以“绿”治“噪”从声学维度浅谈种植屋面在生态绿色城市建设中的积极作用.pdf

中的积极作用J.时代建筑，2 0 2 3（1）：9 2-9 5.从声学维度浅谈种植屋杰绿色城市建设引文格式：刘畅，谢辉，吕旺阳.以“绿”治“噪”92时代建筑Time+Architecture2023/1刘畅谢辉吕旺阳LIUChang,XIEHui,LYUWangyang以“绿”治“噪”从声学维度浅谈种植屋面在生态绿色城市建设中的积极作用Noise Reduction with GreeneryAcoustic Contribution of Vegetated Roofs to Eco-Cities摘要城市噪声严重干扰城市居民的日常生活以及身心健康，已成为目前最严峻且急需解决的环境问题之一。种植屋面作为实现绿色建筑的重要手段之一，不仅具有美观、生态、可持续等特点，亦是解决城市噪声污染问题的有效手段之一。文章通过对国内外种植屋面声学性能研究的综述，梳理了种植屋面在建筑尺度和城市尺度下对城市环境噪声的衰减作用及其影响因素，论述了种植屋面在城市噪声控制中的应用，并提出以“绿”治“噪”的设计体系应与城市建设全生命周期共生，为生态绿色城市建设提供了新的思路。1从生态低碳到绿化降噪环境噪声是影响人居环境与生活质量评价的重要影响因素之一。根据国家统计局数据，2021年全国地级及以上城市市民热线、相关执法部门受理的噪声投诉举报约40 0 万件，噪声扰民问题举报占全部生态环境举报的45%，仅次于大气污染问题2 。城市噪声问题已逐渐成为制约人居环境质量提升和影响人们身心健康的重要环境因素之一。2 0 2 3年1月5 日，生态环境部正式印发“十四五”噪声污染防治行动计划以深入贯彻党的十九大报告中“还自然以宁静、和谐、美丽”的重要思想，落实贯彻2 0 2 2 年6 月5 日起正式实施的中华人民共和国噪声污染防治法种植屋面是生态绿色城市建设重要的技术措施之一。近年来，专家学者发现种植屋面除具有保温隔热、蓄水排水、提高空气质量、保障动植物多样生存环境等生态效益外，亦可作为建筑围护结构上天然的吸声材料。3-4国外针对种植屋面声学性能的研究起步较早，在全球关键词种植屋面；声学维度；生态绿色城市；绿化降噪ABSTRACTUrban noise has become a seriousand urgent environmental problem that takesa severe toll on the physical and mental healthof urbanites.Being beautiful,ecological,andsustainable,vegetated roofs have proved to bean effective solution to this problem.This paperreviews the recent research on noise reductionwith the use of vegetated roofs,analyzing howit can reduce noise.It proposes that vegetatedroof-based acoustic design should be taken绿色行动的推动下，2 0 世纪末人们已经开始探究植被对噪声控制的积极作用。5 12 0 0 0 年以后，种植屋面声学性能的研究大量涌现，主要集中在种植屋面实地测试方法、数值模拟方法的优化、种植屋面声学性能的影响因素等。16-10 1国内对于种植屋面的研究多侧重于种植屋面的构造、保温隔热性能、对城市雨水的控制和利用、生态和经济效益等方面1。虽然近几年来已有一些学者开始探究种植屋面的吸声性能，但在种植屋面声学性能的系统性研究和应用实践方面，仍表现出明显的缺陷。12 这导致建筑设计师、城市规划师、景观设计师会面临为什么要应用种植屋面解决城市噪声问题、如何建立种植屋面设计与城市声环境控制之间的关系等一系列问题。因此，本文中我们想要提出以下三个观点：种植屋面是顺应生态绿色城市建设的降噪措施，为“隔”不了的城市噪声提供一种新的解决思路；种植屋面的吸声降噪应与建筑环境和空间类型相协调；以“绿”治“噪”的设计体系应与城市建设全生命周期共生。