临近铁路装配式建筑群减振降噪技术研究

谢青生 刘 勇 朱建斌 吴一锋 蒋 放

近年来，我国城镇化建设进程加速推进，城市开发及城市更新改造需求日益增长，导致城市建筑用地资源日益紧张。有些开发商将建筑用地选在临近铁路线的位置。铁路列车在高速通过建筑群区域时，会产生相应的振动与噪声，从而对周边环境产生一定程度的影响。研究表明，高速铁路振动产生于运行列车车轮与钢轨之间的耦合冲击，即列车在轨道上行驶时，由于车轮与道岔、钢轨等的碰撞以及线路不平顺等原因产生振动和噪声[1]，对临近铁路的建筑物及建筑物内人们的工作、生活和学习造成不利影响。此外，鉴于振动持续对建筑物产生影响，长时间处于振动冲击下的建筑物可能存在楼板开裂、地基下沉和变形等安全隐患。

随着我国建筑数字化和建筑工业化的快速发展，装配式建造技术在全国得到大力推广，部分省级和市级住房与城乡建设主管部门已发布相关文件，对新开项目的装配率作了具体要求。装配式建筑是指在工厂化生产的部品部件，在施工现场通过组装和连接而成的建筑。装配式建筑的构件间的拼接节点较多，对抗振性能的要求也比现浇混凝土结构建筑更高。因此，减振降噪是临近铁路的装配式建筑需要解决的重点问题之一。

1 项目概述

永丰雅苑项目位于赣江新区直管区蔡伦路以东、育匠路以南、李冰路以西、怀匠路以北地块内，项目距京九铁路线仅90 m，是临近铁路的装配式建筑群项目。该项目由1 层地下室、15 栋高层住宅、1 栋幼儿园、4 栋商业用房及相关附属设施组成。总建筑面积为256484.28 m2，地下室建筑面积为56714.61 m2。项目高层住宅为装配式建筑，装配率为30%。预制装配式构件包括预制叠合板、预制楼梯、预制空调板、石膏轻质隔墙板。项目为设计、采购、施工总承包项目，是临近铁路装配式建筑群，为研究提供了充足的研究场景。本文针对永丰雅苑项目用地临近铁路线路而存在的振动和噪声等问题，开展减振降噪技术研究，并进行实际应用验证。研究意义有：第1，显著降低高铁行驶过程中产生的振动和噪声对铁路沿线建筑等人居环境的影响，提升铁路沿线居民的生活品质，符合绿色建筑理念。第2，提高临近铁路的装配式建筑群的减振降噪性能，有效提升临近铁路装配式建筑群的工程质量，减小渗漏风险，降低建筑运营维护的成本。

2 研究现状

当前，对铁路减振降噪的研究主要是面向铁路本体基础设施的现场实测和数据分析。贺玉龙等[2]实测了成都轨道交通18 号线高架段运行噪声，分析了其噪声源强及水平传播特性。李小珍等[3]对某城际快速铁路引起的环境振动进行了现场实测，研究了车速等对基础设施横向和垂向振动的影响。毛昆明等[4]对沪宁城际铁路CRH动车组运行引起的高架桥段地面振动竖向速度和加速度进行了现场测试，分析了地面振动特征及其传播的衰减规律。结果表明，CRH 动车组运行引起的地面振动对一般性建筑物影响不大，列车时速为300 km/h 左右时，地面振动速度超过办公室等公共建筑的允许值，列车时速为200 km/h 左右时，地面振动速度超过居民住宅的允许值。

随着计算机技术的发展，部分学者采用数值分析模拟环境振动。此类方法通过建立复杂材料参数和几何模型，引入人工边界条件，利用有限元法分析高速列车运营引起的地表振动。例如，方联民等[5]提出基于虚拟激励法和有限元方法的车辆一轨道一客站耦合系统竖向随机振动模型。然而，人工边界构建难导致此类方法可应用性不高。

经查阅国内外相关文献发现，较少有研究开展临近铁路建筑减振降噪的施工技术。装配式建筑构件间的拼接节点较多，与现浇混凝土结构建筑存在显著差异，其对减振降噪性能的要求更高。据此，本文以永丰雅苑项目为例，开展临近铁路装配式建筑群减振降噪技术研究。

