謝青生 劉 勇 朱建斌 吳一鋒 蔣 放

近年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程加速推進(jìn)，城市開發(fā)及城市更新改造需求日益增長(zhǎng)，導(dǎo)致城市建筑用地資源日益緊張。有些開發(fā)商將建筑用地選在臨近鐵路線的位置。鐵路列車在高速通過(guò)建筑群區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)與噪聲，從而對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定程度的影響。研究表明，高速鐵路振動(dòng)產(chǎn)生于運(yùn)行列車車輪與鋼軌之間的耦合沖擊，即列車在軌道上行駛時(shí)，由于車輪與道岔、鋼軌等的碰撞以及線路不平順等原因產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[1]，對(duì)臨近鐵路的建筑物及建筑物內(nèi)人們的工作、生活和學(xué)習(xí)造成不利影響。此外，鑒于振動(dòng)持續(xù)對(duì)建筑物產(chǎn)生影響，長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)沖擊下的建筑物可能存在樓板開裂、地基下沉和變形等安全隱患。

隨著我國(guó)建筑數(shù)字化和建筑工業(yè)化的快速發(fā)展，裝配式建造技術(shù)在全國(guó)得到大力推廣，部分省級(jí)和市級(jí)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門已發(fā)布相關(guān)文件，對(duì)新開項(xiàng)目的裝配率作了具體要求。裝配式建筑是指在工廠化生產(chǎn)的部品部件，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)組裝和連接而成的建筑。裝配式建筑的構(gòu)件間的拼接節(jié)點(diǎn)較多，對(duì)抗振性能的要求也比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)建筑更高。因此，減振降噪是臨近鐵路的裝配式建筑需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

1 項(xiàng)目概述

永豐雅苑項(xiàng)目位于贛江新區(qū)直管區(qū)蔡倫路以東、育匠路以南、李冰路以西、懷匠路以北地塊內(nèi)，項(xiàng)目距京九鐵路線僅90 m，是臨近鐵路的裝配式建筑群項(xiàng)目。該項(xiàng)目由1 層地下室、15 棟高層住宅、1 棟幼兒園、4 棟商業(yè)用房及相關(guān)附屬設(shè)施組成?？偨ㄖ娣e為256484.28 m2，地下室建筑面積為56714.61 m2。項(xiàng)目高層住宅為裝配式建筑，裝配率為30%。預(yù)制裝配式構(gòu)件包括預(yù)制疊合板、預(yù)制樓梯、預(yù)制空調(diào)板、石膏輕質(zhì)隔墻板。項(xiàng)目為設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工總承包項(xiàng)目，是臨近鐵路裝配式建筑群，為研究提供了充足的研究場(chǎng)景。本文針對(duì)永豐雅苑項(xiàng)目用地臨近鐵路線路而存在的振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題，開展減振降噪技術(shù)研究，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。研究意義有：第1，顯著降低高鐵行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲對(duì)鐵路沿線建筑等人居環(huán)境的影響，提升鐵路沿線居民的生活品質(zhì)，符合綠色建筑理念。第2，提高臨近鐵路的裝配式建筑群的減振降噪性能，有效提升臨近鐵路裝配式建筑群的工程質(zhì)量，減小滲漏風(fēng)險(xiǎn)，降低建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。

2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，對(duì)鐵路減振降噪的研究主要是面向鐵路本體基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。賀玉龍等[2]實(shí)測(cè)了成都軌道交通18 號(hào)線高架段運(yùn)行噪聲，分析了其噪聲源強(qiáng)及水平傳播特性。李小珍等[3]對(duì)某城際快速鐵路引起的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究了車速等對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施橫向和垂向振動(dòng)的影響。毛昆明等[4]對(duì)滬寧城際鐵路CRH動(dòng)車組運(yùn)行引起的高架橋段地面振動(dòng)豎向速度和加速度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了地面振動(dòng)特征及其傳播的衰減規(guī)律。結(jié)果表明，CRH 動(dòng)車組運(yùn)行引起的地面振動(dòng)對(duì)一般性建筑物影響不大，列車時(shí)速為300 km/h 左右時(shí)，地面振動(dòng)速度超過(guò)辦公室等公共建筑的允許值，列車時(shí)速為200 km/h 左右時(shí)，地面振動(dòng)速度超過(guò)居民住宅的允許值。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，部分學(xué)者采用數(shù)值分析模擬環(huán)境振動(dòng)。此類方法通過(guò)建立復(fù)雜材料參數(shù)和幾何模型，引入人工邊界條件，利用有限元法分析高速列車運(yùn)營(yíng)引起的地表振動(dòng)。例如，方聯(lián)民等[5]提出基于虛擬激勵(lì)法和有限元方法的車輛一軌道一客站耦合系統(tǒng)豎向隨機(jī)振動(dòng)模型。然而，人工邊界構(gòu)建難導(dǎo)致此類方法可應(yīng)用性不高。