into consideration in the life-cycle of urbanconstruction,thus providing a brand-newsolution to the construction of eco-cities.KEY WORDS Vegetated Roof;Acoustic Perspective;Eco-City;Noise Reduction with Greenery中图分类号：TB53;TU112.3;TU201.5文献标识码：ADOl:10.13717/ki.ta.2023.01.092文章编号：10 0 5-6 8 4X(2023)01-0092-042不同空间尺度下种植屋面的声学性能2.1种植屋面的吸声降噪原理城市噪声向外传播时，接收点处的声压级大小除与声源大小有关外，还与其传播途径有关。这些衰减通常包括声能随距离增大引起的衰减A、空气或介质吸收引起的衰减Aa、地面吸收引起的衰减A。、声屏障引起的衰减A，等。总的衰减值A则是各种衰减的总和：A=A,+A,+A,+Ab。在城市环境中，一部分的噪声会被建筑立面吸收、反射或散射；一部分噪声会改变传播方向，绕过建筑继续传播；一部分噪声会透过建筑立面传播至室内。设置隔声屏障（A，）是城市环境中最广泛应用的降噪措施。但是，城市立体交通所带来的大量噪声无法被建筑物或隔声屏障屏蔽。此外，随着航空事业的飞速发展，航班数量逐渐增加，飞行区域逐渐向城市上空挤压，而传统隔声屏障也无法降低城市上空的飞机噪声对人居环境的影响。针对这类“隔”不了的噪声，种植屋面提时代建筑Time+Architecture2023/193供了新的解决思路。一方面，种植屋面增加了噪声传播过程中因地面吸收而引起的衰减（A。），降低了噪声对城市环境的客观影响。种植屋面的植被层和土壤层是其以“绿”治“噪”的关键，土壤层的结构特点类似多孔吸声材料，具有大量内外连通的微小间隙和连续气泡。当声波入射到土壤层的表面时，能顺着微孔进入材料内部，引起孔隙中的空气振动，由于空气的粘滞作用将一部分声能转化为热能。当声波穿过植被传播的过程中，会与植被之间产生反射、散射等相互作用，一部分声波的声能被吸收，一部分声波的传播方向被改变。另一方面，种植屋面良好的生态环境是鸟类、昆虫等的栖息地，可激发城市环境中积极的自然声音（如鸟叫、虫鸣声等），从主观心理上降低噪声对人身心健康的负面影响。此外，人们对环境的感知不仅仅受人们所处的听觉环境或视觉环境等某一独立的因素影响，也会受到视听交互作用的影响。安静的声环境与种植屋面所引入的“绿色”的视觉景观相结，合将使人们感受到高度的宁静感。2.2建筑尺度下种植屋面的声学性能1.种植屋面吸声降噪机理（上：建筑尺度；下：城市尺度）2.不同种植屋面的垂直入射吸声系数（数据来源：ConnellyandHodgson，2 0 15（蓝色）；Liuetal,2022（黑色）；Nilssonetal.,2015（绿色）；VanRenterghemetal.,2013（黄色）;Yangetal.,2012（红色）3.种植屋面自然蒸发过程中的吸声系数1.lllustration of the noise attenuation overvegetatedroofs(Above:architectural scale;Below:urban scale)2.Measured absorption coefficient at normal incidence forvegetated roofs(data sources:Connelly and Hodgson,2015(blue line);Liu et al.,2022(black line);Nilsson et al.,2015(green line);Van Renterghem et al.,2013(yellow line);Yangetal.,2012(red line)3.Absorption coefficient of a vegetated roof system duringunforcedevaporation不同空间尺度下，种植屋面在城市噪声控制中的体现也有所差异。针对建筑尺度下的城市噪声，种植屋面因具有相对较大的表面质量密度、低刚度和显著的阻尼特性，可提高建筑的隔声性能，降低城市噪声对建筑室内环境的负面影响（图1上）。