目前, 我国经济进入全面深化改革的关键阶段。随着人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分发展之间的矛盾日益突出, 中央及各级地方政府愈来愈重视公共文化基础设施建设, 文化建设、艺术审美将成为城市发展的重要方向。多馆合一的文化艺术中心也将成为城市公共文化基础设施建设的重要载体, 而文化艺术中心项目涵盖专业众多、建设标准高、内部空间复杂、建造难度大, 尤其在建筑声学质量方面要求非常高。本文针对某大型复杂文化艺术中心项目声学建造特点进行分析研究, 探索采用工程总承包管理思路, 通过数字建造技术应用, 最终使“多馆层叠”的场馆设计方案达到理想的声学效果。

某文化艺术中心项目采用PPP模式投资、建设、运营管理, 该项目总建筑面积212 279m², 由2个地上单体建筑和1个综合地下室组成。地上建筑分为艺术中心和文化中心2个单体建筑。其中艺术中心采用多馆合一的组团式设计方案, 包括1 500座的大剧院、800座的音乐厅、600座的多功能厅及配套影院等。各场馆对建筑声学要求极高, 其中, 大剧院的音质指标为:混响时间1.4～1.6s, 音乐明晰度C80>0dB, 强度指标>1dB, 背景噪声NR20。

大剧院和音乐厅的观众台分别采用经典的“马蹄形”“鞋盒形”建筑声学造型设计, 剧院、音乐厅的主厅墙体采用“双墙内夹吸声板材”, 装饰采用“大面积曲面造型GRC+实木皮”, 观众台采用结构静压箱送风设计, 剧院观众厅上方设置反声罩等。

该项目建设标准极高, 要求创“鲁班奖”及“住建部绿色建筑三星”, 项目管理难度大。作为地方重大艺术文化性公共设施和当地最高级别的艺术表演中心, 建成之后将提升该区域的文化形象和品位, 并成为新的城市地标性建筑。

文化艺术中心PPP项目具有体量大, 工期紧 (912日历天) , 专业众多、技术复杂, 各专业立体交叉, 深化协调、施工组织难度大, 建设相关方多、关系复杂的特点。SPV项目管理公司坚持以“计划管理为核心, 设计管理为龙头”, 以“新技术推广应用、科技研发为抓手”, 推动SPV项目工程总承包管理工作有效开展。

剧院工程对建筑声学技术要求非常高, 工程施工总承包单位必须高效组织协调SPV项目管理公司、设计院、声学深化设计单位、顾问团队、各专业分包单位、材料及设备供应商等参建单位开展工程建设。剧场类建筑声学建造是剧场建设成败的关键, 而工程总承包管理水平是声学建造的关键性影响因素。

项目全面推进BIM技术应用, 搭建以“BIM技术为核心”的智慧建造管理集成平台, 实现数字化、虚拟化建造技术的应用。钢结构、机电安装、幕墙、舞台机械、灯光、音响、声学装饰等主要专业分包单位应按总承包单位要求统一建立BIM模型, 及时接受相关指令。各参建方资源信息共享, 完成项目可视化表达和精细化管理。运用BIM对各专业分包商进行深化设计、工作界面、交叉作业、专业协调的管理, 从而实现对各分包商的进度、质量、技术、安全等全方位管控。

剧院、音乐厅的墙面装饰层均为异形曲面GRC板, 其模型分块和模块的制作难度很大, 且声学设计要求成型质量高, 传统的加工方法难以保证施工质量。运用三维扫描仪和三维设计软件 (revit、Rhino+GH) 构建三维设计模型, 进行数字化下单、数字化加工GRC曲面装饰板;利用三维扫描技术对模具或成型的GRC板进行扫描对比, 修补缺陷, 提高大型异形曲面GRC板结构安装精度和安装质量。

文化艺术中心内剧院、音乐厅建筑内部空间形式复杂、舞台工艺功能设备较多, 因此其建设复杂、投资占比大、对声学质量方面要求高。设计者依靠经验和理论计算预测厅堂建成后声学效果的设计方法已无法满足复杂的智能化、现代化厅堂声学设计要求。

本项目采用专业的剧院、音乐厅室内音质仿真模拟软件 (Odeon) 模拟观众厅的声学效果。通过仿真模拟参数设置, 模拟计算观众厅 (剧院、音乐厅、多功能厅、影院等) 的声场分布情况、混响时间、声压级分布、音乐明晰度等音质参数。根据检测计算数据, 协同SPV项目公司、设计院、声学深化设计、声学顾问、监理、声学检测等参建单位发现问题, 并及时采取有效措施解决存在的音质缺陷。

