Исследование характеристик звукоизоляции и теплоизоляции зданий со стальными конструкциями в Синьцзяне

1. Введение

Здания со стальными конструкциями в Синьцзяне широко используются на промышленных предприятиях, в высотных зданиях, на объектах с большими пролетами и в других областях благодаря своим преимуществам: легкому весу, высокой прочности, эффективной конструкции и экологически чистой защите окружающей среды. Однако, как материал с высокой теплопроводностью (приблизительно 50 Вт/(м·К), что намного выше, чем 1,5 Вт/(м·К) бетона и 0,12 Вт/(м·К) древесины), стали присущи эффекты теплового моста и характеристики передачи вибрации, в результате чего звуко- и теплоизоляционные характеристики становятся ключевым узким местом, ограничивающим комфорт зданий со стальными конструкциями. По мере достижения цели «двойного углерода» и увеличения спроса на качество жизни, вопрос о том, как преодолеть этот недостаток с помощью инноваций в материалах, структурной оптимизации и интеграции технологий, стал важным направлением исследований в области архитектуры.

2. Проблемы звукоизоляции и стратегии оптимизации зданий со стальными конструкциями.

1. Основные вопросы звукоизоляции.

Недостатки звукоизоляции стальных конструкций обусловлены в основном двумя моментами: редактор журнала «Синьцзянский производитель стальных конструкций» сказал, что, во-первых, характеристики жесткого соединения стали приводят к эффективной передаче вибрации вдоль системы балок и колонн, вызывая эффект «твердого звукового моста»; во-вторых, ограждающие конструкции (такие как профилированные стальные пластины, легкие перегородки) обычно имеют характеристики легкого веса и низкой жесткости, а также недостаточную способность блокировать шум воздуха (обычно обеспечивают только взвешенный уровень звукоизоляции 25-30 дБ, что ниже 40 дБ, требуемых нормами гражданского строительства).

2. Технология контроля структурного шума

(1) Конструкция виброизоляции: установите эластичные демпфирующие материалы (такие как бутилкаучук, пенополиуретан) в местах соединения между стальными компонентами и конструкцией корпуса, чтобы снизить эффективность передачи твердотельного звука за счет увеличения потерь на демпфирование на пути передачи вибрации. Редактор журнала Xinjiang Steel Structure сообщил, что эксперименты показывают, что звукоизоляционная конструкция пола с использованием прокладки из неопрена толщиной 5 мм может снизить уровень ударного звукового давления с 85 дБ до 65 дБ, что соответствует стандарту первого уровня для жилых зданий в GB/T 50121-2005.

(2) Система плавающего пола: в ней используется составная конструкция «стальной каркас + эластичная подушка + слой бетона» и используется эластичная подушка (например, стекловата, пружинный амортизатор) для отделения плиты перекрытия от стальной главной балки. На примере высотного жилого дома со стальной конструкцией показано, что эта система может повысить звукоизоляцию от ударного шума в диапазоне частот 100–3150 Гц на 15–20 дБ, что лучше, чем традиционная конструкция с жестким соединением.

3. Технология управления воздушным звуком

(1) Оптимизация легких композитных стен:Редактор производителя стальных конструкций Синьцзяна сказал:Сэндвич-структура «профилированная стальная пластина + звукопоглощающий хлопок + гипсокартон» была разработана для увеличения степени звукоизоляции за счет увеличения поверхностной плотности материала (например, использование оцинкованной стальной пластины толщиной 0,8 мм + гипсокартона толщиной 12 мм) и толщины воздушного слоя (100-150 мм). Данные испытаний показывают, что когда воздушный слой заполнен центробежной стекловатой толщиной 50 мм (плотность 48 кг/м³), утяжеленная звукоизоляция стены может достигать 42 дБ, что соответствует стандарту пятизвездочного отеля GB/T 50356-2005.

(2) Герметизация отверстий и обработка зазоров. Зазоры в узлах стальных конструкций (таких как болтовые соединения и пересечения трубопроводов) являются основными путями утечки звука. Использование вспучивающегося огнезащитного герметика (коэффициент расширения ≥ 250%) и звукоизоляционной шпатлевки для обработки щелей позволяет повысить общую звукоизоляцию на 3-5дБ, особенно значителен эффект блокировки высокочастотных звуков (свыше 1000Гц).

3. Узкие места в показателях теплоизоляции и пути прорыва в зданиях со стальными конструкциями

1. Ключевые противоречия в характеристиках теплоизоляции

Высокая теплопроводность стальных конструкций в Синьцзяне приводит к заметному эффекту теплового моста. Зимой тепло быстро теряется через стальные колонны и стальные балки. Летом высокие температуры наружного воздуха проникают в помещение за счет теплопроводности, увеличивая энергопотребление здания на 30–40%. Если взять в качестве примера здание завода по производству стальных конструкций в суровом холодном регионе, без теплоизоляционной обработки коэффициент теплопередачи (значение K) ограждающей конструкции здания зимой достигает 3,5 Вт/(м²·К), что намного превышает 0,35 Вт/(м²·К), требуемые GB 50189-2015.

2. Технология блокировки тепловых мостов.

