昆山文化藝術(shù)中心大劇院舞臺機械工程技術(shù)創(chuàng)新與應用

陳 威，王海林，張麗萍

（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）

江蘇昆山文化藝術(shù)中心由大劇院、多功能劇場和多廳電影院等組成，是一座集文化交流、會議、展覽、休閑、娛樂等多項功能為一體的文化綜合體建筑。作為大劇院技術(shù)與功能的核心部分，其舞臺機械工程中解決了一些技術(shù)難題，體現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新的特性。

1 舞臺布局

大劇院采用品字形舞臺和鏡框式臺口，由主舞臺、側(cè)舞臺和后舞臺組成；主舞臺臺口寬度18 m，高度12 m，臺塔寬32 m，進深22.9 m，柵頂距舞臺面31 m，舞臺臺倉深16 m；側(cè)舞臺各寬25.5 m，進深22.9 m，凈高約14 m，側(cè)臺臺倉深1 m；后舞臺寬22.3 m，進深約24.2 m，凈高約13 m，后臺臺倉深2.5 m。臺口前樂池區(qū)域共約112 m2，其中樂池升降部分約98 m2。

2 設計思路與原則

（1）設備配置能滿足各種大型歌劇、舞劇、交響音樂會和大型綜合文藝演出的要求，同時兼顧其他類型的演出。做到工藝設計科學、技術(shù)性能優(yōu)良、配置優(yōu)化實用、運行安全可靠、維修操作方便、經(jīng)濟合理。

（2）充分考慮國內(nèi)外演出交流需求，機械舞臺功能與國內(nèi)外已建成的各大型劇場的機械舞臺功能相同或優(yōu)于后者。通過技術(shù)手段、材料工藝實現(xiàn)關(guān)鍵設備功能的突破，豐富傳統(tǒng)品字形舞臺設備的特殊功能。

（3）機械與電氣設備的核心關(guān)鍵設備均為高品質(zhì)、高可靠性。

（4）系統(tǒng)集成以性價統(tǒng)籌、品質(zhì)優(yōu)先為原則。核心元器件的選擇以品質(zhì)為主，價格成本為輔。重點考慮行業(yè)口碑與專業(yè)背景，優(yōu)中選優(yōu)。所有設備均實現(xiàn)工廠試裝配，傳動機構(gòu)試運行。

（5）控制系統(tǒng)采用人工智能化管理，同時也可進行人工干預，并備有完善的安全保護及應急措施；人機界面友好，顯示功能直觀，故障診斷功能完善，具有自動、手動兩種控制功能。

3 設備配置

3.1 臺下設備

大劇院舞臺臺下機械設備包括：樂池升降護欄、樂池升降臺、主舞臺升降臺、側(cè)輔助升降臺、側(cè)臺車臺、側(cè)臺車臺補償臺、運景升降臺、后車載轉(zhuǎn)臺、后舞臺補償臺、演員升降小車、“兩會”座椅車臺、樂池座椅臺車、卸貨平臺等，以及臺下機械電氣與控制系統(tǒng)。見圖1、圖2。

圖1 臺下設備布置

與以往劇場不同的是，大劇院配置了2臺電動的“兩會”用座椅車臺，用于大型會議使用。每臺座椅車臺設有4個臺階，每個臺階寬2.25 m。使用時每臺座椅車臺放在三個雙層主升降臺上，不用時儲存在后臺下方的儲存室。

圖2 舞臺立面布置

圖3 臺上設備布置

3.2 臺上設備

大劇院舞臺臺上機械設備包括：臺唇（臺口外）單點吊機、臺唇鏈式吊機、臺唇吊桿、防火幕、臺口吊桿、大幕機、假臺口、側(cè)布景吊桿、電動吊桿、燈光吊桿、二道幕機、燈光吊籠、主舞臺單點吊機、天幕吊桿、舞臺吊桿、聲反射罩、側(cè)臺裝景吊機、臺上機械電氣與控制系統(tǒng)。見圖2、圖3。

上空設備最具特點的是4道分段式燈光吊桿和12套燈光吊籠，實現(xiàn)舞臺上空縱橫兩個方向布光可大幅度機動調(diào)整，充分滿足主舞臺區(qū)演出的燈光要求。三段燈桿可同步使用，也可分層或單獨使用；燈光吊籠可上人操作，可沿舞臺臺深方向移動，也可垂直舞臺面上下移動，根據(jù)需要懸掛燈具。

3.3 項目難題與對策

3.3.1 設備層柵頂上使用空間高度不足

項目組織方與總承包單位總裝備部工程設計研究總院在實施過程中，與昆克劇院工程咨詢（北京）有限公司和中國建筑設計研究院反復研究討論，通過設備技術(shù)改良，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)，增大使用空間。大劇院屋頂鋼結(jié)構(gòu)原設計中大梁橫向布置，跨度大，高度為1.8 m。經(jīng)過對舞臺機械受力分析，充分利用結(jié)構(gòu)縱橫向跨度不同的特點，將主梁改為縱向布置，跨度減小，高度為1.2 m，使柵頂凈空提高了0.6 m。這樣，既滿足了屋頂強度和剛度要求，又滿足了吊桿卷揚機鋼絲繩排繩的高度要求。

