1.建築概況
國家遊泳中心（水立方）位於北京市北四環外，北中軸線西側，平面為177ｍ×177ｍ的正方形，建築高度為30ｍ。“水立方”是壹個關於水的建築，“水”是建築的靈魂。水立方概念並不是單壹的創意，而是壹系列的互為補充的設計理念。設計創意中所表現的水立方形式和特徵意在使國家遊泳中 心成為壹個水的世界。［１］建築外立面採用 ETFE膜結構，很好地實現了建築的設計創意（圖1）。
水立方室內設計延用了建築設計通透輕盈的整體設計理念，盡可能直接採用ETFE膜氣枕作為室內表面材料，使得室內空間充分地享受到自然光。水立方的室內聲學設計是在實現以上建築設計理念基礎上進行的，要求室內聲學設計以現代建築的語言對美學問題做出響應，努力使它成為壹個令人激動、快樂的和完善的體育設施，為所有進入和使用水立方的人們帶來愉悅。
2.模型測試
如國家遊泳中心這般，ETFE膜氣枕在大型建築中大規模使用在國內外尚屬首次，國內外還未有相關ETFE膜氣枕聲學性能的準確數據。因此，在國家遊泳中心聲學設計之初，為獲得ETFE膜氣枕聲學性能參數，對ETFE膜氣枕進行了模型測試。
2.１ETFE膜氣枕模型
國家遊泳中心採用的ETFE膜結構由雙層ETFE膜氣枕構成，每壹層ETFE膜氣枕又由三層或四層ETFE膜充氣組成。其內外立面共由3099個氣枕組成，總面積約10萬m2，由24種基本形狀排列而成；大小不壹，其中最小的1-2m2，最大的達90ｍ2［２］。模型測試時，為節約投資，確定採用21.6ｍ2的雙層ETFE膜氣枕，兩個氣枕間距3.6ｍ（圖２）。由於模型尺度很大，壹般常用的混 響室或隔聲實驗室無法對其進行測試，需建立專門實驗室對ETFE膜氣枕進行模型測試。
2.2.模型實驗室
模型實驗室建於清華大學校園內，平面為正六邊形，邊長3.8ｍ，每兩組平行墻面間凈距離6.4ｍ，混響室面積35.5ｍ2。實驗室總高度為15.35ｍ，分上下兩部分，下部為混響房間部分，高6.6ｍ；上部為模擬降雨部分，主體為位於塔頂的水槽，由上部鋼架支撐（圖3-5）。
2.3.模型測試項目
根據國家遊泳中心聲學設計中存在的問題，確定ETFE膜氣枕聲學測試的測試項目，它們包括ETFE膜氣枕的：
1）吸聲系數測試；
2）隔空氣聲隔聲量測試；
3）雨噪聲級測試；
在模型測試開始之前，針對每個測試項目確定了多種的測試條件（三個項目共計近80種測試條件），以獲得豐富的實驗數據，為提出合理科學的聲學解決方案提供數據支持。
2.4.吸聲系數測試結果
吸聲系數檢測［3］進行了近10種不同條件的測試，較為典型的測試結果如表1、表2所示。
2.5.模型實驗小結
經過模型測試，我們對ETFE膜氣枕構造的聲學性能有了初步的了解，為水立方比賽大廳混響時間控制提供了基礎數據。
