“水立方”與科技奧運

石慧斌

1? “水立方”建筑概況

國家游泳中心位于北京奧林匹克公園內(nèi)，是2008年北京奧運會標(biāo)志性建筑物之一。

奧運會承擔(dān)項目：游泳、跳水、花樣游泳、水球。

比賽大廳可容納觀眾坐席17 000座，其中永久觀眾坐席為6 000座，奧運會期間增設(shè)臨時性座位11 000個（賽后將拆除）。

賽后將建成為具有國際先進水平的、集游泳、運動、健身、休閑于一體的中心。

2? 聲環(huán)境設(shè)計的重要性與特殊性

（1）游泳館在聲學(xué)設(shè)計上的特殊性

游泳館與一般綜合性體育館相比，在聲學(xué)設(shè)計上存在幾個特點：設(shè)有跳水池的游泳館每座容積大;地面為瓷磚和水面，對聲波產(chǎn)生強烈反射;館內(nèi)相對濕度高，控制混響時間和音質(zhì)缺陷的吸聲材料應(yīng)防潮防水。因此，以上幾個難點需在國家游泳中心聲學(xué)設(shè)計中加以解決。

（2）國家游泳中心圍護結(jié)構(gòu)的特殊性

國家游泳中心采用ETFE膜氣枕結(jié)構(gòu)作為外圍護結(jié)構(gòu)，有關(guān)ETFE氣枕的聲學(xué)性能，在國內(nèi)與國外均沒有確切的可以提供作為設(shè)計依據(jù)的參數(shù)。

（3）國家游泳中心場館的特殊性

國家游泳中心是2008北京奧運會的游泳、跳水、花樣游泳等項目的比賽場館，比賽大廳內(nèi)的語言清晰度將直接影響比賽和奧運賽事轉(zhuǎn)播。因此，為了保證比賽大廳的語言清晰度，有必要對國家游泳中心建筑聲學(xué)解決方案做詳盡的實驗，研究與討論。

3? 聲學(xué)設(shè)計步驟

4? 準備階段

（1）2004年初的討論會中，提出了幾個比賽大廳中存在的聲學(xué)問題：

① ETFE膜氣枕的吸聲性能如何？

② ETFE膜氣枕的隔空氣聲性能如何？

③ ETFE膜氣枕的隔雨噪聲性能如何？

④ 如果ETFE膜氣枕的吸聲性能不佳，比賽大廳還應(yīng)補充多少面積的吸聲材料，才能滿足語言清晰度要求？

（2）確定通過實驗解決問題

解決討論會上提出的問題，最直接可靠的辦法就是進行實驗室檢測，獲得ETFE膜氣枕的精確的聲學(xué)性能參數(shù)。

5? 實驗測試階段

5.1? 聲學(xué)實驗室的建立

聲學(xué)實驗室房間平面為正六邊形，邊長3.8 m，每兩組平行墻面間凈距離6.4 m，凈面積35.5 m2，見圖1。為滿足隔聲要求，入口處設(shè)置聲閘（兼做測試儀器控制室），實驗室墻為300 mm厚的磚墻。并在其中三面墻上設(shè)置擴散板。

圖1? 混響室平面圖

實驗塔總高度為15.35 m，分上下兩部分，下部為混響房間部分，高6.6 m，見圖2;上部為模擬降雨部分，主體為位于塔頂?shù)乃郏缮喜夸摷苤?，見圖3。為測試ETFE膜雙層氣枕構(gòu)造，混響房間又分為上下兩層，由氣枕分隔，氣枕面積為21.6 m2，一層氣枕層距地高3 m，二層氣枕層距地高6.6 m，兩層氣枕間距3.6 m，見圖4。

