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石慧斌:听世界,金石丝竹之声齐扬

作者:本刊记者 吕腾波  来源:科学中国人  发布时间:2017-8-21

导读:  从人民大会堂到水立方,从清华大学大礼堂到奥林匹克森林公园,在建筑声学领域数十年的坚持,石慧斌用一件件作品,让人们看到了声学设计之于建筑带来的扭转乾坤的变化,而他依然踏步前行,希望建筑声学能为人类谋得更多福利。

   
  被称为当代建筑史上一件“稀世之作”的悉尼歌剧院,曾是世界上最大的“烂尾工程”。其中音乐厅(2679座)历时15年建造完成,但由于音质不佳,又因资金短缺未能改进,长期以来被音乐界抱怨,乃致引发悉尼交响乐团抵制在该厅演出。彼时,甚至有人称,“这个悉尼歌剧院,费了那么大劲,还没修好,干脆拆了算了!”
  1962年建成的美国林肯表演艺术中心音乐厅,由于音质不佳,结果拆掉重建。在英国落成的耗资3200万英镑的旗舰学校,所有的教室没有背墙,孩子们听不清老师讲课,他们不得不另花60万英镑建造背墙来改善听音效果。
  ……
  由于声学设计失败导致建筑落成后达不到使用目的的何止这些?德国斯图加特8万人体育场,国内众多体育场、体院馆都曾因扩音清晰度不理想而无法满足人们的听音要求。
  “不考虑声学处理的建筑设计注定是失败的。”清华同衡规划设计研究院建筑声学与室内设计研究所所长、总工,清华建筑设计研究院建筑技术科学研究中心主任石慧斌如是说。从人民大会堂到水立方,从清华大学大礼堂到奥林匹克森林公园,站在中国声学设计前端的石慧斌用一件件作品,让人们看到了声学设计之于建筑带来的扭转乾坤的变化。

 

  
  我国对于建筑声学的认识和实践古已有之,从隋代的山西永济县普救寺莺莺塔、唐代的潼南县大佛寺石琴,到明永乐时的北京天坛回音壁、三音石、圜丘天心石、皇穹宇对话石,再到清康熙年间的河南郏县蛤蟆音塔,作为中国古代四大声学建筑,彰显着中国古代对建筑声学原理的深刻认识。
  历史翻开新的一页,自19世纪末赛宾提出混响时间的概念和计算公式起,建筑声学不再凭感觉来设计,而成为了独立的学科。我国近代建筑声学始于1929年叶企孙和施汝威两位教授对清华大学大礼堂音质问题的研究。而声学界早期最有影响的开创性工作之一则为马大猷教授于1938年在美国提出的微穿孔理论。新中国成立后,先后在魏荣爵、章启馥、车世光、王季卿、李晋奎等人的带领下,各高校的建筑声学研究逐渐发展起来。今天,石慧斌作为当代建筑声学设计的引领者,在前辈的研究基础上开创了属于自己的全新声学设计时代。
  
