張妍君

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信院，天津 300308）

0 引言

作為鐵路車站旅服系統(tǒng)的重要組成部分，客運(yùn)廣播系統(tǒng)需要為旅客及時(shí)提供清晰、準(zhǔn)確的引導(dǎo)服務(wù)，在車站旅服區(qū)域內(nèi)，廣播系統(tǒng)聲場的效果影響到旅客對車站服務(wù)質(zhì)量優(yōu)劣的直觀判斷，因此鐵路車站聲場設(shè)計(jì)十分重要，且受到了廣泛關(guān)注。

聲場設(shè)計(jì)包括建筑聲場設(shè)計(jì)（簡稱建聲設(shè)計(jì)）和擴(kuò)聲聲場設(shè)計(jì)（簡稱擴(kuò)聲設(shè)計(jì)）。建聲設(shè)計(jì)包括建筑物各房間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸形狀設(shè)計(jì)以及裝修設(shè)計(jì)等方面，通過合理的建聲設(shè)計(jì)以達(dá)到合理的混響時(shí)間，避免產(chǎn)生聲聚焦、顫動(dòng)回聲等問題；擴(kuò)聲設(shè)計(jì)主要是揚(yáng)聲器系統(tǒng)指標(biāo)的選擇、揚(yáng)聲器數(shù)量的確定、放置位置及角度的選擇［1］，合理的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以保證聲壓級(jí)高、聲音清晰、聲場均勻等［2］。

在建筑聲環(huán)境可能存在問題的情況下，為了使廣播系統(tǒng)最終能達(dá)到令人滿意的效果，在進(jìn)行具體工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)者有必要先對建聲設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，如果經(jīng)過分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)建聲設(shè)計(jì)存在較大缺陷，應(yīng)對改善建筑聲學(xué)缺陷提出合理可行的方案，包括吸聲材料選擇及聲音擴(kuò)散、隔聲等方面的建議，需由建筑設(shè)計(jì)者確認(rèn)后方可實(shí)施。若廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)者僅從自身角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，而沒能及時(shí)分析并發(fā)現(xiàn)建筑聲學(xué)的設(shè)計(jì)問題，廣播系統(tǒng)的聲場效果就無法保證。

1 車站建筑聲環(huán)境分析

混響時(shí)間是對建筑聲環(huán)境進(jìn)行分析的常用指標(biāo)，在聲場中所有可能影響音質(zhì)的聲學(xué)參量中，混響時(shí)間是在設(shè)計(jì)過程中可以定量計(jì)算的、比較精細(xì)的指標(biāo)。

1.1 混響時(shí)間概述

混響時(shí)間的定義為：當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，聲壓衰減60 dB所需要的時(shí)間，以s為單位，與房間容積、房間裝飾材料、溫度及濕度有關(guān)。若混響時(shí)間過短，人耳聽到的聲音會(huì)枯燥、發(fā)干、不親切不自然；若混響時(shí)間過長，人耳聽到的聲音會(huì)有含混不清的感覺；混響時(shí)間合適時(shí)，聲場會(huì)表現(xiàn)出非常出色的效果，聲音圓潤飽滿，不干癟、不拖沓。

目前新建車站常采用玻璃幕墻、大理石等石材及乳膠墻面作為室內(nèi)裝飾材料，這些材料均為高反射材質(zhì)，吸聲系數(shù)較低。如果房間的裝修面均選用此類材質(zhì)，且不采取一定的吸音措施，非常容易導(dǎo)致房間的混響時(shí)間過長［3-5］。

1.2 混響時(shí)間計(jì)算

混響時(shí)間的計(jì)算方法通常有3種，分別是賽賓公式、依林公式和考慮空氣吸收作用的依林-努特森公式。其中，賽賓公式假設(shè)聲能是連續(xù)衰減的，在室內(nèi)總吸聲量的值較小、混響時(shí)間長的情況下，混響時(shí)間的實(shí)測值與賽賓公式的計(jì)算值比較一致。依林公式認(rèn)為反射聲能不像賽賓公式所假設(shè)的那樣連續(xù)衰減，而是由于聲波與界面的每次碰撞都引起衰減，所以呈階梯形衰減。依林公式比賽賓公式更加接近實(shí)際情況，特別是在室內(nèi)表面平均吸聲系數(shù)較大的情況下。然而，賽賓公式和依林公式都只考慮了室內(nèi)材質(zhì)和物體表面的吸收作用，沒有考慮室內(nèi)空氣的吸收作用，依林-努特森公式對此進(jìn)行了修正，考慮了空氣溫濕度的影響，并將空氣吸收系數(shù)引入到公式中。在此利用依林-努特森公式計(jì)算混響時(shí)間：

式中：T60為混響時(shí)間，s；V為房間的容積，m3；S為房間的總表面積，m2；為室內(nèi)各界面的平均吸聲系數(shù)；m為空氣吸聲系數(shù)。

