基于建筑学方法的城市快速路全影型声屏障优化设计

俞庆旸

(中海环境科技(上海)股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年来，全影型声屏障在城市快速路改造工程中得到了广泛应用，项目建设方对其设计的要求不断提高。例如对于工程主线穿越城市居民区和商务区并接入城市高架主线的全影形声屏障设计而言，项目建设方不再只满足于要求实现全影型声屏障的声学功能，而是将其提升到了城市设计的高度，要求创新形式，实现与沿线重要地标性商务区环境的融合，防止对区域环境造成破坏，同时保持全线设计的协调一致性，并保证可实施性强、预算可控。

在欧美发达国家，独立设置的道路声屏障的视觉效果受到的关注度甚至超过了声学指标。美国联邦公路总署为解决该问题组织编写了《声屏障视觉质量设计导则》，并在新版《声屏障设计手册》中专门对声屏障美学进行了总结，探寻了设计规律，将声屏障完全作为城市小品这样的建构筑物对待，使其融入城市生活，没有突兀、粗陋感[1]。当前国内的全影型声屏障仍主要是从工程结构和声学的角度设计的，缺乏对城市、环境和功能的顶层协调统筹，已无法满足业主提出的更高层次的要求。这些内容恰恰是建筑学范畴内要着重思考和解决的问题。

为此，本文以上海市浦东新区某快速路改造工程为例，结合业主的要求，从建筑设计的角度审视、思考和设计城市快速路全影型声屏障。

1 全影型声屏障设计现状及存在的问题

当前国内的全影型声屏障设计均是以声学设计为理论基础，以工程结构设计为核心内容，以实现声学功能为目的开展的，建筑设计在其中或缺位，或居于辅助和配合的位置。分析形成该现状的原因，具体如下：

1) 全影型声屏障本身是为实现声学功能设计的，结构设计和声学设计在其中的作用比较直接，因此二者在全影型声屏障设计工作中占主导地位。

2) 作为一种大型公共交通构筑物，全影型声屏障尚未大规模应用在人口密集的城市，其声学功能之外的其他功能尚未被挖掘。因此，建筑设计的作用还不能在全影型声屏障设计中得到充分发挥。

3) 我国的社会环境和社会发展现状决定了当前全影型声屏障设计中首先要解决的还是有无问题和基本功能问题，以能满足工程实践要求和方便实施为优先选择。因此，在工程设计中会以声学设计和工程结构设计为核心。

对当前全影型声屏障设计存在的问题进行分析，总结如下：

1) 全影型声屏障设计仅以声学设计和工程结构设计为核心，只满足了单一的声学功能，建成的全影型声屏障通常给使用者留下外观粗陋，需要优化的印象。

2) 因缺乏建筑设计，导致设计的全影型声屏障与整个城市和周边的环境不协调。

3) 作为一种大型公共交通构筑物，只满足于实现其单一的声学功能，未充分挖掘其别的社会价值；同时，缺乏对建筑工程业可持续发展的思考，以及对节约资源和材料发展趋势的回应。

2 建筑设计在全影型声屏障设计中的运用

对于建筑设计在快速路全影型声屏障设计中的运用，主要从以下几个方面进行分析。

2.1 建筑设计的合理性

全影型声屏障作为功能导向明确的交通构筑物，为实现自身的功能性，具有专业的声学设计构造。

对于上海市浦东新区某快速路改造工程而言，鉴于该项目具有施工时间短、施工配合复杂和预算受控等特点，不适宜为达到业主的要求而全面推翻原有的较为成熟的全影型声屏障造型重新设计。

2.2 建筑设计的原则

根据项目的现实情况，确定建筑设计应遵循以下原则：

1) 建筑设计模块化；

2) 保留原有的声学模块单元不变；

3) 将原有的全影型声屏障主钢结构作为新造型的结构基础；

4) 重新设计部分钢结构件，重构全影型声屏障；

5) 在重点区域设计新的模块化建筑外表皮，覆盖原有的声学模块单元，将其作为全影型声屏障的新外部造型。

只有遵循以上设计原则，才能充分保障整个建筑设计的合理性，使整个设计在现有技术的基础上系统、有序开展，并在总体上做到可实施性强和预算可控。

2.3 建筑设计与城市及周边环境的协调性

该项目沿线除了有居民区以外，还有具有强烈的地标特征的上海前滩国际商务区。前滩国际商务区建筑群具有建筑体型简洁、现代感和工业感强的整体外形特征，大量采用金属和玻璃幕墙外表皮设计，主要标志性建筑物的外立面设计均具有线性序列排列规则、清晰和强烈的特点。

该项目采用的全影型声屏障为与前滩国际商务区建筑群紧临的交通构筑物，在设计时需结合其特点，在整体造型和外观上向这些建筑群靠拢，只有如此才能提升声屏障与前滩及周边环境的协调性。

因此，该项目的全影型声屏障建筑造型设计以能与周边商务区建筑群相互呼应并互为延伸为基础理念。从周边建筑群中汲取和提炼设计元素进行再设计，打造既具有现代新颖造型，又具有区域特征的交通构筑物。

