北京世园会开幕式舞台机械的方案设计
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作者:于雪松 窦正保 李由 韩金涛
[摘要]针对2019年北京世界园艺博览会开幕式艺术创作需求，设计了中心升降翻转台、钢琴升降台、内外环升降台、数控动态升降柱等舞台机械，达到演出技术要求和艺术效果。
[关键词]北京世园会开幕式;妫汭剧场;舞台机械;升降翻转台;升降台;升降柱
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.05.001
编者按：
4月28日晚，2019北京世界园艺博览会开幕式文艺演出在“花开蝶舞”的妫汭剧场呈现。文艺演出围绕“绿色生活，美丽家园”的主题，依托世园会园区的自然之景，借助多重科技手段，将表演与湖光山色、炫彩光影融会贯通，营造一种融入山水的沉浸之感，让观众置身于梦幻新奇的氛围之中，诠释人类命运共同体的理念。
“世园会开幕式专题”将为读者解析大型园林情景光影艺术表演幕后的艺术创作的历程，以及多种科技手段的运用。
1项目概述
4月28日晚，2019北京世界园艺博览会（以下简称“北京世园会”）文艺演出在“花开蝶舞”的妫’讷剧场呈现。这台名为《美丽家园》的晚会以山为幕、以水为台，通过东西方多种艺术形式的创意演绎，同时借助多重科技手段和多维空间特效，成功营造出绮丽多彩、虚实结合、如梦似幻的唯美田园意境，让人恍若置身美轮美奂的山水园艺画卷之中，将中国风范、世界表达、人类胸怀展现得淋漓尽致。
在这场大型园林情景光影艺术演出中，由北特圣迪研制的中心升转台、内外环升降台、升降柱等40套舞台机械，与艺术表演和合共融，震撼的舞台效果惊艳世界。下文针对这些舞台机械的方案设计进行解析。
2功能需求及设计方案
2.1功能需求
此次开幕式的主会场妫汭剧场是北京世园会的演艺中心（见图1），除此之外，还承担着世园会期间各类大规模主题展演、文化活动、大型集会及访客休息集散等任务。
妫汭剧场是户外剧场，其原舞台方案是一个38mX26m的椭圆形固定舞台（见图2），由于没有配置专业的舞台设备，只能满足广场类的普通演出需求。为使妫汭剧场能够满足开幕式的演出需要，对其舞台进行重新设计，实现开幕式大型演出的多功能要求。
2.2设计思路及设计方案
2.9.1设计思路
此次开幕式的舞台机械方案以导演组的创意为设计依据，配合创意进行深化设计。设计思路为：在不破坏周边环境及湖岸线的前提下，利用现有的观演模式和椭圆舞台，实现开幕式演出所需的舞台基本功能：
（1）利用舞台机械完成演员上下场，避免所有演员利用观众席前区通道上下场而造成的穿帮现象，满足演员流线规划;
（2）利用舞台机械实现演出场景和道具的快速切换，使演出调度更灵活多变;
（3）根据节目需求，利用舞台机械呈现震撼的视觉效果，丰富、提升演出效果。
2.2.2设计方案
根据导演组的创意需求，在整台开幕式表演的核心区域——主舞台配置了如下的舞台机械设备，安装位置见图3。
（1）中心升降翻转台（1套）：直径8m，具备升降功能，台面体可倾斜90°，在倾斜台面顶端安装1套威亚设备。
（2）钢琴升降台（2套）：长4.5mX宽3.5m，用于运送演员、钢琴或其他道具参与表演。
（3）内外环升降台（6套）：长14m～16m，宽3m，用于运送演员和道具，形成不同的舞台标高，增加舞台的纵深感和层次感。
（4）数控动态升降柱（29套）：直径1m，高度7.6m，升降柱可单独升降，也可编组运行，外围包装LED屏，在演出中呈现不同的舞美造型，增强视觉冲击力;演员可以在升降柱之间穿行;升降柱顶部安装电脑灯，用于逆光效果。
3舞台机械的创新应用及要点分析
此次开幕式演出所需要的舞臺机械，要在土建条件的制约下，实现稳定而又灵活的机械运动，同时还要满足LED屏、灯光、音响、舞美等专业的安装条件，其技术难度之高，协调工作之大，自动化控制之复杂，带来重重新的挑战。下面针对主要设备的创新应用、技术要点及应用效果作简要介绍。
3.1中心升降翻转台
中心升降翻转台为直径8m的圆形升降子母台，子台表面及圆周铺R：LED屏幕，母台升降总行程5.9m，子台升降行程1.2m，子台可沿最低端将整个圆形台面翻转90°面向观众，台面顶端后方安装一套自动翻转威亚设备，可翻转180°便于威压绳连接索具与演员连接，如图4所示。