1.3 基于BIM的混響時(shí)間計(jì)算

BIM模型不僅是三維可視化的，更是參數(shù)化的、包含附加信息的。BIM模型完成后，其與幾何形狀相關(guān)的長度、高度、面積、體積等信息，以及與界面裝修材質(zhì)相關(guān)的吸聲系數(shù)等信息都包含或可以附加到模型屬性中。作為廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，利用建筑設(shè)計(jì)方提供的BIM模型信息能快速計(jì)算出各房間的混響時(shí)間。建筑聲學(xué)分析能夠讓廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)者及時(shí)反饋建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)的不足，即使在建筑結(jié)構(gòu)無法改變的情況下，也可通過玻璃幕墻覆蓋光紗、增加綠植敷設(shè)、增加吸聲板等方式來改善聲環(huán)境。

2 BIM技術(shù)在聲場設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 建模應(yīng)用

車站建筑模型通常采用Revit軟件建立。車站建筑建模后，對模型進(jìn)行瀏覽檢視，模型包含各界面的幾何相關(guān)信息和裝修材質(zhì)信息，建筑模型通常不包含各材質(zhì)的吸聲系數(shù)、空氣吸聲系數(shù)等內(nèi)容，需要附加到模型對應(yīng)室內(nèi)表面的實(shí)例屬性下。

對于某些大型車站，由于整體建筑模型體量較大，除需要進(jìn)行聲場分析的區(qū)域及相關(guān)信息外，多余的內(nèi)容會(huì)影響信息的提取和添加，進(jìn)而影響運(yùn)行效率，因此建議將有效信息提取后重新建立簡單模型，模型能夠表達(dá)候車廳、售票廳、出站廳等需要進(jìn)行聲場分析的公共區(qū)域幾何特性，保留相關(guān)界面和吸聲物體即可。

2.2 附加信息添加

在Revit中可以通過添加項(xiàng)目參數(shù)的方式，為指定類型添加參數(shù)?？蓪⑽曄禂?shù)作為實(shí)例屬性，添加到墻面、地面、吊頂以及其他吸聲物體的族類別中（見圖1）。

圖1 添加項(xiàng)目參數(shù)

添加完成后，吸聲系數(shù)能夠在屬性面板上顯示，并且可在Revit Lookup中查找到該參數(shù)對應(yīng)的屬性與方法，以便在Revit二次開發(fā)時(shí)獲取相關(guān)信息（見圖2、圖3）。

圖2 屬性面板上顯示“吸聲系數(shù)”

圖3 Revit Lookup中查看“吸聲系數(shù)”

2.3 Revit API[6-8]

Revit系列的所有產(chǎn)品都提供了協(xié)助調(diào)用外部命令和應(yīng)用的程序接口API，供用戶將其應(yīng)用程序集成到Revit產(chǎn)品中。利用Revit API可以訪問模型的圖形及參數(shù)數(shù)據(jù)、創(chuàng)建修改及刪除模型元素、批量完成重復(fù)工作、執(zhí)行BIM分析等。Revit API允許使用者利用任何與.NET兼容的語言來編程，在此選用在Microsoft Visual Studio 2019平臺(tái)下采用C#語言進(jìn)行二次開發(fā)。

Revit API的開發(fā)有外部命令（External command）和外部應(yīng)用（External application）2種方式。2種方式的區(qū)別為：外部命令本質(zhì)上是對execute()方法的重載，通過Revit SDK將該功能加載并嵌入到Revit中，在execute()方法中添加用戶程序、編輯代碼；外部應(yīng)用是一種比外部命令更加高級(jí)的方式，對應(yīng)的IExternalAppli?cation接口有2個(gè)抽象函數(shù)OnStartup()和OnShutdown()，用戶可以通過在外部應(yīng)用中重載上述2個(gè)函數(shù)，在Revit啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)編寫所需的功能，該方式可在Revit面板中增添不同功能的按鈕。

2.3.1 使用元素過濾器獲取元素

用來迭代以及過濾元素的主要類是收集器（FilteredElementCollector），利用FilteredElementCollector（Document document）的構(gòu)造方式，收集器可以由文檔進(jìn)行構(gòu)造，此時(shí)迭代會(huì)從文檔所有的元素進(jìn)行。FilteredElementCollector提供了1組方法，用戶可用其設(shè)置查詢和過濾感興趣的元素集?？梢岳每旖莘椒∣fClass()過濾出墻、天花板、樓板、門、窗、幕墻等不同元素，以便對其進(jìn)一步操作。

2.3.2 使用Revit API獲取參數(shù)[9-10]