建筑设计通过表皮表现场所精神，以及与城市及周边环境的协调性。由此，最终汲取和提炼的设计元素如下：

1) 密集排列的浅色直线条。密集排列的浅色金属线性元素，在项目沿线的标志性建筑群中广泛运用，并主要集中在建筑的外表皮上，见图1～图3。

图1 变化的线性元素

图2 规则排列的线性元素

图3 排列紧密的线性元素

此次全影型声屏障设计汲取该设计元素，通过设计沿道路延伸方向规则密集排列的银色铝方通重现该元素，并将其作为全影型声屏障全封闭段的建筑外表皮使用。

2) 组合排列的三角形。三角形元素也是项目沿线标志性建筑群中随处可见的几何形态，用于打破建筑物及立面线条密集排列带来的单调感，丰富空间造型，见图4～图6。

图4 建筑顶部的三角形元素

图5 建筑立面中的三角形元素

图6 建筑造型中的三角形元素

此次全影型声屏障设计汲取该设计元素，通过设计V型排列的中柱结构，改变原有全影型声屏障中柱垂直排列的形态，形成三角形组合排列的效果，丰富设计语言。

3) 圆形及弧线。圆形及弧线形态的出现对项目沿线标志性建筑群中大部分建筑物四四方方的外轮廓线起到了很好的调节和平衡作用，丰富了空间形态，见图7和图8。

图7 建筑立面中的弧形元素

图8 建筑造型中的椭圆形元素

此次全影型声屏障设计汲取该设计元素，在解决建筑外表皮顶部采光问题时，将椭圆形态用在银色铝方通采光开口上。在V型中柱设计中抛弃以往的工字型截面，改用圆形截面；顶部刚性系杆和钢梁收头均采用圆形设计，钢梁开孔采用长圆形孔；保留原有的全影型声屏障设计中顶部与立面过渡处的弧形转角设计。这些细节的处理和相互协调对改善全影型声屏障整体造型和呼应区域环境都能起到很好的作用，并提升钢构造型的完整度。

2.4 建筑设计的手法

该项目为增强全影型声屏障全线设计的整体性，与区域环境的协调性，并保障可实施和预算可控，采用整体模块化设计和建筑外表皮设计2种设计手法，并对二者进行有机结合。同时，对主结构构件进行重构和轻量化设计。

2.4.1 整体模块化设计

模块化思想是基于功能分析和重组，对原本复杂的功能进行分解和简化，结合目前的实际需求重新设计功能模块，并通过对模块进行选择和组合得到具有可变性、适用性的全新产品[2]。该方法在提升设计的灵活性、降低设计和施工的复杂性、方便工业化生产和维护、节约建筑全寿命周期成本和降耗增效等方面具有独特的优势。然而，以往国内的全影型声屏障设计基本上都未全线采用模块化设计方式，大部分都是针对单个屏障进行个性化设计，或局限于对吸声材料进行模块化设计。

此次项目考虑到工程线路较长，全线的全影型声屏障有全封闭段、半封闭段、全封闭半封闭转换衔接段、半封闭段和外造型须全新重点装饰段等多种形式，采用整体模块化设计能很好地起到协调全线全影型声屏障造型的作用，根据不同功能地段的需要，自由组合不同的模块单元。这样既能保证项目全线设计语言的一致性，又能满足项目全线不同区域对设计造型的不同需求。建筑模块化设计理念中设计逻辑的简单性、单元建构的地域性和模块参数的自发性在此得到了很好的体现[3]。

将此次项目中的全影型声屏障分为中柱单元(见图9)、半封闭屏体单元(见图10)和建筑外表皮单元(见图11)等3个基本构成模块单元，其中：中柱单元包含路中支撑柱和支撑柱与地面及屏体钢结构的连接构造形式；半封闭屏体单元包含半封闭屏体主钢结构、半封闭直立段屏体组合和半封闭顶部透明屏体；建筑外表皮单元包含铝合金外装饰及其附属连接结构。在实际使用时，可对三者进行自由组合，得到不同形式的全影型声屏障；各单元之间采用装配式组合方式，拆装便捷。

图9 V字型排列中柱

图10 完整半封闭屏体

图11 建筑外表皮及其附属结构

1) 1组半封闭屏体+中柱组成全影型声屏障半封闭段(见图12)；

图12 完整的全影型声屏障半封闭段

2) 1组半封闭屏体+中柱+建筑外表皮组成全影型声屏障分幅路基全封闭段(见图13)；

图13 带外表皮的全影型声屏障(分幅路基)

3) 2组对称半封闭屏体+中柱+建筑外表皮组成全影型声屏障全封闭段(见图14)；

图14 带外表皮的全影型声屏障全封闭段

4) 半封闭屏体+中柱+全封闭屏体组成全影型声屏障衔接段(见图15和图16)。

图15 半封闭屏体与全封闭屏体衔接段(鸟瞰)

图16 半封闭屏体与全封闭屏体衔接段(人视角)

