杭州奧體中心體育游泳館建筑聲學(xué)設計

　　0 引言

　　第19屆亞運會(huì )(The 19th Asian Games)又稱(chēng)“2022年杭州亞運會(huì )”( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)：杭州亞運會(huì ))，是繼1990年北京亞運會(huì )、2010年廣州亞運會(huì )之后，中國第三次舉辦亞洲最高規格的國際綜合性體育賽事。2022年7月19日，亞洲奧林匹克理事會(huì )宣布原定于2022年9月10日至25日舉行的第19屆亞運會(huì )將于2023年9月23日至10月8日舉行，賽事名稱(chēng)和標志保持不變。

　　杭州亞運會(huì )開(kāi)閉幕式、田徑、籃球、游泳、跳水、花樣游泳等項目均在杭州奧體中心舉行。杭州奧體中心體育游泳館聲學(xué)設計為北京市建筑設計研究院有限公司聲學(xué)室。

　　1 工程概況

　　體育游泳館又稱(chēng)“化蝶”雙館，包含兩個(gè)場(chǎng)館：體育館、游泳館;采用雙館合一的設計理念，為連體式建筑，是世界上最大的兩館連接體非線(xiàn)性造型。兩個(gè)場(chǎng)館有10 m高度差，游泳館高35 m，體育館高45 m;體育館地上為五層，游泳館地上為三層。

　　雙館主體結構體系為現澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，兩館鋼結構屋蓋為一整體結構，屋面采用鋁鎂合金板，覆蓋體育館、游泳館、中廳三部分，呈自由雙曲面造型。獨特的流線(xiàn)造型，結合雙層非全覆蓋銀白色金屬屋面和兩翼張開(kāi)的平臺形式，形成“化蝶”的杭州文化主題。

　　2 游泳館

　　游泳館總建筑面積53 959 m2，共6 000個(gè)座位。比賽大廳平面呈矩形，總長(cháng)度約108 m，寬約87 m，觀(guān)眾席布置在比賽場(chǎng)地兩側，與觀(guān)眾休息廳有墻體分隔;比賽場(chǎng)地長(cháng)約108 m，寬約41 m，設8條泳道游泳池和水深6 m的跳水池;游泳館的屋頂為橢球曲面，最大凈高約為35 m，有效容積約為241 500 m3，每座容積為39.5 m3/座。游泳館平剖面圖見(jiàn)圖1。游泳館可承辦各類(lèi)游泳、跳水國際賽事，是國內僅次于北京“水立方”的第二大游泳跳水館。

　　圖1 游泳館平剖面圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　2.1 聲學(xué)分析

　　游泳館是杭州奧體中心的重要組成部分。它作為國際一流的現代化綜合性游泳館，在杭州亞運會(huì )期間將作為游泳、跳水、花樣游泳等水上項目的主要比賽場(chǎng)館。游泳館除進(jìn)行各種大型國際國內水上項目的體育比賽外，還要求具備舉行水上文藝演出、群眾健身等活動(dòng)的條件，所以對聲音效果也有較高的要求。室內音質(zhì)不僅要保證語(yǔ)言清晰度，還要達到良好的音樂(lè )效果。因此游泳館的建筑聲學(xué)設計是非常重要的。

　　2.2 建筑聲學(xué)設計指標

　　游泳館比賽大廳聲學(xué)設計指標依據《體育建筑設計規范》(JGJ 31-2003)和《體育館聲學(xué)設計和測試規程》(JGJ/T 131-2000)，并結合游泳館的具體情況確定。

　　? 混響時(shí)間：中頻(500 Hz～1 000 Hz)滿(mǎn)場(chǎng)混響時(shí)間小于2.5 s;

　　?  噪聲限值：比賽大廳在無(wú)人占用，空調運行達到使用工況時(shí)，滿(mǎn)足噪聲評價(jià)曲線(xiàn)NR-40;

　　? 大廳內不得出現明顯的音質(zhì)缺陷(回聲、顫動(dòng)回聲和聲聚焦等)。

　　2.3 室內音質(zhì)設計

　　由于游泳館的建筑造型呈橢球型，橢球凹曲面屋面是整個(gè)游泳館中最大的界面，所以其吸聲性能就成為比賽大廳混響時(shí)間控制的至關(guān)重要的環(huán)節。同時(shí)，橢球凹曲面又極易產(chǎn)生聲聚焦等聲學(xué)缺陷，所以采用了強吸聲構造來(lái)消除聲缺陷同時(shí)控制混響時(shí)間。具體構造如下：

