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多功能體育館建聲、擴聲及燈光系統設計

1 多功能體育館設計的主要特點和相關標準[2,3]

與只用于訓練和比賽的“純”體育館相比,多功能體育館設計有兩個主要特點:一是需要考慮增加演出模式的舞臺布局和音響、燈光系統設備的配置;二是擴聲、燈光特別是建聲的設計指標要有所提高。例如:對于商業運營的中型以上多功能體育館,由于一般商演活動的音響、燈光設備是由主辦方以租賃方式另行配置,故體育館重點做好基礎的建筑聲學設計,同時按照體育比賽模式和標準設計燈光和音響。至于演出舞臺的設計,由于商演舞臺有著多種多樣的模式,如單面、雙面、三面甚至四面舞臺,因此體育館本身無需設置固定舞臺,但需要重視有關配電、承重和安裝條件等內容的設計(本文從略)。

至于由政府投資公益性的以及大、中、小學;蚱笫聵I單位自建的中小型體育館,建議增設會議和演出專用的舞臺(講臺),并設計成固定結構。固定結構的舞臺相較于流動舞臺的優點是,結構牢固、安全可靠、維護管理方便;同時因配備演出和會議模式的音響和燈光等基礎設施,會議和演出效果良好;使用時無需花時間和費用去搭臺和增加設備,經驗證明,這一點對提高場地使用率也起到非常重要的作用。

關于設計標準的定位。多功能體育館的擴聲、燈光系統特別是建聲標準應適當參照有演出功能的多用途廳堂的相關標準設計,各項指標比“純”體育館的要求有所提高。如前所述,體育館舉辦營業性演唱會等較大型活動時,所需的音響和燈光設備要求較高,往往是在本館原有設備的基礎上另外增加租賃設備,但建筑聲學效果則難以改變。經驗證明,建聲效果的優劣,是吸引各類商演活動的重要因素,已成為多功能體育館提高使用率和賽后運營的社會效益和經濟效益的重要條件。

下面分別討論多功能體育館在建筑聲學、擴聲系統和照明系統設計的主要特點和相關標準。

1.1 建筑聲學設計的特點及參考的相關標準

傳統的“純”體育館聲學設計重點是保證觀眾能聽清楚現場解說和賽事信息,加上演奏國歌和開場、散場樂曲等。而對于多功能體育館,由于突出了文藝演出的功能,建議適當參考劇場或多用途廳堂的建筑聲學標準進行設計。

1.1.1 設計指標

JGJ/T 131—2012《體育場館聲學設計及測量規程》給出了比賽大廳不同容積500 Hz~ 1 000 Hz滿場混響時間范圍,GB/T 50356—2005《劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學設計規范》給出了劇場、多用途廳堂(會堂、報告廳和多用途禮堂)不同容積500 Hz~1000 Hz時滿場合適混響時間范圍。

對于演出音響效果要求較高的營業性多功能體育館,建議混響時間指標最好能達到“劇場”的各項要求。對于數量龐大的學校和企事業單位的中小型多功能體育館,建議其混響時間指標適當參考多用途廳堂的要求。

1.1.2 多功能體育館改善建聲效果的常用措施

在棚頂滿鋪平面吸聲天花板。這種方法大量用于劇場、禮堂和屋頂為平面的體育館,效果很好。但對于弧形拱頂或采用透光屋頂的體育館,會破壞原來的建筑風格和采光功能,不可取。
順著拱頂網架安裝條形吸聲體(吸聲條)。這方法曾用于廣州體育館和濟源市體育館(參見圖7)等,視覺效果甚佳,但價格昂貴,吸聲效果并不十分理想。

圖7 網架安裝吸聲條

向拱頂噴涂吸聲漿體。這方法曾用于廣州中山紀念堂的舞臺后墻和側臺墻面,效果尚可。但由于施工工藝的原因(例如噴涂的厚度不易準確控制),難以準確控制混響時間,適用于某些小范圍局部處理,而較少用于大面積特別是要求精確的混響設計。

圖8 鋪開的吸聲簾


圖9 收攏的吸聲簾

玻璃窗設置吸聲窗簾,大面積墻面做吸聲處理。這方法效果良好,但由于吸聲的面積較小,只能起輔助作用。
近年較常見的做法是采用事先設計有一定造型并經過測試的空間吸聲體(預制件),順著網架的形狀吊掛于棚頂,可以達到比較良好且較精確的吸聲效果。這個方案不會過分影響建筑風格,如果對空間吸聲體的造型和色彩適當組合搭配,還會有一定的美化效果(參見圖10)。需要強調的是,這一點是JGJ/T 131—2012《體育場館聲學設計及測量規程》2.3.1條明確提出的要求:“體育館比賽大廳的上空應設置吸聲材料或吸聲構造”。