声学设计,脚踏实地的摘星者
  
  建筑声学的研究领域包括室内音质设计和噪声控制,通俗地说,一方面要研究如何实现厅堂良好的室内音质效果,另一方面要求对噪声进行控制。“物质文明高度发达的今天,人们对声环境提出了更高的要求,在国外,建筑对于音质提出的要求更为严格,而且凡是剧场等观演建筑,一旦立项就要由建筑师、声学顾问和剧场顾问组成设计组,共同设计,以确保建筑的音质和使用功能。”
  君子居必择处,游必择方,仕必择君。意识到建筑声学对于建筑设计的重要意义,石慧斌在建筑声学设计领域埋头研究数10年,用他的话说:研究是自律并坚持的日常生活。谈起当代的中国建筑声学,数10年的坚持,让石慧斌的成就竖起一座高峰。
  美貌与智慧并存的清华大礼堂,位于清华大学中部,与图书馆、科学馆、体育馆一起构成了清华早期的“四大建筑”。清华大礼堂是当时中国大学中最大的礼堂兼讲堂。而这座承担着大型集会、报告、演讲等重要功能的礼堂,在建成之初就存在听闻不清晰的声学问题。
  为了解决大礼堂的声学问题,1924年清华委派数学教师海宴士等人进行研究,但未能切中建筑声学问题的实质。随后叶企孙教授带领小组专门对建筑声学的基本原理进行了学习研究,分析出大礼堂听闻环境差的原因:一是拱顶的空间存在体型缺陷;二是内墙材料吸声不够造成混响时间过长。但叶企孙小组提出的解决方法在当时未能实施。
  直至2009年,在清华大学百年校庆之际,清华大礼堂的修缮工程作为百年校庆重点项目正式开始。这一次,建筑声学改造的重任交到石慧斌团队的手中。作为一座有百年历史的建筑,清华大礼堂在进行建筑声学改造时存在着种种困难:首先,作为文物保护单位,在修缮过程中明确了“修旧如旧”的基本原则,这给建筑声学设计的吸声材料选择带来限制;其次,因年代久远而老化造成墙面与顶棚承载力减弱,导致拱顶无法增加过多的吸声材料。为此,石慧斌团队在清华大礼堂声学改造的设计中,通过在前辈对大礼堂研究成果的基础上,结合清华大学多年的建筑声学实践积累,在满足“修旧如旧”原则的基础上,创造性的提出了大礼堂声学问题的解决方案:首先,为解决声聚焦与颤动回声的问题,在不影响原貌的前提下,在4个圆柱弧顶上设置强吸声材料,并要求扩声系统扬声器直达声尽量避开该区域,使声聚焦不被激发;其次,为解决混响时间过长的问题,在东、南、西3面砖墙开窗的位置,设置大面积、强吸声的特殊构造的电动窗帘,并在4个圆柱弧顶、楼座下天花以及舞台后墙设置强吸声材料以控制混响时间。此外还改变了座椅送风方式,采用低噪声的空调设备以控制背景噪声。
  修缮完成后,大礼堂语言清晰度、声场均匀度均有提高,基本消除声聚焦、颤动回声等声缺陷,解决了大礼堂由来已久的声学问题。竣工至今大礼堂举办过音乐会、会议、话剧、电影等各种活动,其中包括2011年9月温家宝总理的演讲,声学效果得到了清华大学师生的一致肯定。
  在大礼堂改造成功后,清华大学与时俱进,建造了新清华讲堂,而建筑声学的设计部分仍然交给了石慧斌设计团队。他们总结经验,提出了最佳的声学处理方案,圆满的完成了新清华讲堂的音质设计。
  除了在礼堂类厅堂音质设计方面有所成就以外,石慧斌对于体育类建筑的声学设计也颇有建树,其中最具代表性和影响力的就是水立方的声学设计。
  水立方这座游泳馆,为了体现通透轻盈的设计理念,外皮采用了ETFE膜气枕,但随之而来的声学问题不断出现。水立方的ETFE膜气枕虽然通透轻盈,但这种材料的隔声性能很差,如何使室内噪声满足要求成为难题;同时水立方的室内空间过大,顶棚可布置吸声材料的面积有限,使得混响时间的控制变得困难。为了在满足美学要求的基础上保证良好的声环境,石慧斌对ETFE膜气枕吸声系数、隔空气声隔声量、雨噪声级进行测试。在比赛大厅里利用尽可能多的表面进行吸声处理,采用吸声频带宽,吸声系数大的吸声材料。经过无数次的设计、测验、改进,水立方比赛大厅的声学解决方案圆满解决了声学问题,达到使用要求。