　　1) 屋面最下層為孔徑不小于5 mm、穿孔率不小于20%的穿孔鋁板，穿孔鋁板背后貼敷一層無(wú)紡吸聲布;

　　2) 穿孔鋁板之上設置厚度不小于50 mm，容重為 32 kg/m3的拒水膜吸聲板;

　　3) 拒水膜吸聲板上部留有不小于200 mm的空氣層。

　　比賽大廳屋面強吸聲構造見(jiàn)圖2所示。

　　圖2 屋面吸聲構造示意圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　游泳館的每座容積很大，但由于其室內音質(zhì)要求并不苛刻，混響時(shí)間設計指標相對較長(cháng)，而且比賽大廳四周均有墻面可以布置強吸聲構造，吸聲材料選用拒水膜吸聲板，見(jiàn)圖3所示。

　　圖3 墻面吸聲構造示意圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　3 體育館

　　體育館平面呈矩形，總建筑面積74 470 m2;比賽大廳總長(cháng)度約136 m，總寬度寬約105 m，比賽場(chǎng)地長(cháng)約 78 m，寬約47 m;觀(guān)眾席為環(huán)繞式布置，座位共18 000個(gè)(固定座位15 000個(gè)，可伸縮看臺活動(dòng)座位3 000個(gè));比賽大廳與觀(guān)眾休息廳連為一體。屋頂為橢球凹曲面，比賽大廳最大凈高約為35 m，有效容積約為463 000 m3，每座容積為25.7 m3/座。體育館平剖面圖見(jiàn)圖4所示。

　　圖4 體育館平剖面圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　3.1 聲學(xué)分析

　　體育館的建筑形式新穎活潑，富有現代氣息，但從建筑聲學(xué)的角度有以下不利條件：

　　1) 比賽大廳體積巨大，有效容積約463 000 m3，是《體育建筑設計規范》中規定的最大體積的6倍，每座容積達到了25.7 m3/座，所以對混響時(shí)間的控制難度很大;

　　2) 休息大廳和比賽大廳連為一體，沒(méi)有門(mén)分隔，使比賽大廳的實(shí)際體積和每座容積更大了，這更增加了混響時(shí)間控制的難度，且體積和混響時(shí)間不同的連通空間之間又容易產(chǎn)生聲耦合效應等聲學(xué)缺陷;

　　3) 體育館的建筑造型也是一個(gè)橢球型，比賽大廳內的屋面也是橢球凹曲面，極易產(chǎn)生聲聚焦和回聲等聲學(xué)缺陷。

　　3.2 聲學(xué)設計指標

　　聲學(xué)設計指標是依據《體育建筑設計規范》(JGJ 31-2003)和《體育館聲學(xué)設計和測試規程》(JGJ/T 131-2000)，并即結合體育館的具體情況確定的。具體指標見(jiàn)表1。且不得出現明顯的回聲、顫動(dòng)回聲和聲聚焦等聲缺陷。

　　3.3 室內音質(zhì)設計

　　3.3.1 比賽大廳

　　1) 體育館和游泳館又稱(chēng)“化蝶”雙館，體育館的屋面和游泳館一樣呈橢球凹曲面，而且也是整個(gè)體育館中最大的界面，所以要設置強吸聲構造，具體構造同游泳館屋面的吸聲構造，參見(jiàn)圖2。體育館吸聲材料的布置見(jiàn)圖5所示。

　　圖5 體育館吸聲材料布置圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　2) 觀(guān)眾席區標高8.00～11.3 m處為實(shí)體墻，充分利用該墻面進(jìn)行強吸聲處理，采用穿孔板吸聲構造。具體構造見(jiàn)圖6所示。

　　圖6 墻面吸聲構造示意圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　3.3.2 新聞發(fā)布廳

　　新聞發(fā)布廳要求保證語(yǔ)言清晰度，必須有較短的混響時(shí)間，吊頂和墻面均應結合裝修進(jìn)行一定的吸聲處理。

　　1) 墻面：根據裝修要求選用木制吸聲板、木絲吸聲板或軟包裝飾吸聲板等吸聲構造，吸聲構造的平均吸聲系數應大于0.6。具體構造見(jiàn)圖7所示。

　　圖7 墻面吸聲構造示意圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　2) 吊頂：選用經(jīng)玻纖吸聲板或軟包裝飾吸聲板做吸聲吊頂，吸聲吊頂的平均吸聲系數應大于0.7。具體構造見(jiàn)圖8所示。

　　圖8 吊頂吸聲構造示意圖(圖片來(lái)源：項目建筑圖紙)

