上海音樂廳文物建筑聲學(xué)性能提升施工關(guān)鍵技術(shù)

孫沈鵬 谷志旺 王偉茂 張 銘 張 波

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

音樂場(chǎng)館是人們感受音樂魅力的活動(dòng)場(chǎng)所，由于建造工藝和材料的局限性以及現(xiàn)有觀演品質(zhì)的提升，現(xiàn)存的老式音樂場(chǎng)館都存在不同程度的聲學(xué)缺陷。這些老式場(chǎng)館承載著不可再生的歷史信息和寶貴的文化資源，具有重要的歷史價(jià)值，保護(hù)利用老式音樂場(chǎng)館，消除既有聲學(xué)缺陷，是激活并賦予其新生命力的重要體現(xiàn)，也是延續(xù)城市文脈的重要手段[1-2]。本文以上海音樂廳聲學(xué)改造提升為例，詳細(xì)介紹在保護(hù)文物建筑特征的前提下如何開展音樂廳觀演聲學(xué)性能提升，為同類型項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。演出，至此上海音樂廳每年舉辦500余場(chǎng)演出，眾多的中外著名音樂家、樂團(tuán)先后登臨音樂廳舞臺(tái)展現(xiàn)藝術(shù)風(fēng)采，上海音樂廳已成為上海市民不可或缺的音樂“殿堂”與“課堂”（圖1、圖2）。

圖1 上海音樂廳

圖2 觀眾廳音樂演出場(chǎng)所

1 項(xiàng)目背景

上海音樂廳，原名南京大戲院，建成于1930年，是全國(guó)第1座音樂廳，也是上海市文物保護(hù)單位、上海優(yōu)秀歷史建筑。作為上海最早的專業(yè)性音樂廳和最重要的市級(jí)文化設(shè)施之一，也是上海建設(shè)“國(guó)際文化大都市”重要的文化標(biāo)志性建筑。2003～20004年經(jīng)過整體性平移修繕，擴(kuò)建了地下室，開發(fā)了小廳，新建了西大廳、南大廳作為場(chǎng)館

隨著高頻率的演出，建筑本體、設(shè)備設(shè)施、聲學(xué)效果、配套設(shè)施設(shè)備等方面都出現(xiàn)了不同程度的問題，無法適應(yīng)更高標(biāo)準(zhǔn)的演出和觀演要求，阻礙了音樂廳事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟待進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和修繕。2019年上海音樂廳啟動(dòng)整體修繕工程。

2 聲學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn)

2.1 亟待解決的問題

2.1.1 改善聲學(xué)效果，避免大小廳間相互串音與防止外界噪聲干擾

地下室小廳為平移修繕后新增建場(chǎng)館，位于觀眾廳大廳正下方。大廳與小廳之間的鋼琴運(yùn)送通道、樂池隔墻及小廳樓板這3部分是噪聲干擾的主要通道，通過樓梯間、門洞等進(jìn)行噪聲傳遞，使得大廳和小廳在演出時(shí)不能同時(shí)使用，在演出時(shí)互相干擾，影響觀眾的欣賞體驗(yàn)。

由于門窗等構(gòu)件的隔聲能力較弱，觀眾廳在演出時(shí)經(jīng)常受到環(huán)境噪聲的干擾，同時(shí)演出的聲音也泄漏到周圍環(huán)境中，產(chǎn)生擾民現(xiàn)象。

2.1.2 觀眾廳聲學(xué)性能難以滿足當(dāng)下演出需求，影響演出質(zhì)量并削弱觀眾觀賞體驗(yàn)

觀眾廳大廳現(xiàn)存的聲學(xué)問題主要有：混響時(shí)間偏短，池座后方早期反射聲不足，背景噪聲偏高。節(jié)奏較慢的古典音樂演出時(shí)，混響時(shí)間偏短；觀眾廳墻面、吊頂和舞臺(tái)音樂罩的擴(kuò)散能力不足。音樂罩啟用時(shí)，池座和樓座上各點(diǎn)混響時(shí)間空間分布的標(biāo)準(zhǔn)差較大。各類功能用房與觀眾廳之間存在隔聲問題，部分機(jī)房的背景噪聲也超標(biāo)，影響觀眾廳演出和觀演效果。

