国家大剧院建筑声学设计方案及设计选材

这是一颗璀璨的明珠，蕴含着激昂旋律，流淌着曼妙乐章。这里是表演艺术的殿堂，承载民族文化复兴的使命，汇聚世界艺术交流的碰撞。——中国国家大剧院

一般而言，剧院建筑声学设计的工作内容主要包括音质设计和噪声控制两大部分。

一、室内音质设计

·确定音质设计指标及其优选值。根据厅堂的使用功能选择混响时间、明晰度、强度指数、侧向能量因子、双耳互相关系数等音质评价指标，并确定各指标的优选值，是音质设计的重要任务。这些指标及其优选值的选定，将为进一步进行音质参量计算和将来竣工后的音质测试提供目标和依据。

·室内音质的评价标准：
    1、主观评价指标——合适的响，较高的清晰度和明晰度，足够的丰满度，良好的空间感，没有声缺陷和噪声干扰。
    2、客观物理量——声压级，混响时间，反射声的时间分布，反射声的空间分布。
    ·其基本原则有：
    1、充分利用直达声。
    2、合理分布前次反射声。
    3、正确地控制混响时间及其频率特性。
    4、注意避免和消除声音缺陷和噪声影响。
    ·确定厅堂体型及体量。为看得清楚、听得清晰，各类厅堂都有个长度的限制。厅堂的宽度会涉及到早期侧向反射声的组织，与音质的空间感有重要关联。厅堂的高度不仅影响竖向早期反射声的组织，而且影响早后期声能比和混响声能的大小及方向。厅堂的体积和每座容积都直接影响混响时间等音质参数。厅堂的体型更是关系到是否存在回声、颤动回声、声聚焦、声影区等音质缺陷。所有这些，都必须在初步方案设计阶段就提供建筑声学的专业意见。

二、混响时间分析

在厅堂（室内）声学设计中，混响时间是一个重要的概念与指标。声音在室内衰减的过程称之为混响过程。声音在室内将从稳态开始衰减，直至衰减到其声能为原有声能的百万分之一时，这段时间被称为“混响时间”，也即衰减60dB所需的时间，记作（RT或T60）。
在厅堂内，适度的混响时间，可使音乐丰满，语言宏亮、饱满。过短的混响时间使声音干涩无力；混响过长将使语言清晰度降低，音乐缺乏节奏感和力度，唱词模糊还清。
因此，在厅堂音质设计中，根据不同的性质和要求，必须选择一个“最佳”的混响时间。但混响时间并非决定厅堂音质的唯一指标。噪声控制也非常重要，也是室内音质设计的重要指标之一。

国家大剧院的建筑剧院声学设计声学主设计为法国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，就工作中所涉及的相关建筑声学新方法、新手段主要有以下几个方面：

“蛋壳”底层喷涂纤维素防止雨噪声

国家大剧院的4万m2“蛋壳”屋盖非常巨大，为减轻结构荷载，采用了钛金属为装饰面的轻型屋盖。存在的一个问题是：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，喷涂一层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=37dB。喷涂后，屋盖的空气声隔声性能可提高到Rw=47dB。在雨强1mm/min的大雨下，雨击隔声量可达到Lpn,w=40dB，估算大厅室内噪声小于25dB(A)。
纤维素喷涂能够大大提高屋盖隔声性能的主要原因是：一、纤维素均匀喷涂附着在屋盖底的2mm厚钢板上起到了一定的声阻尼作用，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。

二、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多年的使用历史，但在国内，国家大剧院剧院声学设计工程首次大规模应用。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。

歌剧院：金属网包出“稻草屋”
歌剧院内部也用这样的金属网包裹着，但看上去却不觉得有金碧辉煌的冰冷，声音穿过金属网后再反射回来，形成“自然声”，这样就形成了视觉的弧形和听觉空间的多边形，做到了建筑声学和剧场美学的完美结合。即使在没有麦克风的条件下，舞台上的声音，台下各个角落的观众都能听到。

①金属网装饰墙面
歌剧院观众厅内墙面装修采网格状金属网装饰其横向为φ2.5mm，不锈钢钢丝铰线(纬线)间距6mm，纵向为φ2.5mm，铝合金棍(经线)间距8mm。从设计方面主要考虑二点声学及装饰效果。

观众厅的平面形状与声学关系较大，长方形(侧墙成角度)有利于反射声音音质好但视觉效果古板，墙面不完整，而圆弧形对于音质存在致命的声音聚焦的缺陷但在视觉美学上圆弧形墙面更加优美。

