中國七夕演藝中心的舞臺機械設計

石 森

（北京壹貳叁舞臺藝術設計制作有限公司，北京 100007）

圖1 中國七夕演藝中心現(xiàn)場

位于江西新余仙女湖碼頭的中國七夕演藝中心（以下簡稱：演藝中心）如圖1所示，采用球形建筑，融合了地球和天堂、凡間與仙界的愛情元素，充分展示了仙女湖的愛情文化，整個建筑宏偉大氣，極具現(xiàn)代美感。整個舞臺的機械系統(tǒng)占到演藝舞臺總面積的25%，是演藝舞臺的重要組成部分。

演藝中心包含4種舞臺機械：2臺獨桿升降機、1臺旋轉(zhuǎn)升降臺、3臺升降臺和7臺旋轉(zhuǎn)屏，如圖2所示。其中，由于獨桿升降機采用了現(xiàn)有的成套設備，因此，本文中僅對另外3種非標舞臺機械進行解析。

該項目舞臺機械從2019年4月下旬正式開始設計，2019年7月上旬所有舞臺機械需要完成全部安裝調(diào)試驗收工作，設計制作總周期僅75天，加之江西夏季悶熱多雨，不利于施工，給項目的設計、制作以及供應鏈的工作安排帶來了極大的挑戰(zhàn)。

為了實現(xiàn)快速設計，這三種非標舞臺機械全部采用了機械行業(yè)較為先進的參數(shù)化設計理念和手段進行設計，采用三維軟件SolidWorks建模，對必要零部件采用Abaqus有限元軟件進行仿真分析，保證設計的快速準確，同時在設備滿足舞臺美術要求的前提下降低了成本。下面對三種非標機械的設計進行解析。

圖2 演藝中心舞臺機械布置圖

1 旋轉(zhuǎn)升降臺的設計

1.1 旋轉(zhuǎn)升降臺功能

旋轉(zhuǎn)升降臺為三層環(huán)形布置的裝置，分別為12 m外徑的外層、7 m外徑的中層和2 m外徑的內(nèi)層。外層升降行程范圍相對于舞臺平面為0～+1.5 m，并且是可以360°自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺。中層升降行程范圍相對于外層為-3 m～+1.5 m，也是可以360°自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺。內(nèi)層升降行程范圍相對于中層為0～+1.5 m，無旋轉(zhuǎn)功能。內(nèi)層和中層可以下降到舞臺面以下3 m的地下一層接人或者道具。相應的，外層需要留有人從地下室進去中層的通道。其三維模型如圖3所示，演出效果如圖4所示。

1.2 總體設計方案

由于當?shù)氐刭|(zhì)原因，基坑（如圖5所示）可容許的最大深度僅為6.5 m，現(xiàn)場測量實際僅6.4 m。考慮到內(nèi)層相對于舞臺面的行程范圍為-3 m～+4.5 m，中層相對于舞臺面的行程范圍為-3 m～+3 m，內(nèi)層和中層的高度不可能大于3.5 m，再結(jié)合土建工程的誤差，最終將內(nèi)層和中層的高度定為3.1 m高。由于基坑深度與設備的高度和行程相比較小，屬于淺基坑，因此，內(nèi)層和中層最終選擇了柔性鏈作為驅(qū)動部件。為了方便設計和采購，外層也選擇了與內(nèi)層、中層相同的柔性鏈作為驅(qū)動。因為內(nèi)層和中層的高度有3.1 m高，導致鋼結(jié)構(gòu)與驅(qū)動結(jié)構(gòu)使用的柔性鏈盒及其電機減速機在高度方向上有空間重疊，需要將鋼結(jié)構(gòu)上開若干個槽，以避免鋼結(jié)構(gòu)降到最低時與柔性鏈盒產(chǎn)生干涉。同時，該槽需要避開各個結(jié)構(gòu)的軌道以及配重用的鋼絲繩，這極大地增加了三維結(jié)構(gòu)設計的工作量。

