特殊空間對建筑聲學的影響—以新海港為例

羅鎧，楊金然

（1.悉地國際設計顧問有限公司，北京 100013；2.北京清源智瑞科技有限公司，北京 100013）

1 項目概況

“十三五”期間，我國海南省以國際旅游島建設為總抓手，圍繞生態立省、經濟特區、國際旅游島建設大局，努力推動海南國際旅游島建設和經濟社會發展再上一個新臺階，打造“21世紀海上絲綢之路”空港、海港貿易物流樞紐，實現優進優出。

海南省?？谑行潞８蹪L裝碼頭客運綜合樞紐站工程是新海港區的重要組成部分。工程建筑設計的主要挑戰在于：超大的設計容量、獨特的建筑類型、全新的城市形象。構型意向取自舒展的鰩魚，修長的鯨魚，曲線勾勒的形體，富有動感，充滿活力。屋頂中脊和檐口兩條曲線在陸側延展，建筑底部架空，供進車輛通行—查驗—等候使用。屋面具有600m長的沿海展開面，對于海上乘船旅客將展示出張開雙臂迎候的形式，成為海口放眼世界的新大門（見圖 1）。

2 項目的聲學問題分析

2.1 樞紐站音質特殊性分析

2.1.1 問題分析

圖1 項目鳥瞰圖

海口新海滾裝碼頭客運樞紐站建筑面積約9.2萬m2，總容積約73.6萬m3，其中F2與F3兩層為音質敏感區域。主要音質設計區域為F2主走廊（見圖2）、F2安檢區（見圖3）、F2候船區（見圖4）、F3景觀區（見圖5）、F3通關區（見圖6）這五個區域。音質重點區域不可出現混響時間長、噪聲高、回聲和顫動回聲等聲缺陷。

上述幾個音質敏感區域均為開放式空間，各空間之間相互耦合，相互影響，且體積巨大，對音質設計提出了更高的要求和挑戰。為了提高樞紐站的音質，降低站內的噪聲，降低廣播系統設計的難度，需降低樞紐站的混響時間，提高站內的語言清晰度。

圖2 F2主走廊位置示意圖

圖3 F2安檢區位置示意

圖4 F2候船區位置示意

圖5 F3景觀區位置示意

圖6 F3通關區位置示意圖

2.1.2 設計目標設定

目前國家尚無標準對交通樞紐站的混響時間提出要求，且樞紐站屬于超大型空間，混響時間必然偏長，無法提出“最佳混響時間標準”。因此，樞紐站音質的設計應以語言清晰度（STI）為標準。STI指數≥0.5，可保證人員順利溝通，廣播系統順利工作，提升旅客的出行體驗。

2.2 解決方案

混響時間與室內吸聲存在數學關系，即塞賓公式：

式中：

T—混響時間；

V—房間體積；

S—房間墻面的總表面積；

由塞賓公式可看出，房間體積越大，混響時間越長；平均吸聲系數越大，混響時間越短。體積巨大的空間如果不進行吸聲處理，混響時間就會加長，造成語言清晰度下降。因此，樞紐站內需安裝吸聲材料，吸聲材料的面積及材料的吸聲系數要滿足空間要求。

由于樞紐站的內部空間較大，且內部空間十分復雜，只有天花位置具備安裝聲學材料的可能性，因此需在天花位置安裝強吸聲材料。為了保證外觀裝飾效果，材料需選用無機物硬質質感材料。

音質重點區域的天花分為兩類，一類為樞紐站頂面，一類為二層與三層之間的分層樓板。

2.2.1 樞紐站頂面天花吸聲設計

樞紐站的外觀設計方案中，樞紐站頂面外表面為木紋鋁條板，縫隙率30%，木紋鋁條板是非吸聲材料，但由于木紋鋁條板縫隙率較大，因此可在木紋鋁條板上方安裝吸聲材料，綜合考慮后，決定使用生態砂吸音板作為頂面吸聲材料。

生態砂吸音板是一種新型的吸聲材料，原料選用天然砂，利用特殊工藝，將一種無機硅溶劑，均勻且極薄的施涂于全部砂粒表面，使砂礫外層之間產生一種熔融再固化反應，砂粒就像被焊接一樣聚合在一起。因為每顆砂粒的微觀形狀是不規則且獨一無二的，聚合積壓在一起時，砂粒之間天然形成了大量的、不規則的、相互連通的微小孔隙。當聲波入射到表面時，聲波會透入吸聲板內部，在細孔中傳播，由于空氣振動產生的黏滯性和摩擦阻力作用，使得聲能逐漸轉化為熱量而消耗，由此產生吸聲作用。生態砂吸音板吸聲的高中低頻特性與砂粒間細孔的大小、數量、構造等形式密切相關，通過對這些細孔的調控，就實現了吸聲頻率特性可調節的功能。該工程選用的生態砂吸音板的吸聲特性為中高頻吸聲系數相對高，低頻、高頻吸聲系數相對低，整體NRC=0.75，契合樞紐站的噪聲特性。