單層ETFE膜氣枕對低頻聲有壹定吸收，而雙層ETFE 膜氣枕的吸聲性能不佳，當氣枕為三層膜時NRC為0.05，與平板玻璃的吸聲性能相當，由此可見雙層ETFE膜氣枕構造能為比賽大廳的混響時間控制提供的吸聲量極為有限，必需在比賽大廳室內另外增加大面積、高吸聲性能的吸聲材料；當雙層ETFE氣枕（每個氣枕３層ETFE膜）下附壹層小孔透明薄膜時，能提高構造的吸聲情況系數，尤其對中高頻吸聲性能的提高更為明顯，使其NRC達到0.35，這壹結果為提高透明ETFE膜氣枕構造的吸聲性能提供了壹種途徑；在兩個氣枕中間加兩層陽光板，會使構造吸聲性能進壹步減弱，特別是低頻吸聲性能減弱明顯；在兩個氣枕中間加強吸聲材料（巖棉或玻璃棉等），對構造吸聲性能影響不大；在兩個氣枕上增加阻尼材料，對構造吸聲性能影響不大。
3.比賽大廳室內聲學解決方案
經過4年緊張而漫長的室內聲學設計及施工，水立方終於2008年1月28日竣工交付使用了。作為參與其中的專業設計師，繃緊的神經終於可以放鬆下來，可以站在旁觀者的角度來審視回味它的設計和建設過程。
其實在開始著手水立方比賽大廳聲學設計之初，我們對遊泳館的聲學設計認識還是停留在以往的經驗上：設有跳水臺的比賽大廳空間巨大；水面與磁磚地面使得大廳地面無法布置吸聲材料；天花板上吊有大量吸聲體，以彌補地面吸聲的不足。面對聲學性能不確定的ETFE膜氣枕和水立方室內設計的輕盈、通透的裝飾設計效果，的確有些惴惴不安。
3.1.比賽大廳概況
國家遊泳中心比賽大廳平面為126.3×116.7ｍ的矩形，投影面積為13500ｍ2，室內凈高28.4ｍ。賽時容積為280500ｍ3，共17000座（其中11000座為臨時性座椅，6000座為永久性座椅），每個座椅容積約為16.5ｍ3。功能定位為舉行大型國際比賽，國家隊訓練等。
3.2.比賽大廳混響時間設計允許值
根據比賽大廳的使用要求、國家相關規範、ETFE膜結構的吸聲性能以及聲學專家討論會會議意見確定，比賽大廳的中頻滿場混響時間控制在2.5s以內是可以滿足使用要求的，同時要求頻率特性基本平直，低頻允許有壹定的提升，具體設計允許滿場混響時間頻率特性如表3:
3.3.比賽大廳吸聲材料布置情況
比賽大廳賽時總容積為280500ｍ3，室內總表面積大約40306ｍ2，室內表面盡可能地大面積採用ETFE膜氣枕外露，經模型實驗得知該氣枕構造只對低頻聲有所吸收，而對中高頻聲幾乎為全反射材料，其聲學特性與平板玻璃相似。因此，在對比賽大廳進行吸聲處理時，採取了以下兩個方面的措施：
1） 利用盡可能多的表面進行吸聲處理（圖6）。
a） 臨時天花—臨時觀眾席以上部分，共5133ｍ2，為比賽大廳內最為完整與面積最大的可處理吸聲面。
b）中部天花—ETFE氣枕夾具，為了得到更多的吸聲面積，將氣枕夾具加寬到800ｍｍ（原400ｍｍ），形成寬天溝，共設置了1772ｍ2的吸聲面，分散布置於ETFE氣枕間。
c）天花馬道—將馬道下部的風管用吸聲材料U形三面貼附，可產生2393ｍ2的吸聲面積。
d）比賽大廳電梯井的外墻面—共有吸聲面積1867ｍ2。
e）臨時觀眾席後墻—共有吸聲面積523.6ｍ。
f）東、西立面—在B1層與首層，比賽大廳的東側與西側的觀眾席看臺通道的天花與側面，共計面積753ｍ2。
g）固定座椅席入口側立面設置為吸聲面，共390ｍ2。
h）東立面的ETFE膜氣枕上掛吸聲材料，可提供吸聲面積1734ｍ。
2）採用吸聲頻帶寬，吸聲系數大的吸聲材料
