歌剧院建造中可调混响技术易忽视的细节

孙俊国

上海建科工程项目管理有限公司 上海 200032

1 引言

通常歌剧院内要进行不同的歌剧、话剧演出甚至是举办会议，不同的使用功能对应的最佳混响时间有所差异。当厅内各使用功能对应的最佳混响时间相差较大时，厅内就需要考虑可调混响时间设计。从塞宾公式[2]：RT=0.161V/Sα得出可调混响的三种方式：改变室内容积V、改变室内总吸声量Sα、室内容积与总吸声量相结合改变。而改变室内容积V通常有两种途径：直接改变室内容积（如顶的升降）与设置耦合空间；改变室内总吸声量Sα的主要途径为设置可调吸声构造。

2 工程情况

某歌剧院观众厅采用马蹄形布局，为同时满足浪漫、经典派歌剧以及交响乐三种演出形式的声学要求，采用改变室内容积与改变室内总吸声量相结合的形式。在改变室内容积V方面，观众厅局部设计成可升降天花、3m升降范围可改变体积约2000m3（三块升降天花均采用30mm厚GRG、容重60kg/m2，表面50mm深曲线MLS扩散纹路）、调整可变混响时间约0.5s，可实现交响乐1.9s，浪漫派歌剧1.7s，经典派歌剧1.3s的不同混响时间要求。

图1 观众厅剖面（从左到右依次为1-3#天花）

在改变室内总吸声量Sα方面，在第一、二和三层楼座侧墙上设置可变吸声帘幕，从内向外构造依次：加气混凝土砌块及砂浆抹面、110mm厚空腔（内设80mm厚、50kg/m2可升降矿棉吸声毡）、地板1.5m高以下外墙面为60mm厚MDF板（地板1.5m高以上外墙面为透空率≥60%的木质透声格柵）。当混响时间要降到1.2s～1.3s时，藏在1.5m高以下空腔中的矿棉吸声毡由钢丝绳拉起暴露在透声格柵后形成吸声面。当混响时间要达到1.5～1.6s时，吸声毡下降到下部空腔中，将砌体墙暴露在透声格柵后形成反射面。

图2 构造示意图

3 升降天花行程实现

初步设计要求1#升降天花68m2、4080kg，2#升降天花146m2、8760kg，3#升降天花142m2、8520kg，总面积356m2、总重量21360kg。由于GRG板厚必影响天花自重荷载；再加上初步设计未考虑GRG板要分块制作、安装，且不能产生内应力裂缝，故需为GRG板加设背附钢架形成稳定悬挂体系。

3.1 天花厚度优化

以声学效果为第一要素选定四种MLS曲线扩散纹路、凹槽深度均为50mm、统一取1200mm×1200mm外轮廓尺寸，通过Rhinoceros 3D计算出四种造型GRG板块展开面积均为2.93m2。

图3 四种MLS曲线扩散纹路展开面积计算

在最大限度减轻非声学要求附属重量的同时，还需提高GRG内预埋件拉拔力以保证结构安全，经分析后采取图4所示构造。

图4 升降天花GRG内预埋件构造

在单块板外围尺寸1200mm×1200mm基础上，分别进行如下计算：

①单块板总重量T 0：按面密度5 0 ～6 0 k g/m2，T0=(50～60kg/m2)×1.44m2=72～86.4kg；

②预埋点加强带重量：按单块板背9个预埋点（GRG规范要求吊点间距600mm，由于是活动板块则设置9个以确保安全）、设置三条宽度100mm加强带，用Rhinoceros 3D测量出三条加强带面积约0.21m2、厚度50mm、体积约0.0107m3，则三条加强带合计重量T1=0.0107m3×1600kg/m3=17.12kg；

③板块肋边重量计算：设计要求板块四边均需设置板肋进行锁边加固，为增加GRG板厚以提高板材强度则需减轻板块四周肋边重量。故将肋边厚减至20mm、高度减为30mm（边界极限值），则单块板四周肋边重量T2=肋边长×肋边高×肋边厚×体积密度=（1.2m/边×4边）×（30/1000）m×（20/1000）m×1600kg/m =4.608kg；

④单块GRG板块重量T3=T0-T1-T2=（72～86.4）kg-17.12kg-4.608kg≈50kg～65kg；

继而以板块体密度1 6 0 0 k g/m3为限制条件反向计算GRG板理论厚度。按公式2.93m2×(X/1000)m×1600kg/m3=50kg～65kg，得出GRG板块随性饰面理论厚度X≈11～14mm，较初步设计30mm厚减少了53%～63%，避免了板材自重加大的风险。