1314传递损失是表征材料或结构隔声性能的物理量，与传统的混凝土或其他刚性屋面相比，种植屋面可使屋面结构的传递损失值在低频范围内（5 0 0 Hz）提高10dB，中高频范围内提高2 0 dB15。另有实验室研究表明，10 0 mm厚土壤层的种植屋面计权隔声量可达到35 dBl62.3城市尺度下种植屋面的声学性能城市尺度下，种植屋面可衰减经屋面传播的城市噪声，营造宁静、健康的城市声环境（图1下）。17-2 1图2 总结了部分实验室或实地测试所得的种植屋面的吸声性能，中高频吸声系数较大，低频吸声系数较小。城市环境中的道路交通噪声、飞机噪声等常以低频为主。刘兆杰（Siu-KitLau）等人发现嵌入周期性声学超材料可显著提升植被层的低频吸声性能。2 为了优化种植屋面的低频吸声性能，我们初步尝试了将亥姆赫兹（Helmholtz）型声学超材料与传统种植屋面进行叠加，阻抗管实验结果表明5 0 mm土壤层叠加在超材料上方时，整个系统在2 5 0 Hz1600Hz范围内的吸声系数可达到0.6 以上，进一步拓展了种植屋面低频吸声性能优化的可能。3种植屋面的声学性能与空间环境种植屋面的吸声降噪设计应与建筑环境和空间类型相协调，这是因为种植屋面的声学性能与土壤层的厚度、土壤含水率，植被层的厚度、植被的种类，屋面的形式等有着密切的关联，而这些影响因素往往会伴随环境的变化而发生改变，直接影响种植屋面在城市声环境营造中的作用效果。2 313.1种植屋面的声学性能与建筑环境及屋顶形式相较于常年多雨、潮湿的地区，干燥、少雨的城市或地区更加适合以种植屋面作为新型的噪声控制策略。这是因为土壤的吸声性能随土壤含水率的增加而明显下降（图3）2 3。当土壤含水率较高，或水进入土壤时，会填充土壤中的微小孔隙，削弱空气在孔隙中的振动，因此降低其吸声性能。10,2 42 5 当种植屋面的土壤含水率由0.10 0 m/m升高到0.30 0 m/m，种植屋面对噪声的衰减量将降低近 5 dB10 dB。2 种植屋面的吸声性能除了与种植屋面的自身构造有关外，还与屋顶的形式相关。位于城市声环境较差区域的建筑可优先选择坡屋顶。这是因为当屋顶的水平跨度相同时，单坡屋顶或双坡屋顶等与平屋顶相比，声波与种植屋面干燥0.90.9饱和自然蒸发1天0.80.8H自然蒸发2 天自然蒸发9 天0.70.7自然蒸发11天自然蒸发13天0.60.6H0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.10200250 3154005006308001k1.25k1.6k2004008008001000120014001600频率Hz2频率H2394日时代建筑Time+Architecture2023/1间相互作用的距离更长，种植屋面所表现的吸声性能则更优异。2 0,2 1,2 6 种种植屋面与种植墙体，或在屋顶边缘种植声屏障相比，对交通噪声的衰减作用最为显著，10 m宽的种植平屋面可衰减2.4dB（A）的交通噪声，而15 的双坡种植屋面对交通噪声的衰减可达到7.5 dB(A)。2 0)3.2种植屋面的声学性能与空间类型种植屋面的种类、构造形式、厚度应综合考虑城市公共空间和建筑空间类型。2 7 从城市尺度来看，城市公共空间按功能可分为交通设施、街道、广场、休闲空间、商业等。对于休闲空间、公园等对宁静程度和自然环境要求较高的公共空间，在条件允许的情况下可优先选择密集型种植屋面，并结合公共空间的自然环境、使用功能选择合适的植被种类。这是因为密集型种植屋面与拓展型和半密集型种植屋面相比，土壤厚度一般较大，而土壤层的吸声性能随土壤层厚度的增加而提高。2 7 虽然土壤层在种植屋面的吸声降噪中起最主要的作用，植被层的叠加亦会改善土壤层的吸声性能，进而提高种植屋面的降噪能力。2 8 如图4所示，我们在实验室中分别测得10 cm厚土壤层及其均匀覆盖不同厚度植被时的吸声系数。实验结果表明，植被层的覆盖显著提高了土壤层在2 0 0 Hz2500Hz的吸声系数，并且随着植被层厚度的增加，吸声性能也随之提升（图5）。同拓展型种植屋面相比，密集型种植屋面可栽种植被种类更为丰富，且因土壤层厚度较大，可容许栽种的植被厚度亦较大，所以对城市噪声的衰减作用更为显著。在植被种类的选择上，特定的植被种类如报春花叶片，在40 0 Hz一16 0 0 Hz的吸声系数可达到0.4以上，但某些植被，如常春藤叶片，吸声系数不到 0.2。