3D數(shù)字化技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)模組化 技術(shù)在劇場(chǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

王源

1? 3D數(shù)字化技術(shù)及其應(yīng)用

1.1? 3D數(shù)字化技術(shù)概述

3D數(shù)字化技術(shù)是對(duì)機(jī)械4C（CAD/CAE/CAPP/CAM）技術(shù)和建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的一個(gè)統(tǒng)稱。

在機(jī)械行業(yè)，CAD/CAE/CAPP/CAM技術(shù)已發(fā)展了幾十年，尤其CAD和CAE技術(shù)已被廣大的工程技術(shù)人員所掌握。UG NX、Pro/E、CATIA、SOLIDWORKS等設(shè)計(jì)工具也在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。這些設(shè)計(jì)軟件各有所長(zhǎng)，均具有建立模型、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬和碰撞分析的基本功能。同時(shí)，通過(guò)與NASTRAN、ANSYS等有限元分析工具的接口，可以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力分析。

在建筑行業(yè)，BIM技術(shù)在近幾年發(fā)展很快，從政府管理層面，也在大力推動(dòng)。目前幾乎所有重大建設(shè)項(xiàng)目都引入了BIM。與機(jī)械CAD/CAM的工作程序類似，首先需要建立建筑項(xiàng)目的3D數(shù)字模型，以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。

習(xí)慣上，機(jī)械和建筑分屬于兩大行業(yè)。在CAD技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展的今天，這兩大行業(yè)的數(shù)字平臺(tái)有了相互融合。比如CATIA在最基本的航空/航天模塊之外，開發(fā)了專用的建筑工程模塊;另外，開發(fā)Pro/E的核心團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了目前建筑工程中廣泛使用的Autodesk REVIT。

在劇場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目中，機(jī)械專業(yè)的4C技術(shù)和建筑專業(yè)的BIM技術(shù)，往往在混合使用，而參與項(xiàng)目的專業(yè)承包商又往往分屬于以上兩個(gè)領(lǐng)域。對(duì)這兩種分屬于兩大技術(shù)領(lǐng)域、底層技術(shù)又十分相似的數(shù)字化技術(shù)，經(jīng)常由于專業(yè)稱呼的不同而造成溝通效率降低，甚至導(dǎo)致誤解而造成損失。所以，在實(shí)踐中，把這兩種技術(shù)統(tǒng)稱為3D數(shù)字化技術(shù)，同時(shí)面對(duì)各專業(yè)技術(shù)與管理人員，淡化其行業(yè)特征。

1.2? 3D數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用（以CATIA平臺(tái)為例）

CATIA（Computer Aided Three-dimensional Interactive Application），是法國(guó)達(dá)索公司多年前針對(duì)陣風(fēng)戰(zhàn)機(jī)而開發(fā)的一款CAD/CAE/CAPP/CAM平臺(tái)。CATIA具有優(yōu)秀的曲面造型能力，很早就在西班牙的畢爾巴鄂古根海姆博物館項(xiàng)目外墻設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

2009年，CATIA用于安徽九華山地藏菩薩露天銅像項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)把3D數(shù)字化技術(shù)引入建筑工程復(fù)雜曲面處理是比較早的。

該項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)路徑為：（1）由設(shè)計(jì)師或藝術(shù)家塑造1：100小樣;（2）通過(guò)3D數(shù)字掃描儀建立小樣的數(shù)字點(diǎn)云圖;（3）將點(diǎn)云圖導(dǎo)入CATIA平臺(tái)，完善成插值曲面;（4）在CATIA平臺(tái)上將造型放大到1：1，以后的工作都在平臺(tái)上進(jìn)行;（5）對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化調(diào)整，必要時(shí)進(jìn)行局部1：1塑形，再次掃描補(bǔ)充數(shù)據(jù);（6）按照加工安裝工藝能力，對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行表面分割;（7）依據(jù)分割結(jié)果數(shù)據(jù)指導(dǎo)工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝。

可以說(shuō)，CATIA提供了完備的曲面處理手段。

目前很多劇場(chǎng)建筑外形設(shè)計(jì)視覺(jué)沖擊力極強(qiáng)，甚至很多采用了設(shè)計(jì)師隨意手繪曲線的輪廓，按照建筑業(yè)慣用的平面圖/立面圖/剖面圖的方式已無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)建筑外形，只能采用3D數(shù)字化模型曲面來(lái)描述。

