中國(guó)七夕演藝中心的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)

石 森

（北京壹貳叁舞臺(tái)藝術(shù)設(shè)計(jì)制作有限公司，北京 100007）

圖1 中國(guó)七夕演藝中心現(xiàn)場(chǎng)

位于江西新余仙女湖碼頭的中國(guó)七夕演藝中心（以下簡(jiǎn)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(gè)建筑宏偉大氣，極具現(xiàn)代美感。整個(gè)舞臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)占到演藝舞臺(tái)總面積的25%，是演藝舞臺(tái)的重要組成部分。

演藝中心包含4種舞臺(tái)機(jī)械：2臺(tái)獨(dú)桿升降機(jī)、1臺(tái)旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)、3臺(tái)升降臺(tái)和7臺(tái)旋轉(zhuǎn)屏，如圖2所示。其中，由于獨(dú)桿升降機(jī)采用了現(xiàn)有的成套設(shè)備，因此，本文中僅對(duì)另外3種非標(biāo)舞臺(tái)機(jī)械進(jìn)行解析。

該項(xiàng)目舞臺(tái)機(jī)械從2019年4月下旬正式開始設(shè)計(jì)，2019年7月上旬所有舞臺(tái)機(jī)械需要完成全部安裝調(diào)試驗(yàn)收工作，設(shè)計(jì)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作以及供應(yīng)鏈的工作安排帶來了極大的挑戰(zhàn)。

為了實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)，這三種非標(biāo)舞臺(tái)機(jī)械全部采用了機(jī)械行業(yè)較為先進(jìn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念和手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用三維軟件SolidWorks建模，對(duì)必要零部件采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行仿真分析，保證設(shè)計(jì)的快速準(zhǔn)確，同時(shí)在設(shè)備滿足舞臺(tái)美術(shù)要求的前提下降低了成本。下面對(duì)三種非標(biāo)機(jī)械的設(shè)計(jì)進(jìn)行解析。

圖2 演藝中心舞臺(tái)機(jī)械布置圖

1 旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)功能

旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)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(duì)于舞臺(tái)平面為0～+1.5 m，并且是可以360°自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)。中層升降行程范圍相對(duì)于外層為-3 m～+1.5 m，也是可以360°自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)。內(nèi)層升降行程范圍相對(duì)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(tái)面以下3 m的地下一層接人或者道具。相應(yīng)的，外層需要留有人從地下室進(jìn)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(shè)計(jì)方案

由于當(dāng)?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(chǎng)測(cè)量實(shí)際僅6.4 m。考慮到內(nèi)層相對(duì)于舞臺(tái)面的行程范圍為-3 m～+4.5 m，中層相對(duì)于舞臺(tái)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(shè)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(dòng)部件。為了方便設(shè)計(jì)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(dòng)。因?yàn)閮?nèi)層和中層的高度有3.1 m高，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使用的柔性鏈盒及其電機(jī)減速機(jī)在高度方向上有空間重疊，需要將鋼結(jié)構(gòu)上開若干個(gè)槽，以避免鋼結(jié)構(gòu)降到最低時(shí)與柔性鏈盒產(chǎn)生干涉。同時(shí)，該槽需要避開各個(gè)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(shè)計(jì)的工作量。

圖3 旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)的三維模型

圖5 旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)基坑

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

圖6 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

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

對(duì)于外層和中層的轉(zhuǎn)臺(tái)，為了節(jié)約設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間，采用標(biāo)準(zhǔn)的圓弧型固定腳輪，作為豎直方向的支撐和轉(zhuǎn)臺(tái)的中心定位，單輪承重可達(dá)800 kg，如圖6所示。轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)采用齒輪傳動(dòng)，在此項(xiàng)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(duì)于傳統(tǒng)機(jī)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(shí)際上全部激光切割齒輪，從確定采購到供應(yīng)商出貨不到三天）。

為了保證設(shè)備運(yùn)行中的安全，旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)上各個(gè)電機(jī)的輸出端均安裝有液壓式制動(dòng)器，每個(gè)電機(jī)自身也配有抱閘；為防止升降機(jī)突然下落，其底部裝有數(shù)量足夠的緩沖器。當(dāng)演員從地下室通過外層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入中層鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，外層鋼結(jié)構(gòu)上的門通過一些控制邏輯禁止此時(shí)設(shè)備啟動(dòng)，以保證演員安全。

