国家大剧院噪声振动控制专业设计

                            邵斌  汪根胜  苏宏兵

（北京市劳动保护科学研究所，北京世纪静业噪声振动控制技术有限公司，北京，100054）

摘要：本文简要介绍国家大剧院空调系统噪声振动控制设计方法和采取的措施，可为其他剧场及大型演艺建筑工程设计提供借鉴。

关键词： 剧院 空调 噪声 振动

中图分类号：TU112.3          文献标识码： A

      The Noise & Vibration Control Design for China National Grant Theater

                        Shao Bin, Wang Gensheng, Su Hongbing

   (Beijing Municipal Institute of Labor Protection,Beijing, 100054, P.R.China)

Abstract: The design concept and measurements of noise & vibration control for China National Grant Theater was present in this paper. 

Key words: National Grant Theater, HVAC, noise, vibration

        一．前言

       国家大剧院位于北京市心脏地带，与人民大会堂和天安门广场相邻，占地面积12万m2,总建筑面积22万m2。大剧院由法国CSTB公司负责总体方案和建筑声学设计，北京市建筑设计研究院配合进行施工图设计，北京市劳动保护研究所负责全部噪声振动控制专业设计，清华大学建筑技术科学研究所担任声学顾问，负责协调建筑声学的各方工作。

       国家大剧院包括容纳2400人的歌剧院、容纳2000人的音乐厅和容纳1100 人的戏剧院；其它配套设施还包括一系列不同规模的排练厅、录音棚、礼仪大厅及接待厅、艺术展廊、表演艺术研究交流部、艺术品商店、地下停车场以及小剧场等。

       二．设计指标

       国家大剧院作为国家标志性演艺核心和建筑新形象的代表，对总体噪声控制提出很严格的要求，主要空调设计参数与允许噪声标准如表1所示。

       三．空调系统消声设计

       暖通空调系统噪声控制涉及建筑防噪布局规划、消声器选型与设计、主机及水系统等配套设施隔振设计、防噪声串扰以及对设备噪声源强的控制等不同设计内容。谨将主要内容简述如下：

       表1 噪声控制设计指标

       Table 1 The noise criterion for design

•   建筑布局的影响

       对于声学条件有如此高要求的项目，通常希望在条件允许的情况下尽可能使空调机房远离要求安静的房间；消声器的布局位置则希望尽量设置在气流平稳段；对噪声标准不同的房间或噪声特性不同的空调、通风系统，则应尽可能分别对待、最好不共用同一个系统。

       但在本项目中有部分关键系统无法满足上述要求。如：O区B3层要求NR25指标的大、中、小排练厅，与机房仅一墙之隔；其中AHU-O1和AHU-O3 两系统在机房内除消声静压箱外无空间可安置排练厅所需的常规消声器。为此，噪声控制设计时不得不采取特殊的措施来进行处理。首先是强化机房内吸声、隔声和设备基础隔振，尽量扩大机房内的消声空间，修改原送风、回风主干管路的布局（分段后移），将排练厅所需的大部分送风、回风消声器直接安置在排练厅内；为防止噪声通过前级消声器外壳的泄漏，又对这部分靠近上游的消声器和风管额外的增加了隔声围护结构。

       因早期法方设计人员的坚持和土建结构施工先行，导致紧贴歌剧院观众厅左右两侧预留的竖向送回风大型主干管截面尺寸偏小，按常规风管工艺，其内部流速高达8m/S，其气流再生噪声和管路颤振引发的低频噪声将对观众厅产生严重影响。到我们介入时修改总体设计为时已晚，外方设计人员也束手无策。我们因地制宜提出取消金属风管，最大限度地将预留截面扩容为土建风井并加装吸声内衬，使流速的影响降至最低。

•  消声器的选型

      消声器的选择需要根据它的消声性能（包括消声量与消声频谱）、气流再生噪声、阻力损失、建筑可用空间、成本等因素进行综合考虑。通过对微穿孔板消声器、抗性消声器及阻性片式消声器综合性能的比较，最终选择了综合性能最为高效、经济使用且性能可靠的阻性片式消声器。