2.2.2 分層樓板天花吸聲設計

二層與三層之間的分層樓板天花外觀設計方案中，外觀要求全部使用三角形板材，燈具也使用三角形板材包裹，燈具占到整體天花面積的25%。根據外觀設計，吊頂材料需使用金屬材料，燈具外材料使用薄膜透光材料。

吊頂材料選用說明：金屬類吸聲材料主要為穿孔金屬板，綜合考慮成本、耐久性、外觀、吸聲系數后，決定使用穿孔鋁板，穿孔鋁板的安裝方式為：穿孔鋁板厚度3mm，孔徑3mm，穿孔率15%～20%，板后安裝50mm厚離心玻璃棉外包玻璃絲布。

燈具外材料選用說明：燈具占用的面積為整體天花面積的25%，若燈具外材料使用不吸聲的普通塑料薄膜或織物薄膜，將會降低天花整體的平均吸聲系數，因此燈具外材料必須使用吸聲系數較高的材料。

薄膜類材料由于材料厚度的限制，NRC的實驗室測量值通常小于0.1，為此必須選用突破常規材料特性的“超材料”，現在的吸聲薄膜中吸聲系數最高的材料為聲子晶體微孔吸聲膜。吸聲膜厚度0.2mm，孔徑0.05mm，防火等級B1級。

局域共振型聲子晶體的概念最早于2000年由劉正猷等在Science上提出，他們使用硅橡膠包裹鉛球按照簡單立方晶格排列在環氧樹脂基體中，進行了相應的實驗。理論和實驗都證實這一單元特征長度為2cm的結構具有低于400Hz的低頻帶隙，比同樣尺寸的Bragg散射型聲子晶體的第一帶隙頻率降低了兩個數量級。近十年，由于其優越的低頻特性吸引了眾多學者的分析和研究，大量文獻對局域共振機理和傳輸特性進行了分析和研究。研究表明，在局域共振結構中，由于中間很軟的包覆層的存在，當將較硬的芯球連接在基體上時，組成了具有低頻的共振單元。當基體中傳播的彈性波的頻率接近共振單元的共振頻率時，共振結構單元將與彈性波發生強烈的耦合作用，使其不能繼續向前傳播，從而導致了帶隙的產生。

局域共振聲子晶體結構的主要特點是：

（1）帶隙頻率遠低于相同晶格尺寸的布拉格（Bragg）帶隙，實現了“小尺寸控制大波長”。

（2）帶結構中存在平直帶，內部波場存在局域化共振現象。

（3）帶隙由單個散射體的局域共振特性決定，與其排列方式無關。

（4）帶隙寬度隨填充率的增加而單調增加[1]。利用聲子晶體的原理，可實現“小尺寸控制大波長”。聲子晶體微孔吸聲膜可在高頻有較高的吸聲系數α（見下表）。微孔吸聲膜構造為雙層，夾層空腔50mm，與樓板之間的空腔200mm。

聲子晶體微孔吸聲膜吸聲系數

2.3 計算機模擬驗證

該樞紐站屬于超大空間建筑，且造型奇特，各區域之間相互耦合，無法使用塞賓公式進行混響時間計算，因此需進行仿真模擬，以驗證方案合理性。

采用幾何聲學軟件RAYNOISE對上文中的聲學材料設計進行仿真模擬，由于樞紐站為超大型空間，對于超大型空間而言，不存在所謂的“最佳混響時間”。對于樞紐站而言，語言清晰度（STI）是比混響時間更重要的參數，語言清晰度（STI）大于0.5時可認為聲學設計較為成功，室內音質較好，可保證樞紐站內人員交談，進而降低人員交談的聲音，降低樞紐站內部的噪聲，廣播系統可較為有效的傳遞信息。

語言清晰度（STI）模擬結果見圖7。

圖7 語言清晰度（STI）模擬結果

模擬結果分析：RAYNOISE的STI模擬分析方法為，在圖7中箭頭標注的位置設置一個點聲源，點聲源發聲，通過計算聲波的鏡面反射、擴散反射、墻面和空氣吸收、衍射和透射等得到語言清晰度（STI），由圖7可知，絕大多數位置STI均大于0.5，這表明樞紐站的語言清晰度較好。部分位置STI數值接近0.1的原因是此類位置為封閉空間，不與樞紐站大空間連接，故此位置沒有收到預設點聲源噪聲信號，STI數值較低，此類位置不在音質設計范圍之內。

2.4 樞紐站交通噪聲分析

由于樞紐站的下方為貨車密集的運輸公路，因此交通噪聲是該項目最為重要的噪聲源。樞紐站的客流入口處為電動扶梯，扶梯下方為公路及停車場，扶梯上方為二層候船區，噪聲將直接通過扶梯傳至候船區，對候船區產生嚴重的噪聲影響。