　　3.4 計算機模擬

　　采用比利時(shí)的聲學(xué)模擬軟件RAYNOISE 3.0對體育館進(jìn)行計算機聲學(xué)模擬，三維建模如圖9所示。由于體育館的建聲環(huán)境以保證擴聲系統的語(yǔ)言清晰度為主，所以本次模擬主要針對聲場(chǎng)客觀(guān)參量為與語(yǔ)言有關(guān)的聲學(xué)參量，包括混響時(shí)間T60，聲壓級分布SPL，直達聲能分布 SPL direct，語(yǔ)言清晰度Def，快速語(yǔ)言傳輸指數RaSTI，回聲評價(jià)指標EC等。

　　圖9 體育館三維圖(圖片來(lái)源：raynoise軟件截圖)

　　3.4.1 圍合面的聲學(xué)特性

　　1) 頂部為強吸聲屋面，平均吸聲系數大于0.9;

　　2) 觀(guān)眾席坐滿(mǎn)觀(guān)眾(模擬為滿(mǎn)場(chǎng)結果);

　　3) 墻面吸聲構造平均吸聲系數大于0.4。

　　3.4.2 聲源設置

　　本次計算機模擬只針對體育館比賽大廳的建筑聲學(xué)指標進(jìn)行計算，所以聲源的設置未按照擴聲系統的揚聲器實(shí)際布置方式設置。在比賽大廳中心上空設置一個(gè)虛擬聲源，聲源在360°方向指向均勻，頻率特性在63 Hz～8 000 Hz頻率范圍內平直。

　　3.4.3   模擬結果及分析

　　1) 混響時(shí)間

　　混響時(shí)間(滿(mǎn)場(chǎng))模擬計算結果見(jiàn)表2所示?；祉憰r(shí)間分布見(jiàn)圖10、圖11所示。

　　2) 聲壓級分布

　　觀(guān)眾席的最大聲壓級差基本小于 8 d B 。各頻率聲壓級分布見(jiàn)圖 12～圖15所示。

　　3) 清晰度 Def50 (%)

　　清晰度Def50 表示50 ms以前的聲能占總聲能的比例。比例越大語(yǔ)言清晰度效果越好。圖16顯示，觀(guān)眾席500 Hz的Def50大于60%。

　　圖16 觀(guān)眾席500 Hz的清晰度Def50分布(圖片來(lái)源：raynoise軟件截圖)

　　4) 回聲評價(jià)標準EC

　　回聲評價(jià)標準EC體現產(chǎn)生回聲的可能性。如果數值大于1.8，就表示可能有回聲的干擾。圖17顯示，絕大部分座席的EC(500 Hz)小于1.8。

　　圖17   500 Hz單聲源觀(guān)眾席的回聲評價(jià)標準EC的分布(圖片來(lái)源：raynoise軟件截圖)

　　5) 快速語(yǔ)言傳輸指數RaSTI

　　RaSTI是500 Hz和2 000 Hz的語(yǔ)言傳輸指數STI的平均值，RaSTI大于0.6表明有較好的語(yǔ)言可懂度。從圖18可以看出，絕大部分座席的RaSTI大于0.6。

　　圖18   500 Hz單聲源觀(guān)眾席的快速語(yǔ)言傳輸指數RaSTI的分布(圖片來(lái)源：raynoise軟件截圖)

　　6) 聲學(xué)缺陷

　　計算結果顯示，沒(méi)有發(fā)現明顯的回聲(50 ms后的強反射聲)、聲聚焦(在一點(diǎn)上有密集的反射聲)和顫動(dòng)回聲(周期性的強反射聲)。見(jiàn)圖19所示。

　　圖19反射聲序列圖(圖片來(lái)源：raynoise軟件截圖)

　　4 結語(yǔ)

　　杭州奧體中心體育游泳館建筑聲學(xué)設計方案、聲學(xué)指標基本滿(mǎn)足使用要求。各館內使用了大量的設計合理的穿孔吸聲構造，兼顧了室內整體裝修美觀(guān)和建筑聲學(xué)效果，將屋面下皮設計成強吸聲構造，保證了體育館和游泳館的建筑聲學(xué)效果。遺憾是由于現實(shí)原因無(wú)法赴現場(chǎng)進(jìn)行聲學(xué)測試驗收。

　　由該工程實(shí)踐得出，對于體育館等大型空間建筑聲學(xué)設計，應結合建筑的特殊造型，充分利用可利用的界面，合理布置不同類(lèi)型的吸聲材料或構造。

　　選自 《演藝科技》2023年第四期 栗瀚，陳金京《杭州奧體中心體育游泳館建筑聲學(xué)設計》。轉載請標注： 演藝科技傳媒。 更多詳細內容請參閱《演藝科技》。