      在进行详细的设计过程中，可以通过灵活地改变消声片的厚度、容重、间距来调整消声器的性能，以满足不同的设计要求。在每个系统中靠近声源的前级消声器以消除低频噪声为主，设计时通过增大消声片厚度和吸声材料容重来改善低频消声性能，对应的消声片厚度一般大于150mm；靠近敏感空间的后级消声器以消除中高频噪声和严格控制气流再生噪声为主，消声片厚度通常在100mm以内。

•  剧场空调系统特点与消声设计

      国家大剧院的噪声控制不仅要求空调系统背景噪声级的绝对值低，而且要严格控制各频带噪声强度符合NR20噪声评价曲线。其消声设计的主要难点在于有效消除125～250Hz频段的中低频噪声和控制末端气流噪声。在空调机房和进入剧场之前的空调管路上，主要以消除来自机房的低频噪声为主，通常设置一组强化壁厚、容重和布局的消声静压箱和多节以消除低频为主的消声器。空调管道进入剧场之后，则主要以降低气流速度、消除气流再生噪声为主。国家大剧院3个大厅（歌剧院、戏剧院、音乐厅）均采用座椅下送风、顶部回风的置换型空调布局，大部分座椅下都设有一个送风口（因砼结构限制缺失的部分，则在阶梯侧面开设散流器孔，在上部灯光密集处回风及排风；观众席座椅下的阶梯空间设计为土建消声静压箱，其内各表面均敷设50mm厚的玻璃棉吸声层。在起到保温隔热作用的同时，由于土建静压箱体积很大，因此可有效改善低频消声性能，同时可将气流流速控制得很低，从而达到控制气流噪声的目的。

      国家大剧院消声器量大面广，工期时效性强，为此甲方经招标选定了5家专业消声器生产企业承担供货任务。如何统筹这些生产企业的技术交底、生产工艺与质量控制，也是大剧院工程的一大难题。以往、也包括现在的很多演艺建筑，甲方和设计单位（甚至一些国外的大牌声学设计、顾问公司）虽然对噪声控制也很重视，但在消声设计中大多是“半截子革命派”，仅基于自己对每个系统的“消声计算”，提出每个系统所需要的消声总量和总阻损限值，而将消声器的具体选型与结构设计、消声器在管路中的具体布局（占位）等全部“放任”给设备生产企业的所谓“深化设计”。而我国目前消声器生产企业技术水平良莠不齐，对消声器声学频率特性、空气动力性、成本质量控制等理解、尺度差异较大，实际产品与设计预期往往风马牛不相及，厂家相互间报价也没有可比性；与现场和安装公司的设计配合更很难顺畅、到位。这样的做法往往弊端多多、贻害无穷。为了对国家大剧院噪声控制的最终效果负责，也为了应对不同企业同时为大剧院供货的特定现实，我们的消声设计始终是“善始善终”地全部落到实处：从消声器选型，到布局占位的设计、协调甚至后期修改变更，直至每台消声器的具体加工参数要求（外形、接口尺寸、片厚、片间距、吸声材料容重，以及板材厚度、龙骨密度和咬口工艺甚至变径管推荐长度等），我们都逐一给出。虽然我们的工作量大大增加，但通过这样的深化劳动确保了消声器产品的声学品质和一致性，确保了工程实效。

      3.4 对末端风口噪声的高度关注

      观众厅末端送风口位于座椅下方，与人耳距离很近，因此其气流噪声会直接影响到剧场的声环境。而国内外都缺乏对此类送风口气流噪声的研究和实测数据，为此我们和国家大剧院业主委员会共同委托清华大学建筑技术科学研究所对风口气流噪声和外周风速分布均匀度进行实验测量，并协助其解决了测试系统通风消声和流量检测等技术难题。实验结果表明，座椅送风口产生的气流噪声极低，在50m3/h的设计送风量下所有风口产生的噪声不超过14dB(A)，完全可满足NR20的设计要求。[1]    对于排练厅、录音棚、公共大厅等所用的各类旋流风口、球形喷口、喷珠型风口和地板散流器等，也严格按照气流再生噪声值确定许用流量，甚至对风口大小、风口形式和风口流速进行必要调整。

      3.5 防串声设计

      国家大剧院部分排练厅空调系统采用单机共用形式，由于送回风管路的串联布局很容易引起各排练厅相互间的噪声串扰；而部分排烟、补风及正压送风系统管路日常虽为静态管路，但通过与空调机组、通风机组、末端管路甚至是管道软联接处，会对正常使用的空调、通风系统以及相邻末端房间产生一定程度的噪声窜扰。

