“水立方”与科技奥运

石慧斌

1  “水立方”建筑概况

国家游泳中心位于北京奥林匹克公园内，是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。

奥运会承担项目：游泳、跳水、花样游泳、水球。

比赛大厅可容纳观众坐席17 000座，其中永久观众坐席为6 000座，奥运会期间增设临时性座位11 000个（赛后将拆除）。

赛后将建成为具有国际先进水平的、集游泳、运动、健身、休闲于一体的中心。

2  声环境设计的重要性与特殊性

（1）游泳馆在声学设计上的特殊性

游泳馆与一般综合性体育馆相比，在声学设计上存在几个特点：设有跳水池的游泳馆每座容积大;地面为瓷砖和水面，对声波产生强烈反射;馆内相对湿度高，控制混响时间和音质缺陷的吸声材料应防潮防水。因此，以上几个难点需在国家游泳中心声学设计中加以解决。

（2）国家游泳中心围护结构的特殊性

国家游泳中心采用ETFE膜气枕结构作为外围护结构，有关ETFE气枕的声学性能，在国内与国外均没有确切的可以提供作为设计依据的参数。

（3）国家游泳中心场馆的特殊性

国家游泳中心是2008北京奥运会的游泳、跳水、花样游泳等项目的比赛场馆，比赛大厅内的语言清晰度将直接影响比赛和奥运赛事转播。因此，为了保证比赛大厅的语言清晰度，有必要对国家游泳中心建筑声学解决方案做详尽的实验，研究与讨论。

3  声学设计步骤

4  准备阶段

（1）2004年初的讨论会中，提出了几个比赛大厅中存在的声学问题：

① ETFE膜气枕的吸声性能如何？

② ETFE膜气枕的隔空气声性能如何？

③ ETFE膜气枕的隔雨噪声性能如何？

④ 如果ETFE膜气枕的吸声性能不佳，比赛大厅还应补充多少面积的吸声材料，才能满足语言清晰度要求？

（2）确定通过实验解决问题

解决讨论会上提出的问题，最直接可靠的办法就是进行实验室检测，获得ETFE膜气枕的精确的声学性能参数。

5  实验测试阶段

5.1  声学实验室的建立

声学实验室房间平面为正六边形，边长3.8 m，每两组平行墙面间净距离6.4 m，净面积35.5 m2，见图1。为满足隔声要求，入口处设置声闸（兼做测试仪器控制室），实验室墙为300 mm厚的砖墙。并在其中三面墙上设置扩散板。

图1  混响室平面图

实验塔总高度为15.35 m，分上下两部分，下部为混响房间部分，高6.6 m，见图2;上部为模拟降雨部分，主体为位于塔顶的水槽，由上部钢架支撑，见图3。为测试ETFE膜双层气枕构造，混响房间又分为上下两层，由气枕分隔，气枕面积为21.6 m2，一层气枕层距地高3 m，二层气枕层距地高6.6 m，两层气枕间距3.6 m，见图4。

5.2  测试过程

5.2.1  测试项目

（1）吸声系数测试

①只有上层ETFE气枕

②双层ETFE气枕

③双层ETFE气枕，下附微孔透明薄膜

④双层ETFE气枕+两层阳光板

⑤双层ETFE气枕+两层阳光+岩棉

①双层ETFE气枕

②双层ETFE气枕（四层ETFE膜）

图2  实验塔剖面图

图3  实验室顶部的水槽

圖4  两个三层气枕，从混响室看水槽

（2）隔空气声测试

③双层ETFE气枕+两层阳光板

④双层ETFE气枕+两层阳光+texlon

（3）隔雨噪声测试

①双层ETFE气枕

②双层ETFE气枕，每个气枕四层ETFE膜

③双层ETFE气枕，中间层加双层阳光板顶层气枕外加一层texlon

④双层ETFE气枕，顶层气枕外加一层texlon（见图5）

⑤双层ETFE气枕，中间层加双层阳光板

⑥双层ETFE气枕，底层气枕外加四层橡胶板

⑦双层ETFE气枕，顶层气枕外加毛毯+大孔网+毛毯+texlon（见图6）

5.2.2  模拟降雨

（1）确定模拟降雨雨量为2 mm/min的暴雨，据北京气象部门提供信息，奥运期间可能会有四次降暴雨的机率;

