特殊空間對建筑聲學(xué)的影響—以新海港為例

羅鎧，楊金然

（1.悉地國際設(shè)計顧問有限公司，北京 100013；2.北京清源智瑞科技有限公司，北京 100013）

1 項目概況

“十三五”期間，我國海南省以國際旅游島建設(shè)為總抓手，圍繞生態(tài)立省、經(jīng)濟(jì)特區(qū)、國際旅游島建設(shè)大局，努力推動海南國際旅游島建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展再上一個新臺階，打造“21世紀(jì)海上絲綢之路”空港、海港貿(mào)易物流樞紐，實現(xiàn)優(yōu)進(jìn)優(yōu)出。

海南省?？谑行潞８蹪L裝碼頭客運(yùn)綜合樞紐站工程是新海港區(qū)的重要組成部分。工程建筑設(shè)計的主要挑戰(zhàn)在于：超大的設(shè)計容量、獨特的建筑類型、全新的城市形象。構(gòu)型意向取自舒展的鰩魚，修長的鯨魚，曲線勾勒的形體，富有動感，充滿活力。屋頂中脊和檐口兩條曲線在陸側(cè)延展，建筑底部架空，供進(jìn)車輛通行—查驗—等候使用。屋面具有600m長的沿海展開面，對于海上乘船旅客將展示出張開雙臂迎候的形式，成為?？诜叛凼澜绲男麓箝T（見圖 1）。

2 項目的聲學(xué)問題分析

2.1 樞紐站音質(zhì)特殊性分析

2.1.1 問題分析

圖1 項目鳥瞰圖

?？谛潞L裝碼頭客運(yùn)樞紐站建筑面積約9.2萬m2，總?cè)莘e約73.6萬m3，其中F2與F3兩層為音質(zhì)敏感區(qū)域。主要音質(zhì)設(shè)計區(qū)域為F2主走廊（見圖2）、F2安檢區(qū)（見圖3）、F2候船區(qū)（見圖4）、F3景觀區(qū)（見圖5）、F3通關(guān)區(qū)（見圖6）這五個區(qū)域。音質(zhì)重點區(qū)域不可出現(xiàn)混響時間長、噪聲高、回聲和顫動回聲等聲缺陷。

上述幾個音質(zhì)敏感區(qū)域均為開放式空間，各空間之間相互耦合，相互影響，且體積巨大，對音質(zhì)設(shè)計提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為了提高樞紐站的音質(zhì)，降低站內(nèi)的噪聲，降低廣播系統(tǒng)設(shè)計的難度，需降低樞紐站的混響時間，提高站內(nèi)的語言清晰度。

圖2 F2主走廊位置示意圖

圖3 F2安檢區(qū)位置示意

圖4 F2候船區(qū)位置示意

圖5 F3景觀區(qū)位置示意

圖6 F3通關(guān)區(qū)位置示意圖

2.1.2 設(shè)計目標(biāo)設(shè)定

目前國家尚無標(biāo)準(zhǔn)對交通樞紐站的混響時間提出要求，且樞紐站屬于超大型空間，混響時間必然偏長，無法提出“最佳混響時間標(biāo)準(zhǔn)”。因此，樞紐站音質(zhì)的設(shè)計應(yīng)以語言清晰度（STI）為標(biāo)準(zhǔn)。STI指數(shù)≥0.5，可保證人員順利溝通，廣播系統(tǒng)順利工作，提升旅客的出行體驗。

2.2 解決方案

混響時間與室內(nèi)吸聲存在數(shù)學(xué)關(guān)系，即塞賓公式：

式中：

T—混響時間；

V—房間體積；

S—房間墻面的總表面積；

由塞賓公式可看出，房間體積越大，混響時間越長；平均吸聲系數(shù)越大，混響時間越短。體積巨大的空間如果不進(jìn)行吸聲處理，混響時間就會加長，造成語言清晰度下降。因此，樞紐站內(nèi)需安裝吸聲材料，吸聲材料的面積及材料的吸聲系數(shù)要滿足空間要求。

由于樞紐站的內(nèi)部空間較大，且內(nèi)部空間十分復(fù)雜，只有天花位置具備安裝聲學(xué)材料的可能性，因此需在天花位置安裝強(qiáng)吸聲材料。為了保證外觀裝飾效果，材料需選用無機(jī)物硬質(zhì)質(zhì)感材料。