以上簡(jiǎn)述了針對(duì)復(fù)雜曲面的處理示例，對(duì)于舞臺(tái)實(shí)體道具也可以采用類似方式處理。

1.3? 3D數(shù)字化模型的輸出

（1）輸出到平面圖紙，作為生產(chǎn)加工依據(jù)，與原先的圖紙表達(dá)方式相仿，但是大大提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確程度。

（2）輸出至數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行零件板料切割。在機(jī)械設(shè)備的框架制造、建筑鋼結(jié)構(gòu)制作、建筑幕墻下料等工藝階段，應(yīng)用廣泛。

（3）輸出到3D打印機(jī)，進(jìn)行3D打印。

（4）輸出到其他造型設(shè)備。

我們開發(fā)了專用的5軸數(shù)控機(jī)床用于大尺度3D模型的輸出。模型材料可選用各種常用材料，但目前材料硬度不超過(guò)鋁材。最常用的是EPC泡沫塑料。該設(shè)備最大單體輸出模塊為1 m×1 m×2 m，精度0.1 mm。大于此尺寸的模塊，目前采用3D數(shù)字模型切割分塊—分別輸出—后期粘接的處理方式。同時(shí)正在開發(fā)有效工作半徑1.5 m、高度6 m的懸臂式5軸數(shù)控機(jī)床，精度目標(biāo)0.5 mm，用于大尺度模型的一次性成型。

1.4? 3D數(shù)字化技術(shù)與劇場(chǎng)項(xiàng)目的結(jié)合

3D數(shù)字化技術(shù)對(duì)劇場(chǎng)項(xiàng)目提供了全面深入的技術(shù)和管理支持。

首先，是其可視化。由于建立了劇場(chǎng)項(xiàng)目完整的3D數(shù)字化模型，能夠表達(dá)使用者所要求的細(xì)節(jié)，“所見即所得”。對(duì)于普通管理人員來(lái)講，讀懂建筑設(shè)計(jì)圖紙有一定的困難，很難發(fā)現(xiàn)其中的不合理情況，但3D數(shù)字化技術(shù)提供了可視化的途徑，將以往圖紙線條式的表達(dá)形成三維的立體模型展示在人們面前。在3D數(shù)字化模型中，由于整個(gè)過(guò)程都是可視化的，不僅可以用來(lái)進(jìn)行效果圖的展示及報(bào)表的生成，更重要的是，項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于提高管理效率意義重大。

其次，是碰撞檢查。利用3D數(shù)字化技術(shù)，在項(xiàng)目前期可以進(jìn)行碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)各專業(yè)之間空間使用的沖突，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，減少在建筑施工階段的錯(cuò)誤損失，減少返工，優(yōu)化管線排布方案。施工人員也可以利用碰撞優(yōu)化后的方案，進(jìn)行施工模擬，提高施工質(zhì)量。

第三，在3D數(shù)字化環(huán)境下，人們可以將整個(gè)劇場(chǎng)施工過(guò)程按照進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行預(yù)演，發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給予及時(shí)關(guān)注。

同時(shí)，模型建立后，不僅僅可以供管理人員、技術(shù)人員在項(xiàng)目實(shí)施階段使用，在前期設(shè)計(jì)階段，通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)即可用于結(jié)構(gòu)受力分析、日照分析、通風(fēng)分析、劇場(chǎng)聲學(xué)分析等，使劇場(chǎng)建設(shè)從方案階段起就在一個(gè)統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺(tái)上運(yùn)行。

綜上，在3D數(shù)字化環(huán)境下，使用者可以隨意觀察建設(shè)進(jìn)行中任意節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，包括完成后的情形，及時(shí)全面支持劇場(chǎng)建設(shè)管理者的工作。

具體到舞臺(tái)機(jī)械，無(wú)論臺(tái)上臺(tái)下設(shè)備及設(shè)備支架，同樣可以采用3D數(shù)字化手段來(lái)支持，可以通過(guò)3D數(shù)字化技術(shù)模擬全部運(yùn)動(dòng)邏輯，在設(shè)計(jì)完成后即可檢查設(shè)備運(yùn)作狀況和相互之間以及與周邊結(jié)構(gòu)的干涉。