建筑师设计基本理念是基于经典的马蹄形剧院，但又避免了传统式的包厢布局在视线和音质方面的弱点，一方面利用金属网形状可以随意的优势呈弧线另一方面利用金属网的通透性，因此将观众厅设计成双层墙，即建筑实体墙与金属网装饰墙这样声学专家可以大胆地为了达到各种声学指标在实体墙上施展才华不必担心影响观众厅的美观将金属网背后的实体墙做成了有角度有利于声反射的斜墙面，在观众厅内看不到生硬的折角，声音又可透过金属网到达反射声墙面。

同时，在设计中不但利用金属网的通透解决了声学问题，还达到建筑的场景效果：在演出前将所有照明关闭金属网连接处的带形灯照向后面的红墙，又反射到金属网，经过金属网过滤，以漫射形式柔和地撒进观众厅内，四周红色的墙面映射着朦胧的金色的薄纱，演绎出一道现代、简约、优雅，柔和而具有亲和力的视觉风景线。

在歌剧院池座金属网后的弧墙用凹凸形扩散体MLS作为反射墙，此部位为了满足声学要求，做了精心设计，固定金属网的钢柱尺寸及布置规律为MLS的单元设计的一部分。

此处金属网与结构的连接方法是：钢柱与混凝土板底、顶固定，在钢柱上做转接件转接件与金属网的上下连接带连接。

观众厅后墙是回声的主要发源地，在后墙做了足够的宽频带吸声材料，为了与观众厅装修风格协调具体构造，紫红色丝布后面为玻璃丝棉吸声材料。

②吊顶
歌剧院的吊顶为复合板外贴实木装饰板吊顶，为了让乐队和演员之间有良好的相互交流：将台口和乐池上方的吊顶做平，保证足够的宽度使表演的声音可以通过顶面反射到乐池内、为了使反射声效果好，木吊顶厚度达到了35mm。
为了使前排观众获得较好的早期自然反劓声观众厅前部吊顶平面也做平，以利于将声音反射到池座前区而中部吊顶结合三道面光的布置将木吊顶装饰做成L形以利于声音的反射和扩散。

音乐厅：建筑和声学的完美结合

完美的天花板：音乐厅的天花板像形状不规则的白色浮雕像一片起伏的沙丘，又似海浪冲刷的海滩，有利于声音的扩散。

为了达到声效的完美，在顶棚的下面还悬挂了一面由清华大学学生亲手用玻璃纤维混凝土做得龟背形状的集中式反声板，它的作用是将声音向四面八方散射。

音乐厅吊顶：音乐厅观众厅的平面形状是稍有弧度的鞋盒型，它可提供丰满而浑厚的音质。

观众座席围绕演奏台布置，即乐队和伴唱演员在中间，观众在周围，在空间上形成对演奏台中心的围合。这样的布局最大限度保证了观众听到均匀的自然声。

观众厅周边以扁而宽的椭圆形柱廊环绕，在柱子背后有耦合空间，可提供晚期的混响时间。

观众厅的高度和形状确保了有足够的体积，因而混响时间自然可得到满足。

①MLS声学墙

乐队演奏台周围的墙是声学墙，即按照数学理论精确地计算出来的墙面凹凸形状，缩写术语称为“MLS”，原意为“Mathematics Length Sequence”，此墙的作用是，高度扩散反射，它可使乐师们有良好的相互听闻，让声音均匀、柔和地反射、扩散保证坐在每个位置的观众，都能听到同样优质的声音。

凹凸墙体的构造为用双层木板(12mm> 2厚)做出凹凸形状，凸出部位里边为密实的玻璃丝棉。

②GRC墙板
GRC是由抗碱玻璃纤维、石英砂和高强水泥按一定配比，使用模具(喷射)制作，一体成型。其特点与GRG类似：质量轻、防火环保、声音效果好，使用寿命长、安装方面等特点。板的图案样式与具体构造同前GRG墙板类似。
音乐厅的墙面与吊顶在材质方面达到了整体统一，同时较硬材质的材料在低频维持较长的混响，且GRC起伏的墙面对音乐厅的演奏声音起到漫反射的作用，既兼顾了功能，又兼顾了美观。