（1）中心升降翻转台表演过程中，母升降台先从台仓升起到舞台面标高处+0.6m，然后子台在5s内升起1m高，威压演员连接索具，随着子台台面向上翻转到90。位置。此过程中，威压钢丝绳进行收放配合演员表演。
（2）为满足让LED屏组成的圆形子台台面快速、完整立于舞台面的舞美效果，台体表面不能触碰舞台面或母台台面，子台的驱动需要能快速平稳地将子台顶起到90°位置。如上所述，该设备的设计难点主要有三点：其一，因直径8m的子台台面及四周安装有LED屏，支撑架结构自身重量需要尽量轻而且架体需要承受一定的载荷（钢架自重和LED设备载荷、静载荷、风载），因此，此处钢结构的设计和驱动的安装难度都非常大;其二，使用油缸推动台面翻转，推杆行程很大且油缸要随台体升降，因此，必须使用二级油缸解决大行程的难题;其三，母台的导向及油缸都需克服子台翻转重心位移带来的受力变化，因此，在结构上设置了防倾翻装置，防止翻转超过90°带来的危险。
（3）由于台面结构面积大、支撑点少，结构自身强度要求较高，为使设计更为准确，结构设计时不仅进行了大量的计算，还通过计算机辅助设计手段进行了模拟受力分析，通过分析可以直观了解该钢结构受力时的应力状态和位移情况。图5为升降台受力时的应力及位移情况，圆台翻转起升开始时，子台最大应力为87.6MPa，最大位移为3.4mm。为了验证设计计算的准确性，还进行了预拼装加载试验，试验结果与计算数据吻合。 （4）在驱动能力设计方面，设计时考虑冗余，一用一备，当主驱动设备出问题后能及时切换备用设备驱动，以保证演出质量。所有驱动装置要具有一定防水功能，以保证极端天气下的演出需要。驱动的制动能力方面为了提高可靠性，在电机输出端及一级减速输出端分别设置液压制动器，形成双制动保护。
（5）由于现场基坑基础条件限制，中心升转台整体布置在满足功能的同时还要紧凑合理，尽量减少空间占用。子母台升降驱动采用柔性柱传动，可满足浅基坑大行程的安装需要。
其次，为了适应极端天气带来大降水情况，母台机械驱动位置设计时，将驱动设备基础高度提高了0.7m左右，提高设备使用安全和寿命，可保证在台仓大量进水时正常演出。
（6）在《绵长的芬芳》节目中，当舞蹈演员在中心升转台翩然舞动之际，整个台体突然缓缓翻转垂直立于舞台之上，翻起的台面又成为演员舞动的背景，如图13、图14所示。舞台机械的翻动结合投影、灯光、音乐和演员的轻盈舞动，为观众呈现出一场穿越时空的视觉盛宴。当这一幕在舞台上出现时，现场的掌声经久不息，观众无不被科技与艺术完美融合所营造出的视觉奇观所震撼和惊叹。
3.2数控动态升降柱
数控动态升降柱为圆形柱体，直径1m，基础高度7.6m，升降高度8m，如图15所示。29套升降柱既可单独升降，又可编组运行，在演出中上下升降排列、编组，演员可以在升降柱之间穿行，呈现不同的舞美造型，增强视觉冲击力;柱体外围包装LED柔性屏，可以给舞美极大的灵活性，营造出层次丰富，造型多变的舞台效果;升降柱顶部安装电脑灯，用于逆光效果。
（1）驱动采用双制动电机减速机的钢丝绳卷扬机，做到驱动占用柱内空间最小，驱动只有钢丝绳进入升降柱内。同时，驱动安装基础高于地面1m左右，便于保护驱动不受地面积水影响，上方也设置了防雨罩加以保护。由于采用二级行程，保证升降柱上下运行可靠，钢丝绳采用闭环连接，每个柱子内有多达10根钢丝绳连接，保证升降部分柱体升起和下降都有驱动力，并不会存在卡滞现象。
（2）总体结构设计方面，采用二级升降行程，在升降柱1m直径范围内布置三层相互运动的钢结构，空间非常小。为了保证柱体升起到8m时的整体结构稳定，需要中心立柱结构紧凑且基础牢固，两级升降立柱需结构轻巧牢固，同时还要有一定的结构强度保证LED的安装，设计需要能承受8级风载，驱动导向结构需要能承受载荷偏移，并保证偏移量在15mm范围内及运动变化载荷。为了使设计更为准确，结构设计时不仅进行了大量的计算，还通过计算机辅助设计手段进行了模拟受力分析，通过分析可以直观了解柱体各级钢结构在受力时的应力状态和位移情况（见图16）。为了验证设计计算的准确性，还进行了工厂预拼装加载试验，试验结果与计算数据吻合。
（3）结构安装上，采用模块式整体安装，保证工期要求;升降柱外表面铺设高分辨率柔性LED屏，采用磁吸加捆扎方式固定，方便可靠。