2.2 聲學(xué)改造困難分析

2.2.1 既有建筑聲學(xué)改造與新建建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)不同，難度大

建筑聲學(xué)效果與建筑的空間形制、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、建造材料以及周邊環(huán)境息息相關(guān)。既有建筑聲學(xué)改造時(shí)，要充分考慮既有的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、建造材料等方面的影響和約束，在對(duì)既有建筑各項(xiàng)聲學(xué)參量進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)后，方可根據(jù)現(xiàn)有情況進(jìn)行聲學(xué)改造。

2.2.2 聲學(xué)改造受文物建筑保護(hù)約束比較大

上海音樂廳為文物建筑，觀眾廳及外立面木門窗都是文物重點(diǎn)保護(hù)部位，聲學(xué)改造過程中，應(yīng)保護(hù)特色部位的形制特征，不得隨意改變?cè)胁牧?、?gòu)造和工藝。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)勘察和聲學(xué)測(cè)量，以及修繕后音樂廳內(nèi)各空間的功能定位，針對(duì)上海音樂廳的大廳和小廳進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)，主要包括噪聲控制和音質(zhì)設(shè)計(jì)。

3 主要技術(shù)思路

1）在不改變?cè)薪ㄖ黧w結(jié)構(gòu)體系、遵循文物保護(hù)原則的前提下，通過對(duì)串聲通道進(jìn)行空間重構(gòu)、對(duì)既有隔聲構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)隔聲材料性能進(jìn)行升級(jí)等方法，解決觀眾廳、小廳以及外部空間的隔聲問題。

2）在不破壞文物建筑特色部位的形制特征的前提下，通過調(diào)節(jié)可變吸聲材料，調(diào)整觀眾廳混響時(shí)間，更新音樂反聲罩來為觀眾廳提供早期反射聲，優(yōu)化廳內(nèi)音質(zhì)，營(yíng)造更好的觀演環(huán)境。在解決大小廳隔聲問題的同時(shí)，結(jié)合小廳多功能演出廳定位需求，通過裝飾材料設(shè)計(jì)以及增設(shè)可調(diào)節(jié)可變吸聲裝置，針對(duì)不同風(fēng)格的演出營(yíng)造出合適的混響環(huán)境，為觀眾席提供良好的聽覺效果。

3）通過對(duì)機(jī)電用房、設(shè)備設(shè)施以及相關(guān)機(jī)電管線進(jìn)行消聲改造，為音樂演出營(yíng)造良好的氛圍。

4 聲學(xué)提升關(guān)鍵技術(shù)

4.1 外部環(huán)境低影響的演奏場(chǎng)館隔聲性能提升技術(shù)

4.1.1 場(chǎng)館功能維持下的結(jié)構(gòu)雙層中空整體隔聲技術(shù)

為了解決小廳和觀眾廳大廳間的串音問題，改善兩廳演出聲學(xué)效果，滿足同時(shí)對(duì)外演出需求，在觀眾廳、小廳以及相連空間內(nèi)設(shè)置不同聲源點(diǎn)，來查勘聲源傳遞路徑。為封堵串音通道，增加大小廳間的隔聲性能，對(duì)原有結(jié)構(gòu)遺棄洞口進(jìn)行隔聲封堵，在小廳內(nèi)部新增輕型鋼結(jié)構(gòu)，采用120 mm厚壓型鋼板組合隔聲樓板+100 mm厚GRG石膏板作為隔聲墻體，與既有觀眾廳結(jié)構(gòu)樓板形成雙層中空結(jié)構(gòu)隔聲腔體，有效阻隔聲源串音路徑（圖3、圖4）。

