体育馆声学设计的建筑因素--屋盖结构的声学特性

liyao_vip

作者曹孝振
摘
要：
常见的体育馆有三种屋盖结构模式：上凸、下凹和水平的。分别论述了这三种模式的声特点。
关键词：
屋盖结构模式

1
空间模式
1.1
1.1 看台、比赛场地和高度组成体育馆的空间1.1.1
看台布局是以视觉质量为依据：

大型体育馆的座位往往是沿着周边布置的，场地长边两侧的座位是主要的，也有加挑台的。中、小型的也有像大型的那样是周边式的，多数是沿着场地长边布置，或者是一侧为主，另一侧为辅，也有加挑台的。兼顾文艺演出的，则以不对称布置为佳，观众厅的布置方式，有效形状为矩形，最佳形状近于椭圆形。中型体育馆的视距（最后排端部的座位到比赛场地最远的一角），一般在50m以内，大型体育馆则在60m以外，所以，大约有50%~80%的座位的明视性是低于中型馆。

看台高度随规模大小、布置方式而不同，但是大、中、小的平面布置和看台高度模式变化不大。
一般球类馆的高度：大型馆（8000座以上）平均为16.4m，中型馆（5000~6000左右）为11.5m，小型馆（4000座以下）为11m以下。看台最后座位上空的高度一般为3m。所以看台的高度是一个常数。
1.1.2比赛场地的面积有具体规定（不小于22×44m），是一个常数。
比赛场地上面的高度也是一个常数，中、小型馆是按排球要求取12.5~13m，网球则取15m，大型馆可取15m。

所以体育馆的空间随着规模大小而变化，并日趋定型化。
1.2
看台升起像山坡，倾斜的看台具有很强的向心性和运动感，但是还需要顶棚界面的呼应，才能因视觉空间的“连续”而产生动感。场地好像一片谷地，大片面积的比赛场地，由于它明亮、光滑，像一池春水，起着视觉导向的作用，强调出馆内的视觉环境中心。因此，在其上的顶棚也就成为馆内的兴趣中心。所以体育馆内的顶棚界面的处理，在馆内空间的构图中起着主导作用。屋盖结构的选型和顶棚的处理方式对内部空间的形态和大小的作用是一个关键。
近年来，体育馆的屋盖结构，除了已广泛使用的空间网架外，其它新型结构如悬索、壳体、网壳等结构也被重视起来。利用屋盖结构的特殊形态与内外环境取得协调，表现为多层次的文化形象，在变化中取得和谐的整体效果。这类屋盖结构通常不作吊顶，暴露结构。由于结构构件简洁和谐，轻灵剔透，减轻了高空间的压抑感，又显示了科技美。因此体育馆的屋盖形式会出现上凸、水平和下凹的三种基本模式。

2
屋盖模式的声学特性根据功能、技术条件利用屋盖、地面和墙面等界面，界定出与人有关联的空间；无论是上凸、水平和下凹的三种基本模式，仅仅是一个初步的、粗糙的雏形空间，但该空间离功能要求、行为特点尚有很大的距离，还需要对此雏形空间进行加工、提练，成为与人的生理、心理、审美有着密切联系的馆内空间环境。因此要求利用空间的体态、界面的形状、构件的特点、材料的质感以及总的组合和色彩、机理效果，在馆内空间环境设计中体现出立意和气氛。并且屋盖结构的模式则是直接决定馆内声场特点，影响将来的听闻。

2.1
上凸形奈尔维（1891-1978）所设计的罗马小体育馆（1956-1957），是一个直径为60m的圆形平面，屋盖体系是由1620个壁厚为25mm的菱形槽板拼装起来的，在板缝中布筋现浇成肋形而成为波形拱（图1）。整个穹顶像一个反扣过来的荷叶，轻盈灵巧。并用暴露在外的36根Y形斜撑直接支撑在地环上。该建筑无论从外或从内，其力的传递脉络清晰，又不感到在卖弄技术，充分体现简约、对称、和谐的科学美，确具自在美的内涵，所以充分表现了“力量”，显示出体育建筑的特征。该馆由一条条精致的肋所组成的馆内的围合结构，构成了迷人的图案。而Y形斜撑的支撑拱支点很小，并且正好连接着三块菱形槽板，使交织成网的肋都顺势汇合到Y形的斜撑上，并流向地环，正是水银泻地，天衣无缝，无尚的和谐。从内部望去整个穹顶就像悬浮在空中一般，意境似诗如梦。

这样形体的建筑无论从平面、剖面来看都是存在着声学缺陷的，但是由于在菱形槽板内铺设了具有了足够吸声量的吸声材料，可以使如此大的空间中混响时间达到所需要的要求。另外，由于砼的肋与菱形槽板内的吸声材料，交替地组合，这样，软硬交替使整个界面具有非常好的声扩散性能。所以馆内无声学缺陷且声能分布均匀。因此罗马小体育馆具有良好音质，并在建筑史上也是一座名作。罗马大体育馆（1958-1960）也是奈尔维的名作（图2），容纳16000座的大体育馆，平面也是圆的，直径达100m，围合结构是预制装配的钢筋砼三角形空透的波形拱。它截面是V形的，富有节奏感，其一条条拱肋像巨龙腾空而起，非常有力；由于起拱高度变换合理，显示了亲切、灵巧，消除了如此大的跨度所具有的沉重感，呈现出动人的空间形象。同样在预制装配构件的拱肋中布置了吸声材料，并且还在拱肋中还布置了空调管道，其外包吸声保温材料，所以取得了同样良好的音质效果。
2.2
下凹形悬索结构多数是这类型的，可以减小馆内容量和混响时间以及平均自由程（4V/S,V—容积m3，S—总的表面积m2）因此也减少了吸声材料的用量；同时由于下凹顶界面，能把比赛场上的声音均匀地扩散到馆内各区域，所以这种形体是对声学有利的，建筑内部声学空间形态与结构造型相符。被誉为60年代划时代的体育建筑杰作——丹下健三所设计的国立室内综合竞技场（即代代木体育中心，图3），采用了悬索结构，其屋盖是下凹形的。