3.3.2 優(yōu)化臺上設備工藝布局

原臺上設備布置圖中，每排（共4排）三道燈桿有兩道短桿卷揚機布置在柵頂下層，而中間段桿體的卷揚機設置在柵頂，設備布置分散，不易維護與管理，布局零亂。經(jīng)過卷揚機結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，把短燈桿卷揚機布置在柵頂兩側(cè)，實現(xiàn)了上空設備布置整齊劃一，效果良好。臺上設備的合理布局，通過與燈光、音響、消防等專業(yè)單位的共同努力，昆山文化藝術(shù)中心劇院成為全國劇場柵頂布局最整潔、合理的劇場之一。

3.3.3 運景升降臺基坑深度不足

運景升降臺由于行程過大，相對而言基坑深度不夠，傳動機構(gòu)無法安裝布置。經(jīng)與中建院共同優(yōu)化基坑層抗浮荷載分布，取消運景升降臺范圍內(nèi)寬3 m、長18 m范圍內(nèi)的荷載，節(jié)省了0.45 m深的回填土，使基坑深度增加0.45 m，在此基礎上將驅(qū)動設備位置重新布局，滿足了該設備的功能要求，并解決了運景升降臺四周均要求有升降欄桿的難題。

3.3.4 狹窄臺面鋼絲繩傳動系統(tǒng)布局實現(xiàn)

樂池升降臺前后分為兩塊，窄條狀弧形結(jié)構(gòu)使得升降臺鋼絲繩傳動機構(gòu)布置幾乎不可能實現(xiàn)；如果不采用鋼絲繩傳動，升降臺的速度、噪聲控制等指標難以實現(xiàn)。通過采用鋼絲繩折線設計、增設傾斜導向輪、調(diào)整升降臺中心等手段，最終實現(xiàn)了鋼絲繩高速、低噪聲的樂池升降臺的功能指標。

3.3.5 觀眾席升降花心燈架

在裝修已完成的情況下，增加觀眾廳花心燈架升降裝置。觀眾席上空天花造型獨特，中央花心燈架是花蕊造型，花瓣呈多層包裹的方式逐漸散開，花瓣的位置與造型兼顧舞臺面光設計。由于前期沒有預留設備條件，再加上工期因素，給工程方帶來了不小的挑戰(zhàn)。經(jīng)過現(xiàn)場實勘測量，實測數(shù)據(jù)作為輸入條件，結(jié)合原有上空結(jié)構(gòu)承載力與上空管道設備的布置等條件，采用計算機三維設計與動態(tài)模擬，解決了升降燈架的結(jié)構(gòu)受力和干涉的難題，完成后效果頗佳。

綜上所述，可以看出工程實踐難題往往是多專業(yè)各類限制條件交織在一起的。工程難題的解決，需要強大的技術(shù)實力，還需要發(fā)揮多專業(yè)多學科間的綜合協(xié)同能力，這也是未來劇場舞臺設備專業(yè)需求發(fā)展的趨勢。

4 技術(shù)創(chuàng)新與應用

4.1 車臺激光掃描防撞安全裝置

目前，國內(nèi)建設的大劇院，具有防撞功能的車臺較少，究其原因，主要是：防撞設備資金投入較大、技術(shù)不夠成熟、行業(yè)沒有硬性規(guī)定。防撞裝置一般有四種形式，機械式、光電式、激光式或超聲式。本項目共12套車臺，左右側(cè)臺對稱分布，平面尺寸18 m×3 m，設計中新型激光掃描裝置可以掃描到車臺邊緣4 m范圍內(nèi)的物體，可以在掃描范圍內(nèi)任意設定掃描形狀，可以在設定掃描形狀的范圍內(nèi)定義雷達掃描分區(qū)：2 m警告區(qū)，1 m減速區(qū)和0.5 m緊急制動區(qū)。見圖4。

圖4 車臺防撞裝置工作示意圖

4.2 地板可溫控移動主席臺

考慮到昆山每年元月（“兩會”期間）天氣較冷，舞臺上空空調(diào)暖風難以迅速到達地面，并且能耗很大，特別研發(fā)了地板可溫控的移動式主席臺。它集成了電發(fā)熱地板系統(tǒng)。自發(fā)熱地板是一種以地板為載體的室內(nèi)地面取暖材料，在地板中間內(nèi)置了一種電能發(fā)熱層，其顯著特點是設備輕便、能源清潔環(huán)保、熱效高。臺體設計結(jié)合了主席臺傳統(tǒng)工藝尺寸，與主升降臺等模數(shù)，將發(fā)熱地板與移動臺體一體化設計，并對車臺結(jié)構(gòu)和供電方式進行了防水、防火以及絕緣等專項設計?，F(xiàn)場安裝和調(diào)試后，“兩會”期間應用良好。