      在本项目中，我们首先将共用空调机组的排练厅之间的空调串联设计修改为并联关系，只在送回风干管上布置少量低频消声器，然后将防止串扰所需消声量的消声器分别布置在各排练厅的空调分支管路上，使之在完成空调系统消声任务的同时，实现排练厅彼此之间管路系统的防串扰消声。对于进入或穿过噪声敏感空间的防排烟通风系统，都需要进行防噪声串扰设计。为尽可能降低工程成本，部分噪声防串扰控制以静态隔声为主，即要求该系统管路上安置的常闭阀门（如NCV风路转换电动阀、常闭排烟防火阀等）全部选用隔声量不低于20dB的同名隔声阀门。

      四．水系统振动控制

      水泵等设备运行时产生的振动可通过设备基础、管路支吊架等传递到建筑结构，振动沿着建筑结构传播到建筑内各空间，最终通过激励建筑物内墙体、天花等构造辐射以中低频为主的噪声。由于现代建筑大量采用的钢筋混凝土结构对振动的衰减很小，因此设备的振动影响的范围非常广泛，经常会对整个建筑物都产生影响。因此水路系统的综合振动控制也是剧院噪声振动控制中非常重要的一部分。具体的隔振措施包括采用优质阻尼弹簧隔振器或橡胶隔振器与配重减振钢架组合进行基础隔振；水泵进、出水口及单向阀后加装优质双球橡胶软接头（避震喉）进行管道隔振；管道系统沿程全部采用专业弹性吊架或弹性支架进行隔振；管道穿墙或楼板处做好局部隔振和隔声处理；这样可确保在振动的每一个传播途径上都能进行非常完善的隔振处理。

      此外，管路系统中的流体也是振动的良导体和振动源之一。管道中的流体属于不可压缩流体，同样可以传播机械振动。而流体经过阀门、弯头、分支、变径等部件时也容易产生湍流和冲击振动，在流体的激振力作用下，管道也会产生振动和二次噪声。在剧场等要求极高的建筑中，流体振动的控制显得更为重要。大剧院203区进入202区处的主管T型三通等地方，极易引发流体湍流和冲击振动，为此采用了我们专门研制的液体消声器，以有效地降低管路系统的流体脉动、涡旋噪声和液力冲击。

       五．设备噪声源强控制

       要达成噪声控制总体目标，不仅需要我们将精细合理的消声设计充分落实到消声器的制造、安装、调试的全过程中，而且还要特别关注机组设备噪声源强的严格控制！否则一旦源头失控，就会泱及系统后续流程，使全部降噪努力付之东流。

      为确保大剧院噪声控制的总体效果，我们一直主张应尽可能采取最为积极、高效的声源降噪技术路线，提倡从声源降噪入手，严格控制设备噪声源强！在设备选型、招标过程中，应尽可能优先选用技术先进、参数合理、高效率、低噪声的优质设备，以期获得“事半功倍”的效果。

       而实际产品的噪声振动源强与设计、考核指标是否一致是工程实施过程中需要高度关注的另一焦点；为此我们坚持在设备加工进程的适当时间，组织权威噪声检测机构会同监理单位和甲方代表一同，按设备总台数的一定抽检比例对各种典型机组的额定工况下噪声源强声功率和振动指标进行验收测试，以确保实际产品的可靠与一致性。

       六．结束语

       2007年9月，历经多年建设的国家大剧院（主要功能部分）终于全部竣工，顺利通过一系列验收并交付使用。根据工程末期的综合测试，大剧院整体噪声振动控制符合预期的各项设计目标和使用要求。在剧场内已基本上感觉不到空调等辅助设备的本底噪声，为欣赏高水准的专业演出创造了十分安静的声学环境。现在国家大剧院已成为北京标志性演艺建筑新形象的代表，其独特的外形、华丽高雅的演出和视听环境，已使得它成为我国大型高雅艺术表演的核心殿堂。

      鉴于建筑设计师和室内装饰设计师针对设计工作中所遇到的声学问题，切实提高设计质量。   中国建筑装饰协会联合清华大学建筑学院开办“2015清华大学建筑声学设计与工程技术培训课程”，由声讯网全权承办，了解详情访问：http://www.sosoas.com/new_content.php?id=59584