各吸聲表面材料分佈如下： 鈦科絲吸音板（Techstyle），布置的面積有：a），h）共6867ｍ2； 艾音科微孔吸聲材料（Basotect），布置的面積有：c）共2393m２； 穿孔鋁合金板，布置的面有：b）共1772ｍ2； 穿孔鋁蜂窩板，布置的面有：d）、e）、f）共3143m。
經過以上處理後，計算可知比賽大廳混響時間可以達到設計值，滿場混響時間計算值與設計值比較如表4所示。
3.3.比賽大廳ODEON軟件模擬
國家遊泳中心比賽大廳設計方案確定以後，再利用計算機聲場模擬軟件ODEON6.5來進行聲場模擬，以此來修正傳統聲學設計的不足。
ODEON軟件在計算之前應輸入：三維的閉合空間模型、各圍合面的聲學特性、聲源特性及位置、接收點的位置、坐席接收面的位置。
ODEON軟件計算時應確定的參數有：聲源聲線根數、反射次數、截止混響時間、動態範圍等。在計算機軟件模擬過程中，採用了自然聲狀態模擬和擴聲系統狀態模擬二種方式，其滿場混響時間模擬結果如表5所示。從以上結果可以看出，聲學設計方案可以達到設計允許要求。
3.4.吸聲構造與建築美學的結合
上世紀70年代以來，“簡約”的設計傾向成為現代建築的壹個明顯特徵的潮流，這種設計趨勢是以盡可能少的手段與方式感知和創造，即要求除去壹切多餘和無用的元素，以簡潔的形式客觀理性地反映事物的本質。國家遊泳中心的整體設計中很容易辨認出壹種現代的簡約思想的痕跡，從而壹些傳統的聲學設計手法與構造不再適合比賽大廳的室內聲學設計，必須從新的角度尋找新的材料與構造，以適合國家遊泳中心的整體設計風格。
在最終室內聲學解決方案確定之前，設計人員對聲學材料的選擇與聲學構造的實現，進行了多次的研究與討論。
1） 臨時觀眾席上天花 設計之初曾計劃使用穿孔鋁合金板，考慮到這部分天花在奧運會後將要拆除，金屬天花將會造成相對浪費。後來確定採用透光率高的鈦科絲吸音板（Techstyle），該板主材為玻璃纖維，分為上下兩層，中間有肋（圖7），面層包無紡布料。選用該材料壹是由於其吸聲系數較大，NRC達到0.85以上，另壹方面是由於其面密度比較小，為1.3kg／m2，還有較強的透光性和防潮性能。比賽大廳施工完成後，臨時觀眾席的採光也可滿足使用要求，達到了較為輕盈通透的視覺效果（圖10）。
2） 寬天溝 天花中部8000多m2的面積，ETFE膜氣枕直接外露，為避免中部天花與遊泳池、跳水池及池邊硬面產生顫動回聲，也為進壹步增加天花的有效吸聲面積，按傳統做法吊掛下垂式吸聲體能解決聲學問題，卻破壞了室內的建築效果。經多次討論，最終決定將固定內層氣枕用的氣枕夾具加寬至800mm，形成寬天溝，並在寬天溝上附加穿孔鋁合金板吸聲構造（圖8,9）。
寬天溝總面積為1770ｍ2左右，約佔中部天花面積的20％，且均勻布置，同時氣枕充氣後外凸的造型也有利於中部天花的聲擴散，這都使得建成後比賽池及池邊硬地面區域未能產生顫動回聲。寬天溝的構造，既保留了中部天花氣枕外露的美學要求，也增加了天花的有效吸聲面積，同時避免了顫動回聲的產生，可謂壹舉三得。
