重庆大剧院建筑声学设计浅析.doc

资有限公司；该项目由德国gmp国际建筑设计有限公司和华东建筑设计研究院有限公司联合设计；德国昆克（Kunkel）国际顾问公司负责舞台技术及舞台灯光系统设计；德国米勒BBM声学顾问公司负责建筑声学及室内声学设计。
重庆大剧院建筑声学设计包含三个阶段，即方案阶段、扩初阶段以及配合建筑装修设计阶段，在每个阶段分别进行了剧场建声环境的计算机模拟、1：20实物缩尺模型、装修材料的声学特性、座椅的声学特性以及隔声减振的构造提出具体声学要求等。通过以上各阶段科学严谨的设计，确保重庆大剧院具有良好的建声环境，满足各类演出的需要。

2  重庆大剧院建声设计
在剧场类观演建筑中，建筑声学设计作为建筑设计的重要组成部分，主要针对建筑自身形制进行研究，通过建声设计来克服由于建筑自身形制所带来的声缺陷，以及利用建筑自身形制尽可能的有效利用声能，并将声能在剧场内均匀分布，这一对看似矛盾的设计思路将贯穿整个建声设计的全过程。
在建声设计中对建筑自身形制的研究，主要通过计算机模拟和实物缩尺模型试验，通过以上两种模拟手段，可以对建筑声学参量进行计算，通过调整建筑形制，使各声学参量达到设计目标。建筑形制的调整包含建筑造型调整和建筑装修调整两部分，建筑装修调整在建声设计中较为普遍，应用得也较多；但对于那些通过装修调整无法解决的建声问题，只能通过建筑造型调整来克服，以上两种建筑形制的调整方式在重庆大剧院中均有体现。
对于剧场内最大的吸声体-座椅是建声设计最为关注的重点，特别是对混响时间要求较高的剧场来说尤其重要。重庆大剧院大剧场混响时间较长，对座椅的不同频率的吸声性能和空、满场的差异均提出了较高要求。
针对剧场类建筑，建声设计的另一个重点就是隔声减振，重庆大剧院建声设计在扩初阶段就对剧场内不同区域、不同楼层之间的隔声减振进行了详细的设计，确定隔声减振的声压级数值，以及不同声压级所对应的施工构造要求。

2.1 重庆大剧院建筑形制
2.1.1大剧场建筑形制
重庆大剧院大剧场观众厅平面形式为标准的马蹄形，容积约为19200m3，由池座、一层和二层楼座组成，池座后墙和楼座栏板均为圆弧型设计；另外，建筑师要求观众厅顶部为三圈圆形构造，这些建筑形制的要求给建筑声学设计提出了很多难题。
大剧场舞台采用典型的“品”字形舞台形式，舞台的容积约为56800m3，为观众厅体积的3倍，巨大的舞台空间通过镜框台口与观众厅相联系，建声设计应保证演员在舞台演出时能够获得和观众席一致的耦合空间声学效果（耦合空间效果：舞台混响时间过短演员不能把演出的声音充分传递给观众，舞台的混响时间过长演员得不到从观众厅回馈到自己耳朵的声能，则不能正确控制自己演出声音的平衡）。
大剧场观众厅与舞台区域的计算机模拟如图1所示：
图1 大剧场观众厅与舞台区域的计算机模拟图

2.1.2中剧场建筑形制
中剧场观众厅平面形式为标准的“鞋盒”形，由池座、一层楼座组成。中剧场计划用于大型的语言类演出以及小型音乐会，因此为满足两种不同的用途，建筑声学上采用了可调混响的设计，利用侧墙及后墙的吸音卷帘构造，来调整剧场的混响时间。
中剧场观众厅与舞台区域的计算机模拟如图2所示：
图2 中剧场观众厅与舞台区域的计算机模拟图
2.2 重庆大剧院建声环境计算机模拟
重庆大剧院大、中剧场的建声环境，采用瑞典CATT7.2m软件进行了计算机模拟，并计算在ISO 3382 : 1997 (E)规范中列出的物理可测量值，包括混响时间、低音比、清晰度、明晰度、重心时间、侧面声级和强度指标。
通过调整大、中剧场模型界面的声学参数，对以上指标分别进行了计算，使这些参数的取值尽可能达到经典剧场所要求的范围。大剧场混响时间的取值范围如图3所示。从图3中可以查出大剧场在125Hz-4kHz范围内的混响时间值，如表1所示。混响时间的取值基本都在1.65秒±10%的最优范围内，低频混响时间的增加对剧场音乐的温暖感指标十分重要，根据混响时间推算的剧场内低音比为1.18，按照白瑞纳克（Beranek）的相关理论，这个低音比的取值可认为是完美的。
图3 大剧场混响时间表