3 临近铁路装配式建筑群减振降噪技术

3.1 临近铁路的装配式建筑群振动模型及减振技术

铁路附近的装配式建筑群往往会面临着振动问题。铁路运输系统的振动主要源自火车列车的运行，包括机车引擎的振动、车轮与轨道的交互以及列车经过时的冲击。这些振动源能经过铁路传递到周围土层并向临近的装配式建筑群传播，引起临近建筑物的振动，对建筑物本身和居住者产生多方面的影响。振动可能对装配式建筑物的结构稳定性产生负面影响。频繁的振动可以导致装配式建筑构件疲劳和损坏，包括墙壁、屋顶和地基。这不仅会增加维护和修复成本，还会影响建筑的寿命，需要采取一系列措施。例如，采用减振技术、合理规划建筑位置、实时监测振动数据、遵守振动相关法规标准等，创造一个可持续的居住环境。

对建筑群不同点位振动信息的实时监测与等级评估是制订有针对性的减振措施的关键步骤。振动数据的准确获取为建筑工程专业人员提供了重要的数据基础，使其能全面了解振动问题的性质和程度。机器学习（Machine Learning）作为一种强大的技术工具，已经被广泛应用于建筑工程领域，其原理是让计算机通过训练算法从多模态、多视角、多维度的数据中学习模式和规律。通过利用机器学习技术，建筑工程专业人员能利用计算机系统来分析、挖掘、识别建筑大数据中的潜在规律，从而实现对现实世界中建筑工程的数据预测和智能控制。特别是在故障诊断、裂缝检测、优化设计、施工安全和噪声预测等方面，机器学习技术发挥着至关重要的作用，为建筑工程的安全性和可靠性提供了强有力的支持。因此，机器学习为振动数据的采集、监测、处理及数据评估等提供了可行方案。

临近铁路的装配式建筑群由于位置优势、距离振动源相对较近、振动传递路径相对简单等特点，其所受到的振动数据采集会更加便捷、准确。例如，通过在装配式建筑群的周边布设测量仪、频谱仪和速度计等振动传感器网络，能对装配式建筑群受到振动的数据进行全面、实时监测。这些数据包括建筑受铁路影响的振动频率、振幅、振动速度、振动加速度，以及装配式建筑结构受振动影响产生的位移等时域和频域信息。实时监测的振动数据可以作为机器学习的输入特征，并结合地形地貌、土壤类型和建筑材料等特殊因素，建立振动评估模型，可以准确评估振动对建筑物的影响程度。因此，本文引入机器学习技术，充分利用机器学习在数据分析领域的优势，开发基于机器学习的振动数据实时估计系统。

基于机器学习的临近铁路装配式建筑群振动实时估计系统如图1所示。该系统通过机器学习对临近铁路的装配式建筑群的点位信息以及振动信息进行分析处理，实时掌握临近铁路振动，提前预估列车通过时对周围装配式建筑造成的影响，帮助使用者对装配式建筑的规划、设计提供较为详细、可靠的依据，减少将来为降低振动影响所需的经济投入。

图1 基于机器学习的临近铁路装配式建筑群振动实时估计系统（来源：作者自绘）

针对列车高速运行产生振动对临近铁路装配式建筑群的影响，本文研究临近铁路装配式群振动模型及减振技术如下：

1）数据实测及振动模型建立。对临近铁路500 m 范围内的振动分布情况进行实测，然后对实测数据进行分析，建立临近铁路区域的振动模型。

2） 建 筑 信 息 模 型（Building Information Modeling，BIM）与振动模型耦合。数据实测阶段，同步建立装配式建筑BIM 模型。振动模型建成后，将振动模型与建筑BIM 模型耦合到一起，则目标建筑区域内每个位置的振动情况均可以在综合模型中直观显示出来。

3）临近铁路装配式建筑群减振技术研究。基于对临近铁路装配式建筑群建设范围内车至振动强度的分布情况，笔者从设计和施工两个层面研究装配式建筑群减振技术，并在项目实施过程中进行应用。

3.2 临近铁路的装配式建筑群噪声模型及降噪技术

位于铁路附近的建筑群，通常采用现代的装配式建筑技术构建。装配式建筑群常常受到铁路交通所带来的噪声干扰，包括火车运行时的噪声、来往汽车引擎的轰鸣声、车轮与火车轨道的摩擦声、列车警报器的预警声以及站台中的广播声。这些噪声源可能对装配式建筑构件产生不利影响，如构件对接处出现裂缝或松动，影响建筑的结构完整性和稳定性。此外，噪声也会对建筑内部的居住和工作环境产生不利影响，干扰周边社区的生活。因此，需要采取一系列声学设计、降噪技术、隔音措施、噪声监测以及规划策略等，以减轻铁路噪声对附近装配式建筑群和社区的影响，创造一个和谐、宁静和宜居的环境。