（2）确定水箱与气枕之间的高度为8 m，研究发现，当高度达到8 m时，雨滴末速度能达到自然降雨时的95%，而当高度达到12 m为时，雨滴末速度能接近降雨自然时的未速度;

（3）受雨面积与气枕面积一致，为了明确受雨面积对室内噪声级产生的影响，在实验之初用1 m×1 m的小水箱与大水箱（与气枕面积等大）做对比实验，结果表明应采用大水箱模拟降雨。

图5  上层气枕加盖一层texlon

图6  上层气枕加盖毛毯，大孔网

5.3  测试结果

5.3.1  吸声系数测试结果

表1  吸声系数测试结果

表1的测试结果说明：

（1）单个三层气枕对低频有一定吸声，两个三层气枕基本不吸收声能;

（2）在两个三层气枕下加小孔膜能大幅度提高构造的吸声系数;

（3）在两个三层气枕基础上再加两层阳光板构造吸声性能影响不大;

（4）在兩层气枕间加强吸声材料对构造的吸声性能影响不大。

5.3.2  隔空气声性能测试结果

表2  隔空气声性能测试结果

序号 测试条件 隔声量

（Dnt，W/dB）

1 两个三层气枕 20

2 两个四层气枕 23

3 两个三层气枕+两层阳光板 29

4 两个三层气枕+两层阳光板+一层texlon 30

表2的测试结果说明：

（1）两个三层气枕的隔声量为20 dB;

（2）增加两层阳光板可使围护结构隔声增加9 dB;

（3）在上层气枕上加Texlon对隔空气声作用很小。

5.3.3  隔雨噪声性能测试结果

表3  隔雨噪声性能测试结果

（1）表3中的实验室设置的水箱高度8 m与21.6 m2的面积是合理的。

（2）就防雨噪声而言，以下三种方法都是有效的，按照其有效程度与可行性进行如下排列：

在上层气枕上加texlon，可减10 dB～11 dB;

在两层气枕间加两层阳光板，可减7.5 dB～8.5 dB;

在气枕上加四层橡胶垫，可减18.0 dB左右。

5.3.4  声学性能测试总结

（1）双层ETFE气枕（每个气枕3层ETFE膜）的吸声性能很差，NRC为0.065，基本与平板玻璃的吸声性能相当，因此，双层ETFE气枕构造为比赛大厅的混响时间控制提供的吸声量极为有限，必顺在比赛大厅室内另外增加大面积、高吸声性能的吸声材料。

（2）当双层ETFE气枕（每个气枕3层ETFE膜）下附一层微孔透吸薄膜时（膜的穿孔孔径为0.8 mm），构造吸声性能大大增加，使其NRC达到0.35，为以后此类构造提高吸声性能提供了一种解决方法。

（3）双层ETFE气枕（每个气枕3层ETFE膜）的隔空气声性能较差，其隔声量为20 dB，相当于6 mm厚的玻璃，其他构造组合的测试结果为国家游泳中心隔空气声问题的解决提供了指导依据;

（4）当雨量达到暴雨时，雨滴撞击气枕，可以激发气枕膜的振动，从而产生撞击声，在没有任何措施的情况下，雨噪声达到85 dB以上，将使比赛大厅无法使用，而其他构造组合的测试结果为国家游泳中心解决雨噪声问题提供了相应可行的措施。

6  声学解决方案

6.1  比赛大厅

6.1.1  比赛大厅概况

比赛大厅平面为126.3 m×116.7 m的矩形，投影面积为13 500 m2，室内净高28.4 m。赛时容积为280 500 m3，共17 000座，每座容积为16.5 m3。赛后容积为224 000 m3，共5 000座，每座容积达40 m3。

功能定位为举行奥运会游泳、跳水等比赛，满足赛事转播要求，赛后主要用于国际比赛与国家队训练。

6.1.2  比赛大厅设计最佳混响时间

根据建筑设计院的要求以及2005年7月13日声学专家讨论会会议意见，由于膜结构的特殊性，本场馆的中频混响时间控制在2.5 s以内是可以满足使用要求的，要求频率特性基本平直，低频允许有一定的提升，具体设计满场混响时间频率特性见表4。

