2008北京奥运老山自行车场馆建筑声学设计

王 鹏  燕 翔 徐学军

（清华大学建筑学院建筑物理实验室）

摘要：2008北京奥运老山自行车馆属于超大型单项运动体育馆,为了保证奥运赛时和赛后训练使用中具有良好的室内声环境，由清华大学建筑物理实验室专项进行了建筑声学设计。建筑声学设计主要目标是保证馆内良好的语言清晰度、防止音质缺陷和控制室内噪声。通过金属屋盖穿孔板吸声、中央采光玻璃框架吸声、侧墙吸声等声学处理，以及屋盖隔声等减噪手段，达到了单项体育馆的声学要求。声学验收测试和奥运比赛使用表明，老山自行车馆的声学效果是令人满意的。设计中采用了计算机声学模拟辅助的方法。

关键词：  体育馆声学设计 混响时间 计算机声学模拟

1．概况

老山自行车馆位于国家体育总局自行车击剑运动管理中心基地的西侧，占地面积3万多平方米，场馆内能容纳6000名观众，其中3000个座位是永久席位，另外3000个座位是专门为奥运会设置的临时坐席。馆内容积约23.5万立米，内表面面积约3.1万平米。该馆是我国唯一的木制赛道自行车室内赛场。2008北京奥运会所有场地自行车比赛均在这座新建场馆内举行，赛后还将成为国家队的日常训练基地和国际自行车联盟的亚洲培训基地。

老山自行车馆建筑造型设计表现出自行车比赛极速运动的特征：主体屋盖造型如一个巨大飞速运转的自行车封闭轮。而整体建筑造型亦非常赋予科幻，俯视之，人们立即会联想到一把开启未来之门的金钥匙。

2．建筑声学设计目标

作为自行车比赛的场馆，馆内要求有足够大的体积容纳赛道，因此，钢屋盖跨度达150米，中心点高33米，形成的场内容积约23.5万立米，基本可容纳三个容积8万立米的大型篮球馆。如此庞大容积的体育馆，控制室内混响时间，满足扩声系统所要求的语言清晰度，同时防止出现回声、啸叫等声缺陷是建筑声学设计的第一要务。

另外，由于老山自行车馆临近五环快速路，101专用铁路线从基地内穿过，东侧还有三座住宅楼紧邻，因此不论是为了保证比赛不受外部噪声干扰还是为了保证附近居民不受比赛噪音的干扰，场馆的建筑隔声构造均十分重要。

图1  场馆平面图

图2 场馆剖面图

依据中华人民共和国行业标准《体育馆声学设计及测量规程》（JGJ/T131-2000和 JGJ31-2003）对专项比赛场馆的声学设计要求及“实用、节约”的设计理念，确定声学设计目标为：

（1）赛时6000座，满场混响时间指标，中频（500Hz）混响时间<2.3秒。

（2）赛后去除3000座临时座椅后满场混响时间指标，中频（500Hz）混响时间<2.5秒。

（3）室内背景噪声控制指标为NR-45。

（4）声场不均匀度"?span lang=EN-US>P<6dB，语言传输指数RASTI>0.4。

以上声学控制指标，可以满足自行车馆使用的基本要求，能够保证场馆内电声广播解说、报分清晰干净。混响时间设计重点是控制中频小于2.5秒，频率特性保持平直，尤其低频混响时间不能过长。

本次设计利用计算机软件对大体积空间进行声学模拟设计，模拟吸声材料布置后场馆内的混响时间、观众席声场不均匀度、以及在使用扩声系统时的语言清晰度指标RASTI。通过模拟，预先发现可能存在的声学问题，在建筑设计阶段和内装饰设计阶段进行有效的解决，达到该馆声学使用要求。

3 体型问题

建筑体型关系到室内反射声的时间与空间传播特性。根据哈斯效应，如果强的反射声与直达声声程差超过17m，人们就会听到回声。对于自行车馆的体型，主要决定于赛道设置和观众视线两方面，还与体育馆的建筑艺术构思，照明、通风、观众的疏散密切相关。 该馆的体型非常庞大，对室内场内会产生较大不利影响，问题主要反映在如下几个方面：