2.2.1游泳馆
15000座席，容积16万m3，混响时间空场为3s，满场为1.9s。其跨度为126m，悬索部分在外立面形成屋脊，屋脊两侧面是采光面；在馆内形成了一条美丽新颖的光带（图4），该光带内部空间（图5）的设计为：以百页窗作为外界面，变直射的自然光为散射光，内部具有人工照明以满足馆内照明的需求；另外，设有排风系统。在光带下面是穿孔铝板内填超细玻璃棉为吸声和散光两用的大隔栅板。

该馆的顶界面完全保持了悬索结构下凹的优美曲线，在屋面板下铺设了穿孔铝板，内填玻璃棉作为吸声和保温两用。自然光沿着顶界面的曲面，渐渐地散开，馆内笼罩在淡淡的光线中，曲面顶棚向上，向中间升起，呈现一种朝气蓬勃的气氛。馆内声学效果较好。
2.2.2体育馆 体育馆为螺旋形悬索结构（图6），圆形平面，4000座席。其支撑结构柱位于一侧的观众席后的通道处，由于支撑柱的顶部是采光口，自然光由此口漫射而入，随着馆内的顶棚自下而上逐渐螺旋般地渐渐地明亮起来，光线柔和而飘逸，加强了螺丝旋形悬索构件所构成旋形线条的顶棚所创造的向上动势，高攀搏击、焕发活力的气氛。比赛场地正处于悬索结构下凹曲面下，馆内的顶棚也是穿孔铝板，其后填玻璃棉，吸声处理同游泳馆，音质效果令人满意。丹下键三的这个杰作对后来的体育馆建筑影响很大，尤其是自然采光和人工照明组成的光带的形式，更为风靡，其中不乏好例，但也有由于缺乏系统思想指导设计，顾此失彼，整体效果不良。有的屋盖是采用上凸的钢网壳，取得光带，其内凹的曲体面会产生聚焦和回声，有的还产生多重反射，形成多重回声。另外这些自然采光的光带大都是直射式的，直射光很强，产生眩光，影响使用；目前更有甚者，取消了屋面板，采用透明的或透光的屋面，对声、光效果和空调系统的设计更为复杂，有待探索和研究。
2.3
水平空间桁架、网架结构多属此类，也是目前我国体育建筑中常见的类型，由于这种拉平取齐的顶界面，容易产生呆滞乏味的感觉，缺乏新意，所以更需要从界面形状，构件特点，材料质地等空间构图上着意，创造空间环境，使其产生多样的变化，生动的意趣。

天津市河西体育馆是把空间吸声体布置在网架的下弦杆（图7），它们与方筒形的灯具和通风口组成一个空透、变化、立体感很强的吸声顶棚，虽未暴露结构，仍保留了不作吊顶的灵活性和通透感。由于十字形倒锥体的空间吸声体具有视幻的感觉，他们与同面积方筒的灯具和通风口的重复、交替的出现，节奏和流动感受很强。如同乐曲中的主题和变奏，产生了很生动的和活跃的气氛，美的视觉效果就油然而生。十字形的空间吸声体是白色的，其边框是铝合金的，在灯光中产生细条的光浑，闪烁不定，增添了华丽多姿的装饰效果，唤起视觉，起了主导的作用。
体育比赛时，馆内的灯光暗熄。只有顶光集中照射在场地上，此时顶棚成了“灰色”的模糊界面，它与观众席、端墙等界面相衔接、交融，起着过渡、转化和统一的作用，更加突出了明亮、活跃的比赛场的中心地位。文娱演出时，由于场地灯彩的余辉，使空间吸声体的铝合金边框产生闪烁点点的碎光，上下交相辉映，他们含蓄、不确定的光点，使空间的魅力倍增，渲染出一种异常活跃、轻松和华丽的气氛。
北京月坛体育馆内的空间吸声体，在下弦杆悬挂与照明结合的圆形的空间吸声体，隐喻体育馆的馆名，装饰和声学性能都很好。（图8）

广州市天河体育中心游泳馆、容积86045m3，平均每座位占有25m3。馆内现有的能敷设吸声材料的表面，即使都布置了能适应于潮湿空气条件的穿孔铝板，还达不到所要求的吸声量。结合空间钢桁架屋盖结构，采取在桁架的下弦杆和腹杆上铺设微穿孔铝板（图9），形成倒四方锥形的空间吸声体，增加了吸声面积，满足了吸声的要求。这种具有雕塑感的多棱形顶棚，统一了结构、声学处理和装饰的需求，颇具时代感，也能与平静如镜或跳跃波动的水面相协调，所以很受各界的赞赏。广州华南师范大学手球馆的处理也是利用空间钢桁架为骨架，做成倒四方锥形的空间吸声体，如同天河体育中心游泳馆的倒四方锥形空间吸声体，间隔地布置悬挂圆筒形吸声体，动感很强（图10），声学特性很好又很经济。

以上四个馆的音质和装饰效果都很好。

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