北京冬奥会冰立方冰壶赛场建筑声学设计研究

2022-07-05李卉杨奇勇王鹏燕翔梁艳

世界建筑 2022年6期

李卉，杨奇勇，王鹏，燕翔，梁艳

1 概述

“冰立方”是冬奥会历史上体量最大的冰壶场馆，是世界唯一由夏季奥运会游泳中心转换而成的、水上项目和冰上项目均可运行的双奥场馆，也是世界上首座在泳池上架设冰壶赛道的奥运场馆，是2022北京冬奥会及冬残奥会男女冰壶和轮椅冰壶比赛场地。

冰壶运动是以团队为单位的冰上投掷性竞技项目。赛道长约45m，投手投掷冰壶、以及冰壶行进过程中的队员刷冰，都要在主力队员的指挥和协调下进行。掷球队员在力求将冰壶滑向圆心的同时，还需考虑在主力队员的指挥下用冰壶将对方的冰壶撞出营垒或将场上本方的冰壶撞向营垒圆心。刷冰队员在主力队员的指挥下刷冰，以使冰壶增加滑行距离，以及改变曲度进而停向或撞向目标。双方队员掷完所有冰壶后，以场地上冰壶距离营垒圆心的远近决定胜负。冰壶运动不仅考验参赛者的体能和运动能力，还考验其决策判断等脑力和团队配合能力，尤其投掷冰壶和刷冰所展现出的动静之美，加之精算取舍的智慧，使得冰壶成为历届冬奥会都是观众上座率最高、转播率最高的比赛之一。

冰壶比赛中，主力队员的呼喊指挥是团队协作的重要内容，也是高水平竞技获胜的关键之一。为了保证运动员在长达45m的赛道上随处都能清楚地听到指挥的声音，冰壶场地的建筑声环境要求极高，不容出现任何听音困难问题。因此，世界冰壶联合会规定，为了保证比赛的顺利进行，场地建筑声学要求中频（500～1000Hz平均）混响时间应不大于1.4s。混响时间反映了房间内整体声音反射延迟的状况，混响时间越长，反射声延迟越长久，前序讲话的声音与新发出的声音交混在一起越强烈，语言清晰度越差，致使听音困难。

图2 2006年意大利都灵冬奥会皮内罗洛—帕拉吉亚西奥体育馆

图3 2010年温哥华冬奥会山顶中心

自1998年长野冬奥会起，冰壶正式成为奥运会比赛项目。从1998-2018年各届冬奥会比赛场馆（表1）的部分现场照片中可以看到主力队员在赛道一端呼喊指挥，队友在赛道上根据指示在刷冰（图1-4）。

图1 1998年长野冬奥会轻井泽公园体育场

表1 历届冬奥会冰壶场馆

2 难点

历届冬奥会冰壶场馆都能够达到奥组委所要求的声学指标，即混响时间不大于1.4s。但是对于水立方而言，却成为难点之一。

根据建筑声学基础的赛宾理论，混响时间与室内容积成正比，与室内吸声材料的总吸声量成反比。国家游泳中心（水立方）当年的建设是依据2008年游泳、跳水等水上项目标准而设计，尚不需如此严格的混响时间限值。然而，水立方容积巨大，达到280，000m2，几乎是往届冬奥会场馆的两倍以上。而且，顶棚和四周围护结构使用的ETFT透光薄膜（图5），吸声性能也很低，加之水面声音反射强烈（即便改造成冰面，声反射会更强烈），由此造成水立方中频混响时间达到了2.8s，大大超出了冰壶比赛的要求（表2）。

图5 美仑美幻的冰立方，可以看到优美的ETFT透光薄膜

根据声学计算，如果要达到1.4s的混响时间要求，需要在水立方除冰面以外的墙、顶、地上加装40，000m2的吸声材料，不但材料成本巨大（至少3000万元以上）、结构安装难度也难于承受，特别是ETFT薄膜被吸声材料遮挡后，晶莹剔透的水立方就失去了原本惊艳世界的美。

