奥运会国家体育馆和五棵松篮球馆的建筑声学设计

　　奥运会国家体育馆和五棵松篮球馆的建筑声学设计
　　2008年北京奥运会即将在8月份召开，为此北京建设和改造了一大批体育建筑，包括体育场、综合体育馆、游泳馆和专项体育馆等。在这些体育建筑中，体育场属于开放空间、游泳馆和专项体育馆用途比较单一，而综合体育馆不但要满足体育比赛要求，还要满足大型文艺演出和大型群众集会的使用要求，所以对建筑声学环境的要求最高。本文所介绍的是奥运会体育建筑中两个最大的综合体育馆，分别是位于奥林匹克国家公园的国家体育馆和位于棵松文化体育中心的北京奥林匹克篮球馆(该馆虽然名称为篮球馆，但由于可以进行大型文艺演出，所以属于综合体育馆该馆已经进行过多次大型文艺演出)。这两个体育馆的观众容量均在1.8万左右，属于特大型综合体育馆。  奥运建筑中特大型综合体育馆建筑设计特点  奥运体育建筑中特大型综合体育馆在建筑上主要有以下几个特点：  (2)体积巨大：在上述规范中，混响时间指标根据体育馆的体积分为三档，大于80000m3，400003－80000m3，小于40000m3，而国家体育馆的容积为510900m3，北京奥林匹克篮球馆的容积347400m3，比规范中最高档的体积高4－6倍。  (3)采用桁架的形式早期的体育馆，如首都体育馆，多在屋顶结构下设置装修吊顶，而在北京亚运会时代建造的体育馆基本上就取消了装修吊顶，屋顶的结构形式多采用网架，而此次为北京奥运会建造的体育馆屋顶的结构形式采用了桁架，而且由于跨度很大，屋顶系统的承载力有限。  (4)轻质屋面：屋面均采用轻质金属屋面材料。  (5)连通空间形式：以前的体育馆的比赛大厅多为单独的封闭空间，与休息厅分隔，而近期建造的体育馆多采用连通空间形式，即将比赛大厅与休息大厅连通为一个空间。  (6)用途多样：奥运会的体育馆不仅要考虑奥运会其间的体育比赛，还要考虑赛后的使用，包括文艺演出和大型集会等用途。  国家体育馆声学设计  1.概况及特点  国家体育馆位于奥林匹克公园中心区的南部，与“鸟巢”、“水立方”毗邻而居，是奥林匹克中心区标志性建筑之一。体育馆屋顶曲面近似扇形，如行云流水般飘逸又富于动感，四周竖立的钢骨架与大面积晶莹剔透的玻璃幕墙相映衬，犹如一把张开的中国扇，彰显出中国文化的内涵这是奥林匹克中心区三大体育建筑中唯一的完全由我国自己设计的体育建筑。  2.声学设计指标的确定  (1)混响时间(80％满场，s)；  中频(500Hz)：1.85s；  (2)噪声限值(dBA)：  背景噪声应低于35dBA，噪声评价曲线NR－30：  空调运行并达到使用工况时，低于40dBA，噪声评价曲线NR－35。  (3)无音质缺陷：  大厅内不得出现明显的音质缺陷(回声、颤动回声和声聚焦等)。  3.声学设计措施  (1)建声设计的主要问题  从声学角度，国家体育馆主要存在以下问题：比赛大厅内的屋顶呈凹弧形，容易产生声聚焦和回声等声学缺陷比赛大厅和休息大厅连为一体，一方面增大了容积，从而增大控制混响时间的难度，另一方面易产生耦合效应；比赛大厅四周无墙面，而与之连通的休息厅的外围护结构是大面积的玻璃，可以用来布置吸声材料的面积十分有限  (2)屋面系统的声学设计  由于该体育馆的墙面很少，所以可以进行吸声处理的重要部位就是屋顶。由于屋顶呈凹弧形，所以在进行吸声处理时除了要考虑增加吸声量，控制混响时间外，还必须考虑消除可能出现的声聚焦和声反射等声学缺陷。为此我们选择了如下措施：  在屋架内悬吊垂片式吸声体：由于本体育馆体积巨大，体积超过50万m3，每座容积高达到了28m3／座，而可供布置吸声材料的界面又相对较少，总内表面积约96000m3仅靠在体育馆本身的界面上布置吸声材料不能满足控制混响时间的要求，必须增加相当大数量的吸声量，而最有效的方法就是悬挂空间吸声体。  