5.2? 測試過程

5.2.1? 測試項目

（1）吸聲系數(shù)測試

①只有上層ETFE氣枕

②雙層ETFE氣枕

③雙層ETFE氣枕，下附微孔透明薄膜

④雙層ETFE氣枕+兩層陽光板

⑤雙層ETFE氣枕+兩層陽光+巖棉

①雙層ETFE氣枕

②雙層ETFE氣枕（四層ETFE膜）

圖2? 實驗塔剖面圖

圖3? 實驗室頂部的水槽

圖4? 兩個三層氣枕，從混響室看水槽

（2）隔空氣聲測試

③雙層ETFE氣枕+兩層陽光板

④雙層ETFE氣枕+兩層陽光+texlon

（3）隔雨噪聲測試

①雙層ETFE氣枕

②雙層ETFE氣枕，每個氣枕四層ETFE膜

③雙層ETFE氣枕，中間層加雙層陽光板頂層氣枕外加一層texlon

④雙層ETFE氣枕，頂層氣枕外加一層texlon（見圖5）

⑤雙層ETFE氣枕，中間層加雙層陽光板

⑥雙層ETFE氣枕，底層氣枕外加四層橡膠板

⑦雙層ETFE氣枕，頂層氣枕外加毛毯+大孔網(wǎng)+毛毯+texlon（見圖6）

5.2.2? 模擬降雨

（1）確定模擬降雨雨量為2 mm/min的暴雨，據(jù)北京氣象部門提供信息，奧運期間可能會有四次降暴雨的機率;

（2）確定水箱與氣枕之間的高度為8 m，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高度達到8 m時，雨滴末速度能達到自然降雨時的95%，而當(dāng)高度達到12 m為時，雨滴末速度能接近降雨自然時的未速度;

（3）受雨面積與氣枕面積一致，為了明確受雨面積對室內(nèi)噪聲級產(chǎn)生的影響，在實驗之初用1 m×1 m的小水箱與大水箱（與氣枕面積等大）做對比實驗，結(jié)果表明應(yīng)采用大水箱模擬降雨。

圖5? 上層氣枕加蓋一層texlon

圖6? 上層氣枕加蓋毛毯，大孔網(wǎng)

5.3? 測試結(jié)果

5.3.1? 吸聲系數(shù)測試結(jié)果

表1? 吸聲系數(shù)測試結(jié)果

表1的測試結(jié)果說明：

（1）單個三層氣枕對低頻有一定吸聲，兩個三層氣枕基本不吸收聲能;

（2）在兩個三層氣枕下加小孔膜能大幅度提高構(gòu)造的吸聲系數(shù);

（3）在兩個三層氣枕基礎(chǔ)上再加兩層陽光板構(gòu)造吸聲性能影響不大;

（4）在兩層氣枕間加強吸聲材料對構(gòu)造的吸聲性能影響不大。

5.3.2? 隔空氣聲性能測試結(jié)果

表2? 隔空氣聲性能測試結(jié)果

序號 測試條件 隔聲量

（Dnt，W/dB）

1 兩個三層氣枕 20

2 兩個四層氣枕 23

3 兩個三層氣枕+兩層陽光板 29

4 兩個三層氣枕+兩層陽光板+一層texlon 30

表2的測試結(jié)果說明：

（1）兩個三層氣枕的隔聲量為20 dB;

（2）增加兩層陽光板可使圍護結(jié)構(gòu)隔聲增加9 dB;

（3）在上層氣枕上加Texlon對隔空氣聲作用很小。

5.3.3? 隔雨噪聲性能測試結(jié)果

表3? 隔雨噪聲性能測試結(jié)果

（1）表3中的實驗室設(shè)置的水箱高度8 m與21.6 m2的面積是合理的。

（2）就防雨噪聲而言，以下三種方法都是有效的，按照其有效程度與可行性進行如下排列：

在上層氣枕上加texlon，可減10 dB～11 dB;

在兩層氣枕間加兩層陽光板，可減7.5 dB～8.5 dB;

在氣枕上加四層橡膠墊，可減18.0 dB左右。

5.3.4? 聲學(xué)性能測試總結(jié)

（1）雙層ETFE氣枕（每個氣枕3層ETFE膜）的吸聲性能很差，NRC為0.065，基本與平板玻璃的吸聲性能相當(dāng)，因此，雙層ETFE氣枕構(gòu)造為比賽大廳的混響時間控制提供的吸聲量極為有限，必順在比賽大廳室內(nèi)另外增加大面積、高吸聲性能的吸聲材料。

