歌劇院建造中可調(diào)混響技術(shù)易忽視的細(xì)節(jié)

孫俊國(guó)

上海建科工程項(xiàng)目管理有限公司 上海 200032

1 引言

通常歌劇院內(nèi)要進(jìn)行不同的歌劇、話劇演出甚至是舉辦會(huì)議，不同的使用功能對(duì)應(yīng)的最佳混響時(shí)間有所差異。當(dāng)廳內(nèi)各使用功能對(duì)應(yīng)的最佳混響時(shí)間相差較大時(shí)，廳內(nèi)就需要考慮可調(diào)混響時(shí)間設(shè)計(jì)。從塞賓公式[2]：RT=0.161V/Sα得出可調(diào)混響的三種方式：改變室內(nèi)容積V、改變室內(nèi)總吸聲量Sα、室內(nèi)容積與總吸聲量相結(jié)合改變。而改變室內(nèi)容積V通常有兩種途徑：直接改變室內(nèi)容積（如頂?shù)纳担┡c設(shè)置耦合空間；改變室內(nèi)總吸聲量Sα的主要途徑為設(shè)置可調(diào)吸聲構(gòu)造。

2 工程情況

某歌劇院觀眾廳采用馬蹄形布局，為同時(shí)滿足浪漫、經(jīng)典派歌劇以及交響樂三種演出形式的聲學(xué)要求，采用改變室內(nèi)容積與改變室內(nèi)總吸聲量相結(jié)合的形式。在改變室內(nèi)容積V方面，觀眾廳局部設(shè)計(jì)成可升降天花、3m升降范圍可改變體積約2000m3（三塊升降天花均采用30mm厚GRG、容重60kg/m2，表面50mm深曲線MLS擴(kuò)散紋路）、調(diào)整可變混響時(shí)間約0.5s，可實(shí)現(xiàn)交響樂1.9s，浪漫派歌劇1.7s，經(jīng)典派歌劇1.3s的不同混響時(shí)間要求。

圖1 觀眾廳剖面（從左到右依次為1-3#天花）

在改變室內(nèi)總吸聲量Sα方面，在第一、二和三層樓座側(cè)墻上設(shè)置可變吸聲簾幕，從內(nèi)向外構(gòu)造依次：加氣混凝土砌塊及砂漿抹面、110mm厚空腔（內(nèi)設(shè)80mm厚、50kg/m2可升降礦棉吸聲氈）、地板1.5m高以下外墻面為60mm厚MDF板（地板1.5m高以上外墻面為透空率≥60%的木質(zhì)透聲格柵）。當(dāng)混響時(shí)間要降到1.2s～1.3s時(shí)，藏在1.5m高以下空腔中的礦棉吸聲氈由鋼絲繩拉起暴露在透聲格柵后形成吸聲面。當(dāng)混響時(shí)間要達(dá)到1.5～1.6s時(shí)，吸聲氈下降到下部空腔中，將砌體墻暴露在透聲格柵后形成反射面。

圖2 構(gòu)造示意圖

3 升降天花行程實(shí)現(xiàn)

初步設(shè)計(jì)要求1#升降天花68m2、4080kg，2#升降天花146m2、8760kg，3#升降天花142m2、8520kg，總面積356m2、總重量21360kg。由于GRG板厚必影響天花自重荷載；再加上初步設(shè)計(jì)未考慮GRG板要分塊制作、安裝，且不能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力裂縫，故需為GRG板加設(shè)背附鋼架形成穩(wěn)定懸掛體系。

3.1 天花厚度優(yōu)化

以聲學(xué)效果為第一要素選定四種MLS曲線擴(kuò)散紋路、凹槽深度均為50mm、統(tǒng)一取1200mm×1200mm外輪廓尺寸，通過Rhinoceros 3D計(jì)算出四種造型GRG板塊展開面積均為2.93m2。

圖3 四種MLS曲線擴(kuò)散紋路展開面積計(jì)算

在最大限度減輕非聲學(xué)要求附屬重量的同時(shí)，還需提高GRG內(nèi)預(yù)埋件拉拔力以保證結(jié)構(gòu)安全，經(jīng)分析后采取圖4所示構(gòu)造。

