

(3)厅堂的混响时间设计

混响时间设计是除体形设计外厅堂声学设计的另一项重要内容,厅堂混响时间的长短及其频率特性与室内音质的主观评价标准密切相关。因此,根据不同的功能要求,通过设计手段来确保合适的混响时间是室内音质设计的重要环节。混响时间设计一般是在大厅的形状基本确定,容积和内表面可以计算时进行,具体内容包括:①确定最佳混响时间及其频率特性;②计算体积、吸声量及混响时间;③选择适当的室内声学材料与构造并确定其面积和布置。

值得注意的是,在室内音质设计中,并不是吸声材料布置得越多越好。有时为了获得较长的混响时间,必须控制吸声总量,特别对音乐厅和歌舞剧场更是如此。

(4)厅堂的电声系统设计

在大型厅堂中,电声系统应用越来越广泛,它已经成为建筑声学设计中的一个重要内容,建筑设计人员有必要对其有一定的了解,以便与相关技术人员协作设计。

①电声系统的设计要求。在选用电声系统时,对设备系统有两项技术要求:具有足够的功率输出;具有较宽而平直的频率响应范围。在电声系统布置时,主要有两方面要求,即:保证室内声场均匀;控制和避免反馈现象。

②电声系统的布置方式。电声系统的布置方式根据使用性质、室内空间的大小和形式,一般分为集中式、分散式和混合式三种。

③厅堂的建筑处理。当有电声系统介入时,厅堂音质的设计也应随之而有所改变。在这种厅堂声学设计中需要注意以下几点:a.混响时间宜取低值;b.宜采用指向性较强的扬声器;c.适当增加厅堂的吸声处理。

复习思考题

1.建筑物理环境主要包含哪几个方面?各主要研究哪些方面的问题?

2.建筑室内的日照标准主要包括哪两个指标?在建筑布局中争取日照的措施有哪些?

3.什么是采光系数?采光系数标准主要与哪些因素有关?

4.影响光气候的主要因素有哪些?简述我国的光气候特点。

5.人工点光源根据发光机理可分为哪几种?

6.建筑中的噪声控制手段主要包括哪几个方面?

7.有音质要求的厅堂,其体型设计在建筑声学方面中应注意哪些方面?