4.3 無導軌導向座椅臺車（插拔式滾輪導向機構(gòu)）

大劇院配置了“兩會”用移動主席臺和樂池座椅臺車，為保證其在運行中的穩(wěn)定性，需要在舞臺面上設置導向機構(gòu)。傳統(tǒng)做法是在舞臺木地板上開槽，將導軌藏于其中，這樣會造成舞臺面上的開槽縱橫交錯，影響美觀和使用。為解決該難題，采用臨時插拔式導向輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)導軌，舞臺面上只需預留固定插拔孔，平時用蓋板封住，使用時將導向輪插入，用于座椅車臺運行的導向，該設計使舞臺面更完整。見圖5。

4.4 金珠鉆針織鑲燙工藝大幕

大幕上呈現(xiàn)的圖案是一條富有藝術(shù)氣息的波浪形曲線。為了能更好地體現(xiàn)大幕整體設計效果，選擇在天鵝絨材質(zhì)大幕上，將設計圖案以鑲嵌金珠鉆的工藝方式精工制作完成。該工藝既能保持天鵝絨面料原有的柔軟度和垂感，又能使金珠鉆在舞臺燈光的照射下閃閃發(fā)光，呈現(xiàn)流光溢彩、金碧輝煌的獨特效果。

鑲燙金珠鉆是一個特殊的制作工藝，采用專用的模板模具與手法。大幕圖案是一條非對稱、無循環(huán)的圖形，由440種規(guī)格不同的珠鉆組成（每組珠鉆的珠粒數(shù)量和排列都不相同），需要定制440套不同的模板模具。整個鑲燙工藝采用人工排版與電腦操作相結(jié)合的方式完成。每塊大幕高13.5 m、寬13 m，由20幅面料拼接而成。

4.5 控制系統(tǒng)

4.5.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用“上位機+服務器+控制器+驅(qū)動器”的分布式控制結(jié)構(gòu)，專用的傳輸協(xié)議，保證了系統(tǒng)的實時性和多驅(qū)動同步運動。見圖6。

4.5.2 控制系統(tǒng)可靠性

控制系統(tǒng)安全性是指一旦系統(tǒng)發(fā)生某種故障，可以保證設備運行，保證演出順利進行。為提高系統(tǒng)可靠性，舞臺機械控制系統(tǒng)采用了大量的冗余設計，包括電源系統(tǒng)冗余、服務器冗余、網(wǎng)絡冗余、中央軸控制器冗余、操作設備冗余和完善的備用系統(tǒng)。

圖5 車臺插拔導輪

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 電源系統(tǒng)冗余

圖8 服務器冗余

圖9 備用系統(tǒng)

（1）電源系統(tǒng)冗余

電源系統(tǒng)冗余見圖7。

（2）服務器冗余

控制系統(tǒng)采用三冗余服務器，服務器可進行自動切換，也可由用戶在控制臺上手動切換，將任意一個服務器作為主服務器。見圖8。

（3）網(wǎng)絡冗余

控制系統(tǒng)采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B互為冗余備份且定時自動進行切換。

（4）中央控制器冗余

中央控制器采集系統(tǒng)級關(guān)鍵信息，這些信息對舞臺機械設備的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，因此，對中央控制器采用了雙冗余的設計。

（5）備用系統(tǒng)

備用系統(tǒng)覆蓋的設計主要有升降臺、車載轉(zhuǎn)臺、單點吊機、吊桿、樂池升降臺等。見圖9。

4.5.3 控制系統(tǒng)的便捷與開放性

舞臺機械控制系統(tǒng)通過以下方面的軟硬件設計，保證了現(xiàn)場調(diào)試和操作人員在整個設備調(diào)試、裝臺彩排和演出使用過程中的方便性。

（1）控制臺可多點接入

大劇院內(nèi)共分布10個接口箱，接口箱為控制臺提供電源和網(wǎng)絡；此外，劇場內(nèi)還設有無線接入點，信號能覆蓋整個劇場，從而使無線控制臺可在劇場內(nèi)任意位置使用，為設備調(diào)試和操作提供了更大的方便。

（2）控制設備更換

控制器插入固定架和更換均很簡便；更換后控制器自動配置，無需費時調(diào)整其地址和參數(shù)。變頻器通過端子排與外界連接，通過IC卡寫入程序，便于設備更換。

5 結(jié)束語

昆山大劇院舞臺機械工程的幾點創(chuàng)新設計，以解決或完善現(xiàn)代化機械舞臺布局不合理、功能不足等實際問題為出發(fā)點，實現(xiàn)以人為本、節(jié)能環(huán)保的科學設計理念。傳統(tǒng)品字形舞臺的工藝設計已近成熟，但是圍繞著舞臺表演藝術(shù)的需求，各種多媒體效果和移動功能的相互交融，使得舞臺機械呈現(xiàn)出以下多方向發(fā)展趨勢：一是人機結(jié)合越來越緊密，要求設備系統(tǒng)可靠性極高；二是復雜多領(lǐng)域的功能需求，要求大規(guī)模系統(tǒng)優(yōu)化集成；三是實現(xiàn)打破傳統(tǒng)的舞臺效果，要求舞臺機械應具備演出的核心支撐能力。因此，未來的機械化舞臺將更加安全、更加環(huán)保、更加多樣、更加開放。