在地板上使用更少的材料是提高建筑可持续性的可行策略,因为它可以减少结构的环境足迹。然而,根据建筑工程助理教授内森·布朗的说法,只考虑这个目标可能会导致不必要的影响,比如房间里的回声或楼层之间的噪音。
宾夕法尼亚州立大学的研究人员探索了一种优化混凝土楼板的声学和结构特性的方法。他们的研究结果在《科学》杂志3月份印刷版之前发表在网上建筑工程学报。
“我们研究的令人兴奋的结果是,形状结构可以提高建筑物的隔音性能,同时减少结构系统的隐含碳排放,”建筑工程博士候选人、论文的第一作者乔纳森·布洛伊尔(Jonathan Broyles)说。
为了开始他们的调查,该团队使用3D建模软件创建了由可移动控制点连接的许多曲线组成的形状混凝土板。通过为程序提供移动这些点时要遵循的参数,研究人员允许软件根据现实的、定制的约束条件生成各种可能的设计。
继续努力寻找一个有利的设计——一个被称为优化的过程——研究人员需要在两个方面测试生成的设计的性能。他们分析了结构特性,以满足建筑工程标准,以及声学特性,以减少不受欢迎的声音。
论文的通讯作者Brown说:“传统的优化集中在一个值上,作为一个好或坏的设计,但在这种情况下,我们有两个值:一个评估结构性能,另一个评估声学性能。”“我们建立了一个带有一些变量的模型,并使用计算机算法来浏览潜在的设计,同时针对两种价值寻找更好的选择。”
该团队使用了许多方程来告知他们的优化约束。除了考虑质量,为了减少质量以减少制造和安装平板所需的排放,研究人员还考虑了形状和刚度。根据Brown的说法,了解这些变量对声学特性的影响将使研究小组能够减少传播声波撞击平板的功率。
通过优化,研究人员确定了混凝土板的设计,比传统形状的板使用更少的混凝土,并保持了理想的声学性能。布朗说,这些发现为异形混凝土地板的设计奠定了基础,这种地板可以在不影响可持续性的情况下,更好地与声音互动。
布洛伊说,这项研究的部分动机是他的跨学科兴趣。
“我来到宾夕法尼亚州立大学是为了研究结构工程和声学设计的交叉,”布洛伊尔说。“在与布朗博士会面后,我意识到这个话题可以在异形混凝土地板的优化研究中进行探索,以帮助理解可持续性与建筑声学之间的关系。”
该团队计划将本研究中使用的方法应用于声学以外的领域,以了解可持续性和性能之间的权衡。根据布朗的说法,探索这种联系可以带来更可持续的建筑,而不会损害生活质量。
布朗说:“这是我对设计过程感兴趣的地方,特别是对于那些必须做许多不同的事情并实现许多定量性能目标的建筑组件,同时仍然具有定性特征,使建筑成为我们想要居住的地方。”“我的许多核心研究议程都在于考虑这些我们可以衡量的定量目标,同时仍然给予设计师思考这些定性方面的自由和灵活性。”
声学助理研究教授Micah Shepherd也对这项工作做出了贡献。
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