1 清华大礼堂历史背景

清华大礼堂由美国建筑师亨利·墨菲设计，始建筑于1917 年 9 月，1920 年 3 月落成，与图书馆、科学馆、体育馆一起构成清华早期的“四大建筑”。大礼堂融合希腊式与罗马式建筑风格，如图1所示。平面呈正十字形，南端为门厅，北端为舞台，如图2所示，建筑面积 1 840 m2，体积12 350 m3，坐席1 400个，是当时中国大学中最大的礼堂兼讲堂，由于没有进行建筑声学设计，演说时听闻不清晰的声学问题从建成伊始就存在了。

图1 清华大礼堂建筑外景

图2 清华大礼堂平面

2 清华大礼堂声学问题的求解历史

清华大学在百年校庆之前，曾前后数次试图解决大礼堂的声学问题，或未能切中问题本质，或因经济技术条件限制未能实施，大礼堂的声学问题一直未能彻底解决。但因此开启了近代建筑声学在中国奠基的历程，清华大礼堂听音问题的校正成为开创中国近代建筑声学研究的源头，在这一过程中，也可以看到由一个现实问题引申为科学研究进而确定一门学科的理工融通的清华大学学术品格。

2.1 地板抬高方案

1924年，清华学校委派自然科学部教师海宴士等三人研讨解决大礼堂声学问题。作为一名清华学校高等科的数学教师，海宴士通过一般性观察和经验性分析，认为礼堂内部四壁直角太尖，致使声音不易传达，由此初步提出应对方案: 或“将橡皮地板提高，钝其角度”；或“用布幕挂礼堂天花板作圆形，则角度可以加多”。海宴士等人得出的仅是极粗略的方案，并没能切中建筑声学问题的实质。

2.2 首次运用建筑声学理论提出解决方法

1926年，叶企孙教授领导创建之初的物理学系同仁以及实验辅助人员组成研究小组，对国外建筑声学的最新进展进行全面学习，掌握了通常情况下赛宾公式的意义，初步认识到大空间结构、发声特点、声场分布、温度等因素对混响时间的影响。同时，叶企孙小组创造性地研究了赛宾公式未考虑在内的室内温度变化对混响时间的影响，并完成了着中国衣服者吸声能力的测定，为当时中国建筑声学提供了重要的基础参数。

叶企孙小组运用新的建筑声学理论，分析出导致大礼堂听音困难的原因: 拱顶造型的空间体型缺陷、石灰砖材质的内墙吸声材料过少直接造成混响时间过长。提出清华大礼堂最适宜的混响时间为1.75 s，并计算得出还需补充吸声量 470 m2，圆拱顶、四弧面、四墙壁为铺设吸声材料的主要位置的结论。应该说，叶企孙小组已从理论上准确地找出了清华大礼堂存在声学问题的原因，并提出了解决建筑声学问题的方法。虽然叶企孙小组提出的解决方法未能实施，但他们的理论研究，使建筑声学研究和实践由清华大学进入了更广泛的科学共同体视野，为中国近代建筑声学的起步奠定了基础。

2.3 清华大学建校 90 周年的声学改造

2001年清华大学 90 周年校庆前，清华大学组织相关专家对大礼堂进行过简单的声学改造，当时学校确定的原则是不动大礼堂的建筑与装饰，因此仅在墙面开窗位置更换了原来的窗帘，新加的窗帘比原来窗帘厚度大，质量重，吸声系数更高。同时增补了原扩声系统的扬声器数量，使观众席扩声声场更为均匀。

这次改造，在一定程度上改善了大礼堂室内声学效果，但并没有从根本上解决建筑声学混响时间过长的问题。

3 清华大学建校一百周年时的建声改造

3.1 项目立项

2009 年，在清华大学建筑学院院长朱文一老师推动下，清华大礼堂修缮工程经清华大学批准正式立项，将大礼堂定位为“学生活动的观演空间为主的多功能礼堂”，在保留原大礼堂建筑风貌的基础上，将大礼堂建筑进行全面修缮，完善功能、加固结构、改善建筑声学效果和增加舞台工艺功能。清华大学由朱文一老师带领清华大学各专业专家组成设计团队，其中由石慧斌老师负责大礼堂的建筑声学设计，建筑声学设计在项目过程中得到了朱文一老师充分的重视和全力支持。

3.2 声学改造需要解决的问题

清华大学对清华大礼堂修缮后的功能定位为学生活动的场所，要求能满足中小型文艺表演、大中型会议，并兼顾电影播放。根据大礼堂的使用功能定位，声学改造需要解决以下问题:

(1) 克服体形缺陷。

体形缺陷包括穹顶和圆柱弧顶产生的声聚焦、方形平面和平行墙面带来的颤动回声等。

清华大礼堂室内由一个直径为23 m 的大穹顶和四个直径19 m的圆柱弧顶组成，大穹顶居中，四个圆柱顶环绕四周，见图3。由于大穹顶和四个圆柱顶的构造为苇箔抹灰膏( 灰膏由石灰、水泥和麻刀组成)，厅内存在声聚焦，声聚焦的主要区域为大穹顶正下方9~14 m，圆柱顶正下方8~11 m。尤其在圆柱顶下，声聚焦区域与楼座观众席重合，在楼座观众席声聚焦区讲话，能听到圆柱顶形成的聚焦声。