（2）當(dāng)雙層ETFE氣枕（每個氣枕3層ETFE膜）下附一層微孔透吸薄膜時（膜的穿孔孔徑為0.8 mm），構(gòu)造吸聲性能大大增加，使其NRC達到0.35，為以后此類構(gòu)造提高吸聲性能提供了一種解決方法。

（3）雙層ETFE氣枕（每個氣枕3層ETFE膜）的隔空氣聲性能較差，其隔聲量為20 dB，相當(dāng)于6 mm厚的玻璃，其他構(gòu)造組合的測試結(jié)果為國家游泳中心隔空氣聲問題的解決提供了指導(dǎo)依據(jù);

（4）當(dāng)雨量達到暴雨時，雨滴撞擊氣枕，可以激發(fā)氣枕膜的振動，從而產(chǎn)生撞擊聲，在沒有任何措施的情況下，雨噪聲達到85 dB以上，將使比賽大廳無法使用，而其他構(gòu)造組合的測試結(jié)果為國家游泳中心解決雨噪聲問題提供了相應(yīng)可行的措施。

6? 聲學(xué)解決方案

6.1? 比賽大廳

6.1.1? 比賽大廳概況

比賽大廳平面為126.3 m×116.7 m的矩形，投影面積為13 500 m2，室內(nèi)凈高28.4 m。賽時容積為280 500 m3，共17 000座，每座容積為16.5 m3。賽后容積為224 000 m3，共5 000座，每座容積達40 m3。

功能定位為舉行奧運會游泳、跳水等比賽，滿足賽事轉(zhuǎn)播要求，賽后主要用于國際比賽與國家隊訓(xùn)練。

6.1.2? 比賽大廳設(shè)計最佳混響時間

根據(jù)建筑設(shè)計院的要求以及2005年7月13日聲學(xué)專家討論會會議意見，由于膜結(jié)構(gòu)的特殊性，本場館的中頻混響時間控制在2.5 s以內(nèi)是可以滿足使用要求的，要求頻率特性基本平直，低頻允許有一定的提升，具體設(shè)計滿場混響時間頻率特性見表4。

表4? 滿場混響時間頻率特性

頻率/Hz 125 250 500 1k 2k 4k

賽時 混響時間

/s 3.0 2.75 2.5 2.5 2.25 2.0

混響比 1.20 1.10 1.00 1.00 0.90 0.80

6.1.3? 比賽大廳吸聲材料布置（見圖7）

圖7? 比賽大廳吸聲材料的布置

6.1.4? 比賽大廳混響時間計算值

比賽大廳混響時間計算采用了傳統(tǒng)的EXCEL計算方法和ODEON軟件計算機模擬法，并將結(jié)果互相對比，從而修正完善聲學(xué)解決方案。

ODEON軟件模擬計算了自然聲狀態(tài)和狀態(tài)擴聲系統(tǒng)兩種條件，見表5。

表5? 軟件計算結(jié)果

頻率/Hz 125 250 500 1k 2k 4k

設(shè)計值/s 3.0 2.75 2.50 2.50 2.25 2.0

自然聲狀態(tài)混響時間/s 3.92 2.96 2.09 2.03 1.71 1.50

擴聲系統(tǒng)狀態(tài)混響時間/s 3.80 3.03 2.06 2.06 1.80 1.56

6.1.5? 比賽大廳ODEON軟件可聽化模擬

可聽化模擬實現(xiàn)了以下過程：在建筑工程完成之前，利用計算機模擬建筑聲環(huán)境，導(dǎo)入音頻信號源，并生成經(jīng)過電聲系統(tǒng)和廳堂混響之后的音頻文件。其目的在于預(yù)先感知廳堂建成之后的擴聲系統(tǒng)和室內(nèi)混響效果，據(jù)此對現(xiàn)有廳堂聲學(xué)方案提出更改建議，同時實現(xiàn)同一空間在不同混響時間狀態(tài)下產(chǎn)生的語言聲聲效或音樂聲聲效的比較。