圖3 旋轉(zhuǎn)升降臺的三維模型

圖5 旋轉(zhuǎn)升降臺基坑

圖4 旋轉(zhuǎn)升降臺在節(jié)目中的蛋糕塔和旋轉(zhuǎn)木馬效果

圖6 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

由于外層和中層自重較大，對其分別布置有配重，以降低設備的功率，并且配重增加了結(jié)構(gòu)受力點的數(shù)量，進而分散結(jié)構(gòu)受力。

對于外層和中層的轉(zhuǎn)臺，為了節(jié)約設計和生產(chǎn)時間，采用標準的圓弧型固定腳輪，作為豎直方向的支撐和轉(zhuǎn)臺的中心定位，單輪承重可達800 kg，如圖6所示。轉(zhuǎn)臺驅(qū)動采用齒輪傳動，在此項目中，采用由激光切割的可拼接外齒圈（由約16 mm厚的鋼板激光切割外齒形，其中外層的齒圈外徑為9 m，內(nèi)徑為8.7 m。相對于傳統(tǒng)機床加工的齒輪，在同樣滿足使用要求的情況下，激光切割大大加快了制作速度（實際上全部激光切割齒輪，從確定采購到供應商出貨不到三天）。

為了保證設備運行中的安全，旋轉(zhuǎn)升降臺上各個電機的輸出端均安裝有液壓式制動器，每個電機自身也配有抱閘；為防止升降機突然下落，其底部裝有數(shù)量足夠的緩沖器。當演員從地下室通過外層鋼結(jié)構(gòu)進入中層鋼結(jié)構(gòu)時，外層鋼結(jié)構(gòu)上的門通過一些控制邏輯禁止此時設備啟動，以保證演員安全。

1.3 關鍵受力點承重受力分析

總體方案設計中，設備結(jié)構(gòu)關鍵受力點的受力分析是保證方案、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、安全的重要環(huán)節(jié)。本文中，僅以外層鋼結(jié)構(gòu)為例，對其受力進行分析，設備上的其他關鍵結(jié)構(gòu)受力分析與外層鋼結(jié)構(gòu)類似，不再贅述。

外層鋼結(jié)構(gòu)整體由焊接鋼結(jié)構(gòu)再經(jīng)螺栓連接組成。主體鋼結(jié)構(gòu)采用60 mm×60 mm、厚2.5 mm的方管焊接而成，對于部分受力較大的區(qū)域采用60 mm×60 mm、厚3.5 mm的方管焊接。

材料屬性定義上，楊氏模量定位為209 000 MPa，泊松比0.3，由于需要考慮重力對結(jié)構(gòu)的影響，將材料密度定義為7.9E-9(t/mm3)（即7 900 kg/m3）。

由于abaqus屬于數(shù)值分析軟件，軟件中的數(shù)據(jù)是沒有單位的，所以需要用戶自己規(guī)定數(shù)據(jù)的單位，常采用的單位制式有兩種，一種是規(guī)范的國際單位；一種是機械行業(yè)習慣用法，長度單位mm、力單位N、質(zhì)量單位t（噸）、時間單位s、密度單位t/mm3、應力和彈性模量的單位是N/mm2（MPa）。所以，本文中全部采用第二種單位制式。

邊界條件設置上，外層鋼結(jié)構(gòu)受力有以下幾種：外層鋼結(jié)構(gòu)自身重力、升降臺的均布負載、外層結(jié)構(gòu)配重載荷、中層鋼結(jié)構(gòu)掛在外層鋼結(jié)構(gòu)上的配重載荷、用于驅(qū)動外層鋼結(jié)構(gòu)頂升的柔性鏈的力以及中層鋼結(jié)構(gòu)柔性鏈位置的力，受力數(shù)值見表1。由于升降臺的均布載荷并非定值，柔性鏈的力隨均布載荷變化而變化，這里將旋轉(zhuǎn)升降臺上表面在數(shù)值分析軟件中的邊界條件設置為固定，柔性鏈的力按最大時候計算，其他力為定值，直接按實際情況輸入即可。