音質(zhì)重點區(qū)域的天花分為兩類，一類為樞紐站頂面，一類為二層與三層之間的分層樓板。

2.2.1 樞紐站頂面天花吸聲設(shè)計

樞紐站的外觀設(shè)計方案中，樞紐站頂面外表面為木紋鋁條板，縫隙率30%，木紋鋁條板是非吸聲材料，但由于木紋鋁條板縫隙率較大，因此可在木紋鋁條板上方安裝吸聲材料，綜合考慮后，決定使用生態(tài)砂吸音板作為頂面吸聲材料。

生態(tài)砂吸音板是一種新型的吸聲材料，原料選用天然砂，利用特殊工藝，將一種無機(jī)硅溶劑，均勻且極薄的施涂于全部砂粒表面，使砂礫外層之間產(chǎn)生一種熔融再固化反應(yīng)，砂粒就像被焊接一樣聚合在一起。因為每顆砂粒的微觀形狀是不規(guī)則且獨一無二的，聚合積壓在一起時，砂粒之間天然形成了大量的、不規(guī)則的、相互連通的微小孔隙。當(dāng)聲波入射到表面時，聲波會透入吸聲板內(nèi)部，在細(xì)孔中傳播，由于空氣振動產(chǎn)生的黏滯性和摩擦阻力作用，使得聲能逐漸轉(zhuǎn)化為熱量而消耗，由此產(chǎn)生吸聲作用。生態(tài)砂吸音板吸聲的高中低頻特性與砂粒間細(xì)孔的大小、數(shù)量、構(gòu)造等形式密切相關(guān)，通過對這些細(xì)孔的調(diào)控，就實現(xiàn)了吸聲頻率特性可調(diào)節(jié)的功能。該工程選用的生態(tài)砂吸音板的吸聲特性為中高頻吸聲系數(shù)相對高，低頻、高頻吸聲系數(shù)相對低，整體NRC=0.75，契合樞紐站的噪聲特性。

2.2.2 分層樓板天花吸聲設(shè)計

二層與三層之間的分層樓板天花外觀設(shè)計方案中，外觀要求全部使用三角形板材，燈具也使用三角形板材包裹，燈具占到整體天花面積的25%。根據(jù)外觀設(shè)計，吊頂材料需使用金屬材料，燈具外材料使用薄膜透光材料。

吊頂材料選用說明：金屬類吸聲材料主要為穿孔金屬板，綜合考慮成本、耐久性、外觀、吸聲系數(shù)后，決定使用穿孔鋁板，穿孔鋁板的安裝方式為：穿孔鋁板厚度3mm，孔徑3mm，穿孔率15%～20%，板后安裝50mm厚離心玻璃棉外包玻璃絲布。

燈具外材料選用說明：燈具占用的面積為整體天花面積的25%，若燈具外材料使用不吸聲的普通塑料薄膜或織物薄膜，將會降低天花整體的平均吸聲系數(shù)，因此燈具外材料必須使用吸聲系數(shù)較高的材料。

薄膜類材料由于材料厚度的限制，NRC的實驗室測量值通常小于0.1，為此必須選用突破常規(guī)材料特性的“超材料”，現(xiàn)在的吸聲薄膜中吸聲系數(shù)最高的材料為聲子晶體微孔吸聲膜。吸聲膜厚度0.2mm，孔徑0.05mm，防火等級B1級。

局域共振型聲子晶體的概念最早于2000年由劉正猷等在Science上提出，他們使用硅橡膠包裹鉛球按照簡單立方晶格排列在環(huán)氧樹脂基體中，進(jìn)行了相應(yīng)的實驗。理論和實驗都證實這一單元特征長度為2cm的結(jié)構(gòu)具有低于400Hz的低頻帶隙，比同樣尺寸的Bragg散射型聲子晶體的第一帶隙頻率降低了兩個數(shù)量級。近十年，由于其優(yōu)越的低頻特性吸引了眾多學(xué)者的分析和研究，大量文獻(xiàn)對局域共振機(jī)理和傳輸特性進(jìn)行了分析和研究。研究表明，在局域共振結(jié)構(gòu)中，由于中間很軟的包覆層的存在，當(dāng)將較硬的芯球連接在基體上時，組成了具有低頻的共振單元。當(dāng)基體中傳播的彈性波的頻率接近共振單元的共振頻率時，共振結(jié)構(gòu)單元將與彈性波發(fā)生強(qiáng)烈的耦合作用，使其不能繼續(xù)向前傳播，從而導(dǎo)致了帶隙的產(chǎn)生。