（1）顶棚高，容积大，平均自由程长超过27.6米，不但有容易形成回声，而且也不利于降低混响时间。

（2）正圆球冠型屋面、正圆体型的室内空间，容易形成声聚焦。

（3）馆内墙面和顶棚中央是直径达50多米的的圆形玻璃屋盖，为了保证其采光通透性，吸声材料的布置受到了极大的局限性，增大了赛场中央区域控制回声、声聚焦等声学缺陷的难度。

建筑设计师设计的正圆型的球冠造型为突出自行车比赛极速的运动特征，原有设计方案中心点高度超过34米，容积超过24万立方米。计算机声学模拟分析认为，屋顶中心点高度最高不可超过33米，容积不大于23.5万立米，能够经济合理地保证较好的声学效果，此声学要求最终得到建筑设计和业主方认可。

4场馆内音质设计

4.1顶棚声学处理

顶棚为球冠形，中间区为50.8米直径的玻璃采光天窗，其余部分为金属穿孔板吸声顶棚。整个吸声屋盖面积约11600平米，占整个室内总表面积的三分之一。金属穿孔板吸声天花部分的构造由上至下为：金属屋面板、50mm厚岩棉（容重80kg/ m3）外包1mm厚塑料防水薄膜、9mm低密度水泥纤维板（缝隙密封处理，刷沥青或防水阻尼浆一道）、180mm空腔内填厚100mm岩棉（容重80kg/ m3，外包玻璃丝布）、金属穿孔底板（穿孔率≥25%）。

此构造既具有吸声性能，又具有隔声性能，同时能够防止落雨产生的雨鼓噪声。屋盖公司按此构造制做的屋盖声学指标为：125Hz吸声系数应不小于0.75，空气声计权隔声量Rw≥46dB，玻璃空气声计权隔声量Rw≥37dB。中雨（0.5~1mm/min）雨噪声指标Lpn,w≤42dB。根据国家大剧院屋轻型屋盖板在清华大学声学实验室雨噪声测试的数据（与本屋盖结构较接近，只是，在9厚水泥纤维板在国家大剧院屋盖中是一层2mm厚的钢板），该设计的屋盖结构在1mm/min强度（北京地区大雨）下，内部噪声在40dB左右。

采光天窗部分玻璃为钢化夹胶中空玻璃，部分玻璃可开启用于排烟。屋顶中间区域玻璃距离地面约32m，反射声延迟超过0.2s，如果不进行吸声处理，肯定要出现颤动回声，为防止玻璃部分和地面形成颤动回声并遮阳，计划在玻璃下方安装电动吸声遮阳帘。声学要求为：遮阳帘平均吸声系数应不小于0.60，低频125Hz吸声系数宜不小于0.2。后因成本等因素考虑，取消电动遮阳帘设计，为了保证声学效果，将每块玻璃四周的金属框架设计成穿孔铝板吸声包覆，经实验室吸声测试，折合到玻璃面积上的吸声系数为0.4，达到了声学最低要求。

图3吸声屋盖板构造

4.2 墙面声学处理

墙面为弧型，南北两侧墙面有采光窗。墙面除玻璃、入口门等以外，均采用既有装饰效果又有低频吸声效果的木槽吸声板，构造为：木龙骨（防火处理）200mm厚空腔，内填两层厚50mm岩棉（容重80kg/ m3）外包玻璃丝布，一层紧贴结构墙面，主要作用为内保温，兼有吸声作用，另外一层紧贴面板，目的主要是吸声。面板为20mm厚木槽吸声板。

采光窗部分的遮阳帘幕与玻璃之间留空气层200mm，加强低频吸声作用。声学要求为：帘幕和木槽吸声板构造低频125Hz吸声系数应不小于0.4。

图4 侧墙吸声构造

4.3 观众席座椅区

奥运比赛处于夏季，人们着装较薄，观众吸声较小。

为提高观众席区域的吸声，选用了塑料空腹座椅，座椅底面还具有穿孔。

由于馆内体积很大，对于高频声来讲，传播过程中的空气吸收已经非常显著，而且所采用的吸声材料多以高频吸收为主。而对于低频混响时间控制来讲，由于反射声自由程过长，传播过程空气吸收很小，需要在反射界面处尽可能多地吸收低频声音。因此，采用各种有效的空腔构造加强低频吸声是本次声学设计的关键点之一。