提高回收率、節(jié)約能源不僅僅可促進煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，也是降低污染的需要。提高回收率、節(jié)約能源我們可以從以下幾個方面著手：首先，我們要本著扶持優(yōu)秀企業(yè)，淘汰不合法企業(yè)的原則，對小型采煤企業(yè)采取合并、連營等方式進行改造，達到整合資源規(guī)模生產(chǎn)的目的。其次，根據(jù)各個地區(qū)的不同，制定煤層的回收率最低限值，對于達不到最低值的企業(yè)，要勒定暫停生產(chǎn)，限定時間，過期仍舊不達標的部門要下令對其進行強制關閉。最后，將煤炭產(chǎn)品商品化和有償使用。政府要向企業(yè)征收一定數(shù)量的產(chǎn)前資源占用稅，讓企業(yè)所有人更加珍惜利用資源，降低浪費。

對于線框模型，劃分網(wǎng)格的方式非常簡單，本文中不再額外講述。

鋼結(jié)構(gòu)及云圖如圖7所示，經(jīng)過仿真計算可得，整體結(jié)構(gòu)最大應力為134 MPa，小于GB 150-2011《壓力容器》中 Q345B 鋼許用應力 230 MPa（345/1.5=230）；最大絕對位移為2.4 mm，這個位移不會對其他結(jié)構(gòu)造成影響。

表1 外層鋼結(jié)構(gòu)受力數(shù)值表

圖7 鋼結(jié)構(gòu)應力及絕對位移分布圖

圖8 3臺升降臺的三維模型

圖9 旋轉(zhuǎn)屏及遮擋片的立面布置圖

2 升降臺的設計

該升降臺采用常規(guī)的升降臺，3臺并排布置，如圖8所示。每臺均可降到舞臺以下3.5 m處接人和道具，最高點位置與舞臺表面平齊?；由疃群托D(zhuǎn)升降臺相同，現(xiàn)場實際測量為6.4 m。為了設計與采購方便，升降臺的驅(qū)動采用與旋轉(zhuǎn)升降臺相同的柔性鏈形式。導向方面則采用了電梯軌道加導靴的組合。為了降低設備功率，避免受力集中，同樣使用了配重。

其他安全保障措施與旋轉(zhuǎn)升降臺一致，不再贅述。

圖10 旋轉(zhuǎn)屏驅(qū)動裝置三維模型

3 旋轉(zhuǎn)屏的設計

3.1 旋轉(zhuǎn)屏功能

旋轉(zhuǎn)屏共計7塊，并排布置在建筑的最后側(cè)，對稱布置，如圖9所示（圖中有9塊屏幕，其中只有中間的7塊旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)的2塊不旋轉(zhuǎn)）。旋轉(zhuǎn)屏上部被環(huán)狀遮擋片遮擋住一部分，露出的部分形成半圓形。旋轉(zhuǎn)屏頂端與建筑主拱的鋼結(jié)構(gòu)相連，下面與地面預埋鋼板相連。

旋轉(zhuǎn)屏正面為LED屏幕，側(cè)面為燈箱（也可改裝安裝電腦燈），背面安裝電腦燈。為了確保旋轉(zhuǎn)屏屏幕全部位于正面時畫面的完整性，要求旋轉(zhuǎn)屏的間距盡可能小，同時考慮到安裝誤差和LED自身的厚度，最終確定間距為50 mm。

在旋轉(zhuǎn)屏的側(cè)面面向觀眾時，演員可以從旋轉(zhuǎn)屏間的縫隙中走出，使旋轉(zhuǎn)屏達到分割舞臺前后空間的效果；為了保證演出效果，旋轉(zhuǎn)屏不能太厚；同時，由于旋轉(zhuǎn)屏位于室外，一定要考慮到風載荷，其厚度又不能做得太薄。這些要求給設計造成了一定困難。