3 破解

经与奥组委和世界冰壶联合会的声学专家和官员多次交流研讨，了解到其所提出混响时间指标的核心目的是获得赛道区域的良好的语言清晰度，而清晰度还可以使用另一种参数——语言传输指数STI（Speech Transmission Index）进行评价。

STI取值在0～1的范围，可以简略地看作是语音听懂的百分数，如讲话者发出100个单词，完全听不懂，STI=0；听懂50%，STI=0.5；一字不差地全听懂了，STI=1.0（实际中不可能）。实际上语言中存在上下文逻辑关联，而且句子中也含有词义之间的冗余度，因此，只需要听懂部分单词，那么就能对句子有一定了理解。IEC 60268-16:2011中语言传输指数的分级及适用范围如下（表3）。

表3 IEC语言传输质量分类及适用范围

冰壶比赛队友之间的语言交流，属于“复杂信息，上下文熟悉”的信息类型，按IEC标准，STI指标达到0.5将可满足语音通讯的要求。在北京市重大项目指挥部办公室、北京市国有资产经营有限责任公司、北京国家游泳中心有限责任公司及清华大学建筑声学实验室的联合研究以及据理力争之下，奥组委和世界冰壶联合会经慎重考虑，最终同意可等同使用语言传输指数STI不小于0.5作为限值要求。

实际上，混响时间与语言传输指数是相关联的，但是并非一一对应，其趋势为：混响时间越短，相应语言传输指数越大。虽然，混响时间容易计算和测量，但是有一定适用范围，理论上仅适用于声场均匀的空间，是评价整个大厅的宏观性或者说平均性声学指标。当声场不很均匀时，混响时间难于反映空间局部的声学状况，甚至声场极不均匀时，混响时间就不再适用了。而语言传输指数是空间任意两点之间可懂度指标，不受声场均匀度的限制。对于水立方如此大的空间来说，可以利用声场不均匀性，在赛道的局部创造出更高的语言清晰度，而没有必要大动干戈将全部空间的混响时间降低下来。这就是我们提出采用语言传输指数STI作为评价指标的理论基础和实际原因。只要保证赛道部分的语言交流清晰了，达到了比赛的要求，那么，其他区域，如高空中语言是否清晰也就无足轻重了。由于语言传输指数的计算和测量要比混响时间复杂得多，难度也大很多，所以人们更倾向于采用相对简单的评价指标——混响时间。

由此，几乎不可能实现的声学指标——混响时间不大于1.4s，转换成语言传输指数STI不小于0.5，难题也就破解一半了。

4 计算模拟

语言传输指标STI的实现仍具有较大难度，一方面需要精准判断哪些表面适合铺设吸声材料，另一方面因其计算量巨大，还需要采用计算机模拟进行预测。指标的精准计算非常重要，若预估不准最终指标没有达标，将影响奥组委对场馆可否使用的评定，影响奥运比赛。若预估过于谨慎造成最终指标超过了标准要求，将造成成本的浪费，STI指标每提高一个百分点都需要增加几十甚至几百平米的吸声处理，若预估不准，声学上的浪费将成本不菲。

首先，依据国际标准IEC 60268-16《音响系统设备第16部分：语言传输系统的言语可懂度的客观评比》（Sound system equipment - Part 16: Objective rating of speech intelligibility by speech transmission index）[1]，并参考国家标准GB/T12060.16-2017，《声系统设备-第16部分：通过语言传输指数客观评价语言可懂度”》[2]，对水立方语言传输指数的现状进行实测。得到的结果是：赛道区域STI在0.41～0.44之间，现状尚不能满足不小于0.5的要求。

提高水立方超大空间赛道区域STI指标的最科学也是最经济的做法是充分利用空间声场的不均匀度带来的局部STI的变化。其声学处理原则是，在需要提高清晰度的区域就近布置声学材料，由此可高效率地降低近距离声音反射，进而提高赛道局部STI。考虑吸声材料的选用、安装可行性和视觉效果，铺设局部区域（表4），各区域用量由根据STI达标条件下经计算机模拟反复迭代寻优确定，计算机模拟建模（图6），铺装的吸声材料采用了10cm厚超轻质的密胺吸声棉（约800g/m2，表5）。