赛时临时座椅区域下部有很大的空腔，形成低频共振空腔，对吸收低频有利。由于空腔体积很大，为轻型支撑结构，低频吸声系数很难准确预测，估计在0.1-0.3左右。在计算机模拟中 ,我们采用的吸声系数为0.1，偏于保守，目的是确保低频混响指标达到规范要求。

4.4 马道吸声

计算机声学模拟显示，仅有顶面和侧墙吸声不能保证满足室内混响指标的要求。室内吸声还可利用的位置之一是马道。因此，在马道底部设计了悬挂空间吸声体。吸声体设计为：单体吸声板为宽1000mm、高400mm、厚100mm的玻璃棉板（容重48kg/m3），加工固化成型，外包透声无纺布，直接挂装在马道底部。挂装时，吸声板板垂直于马道走向放置，沿马道走向的间距为400mm。

考虑到悬挂吸声体后马道在网架中会显得过于突出，影响整体视觉美观，另外，为了节约成本，从工程角度考虑（安装吸声体的施工很方便），计划在其它声学处理安装完成后，进行声学测试，若能够满足使用要求的情况下，尽量不安装吸声体。

4.5 金属屋面与墙面结合部的吸声处理

金属屋面与墙面结合部的采用100mm岩棉板（容重80kg/m3）做吸声处理。视线不可见处，岩棉板外包玻璃布直接挂装的桁架侧杆上。视线可见处，除岩棉板外包玻璃布外，加装一层金属穿孔板（穿孔率≥25%）后再挂装至桁架侧杆上。

由于自行车馆与其他体育比赛场馆不同，飞碟形状的体型，巨大挑檐与室内的空间形成一个整体，对屋面板与墙面结合部分做强吸声处理，防止声音经过该部位反射回观众席，产生不良听闻。

4.6 机房屋顶的吸声处理

东侧机房屋顶（约22.460标高处）为轻钢结构，该表面和边缘屋顶形成交角，是低频吸声的理想位置，宜进行低频吸声处理。处理方法为：在屋顶满铺100mm厚的岩棉（容重100kg/ m3，外包玻璃丝布）。西侧机房顶部平台（约18.460标高处）作为预留的吸声体布置区域，计划根据现场实测情况采取必要的声学处理措施。

4.7其他

自行车比赛赛道为木制地板，具有一定低频吸声效果，本设计中赛道的低频吸声系数（低频125Hz）取值为0.15。奥运比赛期间，上座率较高，观众吸声多。赛后，将约有一半座椅被拆除，上座率也会降低，观众吸声小，混响时间会增大。另外，由于临时座椅拆除后，馆内体积将增加约1.7万m3，混响时间还会再增加。因此赛后拆除座椅而裸露的新墙面部分需要采用吸声板处理，增加吸声量。

5．计算机模拟分析

设计中使用比利时LMS声学设计公司开发的声学模拟软件RAYNOISE（它是世界上公认模拟结果最可靠的建筑声学模拟软件之一），对馆内声环境进行模拟，能够较准确地预测声传播的物理行为。模拟结果还能够直观地表现声学设计结果有无声学缺陷。

体型分析中，建模设定声源位置、声功率等条件参数后，模拟结果显示出多次反射声的路径，以及顶棚和侧墙的具体反射部位，通过调整设计，保证坐席区域达到良好的声场环境，并由此辅助确定了场馆的体型。

图5 计算机模拟声反射路径

对于室内清晰度的预估，利用计算机模拟，建立与施工图纸精确度基本相同的三维立体模型，在软件中输入各界面相应的声学参数，指定声源位置，通过计算机阵列服务器运算，准确的仿真出混响时间、声场分布以及RASTI等音质参数，及时发现声场缺陷，调整设计方案，保证观众席声学效果。