图3 穹顶和圆柱弧顶

(2) 缩短过长的混响时间。

在清华大礼堂修缮工程之前，2009 年 8 月 27 日对混响时间进行了测试，结果如表1 所示。

清华大礼堂的体积约为13000 多立方米，作为礼堂，3.8 s 左右的混响时间偏长。

(3) 控制新增设备噪声。

此次修缮增加了空调系统，极大地改善了大礼堂的物理环境，但同时也可能带来新的噪声源，在设计与实施过程中应注意控制空调系统噪声。

3.3 声学改造中的困难分析

(1) 修缮应符合国家级文物修旧如旧的原则。

以清华大礼堂为中心的清华大学早期建筑，1990年被北京市政府公布为北京市文物保护单位，2001年被国务院公布为重点文物保护单位。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。

(2) 因年代久远而老化造成墙面与顶棚承载力减弱。

四个圆柱顶的苇箔抹灰膏吊顶由木方直接承重，木方再固定在混凝土梁上，见图 4，中间大穹顶的苇箔抹灰吊顶也由木方直接承重，木方再由8 根钢筋固定在混凝土穹顶上，见图 5。由于年代久远，木方与钢筋的承载力已不能承受过重荷载。

图4 圆拱上方木方龙骨

图5 穹顶由8 根钢筋吊挂

3.4 笔者的声学解决方案

在清华大礼堂声学改造的设计中，笔者在前辈对大礼堂的研究成果基础上，并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，创造性地提出了大礼堂声学问题的解决方案。

(1) 解决声聚焦与颤动回声问题的措施如下:

① 在四个圆柱弧顶上设置强吸声材料，为保持原貌要求进行吸声材料无缝处理，见图6。

图6 圆拱顶玻璃纤维无缝处理节点图

② 中间的大穹顶由于结构强度条件限制，虽不能进行吸声处理，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; 另一方面，采用软质座椅，强加地面的吸声量。

③ 在东、南、西三面砖墙开窗位置，设置大面积、强吸声的特殊构造的电动窗帘，见图7。

图7 吸声窗帘

( 2) 增加吸声面积以解决混响时间长的问题。

① 在四个圆柱弧顶上设置强吸声材料玻璃纤维，面积300 m2，见图8。

图8 圆拱玻璃纤维板

② 楼座下天花设置强吸声材料玻璃纤维，面积204m2，见图9。

图9 楼座下玻璃纤维板

③ 在东、南、西三面砖墙开窗位置，设置大面积、强吸声的特殊构造的电动窗帘，面积220m2，见图7。

④ 在舞台背墙上设置木质条缝吸声板，面积为120m2。

⑤ 地面 1 000 多个软包座椅为厅堂提供了大量的吸声量。

(3) 解决背景噪声控制问题。

① 采用座椅下送风;

② 采用低噪声的空调设备;

③ 静压箱用吸声喷涂做消声处理。

3.5 建筑声学装饰构造做法

( 1) 四个圆柱顶用玻璃纤维吸声板做无缝处理，并喷象牙白涂料，见图 6、图 8，玻璃纤维吸声板无缝处理做法如下:

① 固定龙骨

a. 直径 8 mm U 形钢筋抱住 240 mm × 40 mm 原有木龙骨，并穿透50mm 厚苇箔抹灰膏;

b. 50 mm × 3 mm 扁钢 3 条沿圆弧贴苇箔抹灰膏外侧均匀布置，与直径8 mm U 形钢筋焊接;

c. 40 mm × 60 mm 轻钢龙骨，垂直圆弧方向，间距300 mm，贴50 mm ×3 mm 扁钢布置，并与扁钢固定结实。

② 玻璃纤维板

a. 1 700 mm × 600 mm，25 mm 厚玻璃纤维板，木螺丝带垫片穿透纤维板与轻钢龙骨固定结实，并使玻璃纤维平面板弯曲成弧形;

b. 玻璃纤维板接缝处、木螺丝穿孔处用腻子刮平处理;

c. 腻子完成后，在玻璃纤维板表面贴一层完整面贴，实现无缝处理;

d. 面贴本色为白色，最后需对面贴喷涂一层象牙白涂料。

四个圆柱顶玻璃纤维吸声板的面积为300 m2。

(2) 楼座下原天花混凝土梁板外露，并刷深绿色油漆，采用玻璃纤维吸声板做悬浮式吊顶，并喷深绿色涂料。

玻璃纤维吸声板悬浮式吊顶做法如下:

① 玻璃纤维板布置

a. 根据原楼座下天花梁板分隔，将东西两侧天花分为6 个区域，每个区域大概为3 m ×4．5 m，将南侧天花分为5 个区域，每个区域大概为3．5 m ×4．5 m。

b. 各区域内设置 5 块玻璃纤维平板，板与周围混凝土梁之间留150 mm 左右的缝，板与板之间留30 mm左右的缝，使得5 块玻璃纤维板悬挂在混凝土梁板下。

c. 楼座楼板由两块平板与一块斜板组成Z字形，5 块玻璃纤维板顺应楼板形状吊挂，并尽量贴近楼板，使玻璃纤维板设于梁间。

② 玻璃纤维板吊挂做法

a. 吊筋固定在混凝土梁板下，并轻钢龙骨固定于吊筋下端。

b. 有筒灯的区域，先安装上 9mm 厚石膏板;

c. 将 2 500 mm × 850 mm × 50 mm 玻璃纤维板用木螺丝带垫片穿透固定于石膏板上;

d. 将螺丝孔处用腻子刮平处理;

e. 腻子完成后，在玻璃纤维板表面贴一层面贴;

f. 将面贴喷涂一层深绿色涂料。

楼座下玻璃纤维板的面积为204 m2。

(3) 礼堂窗户吊挂宽频吸声帘，即起到吸声作用，又实现遮光作用见图 9，宽频吸声窗帘为电动升降窗帘，上下升降以实现窗帘的开合。

① 窗帘构造

a. 由内外两层高面密度吸声帘组成，两层吸声帘均横向打褶，形成倒V字形，并且两层吸声帘每褶均缝合在一起，吸声帘的最下端与最上端内包木板，这样内外两层吸声窗帘就形成菱形空腔。

b. 在缝合线处，自下而上穿过三根钢丝绳，钢丝绳最终与电机滚轴相连，用以实现窗帘升降。

c. 窗帘顶端由两根 50 mm× 50 mm 木方吊挂，电机也安装在木方下。

② 幔帘构造

幔帘用于隐藏上升开启状态下的窗帘。

a. 用吸声帘吊挂于电动帘上方，形成幔帘;

b. 楼座上方窗帘幔帘吊挂于圆柱形拱副拱上，下方窗帘幔帘吊挂于灰砖上。

电动升降吸声窗帘面积为220 m2。

( 4) 在舞台背墙上设置了120m2的木质条缝吸声板，穿孔率6%，后填50 mm 厚离心玻璃棉。

( 5) 更换座椅，修缮后将大礼堂的座椅由原来木座椅更换为软包座椅，1 000 多个软座椅也为大厅提供了大量的吸声面积。

3.6 舞台工艺改造情况

此次改造过程中将原来缺失的舞台工艺尽可能地完善，并且要让舞台机械做得看起来是临时的可以挪动的，这也是文物建筑对新增设施的另一要求。将原来过小的舞台向观众席扩大3 m，观众席数适当减少。在舞台上用钢结构架起一个8 m多高的钢平台，作为舞台机械与舞台灯光的葡萄架，在钢平台上设置了5根光吊杆和3根景杆。灯光系统设置了面光1道、顶光5道、耳光1道、台口柱光和2台追光。扩声系统设置了左中右三声道主扩声系统和电影扩声系统。同时还在舞台中部设置了一块约 10 m×6 m的LED屏。以上舞台工艺已能满足学校学生活动场所的基本使用要求。

4 修缮完成情况

4.1 混响时间

在清华大礼堂修缮工程竣工之后，2011年4月7日对混响时间进行了测试，现对修缮之前与修缮之后的结果对比如表2所示。

表2 修缮前后混响时间对比

清华大礼堂作为礼堂，1.3 s 左右的混响时间可以很好地满足使用要求。

4.2 声聚焦

在四个圆柱形拱顶上采用强吸声构造，基本消除了四个拱顶的声聚焦。声聚焦情况对比如图10所示。

图10 声聚焦情况对比

4.3 颤动回声

在东西侧墙面开窗位置，吊挂强吸声帘幕，基本消除了东西墙面的颤动回声。颤动回声情况对比如图11所示。

图11 颤动回声情况对比

4.4 修缮完成后的使用情况

2011 年 4 月清华大礼堂修缮后可容纳观众1 011 人，其中池座面积 583 m2，可容纳观众642人，楼座面积317 m2，可容纳观众346 人，舞台面积162 m2。

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。竣工至今一年多的时间里，大礼堂举办过音乐会、会议、话剧、电影、舞蹈、婚礼等各种活动，其中包括2011 年 9 月温家宝总理的演讲。大礼堂建筑声学改造满足了“学生活动的观演空间为主的多功能礼堂”的要求，声学效果得到了清华大学的肯定。

5 总结

清华大礼堂承载了中国建筑声学九十多年的发展历史，清华大礼堂的声学改造也可以称为是对中国建筑声学史的回顾和总结。这次百年校庆对大礼堂的成功修缮，重新赋予了清华大礼堂新的生命，解决了大礼堂由来已久的声学问题，探索了文物建筑声学改造的过程与方法，同时也是对清华大学建筑声学前辈“知行合一”、“自主创新”学术精神的传承与发扬。

作者简介：

石慧斌，教授，主要研究方向为建筑声学与舞台工艺；
金迪锋，硕士，主要研究方向为建筑声学；
陈勇，硕士，主要研究方向为室内设计；
王亚戈，硕士，主要研究方向为舞台工艺；
秦毅，硕士，主要研究方向为建筑声学。

注：文章来自网络，声讯网编辑整理。