圖3 新增鋼結(jié)構(gòu)形成雙層中空結(jié)構(gòu)腔體

圖4 新增鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工

為了保證大小廳間的隔聲效果，原有結(jié)構(gòu)墻體洞口隔聲封堵采用100 mm厚加氣混凝土砌塊+100 mm空腔（空腔內(nèi)滿填120 kg/m3巖棉）+200 mm厚加氣混凝土砌塊；在隔聲腔體上部觀眾廳大廳樓板底部噴30 mm厚無機(jī)纖維吸聲材料，下部組合隔聲板上鋪設(shè)100 mm厚泡沫玻璃；隔聲墻體GRG石膏板密度不得小于80 kg/m2，在小廳外圍墻體與內(nèi)層GRG墻體門洞位置處增砌200 mm厚加氣混凝土砌塊，構(gòu)成聲閘，并做吸聲處理。

4.1.2 文物特征維持下的老式木窗隔聲性能提升技術(shù)

外立面木門窗為傳統(tǒng)柚木門窗，窗戶為單層玻璃。木窗翹曲變形加之既有單層玻璃隔聲性能低，使得外立面柚木門窗隔聲效果不理想，無法滿足一流劇場(chǎng)聲學(xué)演出需要。但作為文物重點(diǎn)保護(hù)部件，木窗具有較高的文化價(jià)值和保護(hù)需要，原有木窗無法更換成現(xiàn)代隔聲窗，僅能在維持木窗原有特征下進(jìn)行聲學(xué)改善提升。

在對(duì)木窗構(gòu)造進(jìn)行剖解和分析的基礎(chǔ)上，通過更換原有窗玻璃和提升木窗的密封性能，來整體提升木窗的隔聲效果。將原有單層玻璃更換成3+6+3中空玻璃，考慮到原窗木芯安裝玻璃厚度不變，重新定制柚木角條進(jìn)行玻璃固定；在木窗框四周企口夾角處開設(shè)3.5 mm×4.0 mm凹槽，安裝棕色硅膠PVC密封條，實(shí)現(xiàn)防水保溫、密封隔聲的功能。在窗扇上下冒頭端部嵌入銅板，加固提升木窗扇整體性能，并對(duì)木窗飾面進(jìn)行保護(hù)性修繕，通過去除原損傷木漆面，涂刷木蠟油來保護(hù)飾面紋理，恢復(fù)木窗原有歷史原貌（圖5～圖8）。

圖5 更換隔聲玻璃

圖6 PVC密封條隔聲構(gòu)造

圖7 木窗飾面修復(fù)

圖8 木窗銅板整體性加固

4.1.3 保護(hù)空間風(fēng)貌保留下的觀眾廳隔聲木門隔聲升級(jí)技術(shù)

觀眾廳場(chǎng)館四周共設(shè)有8處疏散通道，安裝隔聲木門與外部空間進(jìn)行分隔。作為觀眾廳與外部空間的首道隔聲木門，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘和聲學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：場(chǎng)館木門的材質(zhì)相對(duì)疏松，隔聲性能不理想；木門套四周的護(hù)墻板與墻體之間未進(jìn)行有效封閉，存在漏聲空腔，場(chǎng)館木門的整體隔聲效果不佳。

隔聲木門形制尺寸和風(fēng)格不容改變，為保證觀眾廳整體風(fēng)貌特征及滿足場(chǎng)館隔聲需要，按照?qǐng)鲳^隔聲木門原有式樣新做隔聲門。在現(xiàn)有門框尺寸條件下，優(yōu)化木門隔聲構(gòu)造措施，在隔聲門內(nèi)部設(shè)置實(shí)木龍骨架和方鋼管龍骨架，嵌入隔聲棉，并利用17 mm厚夾板和6 mm厚玻鎂板進(jìn)行封閉，代替原有實(shí)木結(jié)構(gòu)，提升場(chǎng)館木門隔聲性能；通過三維掃描獲取原有隔聲門的形制尺寸和特征，為隔聲木門原風(fēng)格恢復(fù)提供技術(shù)支撐；維持木門套及周邊護(hù)墻板原狀，通過嵌入隔聲棉來封閉已有空腔，阻斷聲源傳遞路徑。

在新做隔聲門底部安裝升降式隔聲密封條，門扇阻口位置安裝密封條，在不影響場(chǎng)館木門使用功能的前提下，進(jìn)一步加強(qiáng)隔聲門的密封隔聲性能（圖9、圖10）。