表1 大剧场混响时间值
频率（Hz）
125
250
500
1000
2000
4000
混响时间（s）
空场
2.01

1.96
1.78
1.7
1.64
1.42
满场
1.8
1.78
1.62
1.6
1.52
1.38

由于中剧场要满足语言类演出及小型室内音乐会的需要，所以声学效果需同时兼顾不同演出类型。中剧场混响时间的取值范围如图4所示。从图4中可以查出中剧场在125Hz-4kHz范围内的混响时间值，如表2所示。对于语言类演出，混响时间应在1.1秒±10%的范围内；而对于小型室内音乐会，混响时间应该在1.4秒±10%的范围内。
图4 中剧场混响时间表（语言类演出）

表2 中剧场混响时间值（语言类演出）
频率（Hz）
125
250
500
1000
2000
4000
混响时间（s）
空场
1.21
1.19
1.11
1.12
1.09
0.99
满场
1.18
1.15
1.06
1.05
1.02
0.93

2.3 重庆大剧院大剧场实物模型
为确保重庆大剧院大剧场各项声学参数满足设计要求，及时发现由于建筑造型给剧场观众厅建筑声学带来的声缺陷，通过修改建筑造型来消除或减弱声缺陷，重庆大剧院进行了缩尺比例为1：20的声学实物模型试验，实物模型（调整前）如图5所示。

图5 大剧场实物模型（调整前）

实物模型的墙面、地面和顶面分别为中密度板、细木工板和双层胶合板，厚度都大于8mm。舞台墙面与顶面、楼座栏板、观众厅部分吊顶和座椅材料为白色吸声泡沫，由德国米勒BBM声学顾问公司提供。参考国际标准ISO 3382:1997(E) 《Acoustics—Measurement of the reverberation timeof room with reference to other acoustical parameters》，确定声源点和接收点的位置，在舞台上和乐池内分别选择3 个声源点，在池座观众席选择6 个接收点，一层楼座选择3 个接收点，二层楼座选择3 个接收点。
通过模型试验发现，主要由于建筑造型的影响，舞台上声源所发声波，经过观众厅内弧型栏板和弧型后墙与楼座底面吊顶的多次反射，有声聚焦现象出现，针对这些情况对模型作了多次调整，调整后模型如图6所示：
图6 大剧场实物模型（调整后）

（1）为了避免在弧型栏板上产生干扰声反射，在弧型栏板上铺设了吸声材料。
（2）为了避免在楼座底部和后墙上产生干扰声反射，把楼座底部改成了倾斜式。
（3）为了避免环形吊顶带来的干扰声反射，在环形吊顶的垂直面上铺设了吸声材料。
（4）平坦的侧墙面无法将声音更好的混合起来。由于无法更改建筑结构方案，只能在侧墙面嵌入弯曲凹槽的装饰。
通过以上调整，基本抑制了观众厅声聚焦现象，为下阶段建筑装修设计提供了技术支持，为剧场良好的音质条件提供了保证。