2 6 从建筑尺度来看，建筑空间类型按功能可分为商业、教育、医疗、工业等。对于教育、医疗等噪声敏感建筑，可优先选择拓展型种植屋面。这是因为从经济性角度考虑，拓展型种植屋面土壤厚度较小，对建筑屋顶的荷载要求较低，建筑工程投入较低。从运营维护角度考虑，拓展型种植屋面对后期养护要求较低。从噪声控制效果考虑，虽然吸声性能随土壤层厚度的增加而提高，但当土壤层厚度超过2 0 cm时，其吸声性能的改变将不再显著。6,17 因此，虽然拓展型种植屋面的土壤厚度与密集型种植屋面相比较小，但综合经济性、运营维护、噪声控制考虑，可优先选择拓展型种植屋面。4基于种植屋面的城市声环境设计思考在过去，声环境设计一直是城市建设中被忽视的部分，城市噪声问题普遍存在“先建设，后治理”的情况。这对城市声环境营造带来了极大的制约，不但噪声控制手段会受到环境和工程现状的限制，还可能增加不必要的成本，且容易对城市面貌带来负面影响，因此，我们提出以“绿”治“噪”的设计体系应与城市建设全生命周期共生。基于前文所梳理的种植屋面在城市与建筑尺度下声学性能的体现，以及其声学性能的影响因素，我们分别针对城市规划阶段、建筑设计阶段、景观设计阶段提出了种植屋面的设计思考，从声学维度为城市管理者和设计工作者提出了相应的建议，以期为未来营造更加宜居、绿色、可持续的城市人居环境提供指导与依据(图6)。4.1城市规划阶段依前文所知，种植屋面可降低由城市道路交通噪声、飞机噪声等对城市公共空间及室内环境的影响。因此，在城市规划初始阶段便应重视声环境设计，从城市建设的时间及空间两大坐标出发，使基于绿化降噪的城市声环境优化体系适应于城市的时空演变。空间上在建设项目的选址、规划布局、总图布置等阶段应考虑种植屋面的应用。一方面，城市主干道或飞机航线附近区域的建筑可考虑结合种植屋面的建设，降低噪声对周边居民的影响。另一方面，在规划对噪声敏感的建筑、区域，或有一定宁静需求的公共空间时，比如医院、学校、公园、庭院等可考虑结合种植屋面的建设，提高使用者的舒适度。时间上，城市声环境会随城市空间的发展而产生变化，城市规划初期应充分考虑可预见的城市更新，并可结合城市噪声监测数据，在城市发展过程中对城市绿化进行动态调控，充分体现其灵活性。而在城市建设逐渐步入形态稳定阶段时，使城市声环境达到舒适与健康，使绿化降噪与城市建设的全生命周期共生共存。4.2建筑设计阶段在建筑设计阶段，建筑师在选择种植屋面的种类、构造以及屋顶的形式时，往往从建筑的功能性、经济性、美观性等角度出发，却忽视了其对城市声环境的影响。因此，我们提出，建筑设计初期应充分调研建筑所处的自然、生态和社会环境，处于城市声环境较差、气候干燥少雨、缺少良好生态环境区域的建筑，可优先考虑密集型、坡屋顶种植屋面的应用。设计中期，应结合建筑结构形式、屋面荷载、建筑空间类型确定种植屋面的构造形式和覆土厚度。对于屋面荷载受一定约束的建筑可采用拓展型种植屋面代替密集型种植屋面。设计后期要充分考虑环境气候特点，采用相应的构造设计策略来保证绿色屋顶的吸声性能。由于种植屋面的吸声性能会因土壤含水量的增加而被削弱，因此，在潮湿多雨的地区，应注意屋面排水设计，也可考虑结合智能实时土壤含水量监测与浇灌设备，使土壤保持合理湿润的同时具有较好的吸声性能。4.3景观设计阶段依前文所知，不同种类的植被吸声性能也大不相同，如报春花叶片的吸声性能明显优于常春藤叶片。因此，在景观设计阶段，应根据城市的自然条件、人文历史特色以及建筑意象与功能设计，结合植物自身的降噪特性，针对性使用不同类型的植物种类。另外，由于种植具有生长性，且伴随植被的生长，植被层的厚度、密实度等都会随之发生改变，从而影响其吸声性能，所以植被种类的选择也应综合考虑不同类型植被的生长变化情况。与种植屋面类似，树木、灌木、草地等绿化形式在城市噪声衰减中也发挥了举足轻重的作用。17.2 6 因此，在景观设计阶段，我们可以以种植屋面为原点，结合地面绿化、垂直绿化等多种绿化形式，形成城市绿网，编织城市立体绿化降噪体系。5结语中国城市在快速发展的进程中，正面对日益严重的城市噪声污染及环境恶化等问题。种植屋面是生态绿色城市建设的重要一环，是健康城市声环境营造的重要措施。探索基于建筑第五立面（种植屋面）的城市声环境优化设计策略，促进以声环境为重点的城市人居环境可持续发展，无疑具有重要意义。