(1) Разъемы с термомостом: Разъемы из армированного стекловолокном пластика (FRP) или полиамида (PA66+25% стекловолокна) для замены традиционных стальных разъемов. Теплопроводность стеклопластика составляет всего 0,3 Вт/(м·К), что позволяет снизить потери теплопередачи из-за теплового моста между стальными колоннами и панелями наружных стен более чем на 60%. После применения этой технологии в проекте низкотемпературного хранения значение K оболочки здания снизилось с 1,8 Вт/(м²·К) до 0,45 Вт/(м²·К).

(2) Структура обертывания мостика холода:Редактор производителя стальных конструкций Синьцзяна сказал:Стальные компоненты, находящиеся на открытом воздухе (например, прогоны крыши и стальные кронштейны парапета), обернуты пенополиуретаном высокой плотности (плотность ≥ 40 кг/м³, теплопроводность ≤ 0,024 Вт/(м·К)), толщиной не менее 50 мм и отражающим слоем из алюминиевой фольги для уменьшения радиационной теплопередачи, что может снизить локальную плотность теплового потока с 15 Вт/м² до менее 3 Вт/м².

3. Инновации в системе теплоизоляции ограждающих конструкций.

(1) Технология интеграции вакуумной изоляционной панели (VIP): скомпонуйте VIP-панель (теплопроводность ≤ 0,008 Вт/(м·К)) с профилированной стальной пластиной, чтобы сформировать сверхлегкую и тонкую изолированную крышу «стальная пластина + VIP + воздушный слой». После применения в проекте конгрессно-выставочного центра с большими пролетами значение K крыши достигло 0,18 Вт/(м²·К), что на 40 % легче, чем у традиционной крыши из минеральной ваты (K=0,5 Вт/(м²·К)) и снизило давление нагрузки крыши на стальные прогоны.

(2) Стена для хранения энергии из материала с фазовым переходом (PCM): заполните полость двухслойной стальной стеновой панели PCM на парафиновой основе (температура фазового перехода 20-26°C, скрытое тепло ≥180 кДж/кг), который поглощает/выделяет тепло в процессе фазового перехода материала и уменьшает колебания температуры в помещении. Эксперименты показывают, что стена может снизить пиковую температуру в помещении летом на 3-5°C и снизить нагрузку на кондиционирование воздуха на 25%. Он особенно подходит для зданий со стальными конструкциями в районах с жарким летом и теплой зимой.

4. Совместная технология и инженерная проверка для повышения производительности.

1. Комплексный метод проектирования

Используйте технологию BIM для создания модели связи «материал-структура-характеристики», прогнозируйте расположение тепловых мостов с помощью тепловизионного моделирования (например, программного обеспечения ANSYS Fluent) и оптимизируйте сочетание материалов в сочетании с анализом спектра звукоизоляции (с использованием метода импульсного отклика). В одном проекте офисного здания со стальной конструкцией этот метод позволил снизить значение K внешней стены с 0,6 Вт/(м²·К) до 0,3 Вт/(м²·К), в то время как взвешенная звукоизоляция была увеличена до 45 дБ, а общая стоимость строительства увеличилась менее чем на 8%.

2. Проверка проекта

(1) Дом со сверхнизким энергопотреблением со стальной конструкцией в Пекине использует техническую систему «подпружиненный плавающий пол + VIP-вакуумная изоляционная крыша + термоизоляционный мостовой соединитель из стеклопластика». Измеренный коэффициент теплопередачи зимой K=0,15 Вт/(м²·К), уровень ударной звукоизоляции составляет 62 дБ, что соответствует немецкому стандарту пассивного дома (PHI), а годовое потребление тепловой энергии составляет всего 15 кВтч/(м²·год).

(2) Парк культуры и творчества со стальной конструкцией в Шэньчжэне: с применением «стены с фазовым переходом PCM + композитной звукоизоляционной навесной стены», колебания температуры в помещении летом составляют ≤2 ℃, NRC (коэффициент шумоподавления) достигает 0,8, что соответствует акустическим требованиям уровня концертного зала, и получило награду «Инновация в области зеленого строительства».

5. Заключение и перспективы

Чтобы улучшить звукоизоляционные и теплоизоляционные характеристики зданий со стальными конструкциями, необходимо преодолеть многомерные ограничения «системы материал-конструкция»: технология эластичного демпфирования используется для блокировки передачи твердого звука, а легкие композитные материалы улучшают изоляцию воздушного шума;Редактор производителя стальных конструкций Синьцзяна сказал:Для решения проблемы теплового моста используются конструкция теплового моста и высокоэффективные изоляционные материалы, а характеристики динамической теплоизоляции оптимизируются за счет сочетания технологии накопления энергии с фазовым переходом. Будущие исследования должны быть сосредоточены на инженерном применении сверхвысокоэффективных материалов, таких как наноаэрогели, а также на разработке интеллектуальных регулируемых систем звукоизоляции и теплоизоляции (таких как электрохромное изоляционное стекло), чтобы способствовать развитию зданий со стальными конструкциями в направлении «сверхнизкого энергопотребления и высокого комфорта».

(Полный текст около 1020 слов)