緊鄰地鐵條件下全浮歌劇院高標準音效營造關(guān)鍵施工技術(shù)

于 力

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

上音歌劇院作為專業(yè)級歌劇院，卓越的聲效營造是該類項目建設(shè)的重中之重，而上音歌劇院緊鄰軌道交通1號線的復(fù)雜建造環(huán)境，更給該建筑打造高品質(zhì)的聲效體驗帶來極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 工程概況

上音歌劇院位于上海市徐匯區(qū)汾陽路，坐落于上海音樂學院（汾陽路校區(qū)）的東北角，位于淮海路汾陽路路口，處于商業(yè)軸線與人文軸線交界處（圖1）。項目北側(cè)緊鄰軌道交通1號線，西側(cè)緊鄰優(yōu)秀歷史保護建筑，南側(cè)緊貼音樂學院教學樓。本項目地下3層，地上5層，地下室深度13 m。觀眾廳內(nèi)總座位數(shù)1 200個，其中池座694個，一層樓座253個，二層樓座253個[1-2]。

圖1 上音歌劇院地理位置

2 高標準音效營造影響因素分析

上音歌劇院位于鬧市中心，周邊環(huán)境復(fù)雜，影響其音效質(zhì)量的因素較多，但總體可分為內(nèi)部因素和外部因素這2個方面。

1）外部因素。本項目基坑地下連續(xù)墻距地鐵隧道僅8.2 m，地鐵經(jīng)過時產(chǎn)生的振動，會通過土壤向上傳播到上部建筑物上，建筑物的樓板和墻壁又成為二次噪聲的輻射表面，形成結(jié)構(gòu)噪聲，嚴重影響整個歌劇院的聲學效果[3]。

2）內(nèi)部因素。建筑內(nèi)的機電系統(tǒng)運作產(chǎn)生的振動與噪聲是影響歌劇院聲學效果的主要內(nèi)部因素，為克服該難題，需要從空間設(shè)計、結(jié)構(gòu)材料、表面裝修材料等方面進行綜合考慮，具有很高的技術(shù)難度。

3 全浮結(jié)構(gòu)＋“盒中盒”結(jié)構(gòu)施工成套技術(shù)

為解決鄰近地鐵行駛振動對歌劇院造成的聲效影響，該項目采用了全浮結(jié)構(gòu)＋“盒中盒”的設(shè)計理念，即采用大型阻尼彈簧減振器將歌劇院建筑整體（含觀眾廳和舞臺）托起，結(jié)構(gòu)內(nèi)盒與基礎(chǔ)外盒之間采用彈性連接形成“盒中盒”的結(jié)構(gòu)形式，在增強隔振抗震措施的同時，減少或阻斷結(jié)構(gòu)之間、設(shè)備與環(huán)境之間的傳聲因素，隔振效率不小于95%，有效減弱外部振動影響，達到卓越聲效的營造目標。其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面[4]。

3.1 彈簧支座柱墩的施工與安裝技術(shù)

3.1.1 地面平整度控制

為滿足隔振彈簧的功能需求，其混凝土彈簧支座需保證相當高的表面平整度（0.2%），為了滿足如此高要求的施工精度，現(xiàn)場加工了100套可調(diào)節(jié)螺栓用于模板面標高的調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)絲牙控制模板面標高嚴格平齊于設(shè)計標高，調(diào)節(jié)完成后模板下口用砂漿填實（圖2）。

圖2 可調(diào)螺栓示意

3.1.2 彈簧支墩澆筑復(fù)核

為保證彈簧支墩澆筑高質(zhì)量要求，對于每個彈簧支墩的澆筑都采取了多道復(fù)核工序，確保其成品完成面達到要求的平整度。其主要工序包括4個步驟：可調(diào)螺栓調(diào)節(jié)標高監(jiān)測，可調(diào)螺栓調(diào)節(jié)完成后標高校正，垂直度復(fù)核，澆筑完成后支墩面標高復(fù)核。

3.1.3 彈簧隔振器安裝

隔振器是彈簧隔振系統(tǒng)的核心部分，其安裝技術(shù)主要包括以下步驟：

1）通過彈簧系統(tǒng)的性能試驗，施工時需在與下部系統(tǒng)的連接中放置專用的防滑墊板（圖3），可保證在強烈的振動過程中結(jié)構(gòu)不發(fā)生滑動。這樣可無需預(yù)埋螺栓，簡化施工。

圖3 防滑墊片示意

2）就位經(jīng)過預(yù)壓縮的彈簧隔振器。工程采用的彈簧隔振器具有可預(yù)壓縮性，施工期間，彈簧隔振器為鎖緊狀態(tài)，作為剛性支撐使用。工程竣工后，再將彈簧釋放。彈簧隔振器的可預(yù)壓縮性，為彈簧隔振器的更換提供了便捷（圖4）。