圖4 升降天花GRG內(nèi)預(yù)埋件構(gòu)造

在單塊板外圍尺寸1200mm×1200mm基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行如下計(jì)算：

①單塊板總重量T 0：按面密度5 0 ～6 0 k g/m2，T0=(50～60kg/m2)×1.44m2=72～86.4kg；

②預(yù)埋點(diǎn)加強(qiáng)帶重量：按單塊板背9個(gè)預(yù)埋點(diǎn)（GRG規(guī)范要求吊點(diǎn)間距600mm，由于是活動(dòng)板塊則設(shè)置9個(gè)以確保安全）、設(shè)置三條寬度100mm加強(qiáng)帶，用Rhinoceros 3D測(cè)量出三條加強(qiáng)帶面積約0.21m2、厚度50mm、體積約0.0107m3，則三條加強(qiáng)帶合計(jì)重量T1=0.0107m3×1600kg/m3=17.12kg；

③板塊肋邊重量計(jì)算：設(shè)計(jì)要求板塊四邊均需設(shè)置板肋進(jìn)行鎖邊加固，為增加GRG板厚以提高板材強(qiáng)度則需減輕板塊四周肋邊重量。故將肋邊厚減至20mm、高度減為30mm（邊界極限值），則單塊板四周肋邊重量T2=肋邊長(zhǎng)×肋邊高×肋邊厚×體積密度=（1.2m/邊×4邊）×（30/1000）m×（20/1000）m×1600kg/m =4.608kg；

④單塊GRG板塊重量T3=T0-T1-T2=（72～86.4）kg-17.12kg-4.608kg≈50kg～65kg；

繼而以板塊體密度1 6 0 0 k g/m3為限制條件反向計(jì)算GRG板理論厚度。按公式2.93m2×(X/1000)m×1600kg/m3=50kg～65kg，得出GRG板塊隨性飾面理論厚度X≈11～14mm，較初步設(shè)計(jì)30mm厚減少了53%～63%，避免了板材自重加大的風(fēng)險(xiǎn)。

可見，當(dāng)單塊板隨性厚度調(diào)整為11～14mm 后，單塊重量下降至72～86.4kg?？紤]到：a.升降天花在運(yùn)動(dòng)時(shí)存在動(dòng)荷載；b.升降天花為類球面造型。因此，每塊GRG板安裝后并非處于完全水平狀態(tài)、預(yù)埋件并非平均受力。為保證安全假設(shè) “一塊板9個(gè)吊點(diǎn)之中只有一個(gè)處于完全受力狀態(tài)”，再假定動(dòng)荷載系數(shù)為1.2，即單塊板運(yùn)動(dòng)時(shí)的總荷載為86～104kg，故預(yù)埋件拉拔力應(yīng)設(shè)置為120kg。

3.2 天花結(jié)構(gòu)深化

由于升降天花面積較大，無傳力構(gòu)造易產(chǎn)生GRG板面裂縫[3]，要進(jìn)行如下表1所示的背附鋼架體系深化，天花面積較初步設(shè)計(jì)減小30%、重量增加57.3%。再經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核增加的荷載量，最后按新增荷載進(jìn)行卷揚(yáng)機(jī)設(shè)備選型。

表1 背附鋼架荷載計(jì)算

圖5 升降天花增加背附鋼架

3.3 上下行程受限

聲學(xué)初步設(shè)計(jì)要求可升降天花實(shí)現(xiàn)3m上下行程、改變觀眾廳約2000m3體積。在完成升降天花安裝后，從升降電機(jī)調(diào)試讀數(shù)中發(fā)現(xiàn)：正常運(yùn)行下，1#、3#升降天花行程只有2.1m，2#升降天花行程僅有1.8m。經(jīng)多次實(shí)測(cè)復(fù)核并結(jié)合設(shè)計(jì)模型查驗(yàn)，推測(cè)行程受限的原因：

①方案和深化設(shè)計(jì)均只對(duì)升降天花行程進(jìn)行簡(jiǎn)單示意，升降天花為雙曲面造型，剖面圖應(yīng)分別標(biāo)注出前端高/低位、后端高/低位等才夠準(zhǔn)確。

