某大型城市综合体融合会展、商业、酒店及办公等多种业态于一体。其中, 会展主功能区 (4号展厅) 位于裙房4层, 展厅面积>2万m², 其下方为高级别会议室及购物中心等 (见图1) 。由于多种业态的交叉存在, 如何保证展厅下方的商业或其他功能区域不受展会期间可能出现的振动及噪声影响而正常运营便显得格外重要。此外, 根据设计要求, 布展及撤展期间将会有最高50t大型重载车辆通过首层汽车坡道进入4层展厅执行运输作业, 这也会带来巨大振动和噪声, 若控制不好也必将影响其下方商业正常运营。所以, 该超大面积会展主功能厅的层间地面隔声降噪可谓建造过程的重中之重。

目前国内针对地面隔振降噪的优化设计和施工技术仍处于发展阶段。一方面地面的隔声降噪仍大多应用于办公楼和酒店等公共建筑的机房或工厂的特殊车间中, 这些位置通常会产生较大振动和噪声, 但同时相对来说面积较小;另一方面, 地面的隔声降噪多采用加厚混凝土基础或楼板、加装弹簧减震器以及增加安装惰性块等做法来实现。在声学环境要求较高的建筑内上述方法隔振降噪效果并不理想。

国内现常规采用的隔振降噪构造做法及其特点分析如表1所示。

通过对上述诸如加厚楼板、加装弹簧减震器、惰性块和传统浮筑地台现阶段常用的地面隔振降噪做法分析对比, 可得出上述做法抑或是在隔振降噪效果上不佳, 抑或是在隔振降噪效果与经济性之间没有找到最佳平衡点。

分析各常规做法对应的优缺点后, 即根据该工程展厅面积超大以及隔声降噪要求较高特点, 最终选定采用浮筑地台的构造做法。但若采用传统浮筑地台的构造做法, 一方面隔振降噪效果仍不甚理想, 另一方面造价相对仍偏高。

经过具体分析, 传统的浮筑地台构造体系主要为下层一定间距布置的隔振块, 其上层为模板承托的实心钢筋混凝土楼板 (见图2) 。

通过对现有传统浮筑地台做法的研究, 主要需解决的技术难题如下。

1) 目前浮筑地台构造体系中选用的隔振块多为有机材质, 材料易老化, 使用寿命相对较短, 特别是在极端气候或环境温差变化较大的北方或高海拔地区更易产生不可逆转的变形而丧失减振能力。同时, 由于其使用周期较短 (大多在10年左右) , 后期会产生高昂的维修和更换等二次投入费用。

2) 由于要满足较好的隔声降噪效果, 传统浮筑地台的构造做法一般较厚 (200～500mm) , 由此便会带来较大的装修构造层自重。但若减小构造层厚度, 又会对其声学效果产生影响。此时, 如果结构设计时并未有足够的荷载预留, 同时又要保证构造层厚度, 那么便可能需对原结构进行结构加固, 这势必对工期及造价产生影响。

3) 现有的传统浮筑地台做法主要通过隔振块对振动进行消纳, 对上部新增的钢筋混凝土板降低噪声。但振动仍可能通过墙柱等部位传递至下层空间, 且混凝土厚板对噪声的减弱效果也不十分明显。总体来说, 传统浮筑地台的隔振降噪性能并不能很好地满足高标准区域的声学环境要求。

4) 由于构造层较为复杂, 所使用材料种类较多, 特别是隔振块价格较高昂且易老化, 所以如何在使用效果与经济成本之间寻找到恰当的平衡点也是需解决的难题。

1) 通过对国内外产品的检索、考察与对比, 最终选用Kinetics牌无机材质的高密度玻璃纤维隔振块。其拥有不燃、防腐、隔热、隔声性好、不老化等性能, 使用寿命长, 可与建筑物同寿命, 早期产品已在国外使用50余年;同时具有防虫、防霉、防紫外线、防臭氧、耐高温、耐低温, 不受外界不利条件影响的特点。

隔振降噪使用性能方面, 与传统的橡胶或弹簧隔振相比, 高密度玻璃纤维隔振块的自然频率稳定, 振动幅度小, 振动消散时间短, 能更好地确保上、下层的安静空间不受振动和噪声影响 (见图3) 。

此外, 高密度玻璃纤维隔振块外表涂有防雾、防水的高弹性膜, 在浸水状态下多次压缩后厚度也没有明显差别, 性能稳定, 使用周期内无需后期更换或维修。

2) 通过优化过程中与设计单位沟通, 为满足使用净高与隔声降噪性能的要求, 设计单位通过计算和试验将浮筑地台体系的构造厚度定在0.5m左右。除去隔振块厚度, 其上部钢筋混凝土板厚度也维持在0.45m左右, 如此厚的混凝土板势必产生较大构造层自重, 即便不影响结构安全也会降低使用过程中的楼面承载力。在此情况下, 创新性地利用U-PVC管“圆拱形”受压能力较好的特点, 在浮筑地台中提出U-PVC空心楼板做法, 以此来减小系统自重。具体来说, 即在440mm厚混凝土板中新增 ϕ200 U-PVC管, 管间净距为100mm (见图4) 。通过该种优化在降低构造层厚度、减小自重、节省材料的同时还为后续在U-PVC管空腔中设置吸声材料提供基础。