圖10 安徽明光市體育館吸聲體與裝飾的整體設計

1.2 擴聲系統設計的特點及其相關標準

1.2.1 設計指標的選定

GB/T 28049—2011《廳堂、體育場館擴聲系統設計規范》中規定了文藝演出類、多用途類廳堂和體育館的擴聲系統特性指標。在三種應用場景的特性指標中,文藝演出類擴聲系統各項聲學特性指標最高。而由于體育比賽時人聲沸騰,因此,體育館(一級)最大聲壓級指標要高于多用途廳堂(一級)的最大聲壓級指標,但傳輸頻率特性、傳聲增益和系統噪聲等則要求較低。

對于演出音響效果要求較高的多功能體育館,建議擴聲系統設計指標在條件容許的情況下盡量參照“文藝演出類”的要求。對于數量龐大的學校和企事業單位的中小型多功能體育館,建議擴聲系統設計指標適當參考多用途廳堂的一級或二級要求。

1.2.2 揚聲器的布局

“純”體育館的“比賽擴聲系統”,應參照體育館類的一級或二級指標設計,揚聲器的傳統布局通常有分散、集中以及集中與分散結合等方式。近年最流行的是參照NBA藍球館的模式,集中式與分散式相結合,集中部分是將揚聲器吊掛于賽場區中央的頂部,與各方向觀眾區接近于等距離,以便于獲得較好的聲場均勻度,避免產生有害反射聲。其主要優點是觀眾的視覺與聽覺聲像一致。但集中式布局對于遠端的聽眾,清晰度有所降低,故必須增加分散部分的揚聲器,提供近場供聲,所有揚聲器必須設置分區開關,以便根據觀眾的上座率和分布區域,關閉沒有觀眾區域的揚聲器,以減少激發空座區的混響聲能,提高場館的聲音清晰度。

對于設有固定舞臺的多功能體育館,由于具備文藝演出功能,應設置“演出擴聲系統”,除重點考慮其重放的音質之外,還必須對揚聲器布局的聲像定位與視覺效果的一致性給予充分重視,即聲音應當從舞臺上演員(或發言者)的方位發出,避免從觀眾的頭頂甚至背后(分散式布局)發聲,給人以“七嘴八舌”的不自然感覺。

因此,其揚聲器布局應適當參照劇場的規范,在舞臺口頂部設置主揚聲器、在舞臺兩側設置拉聲像揚聲器、在臺口附近設置舞臺返送(監聽)揚聲器等。如受資金的制約,最低限度的要求也必須在舞臺口兩側設置主揚聲器。

揚聲器可以暗裝(參見圖11),也可以明裝吊掛(參見圖12)。

圖11 古鎮體育館揚聲器的安裝


圖12 上海體育館(安德烈演唱會)揚聲器的安裝

對容積較小,且對音響效果要求不是特別高的多功能體育館,只配置演出擴聲兼作比賽擴聲即可。而對容積較大或對音響效果要求較高的多功能體育館,建議分別配置演出擴聲和比賽擴聲兩個系統。在演出或開會時,比賽擴聲還可以起到一定的補聲功能。需要強調的是,對兩個系統音量比例的調控,應避免比賽擴聲的音量過高而出現喧賓奪主、聲像定位紊亂的不良效果。

1.2.3 照明系統設計的特點及相關標準

多功能體育館的照明系統包含兩個區域:比賽場地照明和舞臺區照明,前者執行JGJ 153—2016《體育場館照明設計及檢測標淮》,后者執行JGJ/57—2000《劇場建筑設計規范》以及廣電部GY 5045—2006《電視演播室燈光系統設計規范》。

圖13示某大學多功能體育館的燈具布局,棚頂分別有固定吊裝的體育比賽和訓練照明用的金鹵燈具,以及用電動升降燈桿吊掛的會議、演出照明用的舞臺燈具(面光燈)。

圖13 多功能體育館的燈具布局

按照JGJ/57—2000《劇場建筑設計規范》要求,舞臺區應設置面光、耳光(圖14)、頂光、側光(圖15)等。在燈具的配置方面突出會議的特點,同時又具備文藝演出的功能,如受資金的制約,最低限度的要求也必須設置面光和頂光。會議和演出舞臺特別強調面光的設置,自舞臺正前方的面光吊桿(或面光橋)以45°~50°投向舞臺。滿足各類會議、文藝演出以及拍攝電視和實況轉播要求的照明指標:參考廣電部GY 5045—2006〈電視演播室燈光系統設計規范〉,照度不低于2 000 lx,色溫3 050 k±150 k,顯色指數不小于85。隨著攝影設備的指標提高,照度標準可適當降低到1 500 lx。另外,如按高清電視的拍攝標準要求,顯色指數則提高到90。