在此次模块设计中，首次采用不对称的半封闭屏体作为基本全影型屏体单元，以其不对称性和不稳定性打破原有全影型声屏障始终对称稳定的造型，为后续应对全线设计中的各种变化打下基础。同时，因声屏障的不对称性，最大程度地降低了总体设计的复杂性，增强了模块的通用性，大大减少了后续施工所需加工构件的种类，节约了材料，减少了浪费，便捷了施工，单位造价也与原有全影型声屏障维持在同一水平。

2.4.2 建筑外表皮设计

建筑外表皮设计是现代建筑设计中广泛应用的一种外立面设计手法。对表皮的关注可追溯到德国建筑学家森佩尔的理论，赫尔佐格和德梅隆设计的国家体育馆“鸟巢”无疑是当代中国最著名的表皮建筑之一。简单地看，建筑中直接与人接触的围合部分就是建筑表皮，是建筑与其外部空间直接接触的界面。建筑表皮可理解为建筑外装饰，既独立于建筑结构之外，又与建筑结构有内在关联。通过塑造表皮，使建筑既独立于环境之外，又参与到环境中[4]。建筑外表皮在此次项目中的运用具有以下特点：

1) 设置灵活便捷，受原有全影型声屏障内部功能性构造的约束较小，造型变化可通过形象和构成的方式形成鲜明的风格；

2) 不影响原有全影型声屏障的内部设计，可保障从声屏障内部行车视角协调其与道路沿线其他未作建筑外表皮设计的全影型屏障的视觉一致性；

3) 基本上保留了原有全影型声屏障的主体钢结构。

此次项目中的建筑外表皮由沿高架道路纵向密集排列的银白色金属铝方通组成(见图17和图18)。排列形式和间距呼应周边商务区建筑群内的外立面设计语言，强化区域特征。为保障全影型声屏障内部的自然采光和行车安全，打开顶部的铝方通，将其设计成由椭圆形几何图案组成的开放部分，与外表皮的硬朗线条形成对比，缓和单一排列线条造成的单调感。该设计能使整个建筑外表皮既排列有序、形式感强烈，又兼顾自然采光和行车安全，同时与周边建筑群相呼应。

图17 前滩区域全影型声屏障设计效果

图18 前滩区域全影型声屏障实景

2.4.3 主结构构件的重构和轻量化设计

此次项目中的全影型声屏障的中柱作为行车视角中的一个主要独立建筑结构构件，其形式对改变人们对全影型声屏障造型的印象有重要作用。因此，重新设计该构件的形式也是此次全影型声屏障设计中的一个重要环节。

遵循从周边建筑群中汲取设计元素的原则，使设计的声屏障与周边环境相呼应。由此，汲取三角形设计元素，将其运用到中柱造型(即前文提到的V型排列中柱)设计中。三角形本身能代替原有的垂直立柱，给人更强的视觉稳定感，搭配全新设计的具有不对称性和不稳定性的半封闭屏体单元更加合适，使其在视觉的不稳定中获得稳定的支撑(见图19)，从而在变化中维持整体造型的稳定性。三角形的斜边能给中柱单元带来变化和动感，改变原来单调的垂直排列的中柱设计。

另外，为在不对称设计中获得美感和稳定感，改变原有建筑结构构件的笨重感，需使结构构件简洁轻盈。因此，在此次项目中对原有全影型声屏障的主钢结构进行简化和减重。在主钢结构构件尺寸变化不大的情况下，通过优化设计实现主钢结构单跨跨度翻倍(见图20)；所有大尺寸主钢梁都在保证强度的情况下开椭圆孔(见图21)。这些方法取得了良好的效果，在大大缓解构筑物内部的视觉压抑感的同时，减少了钢材用量。

图19 三角形元素在中柱设计中的运用

图20 轻量化结构构件示意图

图21 轻量化结构构件实景

3 建筑设计在全影型声屏障设计中的应用效果

将上述建筑设计手法应用在某快速路全影型声屏障设计中，主要取得以下效果：

1) 建筑设计的加入大大提升了该项目的完成度，使原本功能单一的全影型声屏障达到了城市小品的高度，挖掘了声屏障新的社会价值，得到了沿线居民的好评；

2) 满足了业主提出的全影型声屏障要与周边环境相融合的要求，取得了良好的视觉和艺术效果；

3) 通过系统的建筑设计，实现了降耗增效，控制了单位造价，可实施性不输原有的全影型声屏障，各单元间采用装配式组合使得后期维护便捷，体现了绿色与可持续发展的理念；

4) 验证了建筑设计在城市道路全影型声屏障设计中能起到良好的作用，能串联起声屏障其他各专业进行更好的协同；

5) 为后续道路全影型声屏障设计树立了新的标杆。

4 结 语

本文以上海市浦东新区某快速路改造工程为例，在其全影型声屏障设计中采用以建筑设计引领全影型声屏障设计的方式，圆满实现了业主对声屏障设计提出的创新形式、与环境融合、协调统一、预算可控和可实施性强等设计目标，为后续全影型声屏障设计提供了新的方法和思路，响应了国家提出的新时代建筑业绿色与可持续发展的要求，展现了建筑设计在新一代城市全影型声屏障设计中的优势和重要性。