可见，当单块板随性厚度调整为11～14mm 后，单块重量下降至72～86.4kg。考虑到：a.升降天花在运动时存在动荷载；b.升降天花为类球面造型。因此，每块GRG板安装后并非处于完全水平状态、预埋件并非平均受力。为保证安全假设 “一块板9个吊点之中只有一个处于完全受力状态”，再假定动荷载系数为1.2，即单块板运动时的总荷载为86～104kg，故预埋件拉拔力应设置为120kg。

3.2 天花结构深化

由于升降天花面积较大，无传力构造易产生GRG板面裂缝[3]，要进行如下表1所示的背附钢架体系深化，天花面积较初步设计减小30%、重量增加57.3%。再经结构设计复核增加的荷载量，最后按新增荷载进行卷扬机设备选型。

表1 背附钢架荷载计算

图5 升降天花增加背附钢架

3.3 上下行程受限

声学初步设计要求可升降天花实现3m上下行程、改变观众厅约2000m3体积。在完成升降天花安装后，从升降电机调试读数中发现：正常运行下，1#、3#升降天花行程只有2.1m，2#升降天花行程仅有1.8m。经多次实测复核并结合设计模型查验，推测行程受限的原因：

①方案和深化设计均只对升降天花行程进行简单示意，升降天花为双曲面造型，剖面图应分别标注出前端高/低位、后端高/低位等才够准确。

② 移动天花深化时忽略了背附钢架高度。1#、2#天花背附钢架顶面是水平的，背附钢架顶标高与栅顶钢梁底标高差值便是最大行程值。以2#天花为例，背附钢架顶面至移动天花顶面最高点距离有300mm，便意味着行程缩减300mm。又未考虑1#、2#天花向下移动时会碰到面光桥侧面灯具防护网（见图6），导致理论行程又进一步减小。

图6 面光桥侧面灯具防护网

③3#天花向上移动除了受背附钢架高度影响外，由于上部固定天花高度超过1.5m设置了钢制转换层（见图7水平钢梁）导致行程又进一步减少。

图7 吊顶内钢制转换层

4 侧墙吸音板升降实现

在进行声学测试期间，观众厅出现侧墙移动吸声板升降卡塞，卡塞物是开设环绕音箱洞口时产生的混凝土和砌体碎块。经调查，事件经过如下：

①原招标要求环绕音箱采用外挂安装形式（音箱上端突出装饰墙面，下端安置在墙体内部，形成向下倾斜的角度），施工前建筑设计师认为这种做法影响观众厅整体墙面装饰效果，提出将环绕音响整体嵌入装饰面内并垂直安放。

② 灯光音响专业按建筑设计师要求进行图纸修改并经确认后提供了音箱实际开洞外形尺寸图给土建施工单位。

③土建施工根据图纸音箱尺寸位置进行第一次开洞时，现场观众厅楼座可升降矿棉吸声毡已安装完成。开洞完成后，灯光音响专业进行音箱安装前复核时，发现个别音箱洞口尺寸与已采购的设备规格不匹配，提出修改。

④土建施工根据最新修改进行现场二次开孔，此时观众厅内部墙体复合实木穿孔板已大部分完成安装，凿墙开洞施工时无法彻底清理空腔内垃圾，导致观众厅内两块可变吸声板脱轨不能正常升降。

可见，歌剧院工程建设实施中土建、舞台、装饰、灯光音响等专业之间的界面相互交错，设计变更和修改往往牵一发而动全身，施工中须尽量确保设计修改的系统性，前置设计修改的时机，否则工序反复的情况下，极易发生小概率事件导致使用功能缺陷。

5 结语

从上面两个案列中，笔者认为在歌剧院工程设计和施工阶段，专业的集成度和联动能力是十分关键的。歌剧院工程属于功能突出型建筑，舞台工艺、声学装修、灯光音响、土建结构等专业相互交织、紧密协作才能实现最终的视觉、声效效果。尤其是当采用较新颖的建筑构造时，要借助三维建模软件进行可视化设计深化、设计变更和施工模拟，并最好全专业、全过程利用三维建筑软件；在施工阶段，针对任何一个设计变更、设计深化都要有系统性的论证意识，建立组织各相关专业同步技术可行性研讨的机制，做到突出重点、兼顾全局，便能减少隐性技术风险的发生。