無(wú)論劇場(chǎng)的整體建設(shè)過(guò)程，還是在具體的舞臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)安裝過(guò)程中，3D數(shù)字化技術(shù)都可以提供可靠的支持。

2? 鋼結(jié)構(gòu)模組化技術(shù)及其應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)模組化技術(shù)是在3D數(shù)字化技術(shù)支持下開發(fā)的一種舞臺(tái)上部支承構(gòu)架技術(shù)。最初是從一個(gè)劇場(chǎng)改造項(xiàng)目中發(fā)展出來(lái)的。

2.1? 老舊劇場(chǎng)改造項(xiàng)目的特征

（1）建設(shè)年代較早，結(jié)構(gòu)老舊，承載能力不滿足現(xiàn)行工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（2）舞臺(tái)上空吊桿系統(tǒng)設(shè)置不符合現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)。

（3）周邊運(yùn)輸環(huán)境不利，劇場(chǎng)建設(shè)位置往往位于市鎮(zhèn)繁華地帶。

（4）改造項(xiàng)目一般會(huì)涉及建造新的臺(tái)倉(cāng)，安裝新的臺(tái)倉(cāng)內(nèi)設(shè)備，設(shè)置臺(tái)上支架和吊桿系統(tǒng)。

（5）改造周期急迫，投資有限。

（6）內(nèi)部空間緊張，業(yè)主要求充分利用空間。

2.2? 鋼結(jié)構(gòu)模組化技術(shù)的特點(diǎn)

針對(duì)老舊劇場(chǎng)改造的以上特征，在3D數(shù)字化技術(shù)支持下，開發(fā)了模組化鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)，是通過(guò)集成設(shè)計(jì)與施工安裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

模組化鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足如下條件：

（1）結(jié)構(gòu)體系可以滿足吊桿系統(tǒng)的空間要求和結(jié)構(gòu)承載力要求;（2）構(gòu)件分段及連接方式標(biāo)準(zhǔn)化，適合中型車輛運(yùn)輸;（3）支架基礎(chǔ)與臺(tái)倉(cāng)改造同時(shí)處理;（4）安裝周期短;（5）充分使用舞臺(tái)上空。

模組化鋼結(jié)構(gòu)由下列構(gòu)件組成：標(biāo)準(zhǔn)柱段、標(biāo)準(zhǔn)梁端、標(biāo)準(zhǔn)滑輪梁、標(biāo)準(zhǔn)支撐體系、馬道標(biāo)準(zhǔn)段、格柵層。同時(shí)要配套專用場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備、專用安裝、提升措施。由于大型自動(dòng)化施工機(jī)具無(wú)法使用，安裝方案應(yīng)以使用人力和簡(jiǎn)單機(jī)具為主。

2.3? 鋼結(jié)構(gòu)模組化技術(shù)的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)模組化技術(shù)已在若干改造項(xiàng)目上得到實(shí)際使用，而且針對(duì)具體情況，形成了兩個(gè)大類。一類是柱體為整體構(gòu)造，適合于臺(tái)倉(cāng)較大，柱基礎(chǔ)可以進(jìn)入臺(tái)倉(cāng)底板范圍內(nèi)的情形。另一類是柱體為分段構(gòu)造，適合于臺(tái)倉(cāng)較小，柱基礎(chǔ)位于臺(tái)倉(cāng)范圍以外的情形。

在3D數(shù)字化技術(shù)的支持下，新建鋼結(jié)構(gòu)支架頂面與原屋面混凝土底板最低點(diǎn)間的距離可控制小于100 mm，與側(cè)墻距離可控制小于50 mm，上部空間的利用實(shí)現(xiàn)最大化。

鋼結(jié)構(gòu)模組化技術(shù)也可以用在新建項(xiàng)目和室外項(xiàng)目上。所有構(gòu)件制作均在工廠完成，制作精度有保證，現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)度可控，是理想的舞臺(tái)上部設(shè)備支承體系。

對(duì)于目前已實(shí)施項(xiàng)目，模組化鋼結(jié)構(gòu)體系的跨度，在室內(nèi)環(huán)境下，受限于原有劇場(chǎng)舞臺(tái)寬度，最大為23 m;在室外環(huán)境下，可拓展到60 m。已實(shí)施的模組化鋼結(jié)構(gòu)體系的高度，在室內(nèi)環(huán)境下，對(duì)于改造項(xiàng)目受限于原有劇場(chǎng)高度，最大為17 m;對(duì)于新建項(xiàng)目或室外環(huán)境可以拓展到30 m，適當(dāng)增加支撐體系，高度甚至可以達(dá)到50 m。