2.4重庆大剧院装修声学要求
在重庆大剧院的扩初设计阶段，通过满足大、中剧场设计混响时间、清晰度、明晰度等建筑声学指标的计算机模拟所采用的声学参数设置，确定了包括舞台区域在内的剧场不同界面的吸声材料的流阻范围和反声材料的面密度指标，为施工图设计阶段的材料选择提供了依据。
在重庆大剧院的施工图设计阶段，建筑设计单位对大剧院的内装修提供了明确的装修图和材料表，装修图对建筑内部每一个不同声学作用的界面进行了编号，该编号可在对应的材料表中查处其具体的声学指标。同时，为了让项目业主和装修施工的总承包单位对材料有最大的选择性，建筑设计单位除对材料的颜色、观感以及吸声材料的流阻、反声材料的面密度等进行规定外，对满足以上要求的任何材质或构造的材料都可以选用，这极大的增加了材料选择的灵活性，节约了造价。

2.5 重庆大剧院座椅声学要求
根据剧院类建筑声学设计要求，观众厅的声学性能在空场（即无观众）和满场（即坐满观众）的情况下应该差别不大，否则会给演员演出带来极大的影响，特别是像重庆大剧院大剧场这样以自然声演出为主的剧场，如果空、满场混响时间的差异很大，歌唱演员在彩排（无观众）时将无法预计正式演出（坐满观众）时观众的真实听感，严重影响演出质量。
重庆大剧院观众厅座椅的设计规模为1850座，座椅的设计吸声量约占总吸声量的1/2，其声学性能对观众厅的声学指标影响很大。因此德国米勒BBM声学顾问公司对重庆大剧院观众厅座椅的选择提出了较高的要求，即厅内的声学特性在满场和空场应差别不大，特别是空、满场的混响时间最大变化应在10％以内，要实现这一目标就必须满足在空场时座椅的吸声量同满场时观众身体的吸声量接近。另外，米勒BBM还对座椅的坐垫材料的厚度、坐垫材料的距离流阻、椅罩的流阻、坐垫背板的吸声性能、靠垫的吸声性能、靠垫背板高出靠垫部分的反声性能以及相关流阻和吸声、反声性能的测试方法等进行了规定。
在座椅按照设计要求进行制作后，需要进行座椅的实验室测量，以确定其是否满足设计要求。座椅的实验室测量按照国际标准ISO 354进行，即重庆大剧院的座椅在观众入座后的吸声系数不能高于座椅空席吸声系数的15％，具体要求见表3。
表3  座椅的吸声系数要求

频率（Hz）
125
250
500
1000
2000
4000
1
α（空场）
0.4-0.5
0.5-0.6
0.65-0.75
0.7-0.8
0.65-0.75
0.65-0.75
2
α（满场）
满场座椅吸声系数不得高于空场座椅吸声系数的15％。

在进行实验室测量时，座椅排在测试房间的角落，成3排，每排4张；座椅的排距与大剧场观众厅内设计的座椅排距一致；在排好的座椅前方和侧面用1米高的木围栏包围起来。测试分为空座和满座，满座时的测试人员的衣着需满足测试要求，测试场景如图7所示。
图7 座椅测试场景

2.6 重庆大剧院隔声减振声学要求
在重庆大剧院的扩初设计阶段，对建筑的各个区域的隔声减振都提出了明确的要求，其中对设备机房的总噪声级（LA,max）；墙、门的隔声量（R’w）；楼板的撞击声级（L’n,w）等重要的声学指标进行了详细的规定。同时，针对不同区域的隔声减振要求，建筑设计单位提出了不同的构造做法，这样极大的保证了在施工完成后各区域的隔声减振要求的实现。

3  小结
重庆大剧院通过计算机模拟和实物缩尺模型实验，发现并消除了由于建筑造型所产生的声缺陷，基本确定了建筑的最终形制；通过对座椅声学测试、内装修材料吸声和反声性能的确定以及重要区域的隔声减振的构造、声学指标的确定，奠定了最终的建筑声学效果。
目前，重庆大剧院已竣工，已承担了几十场测试及正式演出，通过德国米勒BBM声学顾问公司和其他检测机构的建筑声学指标的检测，各项建筑声学测试指标均达到或超过GB3096-2008《声环境质量标准》中所规定的相关建筑声学指标要求，以及德国米勒BBM声学顾问公司所要求的各项建筑声学指标要求。