同时, 为了保证隔振块上模板与混凝土板之间的整体性, 采用含有波峰与波谷的压型钢板作为模板, 使得混凝土浇筑时充盈在压型钢板的凹槽中, 而形成一个整体的浮动层。

3) 针对传统浮筑地台隔声降噪性能不够优异的情况, 明确将浮筑地台的构造定性为“隔振降噪层+浮动结构层” (见图5) 。其原理为:利用空气在“隔振降噪层”隔振块间以及“浮动结构层”U-PVC管中玻璃棉纤维中的抽吸作用产生黏滞阻尼降低产生的振动和噪声;利用“浮动结构层”承担上部使用荷载, 并通过高密度隔振块将上部荷载传递至下部结构层。与传统做法相比, 该浮筑地台系统自然频率稳定, 振动幅度小, 振动消散时间短, 能有效确保上、下层的安静空间不受振动和噪声影响。对于隔振降噪性能的优化主要体现在如下4方面。

1) 选用的Kinetics牌无机材质的高密度玻璃纤维隔振块, 其自然频率稳定, 振动幅度小, 振动消散时间短, 对振动的消纳性能更优异。

2) 为提升该浮筑地台的隔声性能, 拟在“隔振降噪层”隔振块间以及“浮动结构层”U-PVC管中填塞玻璃纤维棉 (密度32kg/m³) , 利用空气在玻璃棉纤维中的抽吸作用产生黏滞阻尼降低噪声, 同时由于玻璃纤维棉轻质特性也不会对原结构产生影响。

3) 浮筑地台“隔振降噪层”中的隔振块应将上部的“浮动结构层”和下部的结构楼板完全隔离开, 在任何部位均不应有接触。但传统浮筑地台中上部混凝土结构板多与竖向墙柱等构件直接接触, 并未实现真正意义上的自由浮动。采用“EPE珍珠棉”将浮筑地台与周围接触的墙柱分隔开, 这样便可有效降低振动或噪声传递给墙体进而传递至下层宁静空间的可能性 (见图6) 。

4) 2万m²的展厅若采用浮筑地台构造做法大约需要近10万块隔振块, 而高密度玻璃纤维隔振块价格高昂, 为在满足使用要求的前提下控制成本, 创新性地提出不等高隔振块交错布置技术。

其主要是选用2种不同高度、不同强度等级的无机隔振块在敷设时进行交错梅花形布置, 以此来适应2种不同模式的使用工况:①在正常展会荷载作用下, 楼面荷载主要通过“浮动结构层”传递给高度较大 (60mm) 、强度较小的隔振块, 在此工况下, 高度较小 (50mm) 的隔振块不参与受力作用;②在重型载重车 (最大50t) 作用时, 由于较高 (60mm) 隔振块承受上部荷载明显变大, 变形量已>10mm, 此时, 高度较小 (50mm) 、强度较高的隔振块也参与受力作用, 在此工况下, 2种隔振块均参与受力作用 (见图7) 。

为校核该布置方式的承载力, 分2种工况进行下述验算。

“浮动结构层”混凝土板自重 (考虑U-PVC管空腔后取300mm厚进行计算) :0.3×2 500kg/m³=750kg/m²;活动负载:200kg/m²;货车设计最大负载:50t, 假设货车自重平均分布在4组轮上 (每组面积约2m²) , 每组轮负载为12.5t。则一般负载使用情况1m²总计负载:750+200=950kg/m²。

一般负载使用情况:仅使用隔振垫型号44-Q2-60mm (高) , 其额定负载为727kg/个 (中心至中心距离为600mm) , 因此44-Q2 1m²负载为:727/ (0.6×0.6/1) =2 020kg/m², 其值远大于950kg/m², 满足一般负载情况下使用。

根据该型号隔振块的试验“负载-压缩量”曲线可知, 承受荷载950kg/m²时变形率约为0.14, 则其变形余量为60×0.86=51.6mm (一般使用工况下的隔振块高度) 。

货车满载受重情况:使用隔振垫型号44-R2-50mm (高) , 其额定负载为 2 182kg/个 (中心至中心距离为600mm) , 因此44-R2 1m²负载为:2 182/ (0.6×0.6/1) =6 061kg/m²。

根据该型号隔振块的试验“负载-压缩量”曲线可知, 承受荷载6 061kg/m²时变形比率约为0.12, 其变形余量为50×0.88=44mm (这是货车自重加载后的隔振垫高度) 。