3）馬道 馬道主要功能為檢修設備。比賽大廳的馬道上還吊有空調風管，截面大小不壹，有粗有細。為增加吸聲面積，同時改善馬道的視覺效果，在馬道與空調管道外三面加掛100ｍｍ厚艾音科微孔吸聲材料（Basotect）。該材料為壹種防潮海棉狀高分子微孔高效吸聲材料，為純白色，質輕，容重為8kg／m3。在吊掛時，分割為3m壹塊，每塊之間留有100ｍｍ的空縫，使得馬道整體更加輕盈（圖9）。
4） 東立面 從ODEON計算機模擬結果看，如果東立面不布置吸聲材料（鈦科絲吸聲板），混響時間將會達到2.8秒左右，將不能達到設計允許值，如果東立面布置吸聲材料，混響時間將控制在2.5秒以內，而且通過ODEON模擬結果中的反射聲序列可以看出，東立面的反射聲對混響時間的延長起到了關鍵的作用。因此，東立面必須進行吸聲處理。東立面施工完成後，半透光的鈦科絲吸聲板保證了東向採光的亮度，又增加了東向外墻的整體隔聲性能，也達到了聲學與建築室內效果的統壹（圖10）。
5） 穿孔鋁合金蜂窩板 觀眾席背墻和電梯井外墻均布置了大塊穿孔鋁合金蜂窩板構造，穿孔率16％。鋁合金蜂窩板表面平整，不易變形，為乳白色，很好地與大廳的主色調融為壹體。 晚上，站在大廳西側地面，從泳池中可以看到眾多ETFE氣枕的倒影；從眾多的ETFE氣枕上也可以看到兩個遊池的凸面鏡成像，美侖美奐。
3.5.比賽大廳聲學材料的環保與防潮
作為2008年北京奧運會的主要場館，國家遊泳中心比賽大廳使用的聲學材料均為新型環保、防潮材料。其中馬道下部風管周邊使用的艾音科微孔吸聲材料和臨時座椅上方吊頂、東立面ETFE膜氣枕立面吊掛的鈦科絲吸音板均為新型吸聲材料，在大型遊泳場館中首次使用，均達到了環保與防潮要求。在穿孔鋁蜂窩板後貼吸聲氈，為環保吸聲材料。穿孔鋁合金板後填的離心玻璃棉，均用透聲防水膜包裹，也達到了玻璃棉材料使用的環保要求。
4.跟蹤測試
2007年年初至2008年1月期間，進行了4次中期測試，對比賽大廳室內裝飾進行了聲學復核，並提出相應調整建議，為聲學效果的最後實現進行過程控制。 2008年3月，國家遊泳中心宣布竣工後2個月，進行了聲學竣工測試。
測試使用B＆K公司生產的PULSE3560多分析系統，分別採用噪聲阻斷法（借用現場揚聲器）和脈沖積分法進行測試。 表6為比賽大廳滿場混響時間設計允許值，計算機模擬值，空場實測值與滿場換算值的數據對比。 從以上數據可以看出，滿場混響時間的設計值、模擬值和換算值之間基本吻合。
5. 總結
國家遊泳中心聲學設計從模型測試、聲學解決方案的提出到施工配合，對我們來講又是壹次經驗的積累：模型實驗所得ETFE膜氣枕的吸聲系數詳實可靠，為國家遊泳中心比賽大廳室內聲學問題的完滿解決提供了堅實的基礎，也為今後ETFE膜氣枕構造在其它工程上的大規模使用提供了重要的聲學參數；提出的聲學解決方案較為圓滿地解決了國家遊泳中心的聲學問題，中期測試為比賽大廳室內施工進行了必要的復核調整和過程控制，竣工實測數據表明比賽大廳現場混響時間與計算機模擬值、設計值三者較為吻合，也說明了前期模型實驗檢測工作的重要性和檢測結果的真實有效性；
比賽大廳的聲學解決方案達到了聲學設計與建築美學設計的高度統壹，為今後聲學設計與美學設計的結合工作開辟了新的途徑與方法；比賽大廳的聲學解決方案體現了綠色奧運、人文奧運、科技奧運的奧運理念，很好地解決了吸聲材料的環保問題。