图6 观众席座椅区域声压级分布

（图中蝴蝶状黑线条是马道吸声）

模拟显示通过合理的声学设计调整，基本解决了声场不均匀问题，观众厅主要区域声场分布不均匀度在5dB以内，无声场缺陷，满足声学设计一级标准（6dB以内）。

图7观众席混响时间RT30分布图

混响时间越短声音的清晰度越高，在本设计中，根据国家规范，赛时满场混响时间指标2.5秒以下(中频500Hz)。计算机模拟显示确定为场馆内坐席90％以上的区域混响时间小于2.5秒，达到设计指标要求。      

图8 观众席快速语言传输指数RASTI分布

快速语音传输指数（RASTI）是一个客观可懂度评价指标，是扩声系统重要的基础参数，可根据GB/T14476-93《客观评价厅堂语言可懂度及RASTI法》进行确定，利用语言传递系统的相关物理参数,估计其的接收者能够听懂的程度。通俗地讲，发声者发出100个独立的单字，RASTI=1表明听者100%听懂，RASTI=0.5代表50%听懂，RASTI=0代表完全无法听懂。

RASTI指数不必达到1也能完全听懂讲话，这是因为上下文之间的联系，可帮助我们理解全句含义。就体育馆室内而言，RASTI应保证在0.4以上，以满足现场广播的要求提出的设计指标。

计算机模拟显示，观众95%以上的区域RASTI达到0.45以上。

6．噪声控制

老山馆是自行车专项运动馆，除重大比赛外，平时作为专业自行车训练馆。考虑到老山自行车馆的专业特点，并尽量节约建造成本，以实用为主要设计原则，故该馆的噪声控制指标确定为NR45，相当于≤50dB(A)。

馆内噪声主要来源为：1）馆外近邻的五环快速路和未来将建成的101专用铁路线。2）馆内暖通系统的噪声，包括风冷机组、出风口等噪声。3）自行车比赛或训练时的车轮摩擦赛道噪声。

因为自行车赛道距离观众比较近，比赛或训练时所发出的噪声在观众席可达60dB(A)（约相当为NR55水平）。在馆内，解说、报分等广播的电声设计都将是以这一背景噪声为基础的，扩声的声压级较大，因此馆内除比赛运动产生以外的噪声指标控制在NR45应是能够满足使用要求的。

该馆的侧墙有较大面积的玻璃幕，顶棚为轻型结构屋顶，会有一些附近交通干线的噪声传入，通过屋盖增加隔声层后，整体围护结构的实际隔声量可达30-35dB左右，传入室内的噪声将低于45dB（A），不会对比赛的产生干扰。出于造价考虑，过多地增大围护结构的隔声量是不经济的。噪声控制设计中，考虑了选用噪声指标符合要求的暖通、空调等设备，并合理控制风管、风口噪声。

馆内侧墙上设计了98个分布风口，根据噪声指标的要求，设计出口风速8-10米/秒，并选用旋流风口降低风口噪声。设计每个风口噪声值为50dB(A)，计算观众席（最后一排距离风口近处）的噪声约46dB(A)。

热交换空调机房，位于临时坐席下方，将会是馆内噪声和振动的主要来源之一。因此必须做好隔声、减振处理。1）选用噪声指标低于70dB(A)的通风机组。2）采用双层隔声门，门和门之间做强吸声（顶部、墙面），每个隔声门隔声量要求Rw不小于40dB。3）隔墙采用砌块砖重隔墙，面密度要求不小于250kg/m2。4）机房顶棚应采用两道隔声吊顶，每道双层10厚埃特板，每道吊顶内填吸声玻璃棉。5）机房内进行强吸声处理，采用100厚玻璃棉满铺墙面和天花，外包玻璃丝布，并绷钢板网。6）通风机组采用基础减振、风口消声处理及穿墙管道的软连接处理。

7．验收测试

施工基本完成后，现场空场听闻主观感觉为，混响时间尚可，听闻比较清晰，无影响音质的声学缺陷。室内感觉比较安静。

2007年的11月16日，清华大学建筑环境检测中心对未安装3000临时座椅的体育馆进行了验收测试。测试时，马道吸声体、侧墙窗帘并未安装，将通过测试结果判断可否就此取消，以节约成本。实测得空场混响时间500Hz为3.11 s，按6000人入场推算，满场混响时间为2.47s，达到规范要求。

表1 实测空场混响时间及满场推算值，单位s

（室内容积24.5万立米，座位数6000座）