經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，較少有研究開展臨近鐵路建筑減振降噪的施工技術(shù)。裝配式建筑構(gòu)件間的拼接節(jié)點(diǎn)較多，與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)建筑存在顯著差異，其對(duì)減振降噪性能的要求更高。據(jù)此，本文以永豐雅苑項(xiàng)目為例，開展臨近鐵路裝配式建筑群減振降噪技術(shù)研究。

3 臨近鐵路裝配式建筑群減振降噪技術(shù)

3.1 臨近鐵路的裝配式建筑群振動(dòng)模型及減振技術(shù)

鐵路附近的裝配式建筑群往往會(huì)面臨著振動(dòng)問(wèn)題。鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的振動(dòng)主要源自火車列車的運(yùn)行，包括機(jī)車引擎的振動(dòng)、車輪與軌道的交互以及列車經(jīng)過(guò)時(shí)的沖擊。這些振動(dòng)源能經(jīng)過(guò)鐵路傳遞到周圍土層并向臨近的裝配式建筑群傳播，引起臨近建筑物的振動(dòng)，對(duì)建筑物本身和居住者產(chǎn)生多方面的影響。振動(dòng)可能對(duì)裝配式建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。頻繁的振動(dòng)可以導(dǎo)致裝配式建筑構(gòu)件疲勞和損壞，包括墻壁、屋頂和地基。這不僅會(huì)增加維護(hù)和修復(fù)成本，還會(huì)影響建筑的壽命，需要采取一系列措施。例如，采用減振技術(shù)、合理規(guī)劃建筑位置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)、遵守振動(dòng)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等，創(chuàng)造一個(gè)可持續(xù)的居住環(huán)境。

對(duì)建筑群不同點(diǎn)位振動(dòng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與等級(jí)評(píng)估是制訂有針對(duì)性的減振措施的關(guān)鍵步驟。振動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取為建筑工程專業(yè)人員提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使其能全面了解振動(dòng)問(wèn)題的性質(zhì)和程度。機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning）作為一種強(qiáng)大的技術(shù)工具，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，其原理是讓計(jì)算機(jī)通過(guò)訓(xùn)練算法從多模態(tài)、多視角、多維度的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)模式和規(guī)律。通過(guò)利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建筑工程專業(yè)人員能利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)分析、挖掘、識(shí)別建筑大數(shù)據(jù)中的潛在規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中建筑工程的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和智能控制。特別是在故障診斷、裂縫檢測(cè)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工安全和噪聲預(yù)測(cè)等方面，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為建筑工程的安全性和可靠性提供了強(qiáng)有力的支持。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)為振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)、處理及數(shù)據(jù)評(píng)估等提供了可行方案。

臨近鐵路的裝配式建筑群由于位置優(yōu)勢(shì)、距離振動(dòng)源相對(duì)較近、振動(dòng)傳遞路徑相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其所受到的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集會(huì)更加便捷、準(zhǔn)確。例如，通過(guò)在裝配式建筑群的周邊布設(shè)測(cè)量?jī)x、頻譜儀和速度計(jì)等振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，能對(duì)裝配式建筑群受到振動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些數(shù)據(jù)包括建筑受鐵路影響的振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度，以及裝配式建筑結(jié)構(gòu)受振動(dòng)影響產(chǎn)生的位移等時(shí)域和頻域信息。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以作為機(jī)器學(xué)習(xí)的輸入特征，并結(jié)合地形地貌、土壤類型和建筑材料等特殊因素，建立振動(dòng)評(píng)估模型，可以準(zhǔn)確評(píng)估振動(dòng)對(duì)建筑物的影響程度。因此，本文引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的臨近鐵路裝配式建筑群振動(dòng)實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)臨近鐵路的裝配式建筑群的點(diǎn)位信息以及振動(dòng)信息進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)掌握臨近鐵路振動(dòng)，提前預(yù)估列車通過(guò)時(shí)對(duì)周圍裝配式建筑造成的影響，幫助使用者對(duì)裝配式建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供較為詳細(xì)、可靠的依據(jù)，減少將來(lái)為降低振動(dòng)影響所需的經(jīng)濟(jì)投入。