圖14 面光、耳光布局

圖15 頂光、側光布局

對于不設固定舞臺的營業性大中型體育館,各類演出活動一般都是由承辦方臨時搭建燈光系統,體育館只需做好配電、承重和安裝條件等內容設計即可。

2 多功能體育館設計實例

2.1 古鎮體育館建聲、擴聲和燈光系統設計[2-6]

中山市古鎮體育館是中山市每年舉辦“國際燈飾博覽會”的主場館,是古鎮開展政治、經濟、學術、文化體育活動和對外交往的重要場所,也是展示地區精神面貌、文化品位乃至經濟實力的窗口。其功能既要滿足各類體育比賽和群眾性體育活動的要求,同時又能滿足大、中型會議、科技文化交流以及綜合性的專業文藝演出與群眾性文藝活動的需要。體育館比賽大廳內有效容積64 950 m³,室內總表面積10 840 m²,滿場觀眾2 530人,每座所占有效容積為25.67 m³。

2.1.1 建筑聲學設計方案

建筑聲學設計按照GB/T 50356—2005《劇場、電影院和多用途廳堂建筑聲學設計規范》的多用途廳堂指標設計。整個天花除保留部分采光帶外,全部作強吸聲處理,采用經過測試的彈性吸聲板(預制件),順著網架的形狀吊掛于棚頂(見圖16)。觀眾廳后墻、側墻和比賽場地的側墻均安裝寬頻阻燃裝飾定型帶空腔穿孔吸聲板。舞臺后墻及側墻均安裝穿孔吸聲板。

圖16 比賽大廳頂棚及吊掛系統

舞臺對面墻面:使用50 mm厚欽藝裝飾穿孔吸聲板(芯材和1 mm厚穿孔鋁板飾面均為A級不燃)做吸聲/擴散體裝修。一樓墻面為平面安裝,后空腔為200mm 。二樓2.5m以下為平面安裝,后空腔為100 mm;二樓2.5 m以上為(長邊1.2 m、短邊0.6 m)安裝立體三角形墻面(拱高250 mm、左右對稱)。

圍欄墻面(70 ㎡):使用50 mm厚欽藝弧面穿孔吸聲板做吸聲擴散體(圓弧長1.2 m、拱高200 mm)安裝,后空腔為100 mm。

兩側弧形墻面:使用50 mm厚欽藝裝飾穿孔吸聲板,平面安裝,后空腔為200 mm。

側墻上柱面(150㎡):使用50 mm厚欽藝弧面穿孔吸聲板。

比賽池兩側墻面(120㎡):使用50 mm厚欽藝裝飾穿孔吸聲板,平面安裝,后空腔為200 mm。

館內2扇大門(35㎡)改造成隔聲門,隔聲量≥30 dB(A)。

棚頂:用50 mm厚欽藝弧面彈性吸聲板和穿孔鋁塑板復合而成,芯材和飾面(3 mm厚穿孔鋁塑板)均為A級不燃。

改造后空場混響時間達到的指標見表1。館內舞臺對面墻面無回聲,背景噪聲限值:NR≤40;比賽池墻面無顫動回聲。

2.1.2 擴聲系統設計方案

本節只討論古鎮體育館(屬中小型多功能體育館)固定演出模式擴聲系統設計。

擴聲系統設計指標按照GB/T 28049—2011《廳堂、體育館擴聲系統設計規范》多用途類二級指標。揚聲器系統布局參見圖17,采用左、中、右三組JBL VS3215-9三分頻主擴揚聲器;舞臺頂部的中置揚聲器組包括3只JBL VS3215帶有中高音大型號筒的全頻揚聲器和1只JBL 4638超低音揚聲器;舞臺兩側各設置JBL VS3215和SRX4725,以及4只樂富豪雙18英寸超低揚聲器(利用原有設備);舞臺前沿配置4只JBL AM6215/64兩分頻返送揚聲器;觀眾席頂部的馬道吊掛6只JBL AM6215/64兩分頻揚聲器,將直達聲直接復蓋觀眾席,盡量減少反射聲的不良影響。系統以1臺Soundcraft SPIRIT8調音臺為中心;處理設備包括2臺一體化數字處理器DBX 480、1臺DBX260,以及1臺智能化的會議傳聲器自動混音臺;功率放大器有Crown MT3600、Crown MT2400、Crown MT1200等。