空间吸声体由于各表面都暴露在声场中，所以吸声效率最高。吸声体的形式和材料除了必须满足声学要求外，还必须满足建筑装修风格和结构承载的要求。  形式的选择 国家体育馆外形象一把展开的折扇，显示了浓郁的中国特色，而在内部装修时，神似折扇关闭时扇骨形式的垂片，就成为一个不断重复的主题，如休息厅的吊顶墙面的百叶等。为了使声学设计不破坏体育馆总体的建筑风格，使声学构件统一于装修的主题之下，经过与建筑师协商，在体育馆中采用了垂片式空间吸声体，将休息厅垂片式的吊顶延伸到比赛大厅内，强化了建筑风格。吸声体呈矩形，高度为500mm，厚度为10WwW.LWlM.com0mm，片间距为400mm，悬吊在桁架下弦上面的位置，从图中可见垂片式空间吸声体实际效果。  材料的选择 由于国家体育馆跨度很大，屋顶系统的承载能力有限，所以空间吸声体采用了无骨架空间吸声体，其芯材为用阻燃环保纤维织物毡进行封闭处理的80K离心玻璃板，面材为阻燃吸声布，板的边框是通过固化工艺将玻璃棉板的周边固化形成的，板和框为一体。该吸声体由于没有金属或木制的龙骨，所以重量很轻。另外，其吸声
　　性能良好，而且由于饰面材料与芯材复合良好，不易脱离；另外，由于该产品的芯材用环保阻燃织物毡进行了封闭处理，所以不会出现玻璃棉纤维逸散的情况，环保性能良好，安装比较简便。
　　屋面板下进行纤维喷涂处理：但由于体育馆的屋面为凹弧形，容易产生回声和声聚焦的声学缺陷，根据以往的经验，垂片式空间吸声体由于在两片之间有一定的距离，有时可能遮挡不住来自屋顶的反射声，所以不能完全消除声缺陷。为了解决这个问题，我们在屋面板下层做了25mm厚纤维喷涂。纤维喷涂技术是将经过预先特殊工艺处理的无机超细纤维、纤维素、抗火化合物以及粘接剂等原料，通过专用配套的喷涂设备混合，在施工现场喷涂于混凝土、钢板、石膏板等各种基体表面上，形成具有一定厚度喷涂层。纤维喷涂材料除具有一定的吸声能力外，还具有保温、绝热等功能，在以钢板作为基体时，还具有较好的阻尼作用，可以较明显的提高其隔声性能。  所以采用此措施除了可以改变屋面的吸声性能，消除声聚焦和回声等声学缺陷外，还可以提高轻屋面的防雨噪声性能，提高轻屋面的空气隔声性能，并具有一定保温作用。  (3)其他部位声学设计措施  由于顶部的空间吸声体和纤维喷涂的吸声频率主要在中高频，而低频的吸声能力稍弱，为了控制体育馆的低频混响时间，我们在体育馆外围护墙上部内侧百叶内设置了穿孔FC板低频共振吸声构造，具体构造是在金属百叶后安装6mm厚穿孔FC板，孔径5mm，孔距25mm，板后贴一层无纺吸声纸，板后空腔400mm，共振频率为125Hz。  比赛场地周围有固定墙面的部分，采用木质吸声板吸声构造，具体构造同上。  主席台和贵宾包厢采用吸声量较大的全软包座椅，普通观众席采用硬椅。  (4)休息厅的声学处理  由于比赛大厅和休息厅是连通的，所以如果休息厅内的混响时间过长，可能会与比赛大厅产生声耦合效应，出现声学缺陷，影响语言的清晰度，所以必须在休息厅内也进行一定的声学处理。结合休息厅的装修设计，在休息厅采取了以下声学处理措施。  观众休息厅内坐席下斜板吊顶内采用玻璃棉吸声构造具体构造为：50mm厚40K玻璃棉板外包玻璃丝布，放于斜板吊顶上。  观众休息厅内16m板下垂片吊顶内采用玻璃棉吸声构造，具体构造为双层轻钢龙骨，50mm厚40K离心玻璃棉板外包黑色玻璃丝布，与楼板之间留50mm的空腔，下罩钢板网刷防锈漆。  篮球馆声学设计  1.概况及特点  北京奥林匹克篮球馆平面呈方形，观众席边长为110m比赛场地活动座椅收起时长约65m，宽约52m，篮球比赛时长约38m，宽约25m，屋顶为平面，比赛场距屋顶最高处约为35m。