3? 幾點(diǎn)建議

在實(shí)際工作中，按照基本建設(shè)程序，劇場(chǎng)建設(shè)是由業(yè)主委托建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，建筑工程公司總承包的方式進(jìn)行建設(shè)。而一般的建筑設(shè)計(jì)院對(duì)建筑造形、動(dòng)線設(shè)計(jì)、空調(diào)、暖通、消防、給水排水等專業(yè)是十分精通的，規(guī)模較大的設(shè)計(jì)院對(duì)聲學(xué)設(shè)計(jì)、視線分析也是比較專業(yè)的，但是對(duì)于舞臺(tái)臺(tái)上臺(tái)下設(shè)備的處理方式是提供水、電接口，未來(lái)由專業(yè)廠家配合設(shè)計(jì)。而臺(tái)上臺(tái)下設(shè)備的采購(gòu)招標(biāo)往往滯后于工程總承包招標(biāo)。這就導(dǎo)致舞臺(tái)設(shè)備進(jìn)入項(xiàng)目太晚，往往劇場(chǎng)建設(shè)又是當(dāng)?shù)氐男蜗蠊こ?，設(shè)計(jì)者的注意力也在如何滿足地標(biāo)形象的要求，忽視劇場(chǎng)的基本功能，甚至有的劇場(chǎng)設(shè)計(jì)專注于創(chuàng)新，導(dǎo)致對(duì)劇場(chǎng)傳統(tǒng)丟棄太多，舞臺(tái)使用受到很大限制，影響劇目演出。

回歸本源，建議舞臺(tái)的使用者應(yīng)該積極提前介入劇場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)的前期設(shè)計(jì)階段，舞臺(tái)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該由舞臺(tái)演出需求來(lái)驅(qū)動(dòng)，如果被動(dòng)適應(yīng)基建現(xiàn)狀，往往會(huì)留下遺憾;舞臺(tái)上部結(jié)構(gòu)適宜作為設(shè)備支架的功能與舞臺(tái)設(shè)備統(tǒng)一考慮，不宜作為純粹的基建工程來(lái)對(duì)待;舞臺(tái)上部結(jié)構(gòu)應(yīng)把設(shè)計(jì)、制作、運(yùn)輸、安裝作為整體來(lái)考慮，目前的經(jīng)驗(yàn)是，運(yùn)輸、安裝方案對(duì)項(xiàng)目成敗同樣是有決定性的影響。

4? 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)家把“繼續(xù)加強(qiáng)完善公共文化場(chǎng)館基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”作為公共文化服務(wù)體系建設(shè)的一項(xiàng)重要工作，各省文化中心、劇場(chǎng)等文化場(chǎng)館建設(shè)數(shù)量迅速增加，中國(guó)三、四線城市也將新建、改建一批文化場(chǎng)館設(shè)施。同時(shí)，伴隨著文化和旅游業(yè)的快速發(fā)展，旅游主題劇場(chǎng)也成為旅游市場(chǎng)的一道靚麗的風(fēng)景。

3D數(shù)字化、聲光電一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)的劇場(chǎng)與舞臺(tái)的概念，為劇情量身定制舞臺(tái)及表演空間的演出場(chǎng)所越來(lái)越多，形成新的演出形式，觀與演的高度融合是未來(lái)演藝場(chǎng)所的重要模式和發(fā)展方向。3D數(shù)字化技術(shù)可以直觀地呈現(xiàn)工程技術(shù)的結(jié)果，可以提前為藝術(shù)創(chuàng)作者對(duì)場(chǎng)地和設(shè)施的各種可能性提供說(shuō)明，是有效的交流手段，也是技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的可靠途徑。

舞臺(tái)的使用者是藝術(shù)專業(yè)人員，我們作為技術(shù)支持，理解使用者的要求是做好設(shè)計(jì)的最基本出發(fā)點(diǎn)。為藝術(shù)家們提供技術(shù)支持，服務(wù)于藝術(shù)創(chuàng)意，尋找合適的技術(shù)表達(dá)方式，是技術(shù)工作者不懈的努力方向。

（選編自第十四屆論壇演講稿）