“水立方”比賽大廳可聽化模擬主要分三個步驟：建立比賽大廳計算機模型、設(shè)置計算機模型各邊界條件、計算生成可聽化模擬后的音頻文件。

“水立方”比賽大廳可聽化模擬的數(shù)字信號源以語言聲信號為主，根據(jù)語速的不同分為兩類，一類為正常語速（播通告、新聞等），一類為慢語速（詩朗誦等），而對音樂聲，其結(jié)果僅供參考。

6.2? 其他空間

在國家游泳中心聲學(xué)設(shè)計任務(wù)中，還包熱身池大廳、南商業(yè)街、東南入口的聲學(xué)設(shè)計。

熱身池廳平面為80 m×50 m的矩形，投影面積為3 650 m2，室內(nèi)凈高11.3 m。賽時容積為33 450 m3，賽后容積為35 000 m3。熱身池大廳用于大型國際比賽賽前訓(xùn)練，國家隊訓(xùn)練等。

南商業(yè)街平面為28.5 m×113 m的長方形，面積為2 600 m2，賽時室內(nèi)凈高為15.5 m，賽后室內(nèi)凈高為23.2 m。賽時容積為14 200 m3，賽后容積為20 500 m3。

東南入口平面為26 m×45 m的長方形，面積為1 170 m2， 室內(nèi)凈高為4.4 m，總?cè)莘e為5 850 m3。

為了保證“水立方”室內(nèi)的建筑聲環(huán)境，以上空間均做了必要的吸聲處理。

7? 竣工測試

混響時間測試

測試地點：比賽大廳;

測試時間：2008年3月13日19：00～23：00;

測試儀器：PULSE 3560多分析系統(tǒng);聲源：比賽大廳現(xiàn)場揚聲器。

表6? 測試數(shù)據(jù)對比

頻率（Hz） 125 250 500 1k 2k 4k

滿場混響時間

設(shè)計值/s 3.00 2.75 2.5 2.5 2.25 2.0

80%滿場混響時間模擬值/s 3.80 3.03 2.06 2.06 1.80 1.56

80%滿場混響時間實測值/s 2.17 2.42 2.23 2.12 1.72 1.14

100%滿場混響時間實測值/s 1.81 2.32 2.07 1.94 1.54 1.04

8? 成果與不足

8.1? 成果

（1）實驗所得ETFE膜氣枕的聲學(xué)參數(shù)詳實精確，為國家游泳中心比賽大廳聲學(xué)問題的完滿解決提供了堅實的基礎(chǔ)，也為今后ETFE膜氣枕構(gòu)造在其他工程上的大規(guī)模使用提供了重要的聲學(xué)參數(shù)。

（2）提出的聲學(xué)解決方案完滿地解決了國家游泳中心的聲學(xué)問題?，F(xiàn)場竣工實測數(shù)據(jù)表明，比賽大廳現(xiàn)場混響時間與計算機模擬值、設(shè)計最佳值三者得到了很好的吻合，為今后處理類似大型游泳場館的聲學(xué)問題提供了經(jīng)驗。

（3）比賽大廳的聲學(xué)解決方案沒有采用傳統(tǒng)的滿掛吸聲體的設(shè)計思路，最終很好地實現(xiàn)了聲學(xué)設(shè)計與室內(nèi)美學(xué)設(shè)計的高度統(tǒng)一，為今后處理類似問題開辟了新的途徑與方法。

（4）比賽大廳的聲學(xué)解決方案體現(xiàn)了綠色奧運，人文奧運、科技奧運的奧運理念，很好地解決了吸聲材料的環(huán)保問題，為今后環(huán)保吸聲材料的使用提供了更多的選擇。

8.2? 不足

雖然在實驗過程中嘗試了多種增加ETFE氣枕隔聲的構(gòu)造做法，但由于影響場館總體視覺效果，在現(xiàn)場構(gòu)造做法上存在難點等原因，最終未能實施，造成場館在隔空氣聲與雨噪聲存在不足，頗為遺憾。

（選編自第六屆論壇演講稿）