圖4 彈簧隔振器安裝示意

3）搭建模板，放置預(yù)埋鋼板，施工上部結(jié)構(gòu)（圖5）。

圖5 預(yù)埋鋼板示意

4）待上部結(jié)構(gòu)施工完成以后，松開預(yù)緊螺栓，再進行調(diào)平，安裝完成（圖6）。

圖6 預(yù)緊彈簧壓力釋放示意

3.2 黏滯阻尼器先裝法施工技術(shù)

如上所述，安裝隔振彈簧雖然對地鐵振動具有良好的隔絕效果，但對于水平地震作用卻較未隔振結(jié)構(gòu)有著明顯的放大效應(yīng)。其基底剪力增大約20%，最大層間位移角增大超過100%。為消除該作用影響，本項目在彈簧隔振層上布置了黏滯阻尼器，在整體隔振的同時耗散能量，提供附加阻尼，降低地震作用[5-6]。

黏滯阻尼器的傳統(tǒng)安裝工藝采用后裝法，即先施工阻尼器的上、下支墩結(jié)構(gòu)，再通過在隔振層結(jié)構(gòu)底部布置臨時吊裝葫蘆輔助黏滯阻尼器的安裝。然而，上音歌劇院隔振層高度非常狹小，若采用后裝法施工，無法解決操作人員在密閉空間內(nèi)作業(yè)的問題，在這種條件下，工人安全存在隱患，同時施工精度無法得到保證。為此，通過方案比選，項目體采用先裝法施工，即在下支墩完成后先安裝黏滯阻尼器，通過墊塊控制其標高，再安裝上支墩預(yù)埋件，預(yù)埋件調(diào)平后再搭設(shè)排架模板施工上部結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖7 黏滯阻尼器安裝

3.3 彈簧隔振系統(tǒng)性能評估技術(shù)

為評估其固有頻率及控制指標是否滿足設(shè)計要求，對隔振音樂廳進行振動測試分析。測試內(nèi)容主要為各個音樂廳固有頻率測試及觀眾廳與舞臺部分（整體隔振）控制指標測試。上海軌道交通1號線為單洞單線，距離在建場地較近的線路（上行線）引起的振動響應(yīng)大，距離在建場地較遠的線路（下行線）引起的振動響應(yīng)較小，故僅分析上行線過車振動響應(yīng)。在歌劇院整體施工完畢后，對隔振區(qū)域進行振動測試分析，結(jié)果如表1所示。

表1 各隔振區(qū)域固有頻率

測試結(jié)果表明：觀眾廳與舞臺部分（整體隔振）振動均滿足JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》中0類特殊住宅區(qū)65 dB限值要求，并且有較大的余量。

4 建筑內(nèi)部降噪與音效控制技術(shù)

本項目對建筑完成的形體、結(jié)構(gòu)材料與表面裝修材料采用了獨特的設(shè)計，尤其針對不同功能區(qū)域?qū)σ糍|(zhì)的反饋要求提出了較高的施工與功能要求。

4.1 歌劇廳混響時間可調(diào)技術(shù)

為實現(xiàn)不同混響時間的切換，本項目通過歌劇廳頂部的可升降天花頂棚直接改變歌劇廳內(nèi)部空間，另外還采用了可調(diào)吸聲簾幕配合使用，最終實現(xiàn)1.3～1.9 s的可調(diào)節(jié)混響時間。

4.1.1 可升降天花頂棚

本項目天花頂棚采用GRG材料，從聲學角度而言，要求GRG材料具有高密度且質(zhì)量輕，針對該矛盾問題，項目體主要從以下幾個方面進行技術(shù)突破。

1）采用Rhino軟件對可升降天花頂棚進行精細建模，并運用模型直接指導加工廠生產(chǎn)，嚴格控制背肋尺寸及板面厚度、平整度，確保生產(chǎn)產(chǎn)品與設(shè)計方案嚴格一致。

2）調(diào)節(jié)GRG材料配比，使其在滿足力學性能要求的基礎(chǔ)上達到聲學密度要求。

3）制作1∶1板塊小樣進行實體檢測，經(jīng)各方同意后進行批量生產(chǎn)作業(yè)。

4）對所有進場可升降天花頂棚GRG板塊抽樣進行稱重及靜載試驗，確保進場材料符合設(shè)計值要求（圖8）。

圖8 可升降天花頂棚示意

4.1.2 可調(diào)吸聲簾幕

在1～3層樓座的側(cè)墻上，設(shè)有可調(diào)吸聲簾幕（可升降礦棉毯），以墻面不同吸聲率材料的變化來調(diào)整混響時間。該側(cè)墻以地板以上1.5 m處為分界線，其下部墻體表面為60 mm厚實木木板，板后空腔厚110 mm，空腔中設(shè)有可升降的80 mm厚包布吸聲礦棉毯；1.5 m以上高度區(qū)域，外表面為裝飾性木制透聲格柵（透空率60%以上），空腔底部墻面為反射性的雙層墻構(gòu)造。實木木板由條板通過榫卯連接工藝拼接后插裝在頂?shù)自O(shè)置的龍骨處，采用此工藝取消了螺絲、釘子，不但節(jié)省了裝飾材料，同時也使得木板完成面有一種渾然天成的效果。