③GRC吊顶
    建筑师将音乐厅巨大的GRC整体吊顶设计成一幅完整的形状方向各异、波浪起伏的抽象图案，你可以想象成一片起伏的沙丘：一片正开垦的荒地，波浪；山脉；音乐的节奏，韵律>>吊顶与墙面的柔和感形成强烈的对比，你会感到宁静中有一股巨大的力量蓄势待发，精彩的演出即将拉开序幕。
    吊顶除了增添艺术氛围外，它还是一个考虑声学效果的设计。
    对于音乐厅来说，第一重要就是声音，一切建筑和装饰设计都要为声学效果服务，凹凸不平的顶棚，更加有利于声音的扩散，不规则图形的浮雕吊顶，就像是一个声音扩散器，把舞台发出的声音扩散到观众席上的每个角落。
    音乐厅吊顶面积约1300m2，由164块GRC板组成，其中标准矩形板118块，异形板46块，一般每块面积7m2左右。标准块尺寸：3.2m>2.26m>0.024m和3.4m>2.26m>0.024m，两种其厚度控制在24mm，厚度的要求除构造需要外，更重要的是有声学要求，板精细度要求对角误差控制在2mm。每块板起伏较大，平均起伏250mm，起伏落差最大达480mm，重约110Kg/m2，总重量超过100吨。设计提供用聚苯做的1:10的小样，由厂商根据小样经过数道工序，做成1:1实样。

具体构造：GRC板四周带有配筋边框，每块板上预埋20个预埋件上部焊接不锈钢吊筋，吊筋与槽钢架连接槽钢架上有6个安装吊点，此吊点与吊顶次钢梁连接次梁与主钢梁连接，主钢梁与钢筋混凝土顶板梁下预埋件连接。

GRC吊顶做成凹槽形状的空箱，喷洒设置在吊顶以上，为了使用中的安全，一旦发生火灾，喷淋喷水后，有可能会使凹槽箱内积水后造成吊顶板荷载过大，造成固定件脱落，砸向观众厅造成新的灾难，所以每块浮雕板上预留了泄水孔，用于导流浮雕内的积水。

④玻璃反声罩
在音乐厅演奏台上部，GRC吊顶下方设计了巨大的椭圆龟背形玻璃反声罩(长约17m、宽约11m)，可有效地改善演奏人员的听闻效果，并将乐队演奏的声音向四周反射，解决了前后音质不一致的难题。

玻璃反声罩由88块超白10mm+PVB+gmm夹胶玻璃组成，玻璃的厚度与声学有关，其中60块为标准长方形尺寸约为1.6m>1m，其余28块为异形尺寸。其构造即是水平放置的点式玻璃幕墙主体钢架为三角空心钢梁(其内部穿灯具的电缆线)，钢架交叉位置下方焊接支撑杆，支撑杆端部固定球铰驳接爪，连接片玻璃单元上四角的沉式驳接头，各组单元之间由φ10的钢丝线对角线连接固定，保证了玻璃反声罩的整体刚度。另外玻璃反声罩下方吊挂了16盏舞台照明灯具和52盏普通照明灯具。玻璃反声罩整体是通过主吊顶钢结构上固定的卷扬机调节，由四根纤细的φ32钢绞线从GRC吊顶板缝问穿过与其主钢梁连接固定。

戏剧场：材质多重展示

①伸出式舞台

戏剧场舞台最大特点在升降乐池前设置了伸出式舞台当乐池升至伸出式舞台台面标高时表演区将前移使观众最大程度地听到演员清晰的自然声和观赏到演员细腻的表情，演员站在舞台前区，置身于热情观众的包围之中不仅拉近了与观众之间的距离而且有利于调动演员的表演热情，形成良好的观演气氛。

②活动耳光
由于舞台的前移戏剧场设置了双道耳光如果按常规的耳光室设计是开敞的，这样将吸收大量的自然声音质效果不理想。
为了使声能得到充分的利用改变前区音质差的缺陷，戏剧场将双道耳光做成活动翻板式。在不使用耳光的情况下，各层耳光的翻板可以关闭，且耳光靠观众厅一侧其装饰面采用与观众厅内墙装饰相同的丝绸布面与观众厅内部整体装修效果融为一体。

③MILS声学墙
    戏剧场根据观众厅演出剧目的功能、混响时间及空间体积关系，周围墙、面楼座、池座全部采用MILS声学墙面外装饰是紫暗红、橘黄、黄相间的竖条丝布，使人感到沉稳中的跳跃写实间又有延伸。展现出剧场的亲切、热烈而传统的气氛，凸出的部位里边填充密实的玻璃丝棉。

    ④吊顶
    戏剧场的吊顶为木条板，由两种厚度规格5mm、8mm随意排布组合，为了使声音在观众厅内得到更好的反射，增加了吊顶的厚度，在木条板背后增加一层15mm厚的木板及20mm厚的水泥砂浆加钢筋网，吊顶中区结合两道面光的布，置以凸弧面为基本元素进行设计，以便于声音的反射和扩散。

吊顶让反射声更有效均匀地覆盖观众厅。

龟背反声板（戏剧厅）

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