表4  满场混响时间频率特性

频率/Hz 125 250 500 1k 2k 4k

赛时 混响时间

/s 3.0 2.75 2.5 2.5 2.25 2.0

混响比 1.20 1.10 1.00 1.00 0.90 0.80

6.1.3  比赛大厅吸声材料布置（见图7）

图7  比赛大厅吸声材料的布置

6.1.4  比赛大厅混响时间计算值

比赛大厅混响时间计算采用了传统的EXCEL计算方法和ODEON软件计算机模拟法，并将结果互相对比，从而修正完善声学解决方案。

ODEON软件模拟计算了自然声状态和状态扩声系统两种条件，见表5。

表5  软件计算结果

频率/Hz 125 250 500 1k 2k 4k

设计值/s 3.0 2.75 2.50 2.50 2.25 2.0

自然声状态混响时间/s 3.92 2.96 2.09 2.03 1.71 1.50

扩声系统状态混响时间/s 3.80 3.03 2.06 2.06 1.80 1.56

6.1.5  比赛大厅ODEON软件可听化模拟

可听化模拟实现了以下过程：在建筑工程完成之前，利用计算机模拟建筑声环境，导入音频信号源，并生成经过电声系统和厅堂混响之后的音频文件。其目的在于预先感知厅堂建成之后的扩声系统和室内混响效果，据此对现有厅堂声学方案提出更改建议，同时实现同一空间在不同混响时间状态下产生的语言声声效或音乐声声效的比较。

“水立方”比赛大厅可听化模拟主要分三个步骤：建立比赛大厅计算机模型、设置计算机模型各边界条件、计算生成可听化模拟后的音频文件。

“水立方”比赛大厅可听化模拟的数字信号源以语言声信号为主，根据语速的不同分为两类，一类为正常语速（播通告、新闻等），一类为慢语速（诗朗诵等），而对音乐声，其结果仅供参考。

6.2  其他空间

在国家游泳中心声学设计任务中，还包热身池大厅、南商业街、东南入口的声学设计。

熱身池厅平面为80 m×50 m的矩形，投影面积为3 650 m2，室内净高11.3 m。赛时容积为33 450 m3，赛后容积为35 000 m3。热身池大厅用于大型国际比赛赛前训练，国家队训练等。

南商业街平面为28.5 m×113 m的长方形，面积为2 600 m2，赛时室内净高为15.5 m，赛后室内净高为23.2 m。赛时容积为14 200 m3，赛后容积为20 500 m3。

东南入口平面为26 m×45 m的长方形，面积为1 170 m2， 室内净高为4.4 m，总容积为5 850 m3。

为了保证“水立方”室内的建筑声环境，以上空间均做了必要的吸声处理。

7  竣工测试

混响时间测试

测试地点：比赛大厅;

测试时间：2008年3月13日19：00～23：00;

测试仪器：PULSE 3560多分析系统;声源：比赛大厅现场扬声器。

表6  测试数据对比

频率（Hz） 125 250 500 1k 2k 4k

满场混响时间

设计值/s 3.00 2.75 2.5 2.5 2.25 2.0

80%满场混响时间模拟值/s 3.80 3.03 2.06 2.06 1.80 1.56

80%满场混响时间实测值/s 2.17 2.42 2.23 2.12 1.72 1.14

100%满场混响时间实测值/s 1.81 2.32 2.07 1.94 1.54 1.04

8  成果与不足

8.1  成果

（1）实验所得ETFE膜气枕的声学参数详实精确，为国家游泳中心比赛大厅声学问题的完满解决提供了坚实的基础，也为今后ETFE膜气枕构造在其他工程上的大规模使用提供了重要的声学参数。

（2）提出的声学解决方案完满地解决了国家游泳中心的声学问题。现场竣工实测数据表明，比赛大厅现场混响时间与计算机模拟值、设计最佳值三者得到了很好的吻合，为今后处理类似大型游泳场馆的声学问题提供了经验。

（3）比赛大厅的声学解决方案没有采用传统的满挂吸声体的设计思路，最终很好地实现了声学设计与室内美学设计的高度统一，为今后处理类似问题开辟了新的途径与方法。

（4）比赛大厅的声学解决方案体现了绿色奥运，人文奥运、科技奥运的奥运理念，很好地解决了吸声材料的环保问题，为今后环保吸声材料的使用提供了更多的选择。

8.2  不足

虽然在实验过程中尝试了多种增加ETFE气枕隔声的构造做法，但由于影响场馆总体视觉效果，在现场构造做法上存在难点等原因，最终未能实施，造成场馆在隔空气声与雨噪声存在不足，颇为遗憾。

（选编自第六届论坛演讲稿）