此噪聲如不治理，將會產生“雞尾酒會效應”：候船區乘客受到噪聲影響，無法正常談話溝通，因此需更大聲的交談，使得談話的聲壓級高于交通噪聲6～10dB，這樣才能使交談聲音大到對交通噪聲產生掩蔽（masking）效應，如此方可達到足夠的語言清晰度，理解相互之間的交談內容。這就導致了候船區人流噪聲進一步增加，進而影響候船區廣播系統的正常工作，廣播系統需使用更大功率的揚聲器進行廣播播報，進而導致廣播系統的噪聲需高于交通噪聲12～20dB，嚴重影響乘客的出行體驗。

降噪的最有效方法為隔聲，即使用隔聲材料將噪聲敏感點與噪聲源隔絕開。但由于入口處為開放空間，因此無法使用隔聲的方法進行降噪處理，綜合考慮，入口處可使用聲繞射的原理進行降噪處理。降噪處理的方法為將電梯使用夾膠玻璃、吸隔聲復合構造進行隔聲維護，頂部位置使用吸聲材料。

降噪效果計算：

此構造的主要降噪原理是聲繞射，聲繞射的降噪量計算如下所示：

式中：

N—菲涅耳數；

λ—為聲波波長，m；

d—為聲源與受聲點間的直線距離，m；

A—為聲源與聲障頂端的距離，m；

B—為受聲點與聲屏障頂端的距離，m。

取距離電梯入口處東南、西北各100m處為噪聲源（此位置為貨車通過的典型位置），進行聲線分析，安裝隔聲構造前后的聲線對比見圖8。

圖8 安裝隔聲維護構造前后聲線對比圖

以500Hz為例，500Hz噪聲波長0.68m，帶入公式中可得：ΔL=23.68dB。通過此計算方法，可得到各頻段降噪量，平均降噪量為25.2dB，降噪效果顯著。

3 民用建筑提高聲學舒適度的必要性分析

隨著我國經濟發展與人民生活水平的提高，對建筑的聲學舒適度要求越來越高，良好的聲學環境越來越受到建筑師及建筑使用者的重視。建筑聲學的設計主要是降噪控制和音質設計。

3.1 降噪控制的必要性分析

噪聲的危害主要有：1）對睡眠、休息的干擾。噪聲會影響人的睡眠質量，強烈的噪聲甚至使人無法入睡或使人多夢，尤其老年人和病人對噪聲的干擾更為敏感。2）對心理的影響。噪聲引起的心理影響主要是使人煩惱、易怒，甚至失去理智；噪聲也容易使人疲勞，影響精力集中和工作效率，尤其是對一些做非重復性工作的勞動者，影響更為明顯。噪聲的掩蔽效應，往往掩蓋一些危險信號的聲響示警，故吵鬧的施工區域或生產場所易出現工傷事故。3）噪聲對胎兒和兒童的影響。研究表明，噪聲會使母親產生緊張反應，以致影響供給胎兒發育所必需的養料和氧氣。4）噪聲對女性的健康影響等[3]。

對于民用建筑的噪聲控制，住房和城鄉建設部與國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布了《民用建筑隔聲設計規范》（GB 50118—2010），對住宅建筑、學校建筑、醫院建筑、旅館建筑、辦公建筑、商業建筑均規定了相應的噪聲級標準、隔聲標準、隔聲減噪設計要求[4]。國家衛生和計劃生育委員會也發布了《工業企業職工聽力保護規范》，提出了聽力保護的相關的規范[5]。但聲學專業長期以來沒有得到足夠的重視，聲學是一門專業性很強的交叉學科，涉及建筑、機電、裝飾等多專業的協調配合，若在項目設計階段未考慮聲學部分，待項目建設完成才發現聲學問題而進行補救，治理的費用及難度就會大很多，這導致很多建筑的噪聲超標，嚴重影響建筑的整體品質。

3.2 音質設計的必要性分析

室內音質對于對音質有特殊要求的房間（如觀演建筑、會議室、多功能廳、交通樞紐等）有重要的意義。室內音質較差，可導致室內產生語言清晰度降低、回聲、顫動回聲、聲染色、聲聚焦、駐波等嚴重的聲學問題，嚴重影響廳堂的品質。

4 結語

交通樞紐站暫時尚未有建筑聲學相關的國家標準。交通樞紐站的聲學設計涉及混響時間控制、語言清晰度控制、噪聲控制等多方面。?？跐L裝客運站屬于超大型、不規則空間，部分常用聲學設計方法不適用于此類空間。由于超大型空間混響時間必定較長，因此需使用在滿足外觀設計前提下，NRC系數最高，吸聲曲線最適當的材料。交通樞紐站是開放空間，交通噪聲控制的難度會更大，因此需在此條件下使用最適當的降噪措施。