  历经4年之久,2008年1月,石慧斌等设计师给国家交上了一份满意的答卷。
  比赛大厅的声学解决方案达到了声学设计与建筑美学设计的高度统一,为今后声学设计与美学设计的结合工作开辟了新的途径与方法。同时比赛大厅的声学解决方案体现了绿色奥运、人文奥运、科技奥运的奥运理念,很好地解决了吸声材料的环保问题。
  凭借在建筑声学设计领域的不断探索和创新,石慧斌树立了其在行业中的良好口碑,并抓住机遇,完成了一系列国家级别的建筑声学工程。其中最具有代表性的就是人民大会堂北大厅的音质改造。人民大会堂北大厅位于人民大会堂北侧,国家领导人常在此接待外国客人、进行重要讲话和军乐演奏等。由于北大厅室内装饰年代久远,存在混响时间过长,颤动回声等声学缺陷,导致国家领导的接见、讲话以及三军仪仗队的室内军乐演出等活动无法正常进行。为了解决这一问题,石慧斌团队提出了创新性的解决方案:一是将侧墙向上倾斜,消除颤动回声,同时在顶棚铺设吸声材料,吸收侧墙反射到顶棚的声能;二是利用墙面的苏绣画,后衬吸声材料,并将铜门上方的铜板改为微穿孔金属板,增加吸声。通过以上措施,在不改变大厅原貌的情况下,结合建筑装饰巧妙的解决了混响时间过长和颤动回声等声学缺陷。经过声学改造,北大厅的空场中频混响时间由4.1秒缩短到2.53秒,满场可控制在2秒内。大厅的音质有了非常明显的改善,满足了国家领导的接见活动以及军乐演出等使用功能。
  随后,人民大会堂金色大厅的改造项目也交给了石慧斌来负责。始建于1959年的人民大会堂金色大厅是党和国家领导人接见外国政要和各国大使递交国书的重要场所。但在音质方面始终达不到要求。“不隔声,噪声经常通过风道传到其他空间,影响工作。回忆起金色大厅的声学问题,石慧斌至今记忆犹新。
  金色大厅与北大厅存在着类似的音质缺陷,石慧斌借鉴北大厅改造的实践经验,要求3层回廊的东西墙面向上倾斜3度,并在天花采用微孔沥粉贴金画,同时解决了声学问题和美学问题,最终金色大厅的混响时间由3.65秒缩短为2.35秒,使音质有了很大的改善。石慧斌的声学改造解决了人民大会堂金色大厅50年来一直未解决的声学问题,让这座具有重要历史意义的殿堂焕发了新的生机。
  良好的室内声环境要求对厅堂的体型和材料进行控制,但这与室内的装饰常常存在冲突,而石慧斌团队将建筑声学设计与室内装饰设计两个矛盾的方面巧妙的结合在一起,为实现良好的室内声环境提供了更多的可能性,解放军后勤部礼堂的音质改造就是一个很好的例子。
  2012年,由中央歌剧院建设的中央歌剧院项目正式开始。这是一座对音质要求非常高的歌剧院建筑,建成后将成为国内音质最好的剧院建筑之一。为保证良好的音质,建设方特聘石慧斌作为声学总顾问。为了保证剧院的良好音质,石慧斌根据多年对剧院的研究,提出了3点建设性的意见:一是将剧院的总容积控制在最佳范围,为实现良好的音质打下基础;二是要对乐池的尺寸进行严格控制,以保证演奏时良好的听闻效果;三是创造性的提出将管风琴放在舞台两侧,增加了剧院在演出方面的灵活性。
  除了体育馆、会堂、剧院建筑,石慧斌在音乐厅、会议室等多种类型的厅堂音质设计也均有所建树,完成了大小几十个项目。由于在工程实践方面的成绩,石慧斌获得了国家科技进步奖一等奖、教育部优秀建筑工程设计奖一等奖、中国电子学会优秀科技工作者荣誉称号以及华夏建设科学技术奖三等奖。10多年来的实践积累,为石慧斌赢得了满载的荣誉,也让他站在了中国声学设计的顶端,而他却淡淡地说:“能为国家解决一点事让我觉得自己学有所用,我很开心。”
  
