張妍君

（中國鐵路設計集團有限公司 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，客運廣播系統(tǒng)需要為旅客及時提供清晰、準確的引導服務，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質(zhì)量優(yōu)劣的直觀判斷，因此鐵路車站聲場設計十分重要，且受到了廣泛關注。

聲場設計包括建筑聲場設計（簡稱建聲設計）和擴聲聲場設計（簡稱擴聲設計）。建聲設計包括建筑物各房間的結構設計、尺寸形狀設計以及裝修設計等方面，通過合理的建聲設計以達到合理的混響時間，避免產(chǎn)生聲聚焦、顫動回聲等問題；擴聲設計主要是揚聲器系統(tǒng)指標的選擇、揚聲器數(shù)量的確定、放置位置及角度的選擇［1］，合理的擴聲系統(tǒng)設計可以保證聲壓級高、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)最終能達到令人滿意的效果，在進行具體工程項目設計時，廣播系統(tǒng)設計者有必要先對建聲設計的合理性進行評估，如果經(jīng)過分析和計算，發(fā)現(xiàn)建聲設計存在較大缺陷，應對改善建筑聲學缺陷提出合理可行的方案，包括吸聲材料選擇及聲音擴散、隔聲等方面的建議，需由建筑設計者確認后方可實施。若廣播系統(tǒng)設計者僅從自身角度進行設計，而沒能及時分析并發(fā)現(xiàn)建筑聲學的設計問題，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

混響時間是對建筑聲環(huán)境進行分析的常用指標，在聲場中所有可能影響音質(zhì)的聲學參量中，混響時間是在設計過程中可以定量計算的、比較精細的指標。

1.1 混響時間概述

混響時間的定義為：當聲源停止發(fā)聲后，聲壓衰減60 dB所需要的時間，以s為單位，與房間容積、房間裝飾材料、溫度及濕度有關。若混響時間過短，人耳聽到的聲音會枯燥、發(fā)干、不親切不自然；若混響時間過長，人耳聽到的聲音會有含混不清的感覺；混響時間合適時，聲場會表現(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，非常容易導致房間的混響時間過長［3-5］。

1.2 混響時間計算

混響時間的計算方法通常有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，賽賓公式假設聲能是連續(xù)衰減的，在室內(nèi)總吸聲量的值較小、混響時間長的情況下，混響時間的實測值與賽賓公式的計算值比較一致。依林公式認為反射聲能不像賽賓公式所假設的那樣連續(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-努特森公式計算混響時間：

式中：T60為混響時間，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的混響時間計算

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，其與幾何形狀相關的長度、高度、面積、體積等信息，以及與界面裝修材質(zhì)相關的吸聲系數(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)設計者，利用建筑設計方提供的BIM模型信息能快速計算出各房間的混響時間。建筑聲學分析能夠讓廣播系統(tǒng)設計者及時反饋建筑聲學設計的不足，即使在建筑結構無法改變的情況下，也可通過玻璃幕墻覆蓋光紗、增加綠植敷設、增加吸聲板等方式來改善聲環(huán)境。

2 BIM技術在聲場設計中的應用

2.1 建模應用

車站建筑模型通常采用Revit軟件建立。車站建筑建模后，對模型進行瀏覽檢視，模型包含各界面的幾何相關信息和裝修材質(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室內(nèi)表面的實例屬性下。

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

2.2 附加信息添加

在Revit中可以通過添加項目參數(shù)的方式，為指定類型添加參數(shù)。可將吸聲系數(shù)作為實例屬性，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)對應的屬性與方法，以便在Revit二次開發(fā)時獲取相關信息（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)用外部命令和應用的程序接口API，供用戶將其應用程序集成到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平臺下采用C#語言進行二次開發(fā)。

Revit API的開發(fā)有外部命令（External command）和外部應用（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；外部應用是一種比外部命令更加高級的方式，對應的IExternalAppli?cation接口有2個抽象函數(shù)OnStartup()和OnShutdown()，用戶可以通過在外部應用中重載上述2個函數(shù)，在Revit啟動和關閉時編寫所需的功能，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）的構造方式，收集器可以由文檔進行構造，此時迭代會從文檔所有的元素進行。FilteredElementCollector提供了1組方法，用戶可用其設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，在parameters中選擇對應的參數(shù)再雙擊definition，即可看到該參數(shù)BuiltInParameter對應的枚舉值。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，就可進行混響時間的計算。根據(jù)實際情況，選擇直接利用建筑模型或是保留相應參數(shù)構造簡化模型。為了實現(xiàn)自動計算房間的混響時間，需要對Revit進行二次開發(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確傳遞列車到發(fā)、旅客安全及突發(fā)事件處理等信息，關系到旅客服務的質(zhì)量。在車站中，主要對候車、售票、出站等區(qū)域的聲環(huán)境進行分析。

BIM模型除了包含各個區(qū)域的幾何模型及相關參數(shù)外，還包含內(nèi)部裝修界面的相關材質(zhì)信息，這些參數(shù)和信息共同構成了房間聲環(huán)境分析的基礎數(shù)據(jù)。然而，對應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，在計算墻體材質(zhì)表面積時，需要用整個區(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)，計算得到房間的混響時間。

2.4.2 應用案例

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)相關信息。

圖6 候車廳Revit簡化模型

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

圖7 通過“外部工具”載入程序

圖8 混響時間計算結果

圖9 添加“混響時間”參數(shù)到類型屬性

3 結論

利用Revit模型及其提供的參數(shù)，通過Revit API進行二次開發(fā)后，可快速計算得到建筑物各房間的混響時間參數(shù)。利用該參數(shù)可以評價建筑聲場設計的合理性，從而為擴聲聲場設計奠定基礎。