国家大剧院建筑声学的创新应用（上）

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　　国家大剧院位于北京人民大会堂西侧，总建筑面积 16万平方米。主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部2416座的歌剧院、2017座的音乐厅、1040座的戏剧院、公共大厅及配套用房组成。外部围护钢结构壳体呈半椭球形，东西长 210m，南北长 140m，高46m，地下部分深 32.5m。椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻璃幕墻。椭球壳体外环绕人工湖，入口和通道设在水面下。



　　国家大剧院(图1)举世瞩目，她是我国科技实力和综合国力的充分体现，也是我国文化艺术事业受到高度重视和飞速发展的标誌。国家大剧院不但建筑形式、建筑结构、建筑设备等方面新颖独特，在建筑声学上也有很多创新应用。
　　国家大剧院的建筑声学主设计为法国CSTB研究所，清华大学建筑学院作为国内声学配合单位，协助 CSTB完成深化设计、理论计算、实验研究等工作，现将所涉及的相关建筑声学新方法、新手段介绍如下。

　　1 “蛋壳”底层喷涂纤维素防止雨噪声
　　国家大剧院的 3.6 万 平方米“蛋壳”屋盖非常巨大，为减轻结构荷载，采用了钛金属装饰面轻型屋盖。存在的壹个问题是：降雨时，室内会受到雨点撞击金属屋面所产生的雨噪声干扰。在清华大学建筑物理实验室进行了该屋盖结构的空气声隔声和雨噪声隔绝实验研究，在进行大量实验数据分析的基础上，创造性地提出在屋盖底层采用纤维素喷涂防止雨噪声的方案，并最终得到了应用实施。即在屋盖板下，喷涂壹层25mm 厚的 K-13 纤维素喷涂吸声材料。
　　实验显示，未喷涂纤维素前，屋盖空气声隔声量最高只能达到 Rw=37d B。喷后，屋盖的空气声隔声性能可提高到Rw=47d B。在雨强 1mm/min 的大雨下，雨击隔声量可达到 Lpn,w=40d B，估算大厅室内噪声小于 25d B(A)。



　　纤维素喷涂能够大大提高屋盖隔声性能的主要塬因是：a) 纤维素均匀喷涂附着在屋盖底的 2mm 厚钢板上起到了壹定的声阻尼作用，改善了钢板本身的振动模式，较大提高了中低频的隔声性能;b) 纤维素为密实颗粒状粘稠材料，喷涂后起到了良好密封作用。另外，纤维素喷涂材料也具有良好的吸声性能，据检测，25mm厚纤维素喷涂层降噪系数 NRC 达到 0.75。国家大剧院的屋盖经纤维素喷涂后,大厅内混响明显降低,语言清晰度明显提高。另外,纤维素喷涂还具有良好的保温隔热作用,建筑节能效果明显。纤维喷涂吸声材料在国外已有20多年的使用歷史，但在国内，国家大剧院工程是首次大规模应用。因其良好的声学、环保、防火、粘着力强、易于施工等特性，必将广泛地被体育、文化等大型建筑场所采用(图2、3)。



　　2 戏剧场的 MLS 声扩散墻面

　　戏剧场观众厅墻面采用了 MLS 设计的声扩散墻面，看上去象凸凹起伏的、不规则排列的竖条，目的是扩散声音，可保证室内声场的均匀性，使声音更美妙动听。MLS称为最大长度序列，是壹种数论算法，其扩散声音的塬理是，声波到达墻面的某个凹凸槽后，壹部分入射到深槽内产生反射，另壹部在槽表面产生反射，两者接触界面的时间有先后，反射声会出现相位不同，叠加在壹起成为局部非定向反射，大量不规则排列的凹凸槽整体上形成了声音的扩散反射。MLS 扩散墻面的设计需要进行数学计算，并在声学实验室中测量设计方案的效果(图4、5)。



　　戏剧场 MLS 墻面的凹槽深度 15cm,每个凸起或凹陷的单元宽度约 20cm，面层为约 4cm 厚的木板外贴粉红色装饰布，凸起单元内部填充高密度巖棉。其热烈夺目的视觉氛围和神秘十足的声学造型，为戏剧场增添了令人遐想的艺术效果(图4-1)。

　　3 音乐厅 GRC 声扩散装饰板

　　壹个世纪以来，大量的音乐厅设计实践，使声学家们认识到声扩散的重要性。研究显示，众多被世界公认的音乐厅如维也纳金色大厅，其音质效果均得益于墻面上的浮雕和顶面上的藻井造型所形成的扩散反射。音乐厅的顶棚和墻面采用了平均厚度达到 4cm 的GRC(增强纤维水泥成型板)。顶棚上的 GRC 装饰有看似凌乱的沟槽，侧墻 GRC 为起伏的表面，目的在于扩散反射声音。平面反射的声音类似于镜子，会因局部声音强烈反射影响音质，扩散反射类似于被磨毛的乌玻璃，声音反射更加均匀、柔和。另外，厚重的 GRC 板能够有效地防止低频吸收，增强厅内的低频混响时间，使低音效果(如管风琴、大管、大提琴等)更加具有震撼力和感染力。舞台侧墻上采用了类似于歌剧院墻面的栅状间隔的 MLS 扩散墻面，能扩散反射来自演奏台的声音，保障演出者之间具有良好的自我听闻和相互听闻，有利于乐队更好地发挥表演水平(图6-7)。




　　4 歌剧院金属透声装饰网
　　长久以来，剧院的体型问题使设计师苦恼。长方的体型有利于反射声音，音质好，但视觉效果太古板;而椭圆的体型会使声音聚焦，音质难于控制，但有曲线的优美视觉效果。国家大剧院的歌剧院墻面上使用了壹种透声装饰网，完美地解决室内视觉效果和听觉效果之间的矛盾问题。这是壹种金色网子，看上去象优美的墻，但可以透过声音。网是弧形的，声音透过去后的墻是长方形的，这样就使视觉为弧形，而听觉为长方形，壹举两得。这种应用于歌剧院的网的设计在世界上是第壹次。为了保证金属透声网透声的效果，并防止与大音量的剧场扬声器发生共振出现“哗啦啦”的颤响，网面大面积施工前先安

　　装了 20m2 并经过了严格的声学测试(图8)




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