圖1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的臨近鐵路裝配式建筑群振動(dòng)實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)（來(lái)源：作者自繪）

針對(duì)列車高速運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)臨近鐵路裝配式建筑群的影響，本文研究臨近鐵路裝配式群振動(dòng)模型及減振技術(shù)如下：

1）數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)及振動(dòng)模型建立。對(duì)臨近鐵路500 m 范圍內(nèi)的振動(dòng)分布情況進(jìn)行實(shí)測(cè)，然后對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立臨近鐵路區(qū)域的振動(dòng)模型。

2） 建 筑 信 息 模 型（Building Information Modeling，BIM）與振動(dòng)模型耦合。數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)階段，同步建立裝配式建筑BIM 模型。振動(dòng)模型建成后，將振動(dòng)模型與建筑BIM 模型耦合到一起，則目標(biāo)建筑區(qū)域內(nèi)每個(gè)位置的振動(dòng)情況均可以在綜合模型中直觀顯示出來(lái)。

3）臨近鐵路裝配式建筑群減振技術(shù)研究。基于對(duì)臨近鐵路裝配式建筑群建設(shè)范圍內(nèi)車至振動(dòng)強(qiáng)度的分布情況，筆者從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)層面研究裝配式建筑群減振技術(shù)，并在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用。

3.2 臨近鐵路的裝配式建筑群噪聲模型及降噪技術(shù)

位于鐵路附近的建筑群，通常采用現(xiàn)代的裝配式建筑技術(shù)構(gòu)建。裝配式建筑群常常受到鐵路交通所帶來(lái)的噪聲干擾，包括火車運(yùn)行時(shí)的噪聲、來(lái)往汽車引擎的轟鳴聲、車輪與火車軌道的摩擦聲、列車警報(bào)器的預(yù)警聲以及站臺(tái)中的廣播聲。這些噪聲源可能對(duì)裝配式建筑構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，如構(gòu)件對(duì)接處出現(xiàn)裂縫或松動(dòng)，影響建筑的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。此外，噪聲也會(huì)對(duì)建筑內(nèi)部的居住和工作環(huán)境產(chǎn)生不利影響，干擾周邊社區(qū)的生活。因此，需要采取一系列聲學(xué)設(shè)計(jì)、降噪技術(shù)、隔音措施、噪聲監(jiān)測(cè)以及規(guī)劃策略等，以減輕鐵路噪聲對(duì)附近裝配式建筑群和社區(qū)的影響，創(chuàng)造一個(gè)和諧、寧?kù)o和宜居的環(huán)境。

臨近鐵路裝配式建筑群噪聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖2）通過(guò)工業(yè)基礎(chǔ)分類（Industry Foundation Classes，IFC）文件讀取裝配式建筑和鐵路的BIM 模型信息，真實(shí)展現(xiàn)裝配式建筑構(gòu)件，并將拼接節(jié)點(diǎn)、建筑群的建筑要素進(jìn)行科學(xué)表達(dá)。收集各種噪聲源數(shù)據(jù)，利用聲音可視化技術(shù)將噪聲數(shù)據(jù)可視化表示。采用多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)將噪聲可視化信息與裝配式建筑信息、監(jiān)測(cè)信息等相集成。構(gòu)建的噪聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但可以減少?zèng)Q策時(shí)不同系統(tǒng)之間的切換，而且可以提高臨近鐵路裝配式噪聲場(chǎng)大數(shù)據(jù)的綜合信息管理與分析水平，有助于數(shù)據(jù)信息的挖掘與提取。使用者通過(guò)噪聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)列車駛過(guò)該位置時(shí)產(chǎn)生的噪聲對(duì)臨近鐵路裝配式建筑產(chǎn)生的影響，以此為依據(jù)提供專業(yè)的建議和措施。

圖2 臨近鐵路裝配式建筑群噪聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（來(lái)源：作者自繪）