圖17 揚聲器系統立面布局圖

工程竣工后實測各項電聲指標,全部達到設計目標。

2.1.3 照明系統設計方案

古鎮體育館的照明設計包括比賽場地照明和舞臺區照明兩個系統。

(1)比賽場地照明系統[3,7]

本館比賽場地照明按照JGJ153——2016《體育場館照明設計及檢測標準》中對籃球、排球場地的照明標準值的Ⅲ級(專業比賽)指標設計。

燈具布局及型號選擇見圖18(籃球場平面及燈具布局圖),共設置1 500 W MZ金屬鹵化物燈具12臺(圖18中的D01~D12)作為比賽場地的基礎照明,另設置1 500 W石英鹵鎢燈具4臺(圖18中的E1和E4)作為出口區的輔助照明(本案例為早期設計,尚未推廣LED燈具)。安裝高度均為18 m。應用燈具照明設計的專用軟件分別對清潔模式
(Cleaning)、專業比賽模式(Pro.Competition)、專業訓練模式(Pro.Training)、娛樂模式(Entertainment)和出口區域(Egress)進行照度分析。以專業比賽模式為例,開啟全部12臺1 500 W MZ燈具,照度分析結果見圖19《專業比賽模式點照度分布》及表2《專業比賽模式照度統計》。

圖18 籃球場平面及燈具布局圖

圖19 專業比賽模式點照度分布

古鎮體育館賽場各項指標均達到設計目標,而并未達到電視轉播國家、國際比賽以上的照明標準值要求。作為鎮一級的體育館,從節省投資以及長期運營的的角度,證明該設計是一個切合實際的優選方案。

(2)舞臺區照明系統(固定舞臺)[3,4]

舞臺區照明系統設計按照JGJ/ 57—2000《劇場建筑設計規范》的要求,設置面光、頂光、耳光、側光、天幕光、流動光等;考慮到電視拍攝和實況轉播的需要,其照度、色溫和顯色性等指標按照GY5045—2006《電視演播室燈光系統設計規范》的要求。

舞臺燈光平面布局圖如圖20所示。面光由24支2 000 W影視回光燈和聚光燈組成,光束自舞臺正前方的電動吊架上以45°投向舞臺。耳光分別由4支回光燈和4支聚光燈組成,裝于臺口兩側交叉投向舞臺,能增強舞臺道具、布景和人物的立體感。頂光設置由舞臺口向后延伸布置,選用24支2 000 W聚光燈,用于補充舞臺中、后部的藝術效果。逆光用24支2 000 W回光燈,布置在舞臺中后部,確保舞臺的立體效果。在天幕前舞臺上部吊桿設12支1 250 W天幕燈,俯射天幕,作背景及天空布景照明。

圖20 舞臺燈光平面布局圖

燈光控制,150路數字調光臺,并配以全數字硅柜12套(每套12路×4 kW)。

吊掛設備,舞臺上空網架位置設固定吊桿4道;舞臺前方上空的網架上配置長18 m的鋁合金面光吊架一組,用3臺電動葫蘆升降;加上長6 m的鋁合金左、右耳光架各一組,各用2臺電動葫蘆吊掛升降。采用電動升降吊桿的方案是為了便于對燈具進行必要的角度調整或維護修理(例如換燈泡)。一般學校的中小型多功能體育館,考慮日常管理,也可以不設電動升降吊桿,采用固定的面光和耳光的燈具吊桿,但需在棚頂增設有扶手欄桿的維護馬道,便于對燈具進行必要的角度調整或維護修理。實踐經驗證明,學校單位不宜采用移動不便且欠安全的移動式電動升降維修梯。

2.2 廣州國際體育演藝中心建聲和擴聲系統設計[8,9]

廣州國際體育演藝中心場館總建筑面積12萬平方米,定位主要是滿足NBA籃球比賽及文藝表演。為2010年廣州亞運會興建的體育館,按照NBA(美國籃球職業聯盟)制訂的標準設有18 000個觀眾席,從設計定位開始即打出“廣州國際體育演藝中心”的品牌,在建聲、擴聲及燈光系統設計和坐位布局上作了精心的策劃。場館的滿場混響時間(500 Hz~1 kHz)控制到1.7 s左右,125 Hz~4 kHz混響時間頻率特性曲線趨于平直。以這個比較優越的演出環境作為基礎,帶來了強大的商演吸引力。從舉辦2010年度NBA中國賽和第16屆亞運會等眾多體育賽事開始(圖3),十年來舉辦了湖南衛視、江蘇衛視跨年演唱會,郎朗獨奏音樂會,雅尼樂隊音樂會以及海內外二十多場眾多歌星演唱會(圖4)、車展和新車發布會(圖5)。