② 移動(dòng)天花深化時(shí)忽略了背附鋼架高度。1#、2#天花背附鋼架頂面是水平的，背附鋼架頂標(biāo)高與柵頂鋼梁底標(biāo)高差值便是最大行程值。以2#天花為例，背附鋼架頂面至移動(dòng)天花頂面最高點(diǎn)距離有300mm，便意味著行程縮減300mm。又未考慮1#、2#天花向下移動(dòng)時(shí)會(huì)碰到面光橋側(cè)面燈具防護(hù)網(wǎng)（見圖6），導(dǎo)致理論行程又進(jìn)一步減小。

圖6 面光橋側(cè)面燈具防護(hù)網(wǎng)

③3#天花向上移動(dòng)除了受背附鋼架高度影響外，由于上部固定天花高度超過1.5m設(shè)置了鋼制轉(zhuǎn)換層（見圖7水平鋼梁）導(dǎo)致行程又進(jìn)一步減少。

圖7 吊頂內(nèi)鋼制轉(zhuǎn)換層

4 側(cè)墻吸音板升降實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行聲學(xué)測(cè)試期間，觀眾廳出現(xiàn)側(cè)墻移動(dòng)吸聲板升降卡塞，卡塞物是開設(shè)環(huán)繞音箱洞口時(shí)產(chǎn)生的混凝土和砌體碎塊。經(jīng)調(diào)查，事件經(jīng)過如下：

①原招標(biāo)要求環(huán)繞音箱采用外掛安裝形式（音箱上端突出裝飾墻面，下端安置在墻體內(nèi)部，形成向下傾斜的角度），施工前建筑設(shè)計(jì)師認(rèn)為這種做法影響觀眾廳整體墻面裝飾效果，提出將環(huán)繞音響整體嵌入裝飾面內(nèi)并垂直安放。

② 燈光音響專業(yè)按建筑設(shè)計(jì)師要求進(jìn)行圖紙修改并經(jīng)確認(rèn)后提供了音箱實(shí)際開洞外形尺寸圖給土建施工單位。

③土建施工根據(jù)圖紙音箱尺寸位置進(jìn)行第一次開洞時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀眾廳樓座可升降礦棉吸聲氈已安裝完成。開洞完成后，燈光音響專業(yè)進(jìn)行音箱安裝前復(fù)核時(shí)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別音箱洞口尺寸與已采購(gòu)的設(shè)備規(guī)格不匹配，提出修改。

④土建施工根據(jù)最新修改進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)二次開孔，此時(shí)觀眾廳內(nèi)部墻體復(fù)合實(shí)木穿孔板已大部分完成安裝，鑿墻開洞施工時(shí)無法徹底清理空腔內(nèi)垃圾，導(dǎo)致觀眾廳內(nèi)兩塊可變吸聲板脫軌不能正常升降。

可見，歌劇院工程建設(shè)實(shí)施中土建、舞臺(tái)、裝飾、燈光音響等專業(yè)之間的界面相互交錯(cuò)，設(shè)計(jì)變更和修改往往牽一發(fā)而動(dòng)全身，施工中須盡量確保設(shè)計(jì)修改的系統(tǒng)性，前置設(shè)計(jì)修改的時(shí)機(jī)，否則工序反復(fù)的情況下，極易發(fā)生小概率事件導(dǎo)致使用功能缺陷。

5 結(jié)語

從上面兩個(gè)案列中，筆者認(rèn)為在歌劇院工程設(shè)計(jì)和施工階段，專業(yè)的集成度和聯(lián)動(dòng)能力是十分關(guān)鍵的。歌劇院工程屬于功能突出型建筑，舞臺(tái)工藝、聲學(xué)裝修、燈光音響、土建結(jié)構(gòu)等專業(yè)相互交織、緊密協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)最終的視覺、聲效效果。尤其是當(dāng)采用較新穎的建筑構(gòu)造時(shí)，要借助三維建模軟件進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)深化、設(shè)計(jì)變更和施工模擬，并最好全專業(yè)、全過程利用三維建筑軟件；在施工階段，針對(duì)任何一個(gè)設(shè)計(jì)變更、設(shè)計(jì)深化都要有系統(tǒng)性的論證意識(shí)，建立組織各相關(guān)專業(yè)同步技術(shù)可行性研討的機(jī)制，做到突出重點(diǎn)、兼顧全局，便能減少隱性技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。