針對(duì)列車高速運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲對(duì)臨近鐵路人居環(huán)境的影響，本文研究臨近鐵路裝配式建筑群噪聲分布模型及降噪技術(shù)如下：

1）數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)及噪聲分布模型建立。首先，對(duì)列車經(jīng)過(guò)時(shí)臨近鐵路500 m 范圍內(nèi)的噪聲強(qiáng)弱分布情況進(jìn)行實(shí)測(cè)，然后對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而建立臨近鐵路區(qū)域的噪聲模型。

2）BIM 模型與噪聲模型耦合。數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)階段，同步建立裝配式建筑群BIM 模型。噪聲分布模型建成后，將噪聲分布模型與建筑BIM 模型按照點(diǎn)位信息進(jìn)行耦合。在目標(biāo)建筑區(qū)域內(nèi)，每個(gè)位置的噪聲分布情況均可以在綜合模型中直觀顯示出來(lái)。

3）臨近鐵路的裝配式建筑群降噪技術(shù)研究。基于對(duì)臨近鐵路裝配式建筑群建設(shè)范圍內(nèi)車至噪聲強(qiáng)度的分布情況，本文從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)層面研究裝配式建筑群降噪技術(shù)，并在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用。

4 具體應(yīng)用分析

永豐雅苑項(xiàng)目距京九鐵路線直線距離僅90 m，是典型的臨近鐵路裝配式建筑群施工項(xiàng)目。在該項(xiàng)目建造過(guò)程中，充分考慮了場(chǎng)地原始地貌較，采用場(chǎng)內(nèi)回填土的方式，將場(chǎng)地抬高至合適的高度，以確保項(xiàng)目?jī)?nèi)的住宅、商業(yè)區(qū)和公共設(shè)施區(qū)正常使用。場(chǎng)內(nèi)回填土平均厚度超5 m，在長(zhǎng)期受到振動(dòng)影響后，可能會(huì)出現(xiàn)地基下沉的情況。因此，對(duì)該臨近鐵路裝配式建筑群的減振和降噪是項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建造階段需要解決的重要問(wèn)題。

本文應(yīng)用上節(jié)提出的臨近鐵路的裝配式建筑群振動(dòng)模型及減振技術(shù)、臨近鐵路的裝配式建筑群噪聲模型及降噪技術(shù)建立技術(shù)方案，采用C#、Python 等語(yǔ)言編寫的仿真和可視化程序[6]，在永豐雅苑項(xiàng)目開展應(yīng)用驗(yàn)證。成果應(yīng)用后提高了臨近鐵路裝配式建筑群的減振降噪性能，有效提升了臨近鐵路裝配式建筑群的工程質(zhì)量，減小了滲漏風(fēng)險(xiǎn)，降低了建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本，顯著提升了鐵路沿線居民生活品質(zhì)，符合綠色建筑理念，具有極大的推廣價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高速列車行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲對(duì)臨近鐵路區(qū)域建筑環(huán)境產(chǎn)生的影響，研究臨近鐵路裝配式建筑群減振降噪技術(shù)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1）以臨近鐵路裝配式建筑群為例，從建筑施工角度出發(fā)，研究臨近鐵路裝配式建筑群減振降噪技術(shù)。

2）以臨近鐵路區(qū)域?qū)崪y(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立臨近鐵路裝配式建筑群振動(dòng)模型。耦合裝配式建筑BIM模型，研究車至振動(dòng)對(duì)裝配式建筑的影響。確定裝配式建筑基礎(chǔ)或建筑部位受振動(dòng)影響較大的點(diǎn)，進(jìn)而從建筑設(shè)計(jì)及施工的角度增強(qiáng)相應(yīng)部位的抗振性能，提升建筑施工質(zhì)量，有效延長(zhǎng)臨近鐵路裝配式建筑群的使用壽命。

3）以臨近鐵路區(qū)域?qū)崪y(cè)的噪聲數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立臨近鐵路裝配式建筑群噪聲分布模型。耦合裝配式建筑BIM 模型，研究車至噪聲對(duì)裝配式建筑群的影響，確定裝配式建筑群中受噪聲影響較大的點(diǎn)，從建筑設(shè)計(jì)及施工的角度增強(qiáng)相應(yīng)部位的降噪性能，提升人居環(huán)境的友好度。