局域共振聲子晶體結(jié)構(gòu)的主要特點是：

（1）帶隙頻率遠(yuǎn)低于相同晶格尺寸的布拉格（Bragg）帶隙，實現(xiàn)了“小尺寸控制大波長”。

（2）帶結(jié)構(gòu)中存在平直帶，內(nèi)部波場存在局域化共振現(xiàn)象。

（3）帶隙由單個散射體的局域共振特性決定，與其排列方式無關(guān)。

（4）帶隙寬度隨填充率的增加而單調(diào)增加[1]。利用聲子晶體的原理，可實現(xiàn)“小尺寸控制大波長”。聲子晶體微孔吸聲膜可在高頻有較高的吸聲系數(shù)α（見下表）。微孔吸聲膜構(gòu)造為雙層，夾層空腔50mm，與樓板之間的空腔200mm。

聲子晶體微孔吸聲膜吸聲系數(shù)

2.3 計算機(jī)模擬驗證

該樞紐站屬于超大空間建筑，且造型奇特，各區(qū)域之間相互耦合，無法使用塞賓公式進(jìn)行混響時間計算，因此需進(jìn)行仿真模擬，以驗證方案合理性。

采用幾何聲學(xué)軟件RAYNOISE對上文中的聲學(xué)材料設(shè)計進(jìn)行仿真模擬，由于樞紐站為超大型空間，對于超大型空間而言，不存在所謂的“最佳混響時間”。對于樞紐站而言，語言清晰度（STI）是比混響時間更重要的參數(shù)，語言清晰度（STI）大于0.5時可認(rèn)為聲學(xué)設(shè)計較為成功，室內(nèi)音質(zhì)較好，可保證樞紐站內(nèi)人員交談，進(jìn)而降低人員交談的聲音，降低樞紐站內(nèi)部的噪聲，廣播系統(tǒng)可較為有效的傳遞信息。

語言清晰度（STI）模擬結(jié)果見圖7。

圖7 語言清晰度（STI）模擬結(jié)果

模擬結(jié)果分析：RAYNOISE的STI模擬分析方法為，在圖7中箭頭標(biāo)注的位置設(shè)置一個點聲源，點聲源發(fā)聲，通過計算聲波的鏡面反射、擴(kuò)散反射、墻面和空氣吸收、衍射和透射等得到語言清晰度（STI），由圖7可知，絕大多數(shù)位置STI均大于0.5，這表明樞紐站的語言清晰度較好。部分位置STI數(shù)值接近0.1的原因是此類位置為封閉空間，不與樞紐站大空間連接，故此位置沒有收到預(yù)設(shè)點聲源噪聲信號，STI數(shù)值較低，此類位置不在音質(zhì)設(shè)計范圍之內(nèi)。

2.4 樞紐站交通噪聲分析

由于樞紐站的下方為貨車密集的運(yùn)輸公路，因此交通噪聲是該項目最為重要的噪聲源。樞紐站的客流入口處為電動扶梯，扶梯下方為公路及停車場，扶梯上方為二層候船區(qū)，噪聲將直接通過扶梯傳至候船區(qū)，對候船區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲影響。

此噪聲如不治理，將會產(chǎn)生“雞尾酒會效應(yīng)”：候船區(qū)乘客受到噪聲影響，無法正常談話溝通，因此需更大聲的交談，使得談話的聲壓級高于交通噪聲6～10dB，這樣才能使交談聲音大到對交通噪聲產(chǎn)生掩蔽（masking）效應(yīng)，如此方可達(dá)到足夠的語言清晰度，理解相互之間的交談內(nèi)容。這就導(dǎo)致了候船區(qū)人流噪聲進(jìn)一步增加，進(jìn)而影響候船區(qū)廣播系統(tǒng)的正常工作，廣播系統(tǒng)需使用更大功率的揚(yáng)聲器進(jìn)行廣播播報，進(jìn)而導(dǎo)致廣播系統(tǒng)的噪聲需高于交通噪聲12～20dB，嚴(yán)重影響乘客的出行體驗。

降噪的最有效方法為隔聲，即使用隔聲材料將噪聲敏感點與噪聲源隔絕開。但由于入口處為開放空間，因此無法使用隔聲的方法進(jìn)行降噪處理，綜合考慮，入口處可使用聲繞射的原理進(jìn)行降噪處理。降噪處理的方法為將電梯使用夾膠玻璃、吸隔聲復(fù)合構(gòu)造進(jìn)行隔聲維護(hù)，頂部位置使用吸聲材料。