（4）数控动态升降柱在整场节目中贯穿始终，不仅可作为视频柱增强现场的视觉冲击力和艺术感染力，还可以随音乐起伏升降，如图17、图18所示。
3.3内外环升降台
内外环升降台长14m～16m，宽3m，用于运送演员和道具，可形成不同的舞台标高，增加舞台的纵深感和层次感。
（1）此次开幕式共采用1套内环升降台，1套外环升降台。它们分别由三块大面积的异形升降台组成，具备运送演员和道具上下的功能，亦可同时或独立升降，参与节目表演。内环升降台表面及前立面铺设LED屏。
（2）驅动部件方面，主升降驱动要满足整体快速升降，每块台体采用四组柔性柱传动。
（3）在驱动能力设计方面，设计时同样考虑了冗余，在制动能力及防水等要求方面，设计原则上同上述中心升降台母台驱动部分，不再赘述。其结构方面的设计也进行了计算和分析，如图19～图24所示。
（4）开幕式演出中大规模的人员和道具换场都通过内外环升降台实现。此外，其升起后也可使整个舞台层次更加分明，如图25所示。
3.4钢琴升降台
2套钢琴升降台的作用和功能与内外环升降台类似，如图26所示。
3.5控制系统
该项目舞台机械控制系统由可编程逻辑控制器（主PLC）、控制台、控制柜、通信网络、急停网络等组成。
控制台具备自动和手动控制功能。上位机提供系统人机交互界面，负责进行数据显示、存储、备份和自动控制指令发送;下位机负责采集控制按键和触摸屏操作，并通过工业现场总线通信与控制台柜内的主PLC进行数据交换，从而实现全系统的设备协调。
安装于控制台柜内的主PLC实时与控制台之间进行数据交换，接收控制台设备操作命令并负责将命令解析后下发给安装于现场控制柜内的设备驱动单元;控制台柜还包括负责安全功能的紧急停机系统核心——安全模块，它负责实时监控系统各紧急停机按钮状态，一旦有某个急停按钮被按下，该模块保证系统中正在运行的设备安全停机并断电。
本控制系统软件专为世园会开幕式演出舞台机械设备控制与操作开发，由舞台机械承办方自主设计完成。系统具有良好的人机界面，操作简单明确，具有图形数字显示、屏幕菜单操作、自动记忆、故障处理提示等功能。操作方式采用键盘操作结合鼠标点击画面的方式，特殊对话框的弹出实时、准确，浮点运算准确无误。系统运行稳定、性能优良，达到工业级的平均无故障工作时间要求。
3.6设计特点
（1）舞台机械设备传动采用双电机同轴冗余设计，备用控制系统完全独立于主控系统，通过一键切换技术屏蔽多重故障（如电机、编码器、通信、控制台、PLC、元器件等），备用控制系统可切换至任意升降台且不受主控系统干扰，实现了演出过程中故障设备的快速切换，为排查故障争取时间。当故障排除后，可迅速切换回原状态，使主、备控制系统均处于健康状态。
（2）通过软件算法解决了多级油缸变径时因流量差引起的冲击力过强的技术难题，实现了中心升降台翻板运行状态的平稳过渡。
（3）通过时间码，实现了液压系统、威亚系统、视频的匹配，实现了艺术与技术的高度融合呈现。
（4）依据导演组的创意需求，编制了多种复杂拟合曲线和场景数据库，采用场景分割、合并等多重技术手段，快速响应导演的各种造型要求，实现了LED升降柱的动态艺术效果，得到了导演组的一致好评。
（5）上位机通过软件优化实现了分台并行控制，互为备用，解决了毫秒级场景切换时操作难题，提高了系统的安全可靠性。
（6）通过多种现场数字信息反馈技术，快速定位故障点，缩小了故障排查范围，减少了故障排查时间，提高了主控系统故障恢复效率。
4结语
总体来说，这次舞台机械的配置及设计均达到了演出的技术要求和所要实现的艺术效果，特别是中心升降翻转台及数控动态升降柱的设计运用了较多的创新方案，实现了理想的演出效果。同时，结构设计中大量运用三维软件及结构分析软件，也使得整个设计过程得以较好把握，减少了后期加工及装配时的错误率。另外，模块化设计的大量使用，也给工厂加工带来了方便，为整个工程实施赢得了宝贵时间。
此次设计过程也进一步丰富了设计人员的经验。而通过现场安装后的效果，也让设计人员发现了许多有待改进的地方，如驱动基础的设计和结构的优化等，为今后的设计提供了宝贵经验。
（编辑：杜青）
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