在此情况下, 每组轮子下面的浮筑地台地面的承载为2× (950+6 061) =14 022kg (>12 500kg) , 也能满足设计要求的货车自重。

由于该浮筑地台相较于传统浮筑地台构造体系, 构造做法与节点处理方式均有一定变化, 所以工艺流程与传统做法也略有不同。

与传统浮筑地台做法相同的工艺在此不再赘述, 只针对该浮筑地台超大面积的施工特点以及优化节点对应的关键施工技术做阐述。

针对该超大面积浮筑地台施工, 总的来说, 测量控制主要控制的是标高以及平整度2个重要指标, 标高的控制是为了满足空间净高不受影响, 平整度的控制是为了保证良好的使用效果。

标高及平整度均采用水平控制线组成的水准控制网进行监测控制:①由专业测量工程师采用徕卡Sprinter250M激光红外线水准仪从建筑标准控制点引测出水平控制线 (建筑1m线) , 多次复核后弹在四周墙柱面上, 并要与展厅以外的楼道、楼梯平台、踏步标高相呼应, 贯通一致, 确保其精准度。并以墙柱上的水平控制线建立1.5m×1.5m测点组成的水准控制网;②为保证整体效果, 2万m²的展厅不再细分测区而按一个整体大测区进行测量控制;③测量控制主要分为基层控制、隔振块敷设控制及“浮动结构层”控制3个阶段。

基层测量时, 先根据隔振块排布情况在基层楼板上弹出1.5m×1.5m纵横向水平线, 基层检测时对纵横向水平线交点位置的基层标高做100%的全数测量。

隔振块初步敷设完成后也应及时对其顶标高做100%的全数测量, 其误差应控制在±2mm。若超过该误差限值则会影响隔振块的铺设平整度, 对其隔振效果、承载力及使用寿命有直接影响。所以出现超限情况时, 低凹处应采用高强灌浆料进行局部标高调整及找平, 找平面积为2倍隔振块底部面积;而高凸位置需剔凿至楼板设计标高。保证结构楼板标高及平整度控制在规定误差范围内。当结构楼板超差较严重时, 可根据实际情况考虑增设适当厚度的找平层。

此外, 在模板、防水膜、钢筋、U-PVC管和机电预埋完成并通过验收后浇筑混凝土过程中, 还应实时对“浮动结构层”成活的标高进行测量控制, 及时调整不合规处标高, 同时满足平整度允许偏差 ±4mm 的成活要求 (2m靠尺和楔形塞尺检查) 。

由于“浮动结构层”中U-PVC管管径较大 (ϕ200) 、较密集 (管间净距100mm) , 在混凝土浇筑时势必会产生较大浮力。通过浮力计算的预估及样板实践, 提出“压筋固定”配合“板带跳浇”方式应对混凝土浇筑时产生的巨大浮力。

对于液体, 根据阿基米德原理, 物体受到液体的浮力大小为它排开液体的重力。

混凝土具有特殊性:①其非全流态, 按阿基米德原理计算的浮力大于实际产生的浮力;②混凝土自身的黏结力能消散一部分浮力。此外, 混凝土初凝时间、浇筑速度、坍落度大小、浇筑高度和所浮物体的高度与截面形状等都有关系。但是, 通常来说混凝土的浮力一般在纯液体计算模型的基础上乘以一个折减修正系数, 但为保证后续抗浮措施的有效性, 仍按纯液体状态下阿基米德原理进行计算而不折减, 选取5m×3m单元进行计算。

“压筋固定”即在“浮动结构层”的钢筋绑扎完成以及U-PVC管定位安装完成后, 使用ϕ28钢筋@3m锚固在两侧已完成的机电槽侧墩上, 以此通过压筋抵消部分浮力;“板带跳浇”即先浇筑中部约1.5m宽混凝土, 待其具有微强度后初凝之前再整体浇筑其余位置混凝土, 以此配合压筋降低固定点间距提供更大抗浮力。

跳浇时, 初步浇筑宽度应满足U-PVC管自重及压筋提供抗浮力大于跳浇范围内产生的浮力;随后浇筑部分应满足, 先跳浇筑混凝土部分自重、压筋提供抗浮力以及U-PVC管自重大于剩余浇筑部分产生的浮力。压筋可采取相应措施连接成骨架增大刚度更好地达到抗浮效果 (见图9) 。

通过增加构造措施和优化施工工艺的方法很好地抵抗U-PVC管在混凝土浇筑时产生的巨大浮力。经实测, 采取上述措施后U-PVC管仍有略微上浮, 但满足设计要求的保护层厚度。通过该措施从而很好地保证施工质量与施工速度。

优化后的浮筑地台做法是对地面隔声降噪技术的一次革新, 发掘多处创新点并形成多项关键技术, 这些技术操作简单却极具效果;显著提高隔振降噪能力的同时由于节材和使用周期延长等原因产生良好经济效益, 对地面特别是不同功能分区的层间超大面积地面隔声降噪做法的研究起到积极的推动作用。