3.2 總體設計方案

旋轉(zhuǎn)屏屬于細長條型旋轉(zhuǎn)設備，具體寬、高尺寸如圖9所示。由于其需要承受較大的風載荷，考慮到安裝的便捷，設備頂端和底端均采用回轉(zhuǎn)支撐這種承載性能可靠的標準化設備作為支撐導向和驅(qū)動的關鍵部件。

驅(qū)動采用電機→蝸輪蝸桿減速機→輸出軸小齒輪→回轉(zhuǎn)支撐的形式，如圖10所示。采用蝸輪蝸桿減速機，一方面原因是貨期較短；另一方面是其有一定自鎖能力，相當于在電機自身抱閘的基礎上加了一道自鎖裝置，避免了輸出端造成的旋轉(zhuǎn)屏旋轉(zhuǎn)。

由于當?shù)囟嘤?，旋轉(zhuǎn)屏的機械設計需考慮設備電機及其他零部件的防雨措施。演藝中心為長期存在的演出場所，在設計之初就要考慮對舞臺關鍵零部件的檢修工作，需要設計并制作相應的檢修門以供工作人員隨時出入。演藝中心的建設由多個部門配合完成，旋轉(zhuǎn)屏防雨機構(gòu)和檢修門結(jié)構(gòu)由土建方根據(jù)機械設計與制作方要求隨其他鋼結(jié)構(gòu)一并完成。

3.3 關鍵受力點承重受力分析

旋轉(zhuǎn)屏的鋼結(jié)構(gòu)設計要兼顧演出效果和風載荷的要求，以最高的位于中間的（14 m高）旋轉(zhuǎn)屏為例簡單介紹計算過程。

風載荷的標準值是根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算的，由陣風系數(shù)、風荷載體型系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)和基本風壓4個值相乘而得。

根據(jù)上述標準，陣風系數(shù)以B類地區(qū)50年一遇的風壓計算，風載荷高度取值為7 m（這是一個比較保守的高度取值，具體取值方法查詢上述標準即可，在此不再贅述），最終陣風系數(shù)取1.83；風荷載體型系數(shù)按一般墻面取1.2；風壓高度變化系數(shù)，由于高度較低取1；基本風壓，當?shù)貨]有給出具體值，以與新余相近的九江取值0.35 kN/m2（筆者在設計時咨詢了當時負責該工程的華東勘測設計研究院的工程師，與他們?nèi)≈迪嗤?；將上?個數(shù)值相乘得0.77 kN/m2，根據(jù)標準，不足1 kN/m2時按1 kN/m2，即風載荷為按1 kN/m2。

中間旋轉(zhuǎn)屏高14 m，寬3.5 m，風載荷1 kN/m2，受49 kN均布力。旋轉(zhuǎn)屏上下有回轉(zhuǎn)支撐固定，所以分析軟件上的約束按固定處理。

結(jié)構(gòu)由焊接鋼結(jié)構(gòu)再經(jīng)螺栓連接組成。主體鋼結(jié)構(gòu)采用50 mm×50 mm，厚3 mm的方管焊接而成。

圖11 旋轉(zhuǎn)屏鋼結(jié)構(gòu)應力及絕對位移分布圖

鋼結(jié)構(gòu)及云圖如圖11所示。經(jīng)過仿真計算，整體結(jié)構(gòu)最大應力為117 MPa，小于國家標準GB 150-2011《壓力容器》中 Q345B 鋼許用應力 230 MPa（345/1.5=230）。最大絕對位移為12.4 mm，不到1/1 000，符合GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的要求。

4 結(jié)語

3種舞臺機械的設計制作的總周期僅75天，在此期間，完成總計出圖紙近350張、采用設備總重量達300多噸、SolidWorks統(tǒng)計的零件數(shù)目近20萬個，得益于SolidWorks的數(shù)字化建模技術和Abaqus有限元仿真技術的應用，才能在如此短暫的時間內(nèi)快速準確地設計出安全可靠的設備。

目前設備已經(jīng)完成交付并投入使用。2019年央視七夕晚會《天下有情人》在演藝中心順利地完成了錄制任務，并于2019年七夕節(jié)當天順利播出。