种植屋面不仅可通过衰减绕过建筑屋面传播的城市噪声，减少城市环境的噪声水平，亦可提高建筑的隔声性能，降低噪声对人们生产、生活的影响。种植屋面对城市噪声的衰减作用与建筑屋顶的形式以及土壤和植被特性密切相关，因此种植屋面的吸声降噪设计应与建筑环境和空间类型相协调。基于此，我们按城市规划阶段、建筑设计阶段、景观设计阶段，针对时代建筑Time+Architecture2023/195城市规划阶段0.9时间维度空间维度0.80.7城市发展动态调控项目选址规划布局0.60.50.40.3建筑设计阶段景观设计阶段0.2初期中期后期植被种类选择立体绿化网络0.10建筑环境建筑结构空间类型屋顶构造监测维护自然条件人文历史空间意象2002503154005006308001k1.25k1.6k2k2.5k频率Hz564.土壤层（上）和土壤层复合植被层（下）吸声性能测试4.Laboratory experiment for the substrate(above)and foliage on top of the substrate(below)5.土壤层复合植被层实验室测试吸声系数（红色虚线为仅土壤层，黑色实线、黑色虚线、黑色5.Absorption coefficient of the substrate and leaves on top of the substrate(red line is for点虚线分别为土壤层复合9 5 0 g，2 8 5 0 g，47 5 0 g 植被层。其中“9 5 0 g”“2850g”“4750g”substrate only,black solid,dashed,and dot-dashed lines are for 950g,2850g,and 4750g为植被层枝叶的重量。）foliage on top of the substrate.950g2850g and 4750g are the weights of foliages.)6.基于种植屋面的城市声环境设计框架6.Acoustic design framework based on urban vegetated roofs什么情况下需要建设种植屋面，建设什么形式的种植屋面，如何合理维护种植屋面等问题分别给出了相应的回答，并提出以“绿”治“噪的设计思路应与城市建设全生命周期共生。最后，我们希望政府、设计师、居民共同努力，充分重视种植屋面在城市健康声环境营造中所发挥的积极作用，并在城市建设中积极、合理地引入种植屋面，开拓种植屋面在城市中不同的存在形式与价值，真正做到以“绿”治“噪”，以绿色生态的种植屋面屏蔽喧闹噜杂的城市噪声。（图片来源：本文配图均由作者提供，图3来源于参考文献23 参考文献：1黄一如，郭欣欣.住区边际噪声控制设计要点J.时代建筑，2017(06):144-147.2中华人民共和国生态环境部.2 0 2 2 年中国噪声污染防治报告R/OL.（2 0 2 2-11-16）2 0 2 2-12-12 .h t t p s:/w w w.me MANSO M,TEOTONIO I,SILVA C M,et al.Green roof andgreen wall benefits and costs:A review of the quantitativeevidence.RenewableandSustainableEnergyReviews,2021,135:110111.4 VIJAYARAGHAVAN K.Green roofs:A critical review on therole of components,benefits,limitations and trendsJ.Renewableand Sustainable Energy Reviews,2016,57:740-752.5 WATANABE T,YAMADA S.Sound attenuation throughabsorption by vegetationJJ.The Journal of the AcousticalSociety of Japan(E),1996,17(4):175-182.6 YANG H,KANG J,CHOI 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