以本项目艺术中心的大剧院为例, Odeon软件模拟数据显示, 室内观众厅内观众席的声压级分布比较均匀 (见图1) 。其中, 对于音乐清晰度和语言清晰度, 观众坐席区的中前排清晰度较好, 后排两侧悬挑区域、池座靠墙区域有部分坐席的低频段声音清晰度较低, 但不影响观众区整体音质效果, 能够满足观赏要求。演奏及表演区域的弧形分区隔墙及各层坐席下的弧形分隔墙主要为坐席观赏区域提供20ms以内侧向早期反射声, 保证池座区整体音质声学参数较好, 观众观赏音感趋近于原声。

以“创新策划引领施工, 统筹管理提质增效”的计划管理思路, 将专业分包进度计划 (舞台机械、灯光、音响、钢结构、建筑声学等) 纳入项目总进度计划管理, 明确各专业分包考察、选择 (招标) 、进场、深化设计、材料设备选型加工、建造实施等各阶段的节点时间。总承包单位应根据施工总进度计划要求编制深化设计节点计划, 明确设计院出图时间、各专业分包完成二次深化设计的时间。

舞台工艺 (机械、音响、灯光等) 、建筑声学等专业为实现剧院、音乐厅建筑使用功能的核心内容, 也是建造成败的关键因素。此部分建设内容包含招投标、设计 (含深化设计) 、采购、安装、调试、验收、试运行、运营管理等阶段, 周期长、要求高、难度大, 为整个项目建设中的关键线路。与各专业穿插进行, 交叉工序多、协调任务重。由总工程师、生产副经理、机电副经理负责设计管理、组织协调等工作, 设置专职工程师加强对各专业工程之间的配合和协调力度, 负责剧场及音乐厅内部安装工程的进度、质量、安全及文明施工等全面管理工作。由工程总承包组织各专业分包商现场巡检并召开工程协调会。制定工程进度计划, 明确节点目标及相应配合任务, SPV公司及总承包商及时对施工进度情况进行比较, 总结各分包商工作, 制定下一阶段工作内容及目标。

对剧院、音乐厅内部的墙体、顶棚、地面、看台 (边缘) 、观众席、静压箱等涉及声学建造要求部位进行二次深化设计, 通过BIM建模、仿真音质模拟辅助技术对深化设计成果进行模拟复核, 确保设计内容符合声学装修要求, 在图纸上按照声学设计要求标注装饰层厚度、检测参数、材料吸声系数、构造层厚度等相关声学设计参数。对一些特殊节点构造进行深化设计时, 应确保该构造节点的稳固性和稳定性。舞台机械、追光设备、音响、下沉乐池等专业部位应按照审核后的设计图纸要求, 由专业分包单位配合总承包单位做好相关预留预埋工作, 保证预埋精度 (专业分包技术员复核) , 专业分包单位进场后做好交接工作。

将分包管理划分为准备、选择、控制、后评价4个阶段, 明确各阶段管理要求。在声学装饰工程中, 要求专业分包商具备深化设计和深加工能力, 同时要求分包商按设计图进行加工, 声学构造节点所需零配件必须符合设计要求的各项标准, 包括规格、型号、材质、形状等。加工误差不得超过声学装修和鲁班奖创建规定的误差;材料进场前严格执行验收及随机复检制度, 验收或检测不合格的材料不得进场;其中, 剧院及音乐厅的反声罩、复杂曲面GRC吊顶、锯齿状GRC整铸墙面为不规则构件, 施工应严格按照BIM三维模型精确制作弧形、曲面、锯齿状构件, GRC板材吊挂时应采用激光测量系统辅助测量机器人进行三维空间精准定位。剧院及音乐厅墙体施工时严禁开孔, 不得留置施工缝, 不得隐藏空隙。各类穿墙管线应按照声学设计要求做好隔声、减振措施, 避免出现固体传声, 影响空间音感效果。尤其要重视舞台工艺的深化设计和施工组织, 提前策划和进场, 严格按照设计图纸进行预留预埋工作, 严格执行复核制度, 确保各类埋件精度。

大剧院的建筑声学设计目标是达到完全采用自然声演出的条件, 声音亲切自然、明亮、有温馨感、无声学缺陷和噪声干扰。观众厅的声学体形设计在剧场及音乐厅的音质设计中最为关键, 观众厅的体形设计将决定早期反射声的强度、数量和方向, 也直接影响直达声的强弱。观众厅的声学设计思路是把声学设计融入建筑装饰装修中, 且不留声学设计痕迹, 解决所有声学要求, 创造完美的音感效果。