通過上述技術(shù)措施的綜合運用，歌劇廳滿足經(jīng)典派歌?。?.3 s）、浪漫派歌?。?.7 s）以及交響樂（1.9 s）這3種不同風格歌劇演出的混響時間聲學要求。

4.2 聲學墻隔聲技術(shù)

歌劇院觀眾廳的外墻采用雙層加氣混凝土砌塊（800 kg/m3）填充在鋼筋混凝梁柱框架中。內(nèi)墻采用單層實心混凝土砌塊（19 cm）＋空腔（約27 cm，無礦棉）＋兩層石膏板，該內(nèi)墻隔聲可超過55 dB。

舞臺倉的外墻采用單道雙層實心混凝土砌塊（1 800 kg/m3），厚度各為19 cm，中間空腔10 cm填充礦棉。該墻的內(nèi)外表面都有1 cm的砂漿抹面。

4個排練廳（交響樂隊、民樂、歌劇和合唱）的外墻都是雙層實心混凝土砌塊（1 800 kg/m3），厚度19 cm（有砂漿抹面），外墻總厚度50 cm。該區(qū)域的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻同樣厚達50 cm，為滿足室內(nèi)的隔聲要求，對剪力墻施工后的螺栓孔進行完全封堵（圖9）。

圖9 觀眾廳和4個排練廳外墻構(gòu)造

4.3 特殊表面材料應(yīng)用

本項目在可升降吊頂表面采用了有曲線的MLS擴散紋路的GRG材料，深度約5 cm；池座矮墻和3個弧線后墻表面也均采用了MLS擴散表面材料，其中池座三面圍墻的擴散體深度8 cm，3個弧形后墻通過MLS來破解聲音聚焦和回聲問題，其材料為GRG貼高級木皮，擴散體深度約10 cm。采用選用GRG作為擴散體的原料可降低“脫?！钡碾y度，可靠滿足凹凸紋路轉(zhuǎn)角處的圓角要求。同時該種材料也具有舒適良好的觸感（圖10）。

圖10 MLS擴散體示意

4.4 舞臺及樂池區(qū)域的聲學處理技術(shù)

4.4.1 舞臺隔聲幕設(shè)計

舞臺內(nèi)部的聲學處理會直接影響觀眾廳的狀態(tài)。通過在主舞臺和側(cè)舞臺/后舞臺之間設(shè)置“隔聲幕”實現(xiàn)了以下2個功能：

1）演出歌劇時，隔掉的巨大的側(cè)舞臺和后舞臺的無用體積，避免了演員的聲能被消耗。此時垂直升降大幕起到了反射聲音的作用。

2）當歌劇在主舞臺排演時，垂直升降木可有效阻擋側(cè)舞臺或后舞臺因為做演出準備而發(fā)出的噪聲。

4.4.2 樂池聲學處理

歌劇院的樂池聲學性能直接關(guān)系到歌劇演出的音樂品質(zhì)。本項目將樂池部分的欄桿做成了“透聲”的欄板來保證池座和貴賓席的觀眾能夠直接聽到樂池中的小提琴聲部的高頻泛音，而剩下區(qū)域欄桿做成反射板來將大提琴聲部的音樂聲反射到舞臺上。同時為滿足使用美觀的需求，在樂池的外側(cè)做了統(tǒng)一透聲裝飾物來裝飾整個樂池。

4.5 聚晶晶細綜合吸聲吊頂系統(tǒng)施工技術(shù)

歌劇院休息廳是公眾進入劇院后看到的第一個重要空間，需要滿足建筑的高聲學要求。本項目在休息廳天花頂棚區(qū)域采用了聚晶晶細板＋透聲涂料綜合吸聲吊頂系統(tǒng)。其聲學處理的原理在于：透聲涂料可以有效地讓聲波穿透，且聚晶晶細板具備較強的聲波吸收和消耗能力（圖11）。

圖11 聚晶晶細綜合吸聲吊頂系統(tǒng)效果圖

5 結(jié)語

本文對緊鄰地鐵條件下全浮歌劇院高標準音效營造關(guān)鍵施工技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，解決了劇院類建筑在隔振抗震、隔聲降噪、音效控制等方面的許多共性難題，填補了國內(nèi)大型全浮劇院建筑的空白，對推動此類技術(shù)的進一步發(fā)展有很大的促進作用。

研究成果在上音歌劇院工程中得到了應(yīng)用，并取得了良好的社會和經(jīng)濟效益，完成了國內(nèi)第一座采用整體隔振技術(shù)的全浮結(jié)構(gòu)歌劇院建設(shè)，其視聽效果已達到亞洲一流水準。