圖3 廣州國際體育演藝中心體育比賽


圖4 劉德華世界巡回演唱會


圖5 車展和新車發布會

2.2.1 建筑聲學設計方案

2.2.1.1 建聲初始條件分析

該館比賽大廳呈橢圓形,廳內最大高度42.39 m,有效體積約為331 021 m³,內表總面積約38154.62㎡(無活動看臺時),相應觀眾席位有18 000人,每座容積比約18.4 m³,體積界面比為8.58,場內平均自由程為34.7 m。其建聲設計在控制調整混響時間的同時,重點考慮消除回聲和長延遲反射聲,為擴聲系統創造一個良好的建聲環境。

2.2.1.2 建聲設計依據及指標

執行中華人民共和國行業標準JGJ/T131—2000《體育館聲學設計及測量規程》,并參照NBA的藍球場國際標準設計,設計指標如下。

比賽大廳混響時間:中頻500 Hz ~ 000 Hz,滿場混響時間為1.9 s;其他頻率與中頻滿場混響時間見表3;

聲場均勻度≤±4 dB;

頻率響應均勻度≤±4 dB;

背景噪聲限值:比賽大廳NR-35或40 dBA

2.2.1.3 建聲設計主要措施

屋蓋內外兩層構造,外層保溫,內層吸聲;屋面內側的護面為金屬穿孔板,內層鋪設寬頻吸聲材料。
在屋架的下弦平面懸掛空間吸聲體,如圖21所示。

圖21 廣州國際體育演藝中心內景吸聲體的位置

館內墻、場地四周墻、一層觀眾席后墻和二層觀眾席后墻等均安裝寬頻帶吸聲結構,該結構由不同空腔的鋁穿孔板吸聲結構和高密度裝飾吸聲板組合成。

屋架上下弦之間四周墻體貼木絲板或高密度吸聲板。

馬道平臺下吊掛空間吸聲體。

比賽場地為架空木地板結構。

觀眾席挑臺欄板做成向下傾斜30°,外側采用鋁穿孔吸聲結構。

比賽場地四周可伸縮座席的后墻進行普通聲學裝修。

2.2.2 擴聲系統設計方案

2.2.2.1 設計依據及目標

擴聲設計指標和要求參照JGJ/T131—2000《體育館聲學設計及測量規程》中一級擴聲特性指標和NBA場館擴聲指標要求,兩者中選取高的技術數據作為系統設計指標。

最高持續聲級不低于105 dB。

聲場不均勻度應為全頻帶±2 dB和1倍頻段2000 Hz ±2 dB。

同一信號源、多個揚聲器同時覆蓋區域,在任何座位聽到的直達聲級要比晚到其超過10 ms的信號聲級高至少10 dB。

語音清晰度實現不超過10% Alcons、不低于CIS 0.87或0.75的STI。

傳聲增益, 125Hz~4000Hz平均不小于-10 dB,沒有明顯聲反饋。

頻率響應特性以125 Hz~4 000 Hz平均聲壓級為0 dB,在此頻帶內容許±4 dB的變化(1/3倍頻程測量);63 Hz~125 Hz和4 000 Hz~8 000 Hz的容許變化范圍滿足傳輸頻率特性一級。

擴聲系統無明顯噪聲。

場地擴聲系統與緊急廣播系統共享,場地擴聲系統需預留與緊急廣播系統一定的無縫銜接,并達到緊急廣播系統所需的相關標準。

2.2.2.2 揚聲器系統布局及擴聲系統

揚聲器系統布局以集中式為主,結合分散式,如圖22所示。主擴揚聲器6組全頻加低頻的線陣列揚聲器組,均勻固定懸掛(電動升降)于中央記分牌外圍、正上方頂棚弦下,覆蓋觀眾席區(參見圖21);1組輔助揚聲器位于記分牌下面覆蓋比賽場地,最低點高于地面15 m以上。合計共裝設雙12英寸全頻線陣列揚聲器72只,雙15英寸超低頻揚聲器24只。另外,在外圈馬道上加裝15英寸全頻揚聲器24只,作為觀眾后區的近場供聲。

圖22 揚聲器布局

整個擴聲系統是基于數字音頻處理(DSP)系統設計,采用以太網傳輸架構的CobraNet技術(當年Dante尚未推廣),全點雙工雙向傳輸,遠距離傳輸主干線均采用光纖。所有揚聲器設置了分區開關,以便根據觀眾的上座率和分布區域,關閉那些沒有觀眾區域的揚聲器,以減少過多的激發空座區的混響聲能,提高場館的聲音清晰度。

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