圖9 三維掃描留存木門原飾面特征

圖10 隔聲木門內(nèi)部構(gòu)造示意

4.2 卓越聲效的內(nèi)部空間營(yíng)造技術(shù)

4.2.1 觀眾廳座椅消吸聲改造技術(shù)

音樂演奏（唱）對(duì)聲學(xué)環(huán)境要求較高，對(duì)廳內(nèi)營(yíng)造的效果比較依賴。正常演出期間，廳內(nèi)細(xì)微的噪聲都會(huì)給觀演效果帶來巨大的影響。觀眾廳采用與其特征相適應(yīng)的古典主義風(fēng)格座椅，使用時(shí)座板易發(fā)出“咚咚”聲，給音樂演出帶來一定干擾。作為場(chǎng)館觀眾席最大吸聲面，通過調(diào)節(jié)座椅面吸聲效果有效調(diào)節(jié)混響時(shí)間，營(yíng)造良好的聲學(xué)演藝環(huán)境。通過調(diào)整原有座椅布料材質(zhì)，增設(shè)座椅阻尼消除使用噪聲，對(duì)觀眾廳座椅進(jìn)行消、吸聲改造，提升場(chǎng)館聲學(xué)演出效果。

音樂廳座椅作為重點(diǎn)特色保護(hù)構(gòu)件，改造時(shí)不得改變座椅原有形制尺寸和價(jià)值特征。對(duì)座椅進(jìn)行保護(hù)性拆除，卸解座椅原有構(gòu)件，維持座椅形制尺寸、色彩特征不變，更新椅背布料、座包芯板、泡棉，增設(shè)阻尼設(shè)施與椅墊有機(jī)相容，保留座椅靠背板、坐板、金屬椅腳，重新打磨、噴涂、做舊，保持座椅原貌。通過返廠更新、現(xiàn)場(chǎng)原位組裝的方式對(duì)座椅進(jìn)行升級(jí)改造。修繕前，對(duì)座椅的分布、排數(shù)、位置進(jìn)行統(tǒng)一定位記錄；對(duì)座椅構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)、按照構(gòu)件組成進(jìn)行分類，拆卸后統(tǒng)一歸類裝箱，返廠維修。返回現(xiàn)場(chǎng)后，按照定位標(biāo)記和座椅編號(hào)進(jìn)行組合安裝（圖11、圖12）。

圖11 椅背、座包布料更新

圖12 修繕后的觀眾廳座椅

4.2.2 組合式封閉型舞臺(tái)反聲罩升級(jí)

舞臺(tái)反聲罩可以避免聲能向舞臺(tái)內(nèi)空間逸散，有效地將演奏（唱）聲能向觀眾廳反射，對(duì)增加觀眾廳內(nèi)聲音響度、增加前次反射聲、提高觀眾廳內(nèi)混響時(shí)間及改善樂隊(duì)各聲部之間的平衡和融合都有重要的作用。

結(jié)合舞臺(tái)升級(jí)改造，更新舞臺(tái)反聲罩，根據(jù)觀眾廳內(nèi)部形制特征，設(shè)計(jì)組合式封閉型舞臺(tái)音樂反聲罩。采用全鋁框架式結(jié)構(gòu)，組合拼裝，具有快速調(diào)節(jié)的功能。整個(gè)反聲罩由上頂反聲板、后反聲板和側(cè)反聲板3部分共同組成，能夠充分地利用有限的自然聲能，而不需使用擴(kuò)音設(shè)備，避免聲音失真。更新后的反聲罩既可以垂直懸吊于舞臺(tái)上方，也可以在封閉舞臺(tái)上空，給觀眾營(yíng)造原汁原味的聲學(xué)演奏（唱）效果（圖13、圖14）。

圖13 反聲罩組合拼裝

圖14 更新后的音樂廳反聲罩

4.2.3 小廳GRG裝飾裝修聲學(xué)營(yíng)造技術(shù)