临近铁路装配式建筑群噪声场监测系统（图2）通过工业基础分类（Industry Foundation Classes，IFC）文件读取装配式建筑和铁路的BIM 模型信息，真实展现装配式建筑构件，并将拼接节点、建筑群的建筑要素进行科学表达。收集各种噪声源数据，利用声音可视化技术将噪声数据可视化表示。采用多模态数据融合技术将噪声可视化信息与装配式建筑信息、监测信息等相集成。构建的噪声场监测系统不但可以减少决策时不同系统之间的切换，而且可以提高临近铁路装配式噪声场大数据的综合信息管理与分析水平，有助于数据信息的挖掘与提取。使用者通过噪声场监测系统预测列车驶过该位置时产生的噪声对临近铁路装配式建筑产生的影响，以此为依据提供专业的建议和措施。

图2 临近铁路装配式建筑群噪声场监测系统（来源：作者自绘）

针对列车高速运行产生的噪声对临近铁路人居环境的影响，本文研究临近铁路装配式建筑群噪声分布模型及降噪技术如下：

1）数据实测及噪声分布模型建立。首先，对列车经过时临近铁路500 m 范围内的噪声强弱分布情况进行实测，然后对实测数据进行分析，进而建立临近铁路区域的噪声模型。

2）BIM 模型与噪声模型耦合。数据实测阶段，同步建立装配式建筑群BIM 模型。噪声分布模型建成后，将噪声分布模型与建筑BIM 模型按照点位信息进行耦合。在目标建筑区域内，每个位置的噪声分布情况均可以在综合模型中直观显示出来。

3）临近铁路的装配式建筑群降噪技术研究。基于对临近铁路装配式建筑群建设范围内车至噪声强度的分布情况，本文从设计和施工两个层面研究装配式建筑群降噪技术，并在项目实施过程中进行应用。

4 具体应用分析

永丰雅苑项目距京九铁路线直线距离仅90 m，是典型的临近铁路装配式建筑群施工项目。在该项目建造过程中，充分考虑了场地原始地貌较，采用场内回填土的方式，将场地抬高至合适的高度，以确保项目内的住宅、商业区和公共设施区正常使用。场内回填土平均厚度超5 m，在长期受到振动影响后，可能会出现地基下沉的情况。因此，对该临近铁路装配式建筑群的减振和降噪是项目设计和建造阶段需要解决的重要问题。

本文应用上节提出的临近铁路的装配式建筑群振动模型及减振技术、临近铁路的装配式建筑群噪声模型及降噪技术建立技术方案，采用C#、Python 等语言编写的仿真和可视化程序[6]，在永丰雅苑项目开展应用验证。成果应用后提高了临近铁路装配式建筑群的减振降噪性能，有效提升了临近铁路装配式建筑群的工程质量，减小了渗漏风险，降低了建筑运营维护的成本，显著提升了铁路沿线居民生活品质，符合绿色建筑理念，具有极大的推广价值。

5 结语

本文针对高速列车行驶时产生的振动及噪声对临近铁路区域建筑环境产生的影响，研究临近铁路装配式建筑群减振降噪技术，主要创新点如下：

1）以临近铁路装配式建筑群为例，从建筑施工角度出发，研究临近铁路装配式建筑群减振降噪技术。

2）以临近铁路区域实测的振动数据为基础，建立临近铁路装配式建筑群振动模型。耦合装配式建筑BIM模型，研究车至振动对装配式建筑的影响。确定装配式建筑基础或建筑部位受振动影响较大的点，进而从建筑设计及施工的角度增强相应部位的抗振性能，提升建筑施工质量，有效延长临近铁路装配式建筑群的使用寿命。

3）以临近铁路区域实测的噪声数据为基础，建立临近铁路装配式建筑群噪声分布模型。耦合装配式建筑BIM 模型，研究车至噪声对装配式建筑群的影响，确定装配式建筑群中受噪声影响较大的点，从建筑设计及施工的角度增强相应部位的降噪性能，提升人居环境的友好度。