對于元素參數(shù)的獲取，可以利用Element.Parameters獲取所有參數(shù)，也可通過Element.get_Parameter()獲取所需的單個(gè)參數(shù)?？赏ㄟ^4種方式來選擇參數(shù)：（1）參數(shù)的名字（string類型）；（2）BuiltInParameter參數(shù)枚舉；（3）Definition參數(shù)定義；（4）Guid參數(shù)的guid。其中，效率最高的方法是BuiltInParameter參數(shù)枚舉。通常利用Revit的lookup插件來查找參數(shù)的BuiltInParameter：首先打開lookup的snoop current selection選項(xiàng)，在parameters中選擇對應(yīng)的參數(shù)再雙擊definition，即可看到該參數(shù)BuiltInParameter對應(yīng)的枚舉值。使用get_Parameter（BuiltInParameter.枚舉值）便可在程序中獲取該參數(shù)（見圖4）。

圖4 Revit Lookup中查看BuiltInParameter

2.4 開發(fā)流程與應(yīng)用

2.4.1 開發(fā)流程

得到建筑專業(yè)提供的房間上序資料后，就可進(jìn)行混響時(shí)間的計(jì)算。根據(jù)實(shí)際情況，選擇直接利用建筑模型或是保留相應(yīng)參數(shù)構(gòu)造簡化模型。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算房間的混響時(shí)間，需要對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，具體開發(fā)流程見圖5。

圖5 Revit二次開發(fā)流程

需要進(jìn)行聲場分析的區(qū)域主要為人員密集的公共區(qū)域，這些區(qū)域通常背景噪聲較大，廣播系統(tǒng)的效果直接影響能否準(zhǔn)確傳遞列車到發(fā)、旅客安全及突發(fā)事件處理等信息，關(guān)系到旅客服務(wù)的質(zhì)量。在車站中，主要對候車、售票、出站等區(qū)域的聲環(huán)境進(jìn)行分析。

BIM模型除了包含各個(gè)區(qū)域的幾何模型及相關(guān)參數(shù)外，還包含內(nèi)部裝修界面的相關(guān)材質(zhì)信息，這些參數(shù)和信息共同構(gòu)成了房間聲環(huán)境分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，對應(yīng)不同類型元素所需要提取的參數(shù)種類和數(shù)量存在差異，例如，為了計(jì)算房間容積，需要提取墻體的高度參數(shù)，而對于地面，只需提取其面積而無需長度、寬度等參數(shù)。又如，在計(jì)算墻體材質(zhì)表面積時(shí)，需要用整個(gè)區(qū)域的面積減去門、窗等面積，而對于天花板只需要考慮整體面積即可。因此，在提取元素參數(shù)前應(yīng)先過濾出不同元素并分別提取。

提取出房間高度、材質(zhì)表面積、吸聲系數(shù)等參數(shù)后，分別計(jì)算出房間的容積和材質(zhì)平均吸聲系數(shù)，再根據(jù)給定的空氣吸聲系數(shù)表，在某個(gè)溫濕度下（如室內(nèi)溫度取20℃、濕度取50%）獲取空氣吸聲系數(shù)。利用上述數(shù)據(jù)，計(jì)算得到房間的混響時(shí)間。

2.4.2 應(yīng)用案例

某小型車站（約3 000 m2）的候車廳長約48.0 m、寬約23.0 m、吊頂高度約11.2 m。各裝修面情況如下：地面和內(nèi)墻均為花崗巖；吊頂為鋁條板；四面有玻璃幕墻、玻璃窗及實(shí)木門、防盜門。候車廳Revit簡化模型見圖6，可以體現(xiàn)房屋大致形狀及裝修材質(zhì)相關(guān)信息。

圖6 候車廳Revit簡化模型

添加不同裝修材質(zhì)對應(yīng)的吸聲系數(shù)后，即可運(yùn)行混響時(shí)間計(jì)算的插件，在Revit的“附加模快”選項(xiàng)卡下選擇“外部工具”載入程序（見圖7），運(yùn)行程序后即可計(jì)算得到房間的混響時(shí)間，頻率為1 000 Hz條件下的計(jì)算結(jié)果見圖8。BIM軟件避免了繁瑣的計(jì)算過程，運(yùn)算完成后，可以將自動(dòng)計(jì)算的混響時(shí)間參數(shù)添加到對應(yīng)族的類型屬性中（見圖9）。

圖7 通過“外部工具”載入程序

圖8 混響時(shí)間計(jì)算結(jié)果

圖9 添加“混響時(shí)間”參數(shù)到類型屬性

3 結(jié)論

利用Revit模型及其提供的參數(shù)，通過Revit API進(jìn)行二次開發(fā)后，可快速計(jì)算得到建筑物各房間的混響時(shí)間參數(shù)。利用該參數(shù)可以評(píng)價(jià)建筑聲場設(shè)計(jì)的合理性，從而為擴(kuò)聲聲場設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。