比赛大厅与观众休息大厅连为一体，有效容积(包括观众休息大厅)为347400m3，容纳约1.8万名观众(赛时)，每座容积为19.2m3／座。    2.声学设计指标的确定  虽然该体育馆称为篮球馆，但其用途除在奥运会之间进行篮球比赛外，在赛后还会进行其他各种大型比赛，并且要求可以进行大型文艺节目和群众集会，所以属于综合体育馆对建筑声学条件有较高的要求，为此，制定如下声学设计指标：  (1)混响时间(80％满场，s)，  中频(500Hz)：1.85s；  (2)噪声限值(dBA)，  背景噪声应低于35dBA，噪声评价曲线NR－30；  空调运行并达到使用工况时，低于40dBA，噪声评价曲线NR－35。  (3)无音质缺陷：大厅内不得出现明显的音质缺陷(回声、颤动回声和声聚焦等。  3.声学设计措施  (1)建声设计的主要问题  北京奥林匹克体育馆虽然也可以容纳1.8万名观众，属于特大型体育馆，但从声学角度，与国家体育馆相比有如下的优势：  但与国家体育馆相同，本体育馆也存在比赛大厅四周无墙面，而与之连通的休息厅的外围护结构是大面积的玻璃，可以用来布置吸声材料的面积十分有限等问题。  (2)屋面系统的声学设计  由于该体育馆建筑设计师为了保证整体的风格 不希望采用空间吸声体，为了尽量满足建筑风格的要求我们进行了详细的计算。根据该体育馆每座容积相对较小而且所有座椅均为软椅的特点，我们在声学设计时就没有采用空间吸声体。而采取了以下吸声措施：  (3)比赛大厅内其他部位的吸声处理  在其他部位，还进行了如下吸声处理，在观众席三层贵宾包厢以下墙面，采用木制吸声板吸声构造，该构造表面为有一定透空率的木饰面复合板材，具有良好的装饰性，同时便于清洁，而且具有较高的防火等级，对低频有较好的吸声效果。  观众席采用有一定吸声量的局部软包座椅  玻璃幕墙在与比赛大厅相通的部位(从比赛大厅可以看到的部位)采用吸声遮光百叶。  (4)休息厅的声学处理  吊顶：在楼板下粘贴一层吸声材料(如100mm厚玻璃
　　棉板)，然后在下层结合装修设计设置透声的吊顶。  观众休息厅内部分墙面采用了木丝吸声板吸声构造。  北京奥林匹克篮球馆按美国NBA的规格要求进行了装修，并安装了世界最先进的全彩高清LED显示系统，包括吊挂在比赛大厅中间的一个净高9.042m，最大直径约为11m的“漏斗屏”，以及位于观众席拦板处的两圈条形LED屏营造了非常热烈的气氛。竣工后举行了多次大型文艺演出，如周杰伦、周华健演唱会等，各方面反映效果很好。  结论  经过这两个为奥运会新建的最大的综合体育馆的建筑声学设计实践，并通过体育馆竣工后的测量结果和使用效果的综合比较作者有如下经验。  1.声学设计与建筑和装修设计的结合  每个建筑都有其独特的建筑风格和主题，而建筑中的各专业设计均应在服从总体风格的前提下各自发挥，声学设计也不例外。所以声学设计人员必须与建筑师和装修设计师有良好的沟通，必须使自己的设计满足总体建筑风格的要求，在达到良好声学效果的同时，起到美化环境，强化主题的作用。    2.混响时间设计指标的制定  对于体育馆来说，建筑设计的目的就是满足电声系WwW.LWlM.com    3.空间吸声体的使用  空间吸声体是体育馆中控制混响时间的常用措施，但是否使用也应根据实际需要来确定。另外空间吸声体的选择必须考虑体育馆的总体风格，结构的承载等因素，应在和建筑设计师和结构设计师充分协商后确定。  4.综合屋面系统的声学设计  对于特大型综合体育馆，屋面系统是可以进行吸声处理的最大界面，是建筑声学设计的关键在进行屋面系统设计时，除了控制混响时间外，还必须考虑声学缺陷的消除和隔声性能的增强。  5.休息厅的声学处理  对于采用比赛大厅与休息大厅连通形式的体育馆，必须在休息厅内进行相应的吸声处理，否则可能在两个空间之间产生声耦合作用，产生声学缺陷，影响比赛大厅内的清晰度。