小廳平面呈近矩形，易產(chǎn)生顫振回聲，且層高較低，呈扁平空間特征，不利于聲場(chǎng)均勻分布。為了克服不利因素，通過對(duì)裝飾材料及造型進(jìn)行優(yōu)化，來營(yíng)造良好的聲學(xué)效果。

結(jié)合聲學(xué)效果和裝飾美觀，通過聲學(xué)模式試驗(yàn)比對(duì)研究，將小廳新增100 mm厚GRG石膏板裝飾墻體設(shè)置成雙曲面波浪造型結(jié)構(gòu)，飾面雕刻四葉草花瓣立體圖案。通過在小廳前后墻體進(jìn)行錯(cuò)縫安裝，可有效解決平行墻面顫振回聲問題；利用立體花飾圖案造型，可對(duì)250 Hz以上頻率的聲波產(chǎn)生良好的散射作用，使得小廳坐席區(qū)的混響時(shí)間和側(cè)向反射聲能比分布均達(dá)到了理想效果。

針對(duì)100 mm厚雙曲面波浪造型飾以四葉草花瓣立體圖案GRG石膏板，通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組合拼裝的方式進(jìn)行安裝。小廳新增鋼結(jié)構(gòu)體系安裝完成后，通過三維掃描獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸大小，結(jié)合設(shè)計(jì)花飾造型，進(jìn)行墻面板排板深化，劃分預(yù)制拼裝模塊，確定單塊預(yù)制構(gòu)件大小、形狀和連接方式。預(yù)留T形連接件，通過焊接的形式安裝固定GRG石膏板于鋼結(jié)構(gòu)骨架上，安裝后通過塢幫進(jìn)行拼接無縫處理，實(shí)現(xiàn)GRG石膏墻板平整統(tǒng)一（圖15、圖16）。

圖15 雙曲面波浪造型GRG石膏板

圖16 重構(gòu)后的多功能小廳

4.3 機(jī)電系統(tǒng)噪聲控制技術(shù)

根據(jù)音樂廳噪聲控制要求，在對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行噪聲源全面分析的基礎(chǔ)上，通過隔振減振、降噪處理等措施來控制機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。對(duì)設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)的空調(diào)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備進(jìn)行隔振安裝，對(duì)觀眾廳、小廳的風(fēng)管和水管安裝消聲設(shè)備來降低噪聲。通過上述方法來確保設(shè)備內(nèi)部噪聲不外泄、振動(dòng)不外延，觀演廳內(nèi)不產(chǎn)生二次噪聲污染。

5 實(shí)施效果

經(jīng)過試演出后，上海音樂廳于2020年9月20日正式投入使用，并由著名作曲家、指揮家譚盾攜上海歌劇院交響樂團(tuán)進(jìn)行首場(chǎng)演出。隨后，各地樂團(tuán)、歌唱家、表演藝術(shù)家相繼在上海音樂廳演出并取得成功。修繕后的音樂廳音質(zhì)得到了各界的高度評(píng)價(jià)，普遍認(rèn)為音質(zhì)效果比修繕前有明顯改善，聲音效果相當(dāng)不錯(cuò)。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目通過新增輕鋼鋼結(jié)構(gòu)組合樓板+GRG墻體體系與既有結(jié)構(gòu)形成隔聲空腔，在文物重要特色部位形制特征和保護(hù)空間整體風(fēng)貌保護(hù)的前提下，優(yōu)化和更新木窗、場(chǎng)館門隔聲性能，改善觀眾廳、小廳以及外部環(huán)境的隔聲效果；調(diào)節(jié)觀眾廳座椅背可變吸聲材料，改善觀眾廳混響時(shí)間，更新音樂反聲罩來提供更多的早期反射聲，優(yōu)化觀眾廳內(nèi)音質(zhì)效果和觀演環(huán)境。對(duì)小廳GRG隔聲墻體形制特征進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)并結(jié)合吸聲裝置，打造多功能的演出小廳。此次修繕成功改善并提升了文物建筑老場(chǎng)館的聲學(xué)性能，為此類音樂類建筑聲學(xué)改造設(shè)計(jì)研究和實(shí)踐，提供一個(gè)創(chuàng)新的范例。