为达到声学设计目标, 丰富早期反射声, 根据剧院、音乐厅整体弧形结构特点, 观众厅采用经典“马蹄形”及大面积弧形结构, 观众席分区层叠布置, 形成多个不同标高的坐席区块, 使观众厅可获得丰富的空间效果和音质丰满度 (见图2) 。吊顶采用弧形GRC开孔反声板, 使顶部反射声合理均匀分布。在观众厅临近舞台边缘的顶部采用大面积GRC曲面反射板, 为中前区域提供早期反射声。采用室内声场模拟软件Odeon对观众厅进行音质模拟, 修复声学缺陷, 确保声学各项指标满足设计要求。

剧院、音乐厅对隔声要求高, 主要厅堂声闸的隔声量设计要求为65dB。在主要出入口 (或对隔声有特殊要求区域) 进行声闸设计时, 应将声闸设计与装饰装修设计融为一体, 确保在满足隔声要求的同时能够获得视觉效果的美观与统一。根据剧院、音乐厅的隔声要求, 设计隔声墙体采用200mm+100mm (空腔) +200mm双墙内夹玻璃丝绵吸声板构造, 按照声学设计要求严格控制墙体材料的容重、吸声系数、导热系数等。为提高剧院、音乐厅的隔声量, 在主要出入口设置双道声闸门, 在2道声闸门之间安装凹凸无规则穿孔铝板 (孔径5mm, 孔率>20%) 等吸声材料, 铝板背面铺贴无纺吸声布, 基层与骨架留置100mm空腔, 空腔内填塞纤维吸声棉, 构成声闸系统。

为防止观众厅出现回声干扰, 获得设计需要的音质混响时间, 结合剧院、音乐厅的建筑造型, 观众厅墙面可采用大面积双曲面造型的GRC开孔板, 表面贴实木皮的反射装饰结构, 后墙面布置部分吸声结构 (面层装饰为GRC开孔板) 。为使剧院、音乐厅获得良好的声扩散, 观众厅吊顶采用凸弧面GRC模铸板, 墙面结合装饰造型设置为凹凸锯齿状, 能够起到良好的声音扩散作用。在观众席分区的隔墙采用弧形凹凸栏板的声扩散结构。

采用三维数字化加工模铸GRC板材, 重点复核GRC板材三维设计模型, 对完成的模具采用三维扫描仪对比复核, 保证加工及安装精度;实木皮应注意外部施工环境, 确保黏贴质量, 避免脱落或空鼓。

噪声控制是大剧院、音乐厅场馆声学设计的重要部分。在外部环境噪声控制方面, 应分析建筑物周边环境, 在外部干扰较大的区域设置一些辅助用房, 阻隔外部噪声的传递;大剧院及舞台采用钢骨混凝土或多层吸声屋顶, 可有效防止上部屋面噪声传入 (如雨雪大风天气) 。大剧院、音乐厅的观众厅出入口处均设置多道声闸及隔声门, 以防止门厅、休息厅、走道的噪声传入。

剧院观众厅内的中央空调系统采用座椅下送风 (座椅柱脚) 、顶部回风方式, 有利于控制风速及噪声影响;阶梯观众席下部设置钢筋混凝土静压箱, 内贴吸声材料, 可有效控制空调系统的噪声传递。

大剧院、音乐厅中观众席座椅是厅堂中最大的吸声体, 声学设计要求座椅吸声量适中且符合要求。其中, 观众席是否坐人与吸声量变化关系不大, 因此对座椅的选用更为重要。设计要求座椅软面材质厚度适中, 吸声量应满足设计要求。大剧院及音乐厅观众席座椅采用专业厂家定制座椅, 为保证座椅吸声系数满足声学设计要求, 在座椅批量生产时应先制作试验座椅, 在第三方声学实验室进行吸声量检测试验, 根据检测结果判定座椅吸声量是否符合声学设计要求。

为防止设备振动、人员活动等噪声对外部的影响, 剧院、音乐厅中与观众厅相邻的设备用房、辅助用房、办公用房应进行噪声控制分析, 设备用房或噪声较大的活动用房应整体设计为浮筑楼面, 并对设备进行减振、隔振技术处理, 达到声学设计要求。浮筑楼板声学设计可采用JF型橡胶减振隔声垫 (天然合成橡胶) , 间隙填充玻璃棉, 设置防水防潮层 (聚氨酯或水泥基渗透结晶) 。浮筑楼板施工前, 应审核风机安装区域楼板承载能力。

该艺术中心项目功能复杂, 建筑造型独特, 建造难度大。项目从SPV工程总承包管理思路出发, 组织策划PPP模式下大型复杂文化艺术场馆工程的建筑声学技术管理, 探索一套成熟剧场类工程建筑声学的管理思路和建筑声学控制技术, 实现理想的声学效果。