等风来,不如追风去
  
  也许你曾遭遇过这样的状况:餐厅看起来洁净安静,而听起来却一片嘈杂;坐在造价2亿元的飞机上,听到的却是年久失修的扬声器发出的廉价立体声系统的噪声
  “是时候为我们的听觉感观设计了。建筑师和设计师常常只注重视觉效果,以视觉的角度来审视设计,以提升视觉感官作为设计目标。”多年来,石慧斌一直在用自己的专业知识,向人们普及声学设计的重要性。
  “目前,我国的园林景观发展异常迅猛,从方案设计到施工作业流程都较为熟练。而在这些景观项目中,不难看到无论是从方案总平面图还是到现场踏勘,通常只单纯考虑了人们的视觉景观效果;即使考虑了场地的人性化设计,也只是片面地加入了尺度等设计要素。其实,景观设计感受是全方位的,把声音景观考虑进去,能够完善空间感受,满足人们的使用需求。”石慧斌说。
  在石慧斌的观念里,人的听觉是获取信息的重要手段,也是人类进化过程中动物脱离人的重要因素,更是感受万事万物的重要渠道之一。“用双耳捕捉的景观”“听觉的风景”,能够让人们享受到原生态的美。只有把声音景观考虑进去才能得到真正来自大自然的声音。“从声音的角度来认识世界,认识人类,来感觉虚拟和抽象的世界人与人之间的差别。”由此石慧斌提出“听世界”概念。石慧斌说他所做的研木木究,都是围绕这个概念进行的。
  在奥林匹克森林公园建设之初,石慧斌就提出在建设时应考虑声音景观并把这一理念用于奥林匹克森林公园的建设。并且石慧斌提出做区域声环境规划,使在城市室外环境规划过程中给人们提供优美的视觉景观的同时,为人们营造良好的与其相互融合的声音景观。“当你置身于森林公园时,它不止在视觉上让你觉得是森林公园,更要在内心得到森林公园带来的享受。所以我提出要做声音景观,要使人在这里可以得到真正大自然的声音,使声音、环境、人得到融合。”这一理念在奥林匹克森林公园的建设中得以运用,建成后的使用效果使人们拍手称赞。
  在中华文化中,不难觅得“听世界”的概念。西湖十景中“柳浪闻莺”“曲院风荷”“南屏晚钟”等景名,恰是通过声音来命名的。在许多艺术作品,通过对声音的描述及表达,借以抒发情致及创造意境也是常见手法。诗词歌赋总关“声”,在这“声”的背后寄予的是人们的绵绵之情。“人们曾经有对声音的个人体验,这种体验令人对景观产生熟悉感,从而调动情绪。记忆中虫鸣鸟叫、溪流河川的流水落水等自然声,古寺钟鸣、传统仪式等文化历史声,孩童的玩耍嬉闹的生活声,都在城市建设过程中逐渐消失,令人怀念。我们利用声音设计就是要满足人们的这种需求,达到这一目的。”
  为何声音会对我们产生如此大的影响?一是周遭声音无时无刻影响着我们的生理、心理、认知力和行为,即便没有意识到它的存在;二是干扰,身处在噪声和传声效果不佳的空间无法沟通和传递信息。
  “针对听觉感官进行设计,会对我们的健康带来巨大好处,这也是我打算探索的一个领域。声学设计如果失败,不只是我们的生活质量受到影响,我们的健康、社会行为,以至生产力亦会下降。”
  史蒂夫曾经说过,光有科技是不够的,科技要与人文和人性结合,才能产生让我们的心为之歌唱的结果。当你把人放于你所做一切事情的中心位置时,就可以产生巨大的影响。石慧斌提出“听世界”,倡导声音景观,正是站在人的角度,彰显着人文关怀。
  凡事豫则立,不豫则废;言前定,则不?;事前定,则不困;行前定,则不疚;道前定,则不穷。石慧斌围绕自己“听世界”的观念展开工作,怀抱“以人为本”的衷心,在声学设计领域奋力前行并信心百倍。就如他所说:“等风来,不如追风去。”
  站在建筑声学的顶峰睥睨众山之时,石慧斌思考的是如何用声学设计营造生活之美。他说:“思维决定人生高度,敢想敢做,成功只是时间长短的问题。我相信,经过探索,声音设计将会为人类谋得更多的福利。”
  
  
专家简介:
  石慧斌,高级工程师、教授,清华同衡规划设计研究院建筑声学与室内设计研究所所长、总工,清华建筑设计研究院建筑技术科学研究中心主任,同时兼任中央音乐学院外聘教授、全国专业标准化技术委员会委员、北京市声学学会理事、中国电子学会声频工程分会委员会委员、中国自动化学会智能建筑与楼宇自动化专业委员会特聘专家、中国建筑业协会智能建筑分会专家、工作委员会专家、中国舞台美术学会专业人才培训高级讲师、中国舞台美术学会剧场建筑与舞台技术专业委员会专家委员、《演艺设备与科技》杂志编委、中央歌剧院剧场建设项目建筑声学专家。
  

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