降噪效果計算：

此構(gòu)造的主要降噪原理是聲繞射，聲繞射的降噪量計算如下所示：

式中：

N—菲涅耳數(shù)；

λ—為聲波波長，m；

d—為聲源與受聲點間的直線距離，m；

A—為聲源與聲障頂端的距離，m；

B—為受聲點與聲屏障頂端的距離，m。

取距離電梯入口處東南、西北各100m處為噪聲源（此位置為貨車通過的典型位置），進(jìn)行聲線分析，安裝隔聲構(gòu)造前后的聲線對比見圖8。

圖8 安裝隔聲維護(hù)構(gòu)造前后聲線對比圖

以500Hz為例，500Hz噪聲波長0.68m，帶入公式中可得：ΔL=23.68dB。通過此計算方法，可得到各頻段降噪量，平均降噪量為25.2dB，降噪效果顯著。

3 民用建筑提高聲學(xué)舒適度的必要性分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平的提高，對建筑的聲學(xué)舒適度要求越來越高，良好的聲學(xué)環(huán)境越來越受到建筑師及建筑使用者的重視。建筑聲學(xué)的設(shè)計主要是降噪控制和音質(zhì)設(shè)計。

3.1 降噪控制的必要性分析

噪聲的危害主要有：1）對睡眠、休息的干擾。噪聲會影響人的睡眠質(zhì)量，強(qiáng)烈的噪聲甚至使人無法入睡或使人多夢，尤其老年人和病人對噪聲的干擾更為敏感。2）對心理的影響。噪聲引起的心理影響主要是使人煩惱、易怒，甚至失去理智；噪聲也容易使人疲勞，影響精力集中和工作效率，尤其是對一些做非重復(fù)性工作的勞動者，影響更為明顯。噪聲的掩蔽效應(yīng)，往往掩蓋一些危險信號的聲響示警，故吵鬧的施工區(qū)域或生產(chǎn)場所易出現(xiàn)工傷事故。3）噪聲對胎兒和兒童的影響。研究表明，噪聲會使母親產(chǎn)生緊張反應(yīng)，以致影響供給胎兒發(fā)育所必需的養(yǎng)料和氧氣。4）噪聲對女性的健康影響等[3]。

對于民用建筑的噪聲控制，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》（GB 50118—2010），對住宅建筑、學(xué)校建筑、醫(yī)院建筑、旅館建筑、辦公建筑、商業(yè)建筑均規(guī)定了相應(yīng)的噪聲級標(biāo)準(zhǔn)、隔聲標(biāo)準(zhǔn)、隔聲減噪設(shè)計要求[4]。國家衛(wèi)生和計劃生育委員會也發(fā)布了《工業(yè)企業(yè)職工聽力保護(hù)規(guī)范》，提出了聽力保護(hù)的相關(guān)的規(guī)范[5]。但聲學(xué)專業(yè)長期以來沒有得到足夠的重視，聲學(xué)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的交叉學(xué)科，涉及建筑、機(jī)電、裝飾等多專業(yè)的協(xié)調(diào)配合，若在項目設(shè)計階段未考慮聲學(xué)部分，待項目建設(shè)完成才發(fā)現(xiàn)聲學(xué)問題而進(jìn)行補(bǔ)救，治理的費用及難度就會大很多，這導(dǎo)致很多建筑的噪聲超標(biāo)，嚴(yán)重影響建筑的整體品質(zhì)。

3.2 音質(zhì)設(shè)計的必要性分析

室內(nèi)音質(zhì)對于對音質(zhì)有特殊要求的房間（如觀演建筑、會議室、多功能廳、交通樞紐等）有重要的意義。室內(nèi)音質(zhì)較差，可導(dǎo)致室內(nèi)產(chǎn)生語言清晰度降低、回聲、顫動回聲、聲染色、聲聚焦、駐波等嚴(yán)重的聲學(xué)問題，嚴(yán)重影響廳堂的品質(zhì)。

4 結(jié)語

交通樞紐站暫時尚未有建筑聲學(xué)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。交通樞紐站的聲學(xué)設(shè)計涉及混響時間控制、語言清晰度控制、噪聲控制等多方面。?？跐L裝客運(yùn)站屬于超大型、不規(guī)則空間，部分常用聲學(xué)設(shè)計方法不適用于此類空間。由于超大型空間混響時間必定較長，因此需使用在滿足外觀設(shè)計前提下，NRC系數(shù)最高，吸聲曲線最適當(dāng)?shù)牟牧?。交通樞紐站是開放空間，交通噪聲控制的難度會更大，因此需在此條件下使用最適當(dāng)?shù)慕翟氪胧?/p>