1.3 關(guān)鍵受力點(diǎn)承重受力分析

總體方案設(shè)計(jì)中，設(shè)備結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力點(diǎn)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(duì)其受力進(jìn)行分析，設(shè)備上的其他關(guān)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(duì)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(duì)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(guó)際單位；一種是機(jī)械行業(yè)習(xí)慣用法，長(zhǎng)度單位mm、力單位N、質(zhì)量單位t（噸）、時(shí)間單位s、密度單位t/mm3、應(yīng)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(shè)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(tái)的均布負(fù)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(dòng)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(tái)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(tái)上表面在數(shù)值分析軟件中的邊界條件設(shè)置為固定，柔性鏈的力按最大時(shí)候計(jì)算，其他力為定值，直接按實(shí)際情況輸入即可。

提高回收率、節(jié)約能源不僅僅可促進(jìn)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(gè)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(duì)小型采煤企業(yè)采取合并、連營(yíng)等方式進(jìn)行改造，達(dá)到整合資源規(guī)模生產(chǎn)的目的。其次，根據(jù)各個(gè)地區(qū)的不同，制定煤層的回收率最低限值，對(duì)于達(dá)不到最低值的企業(yè)，要勒定暫停生產(chǎn)，限定時(shí)間，過期仍舊不達(dá)標(biāo)的部門要下令對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)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(fèi)。

對(duì)于線框模型，劃分網(wǎng)格的方式非常簡(jiǎn)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(jì)算可得，整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為134 MPa，小于GB 150-2011《壓力容器》中 Q345B 鋼許用應(yīng)力 230 MPa（345/1.5=230）；最大絕對(duì)位移為2.4 mm，這個(gè)位移不會(huì)對(duì)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(yīng)力及絕對(duì)位移分布圖

圖8 3臺(tái)升降臺(tái)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(tái)的設(shè)計(jì)

該升降臺(tái)采用常規(guī)的升降臺(tái)，3臺(tái)并排布置，如圖8所示。每臺(tái)均可降到舞臺(tái)以下3.5 m處接人和道具，最高點(diǎn)位置與舞臺(tái)表面平齊?；由疃群托D(zhuǎn)升降臺(tái)相同，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量為6.4 m。為了設(shè)計(jì)與采購方便，升降臺(tái)的驅(qū)動(dòng)采用與旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)相同的柔性鏈形式。導(dǎo)向方面則采用了電梯軌道加導(dǎo)靴的組合。為了降低設(shè)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(tái)一致，不再贅述。

圖10 旋轉(zhuǎn)屏驅(qū)動(dòng)裝置三維模型

3 旋轉(zhuǎn)屏的設(shè)計(jì)

3.1 旋轉(zhuǎn)屏功能

旋轉(zhuǎn)屏共計(jì)7塊，并排布置在建筑的最后側(cè)，對(duì)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(yù)埋鋼板相連。

旋轉(zhuǎn)屏正面為L(zhǎng)ED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(shí)畫面的完整性，要求旋轉(zhuǎn)屏的間距盡可能小，同時(shí)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(shí)，演員可以從旋轉(zhuǎn)屏間的縫隙中走出，使旋轉(zhuǎn)屏達(dá)到分割舞臺(tái)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(shí)，由于旋轉(zhuǎn)屏位于室外，一定要考慮到風(fēng)載荷，其厚度又不能做得太薄。這些要求給設(shè)計(jì)造成了一定困難。

3.2 總體設(shè)計(jì)方案

旋轉(zhuǎn)屏屬于細(xì)長(zhǎng)條型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，具體寬、高尺寸如圖9所示。由于其需要承受較大的風(fēng)載荷，考慮到安裝的便捷，設(shè)備頂端和底端均采用回轉(zhuǎn)支撐這種承載性能可靠的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備作為支撐導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵部件。

驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)→蝸輪蝸桿減速機(jī)→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(jī)，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(dāng)于在電機(jī)自身抱閘的基礎(chǔ)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(dāng)?shù)囟嘤?，旋轉(zhuǎn)屏的機(jī)械設(shè)計(jì)需考慮設(shè)備電機(jī)及其他零部件的防雨措施。演藝中心為長(zhǎng)期存在的演出場(chǎng)所，在設(shè)計(jì)之初就要考慮對(duì)舞臺(tái)關(guān)鍵零部件的檢修工作，需要設(shè)計(jì)并制作相應(yīng)的檢修門以供工作人員隨時(shí)出入。演藝中心的建設(shè)由多個(gè)部門配合完成，旋轉(zhuǎn)屏防雨機(jī)構(gòu)和檢修門結(jié)構(gòu)由土建方根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)與制作方要求隨其他鋼結(jié)構(gòu)一并完成。

3.3 關(guān)鍵受力點(diǎn)承重受力分析

旋轉(zhuǎn)屏的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要兼顧演出效果和風(fēng)載荷的要求，以最高的位于中間的（14 m高）旋轉(zhuǎn)屏為例簡(jiǎn)單介紹計(jì)算過程。

風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)值是根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算的，由陣風(fēng)系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和基本風(fēng)壓4個(gè)值相乘而得。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，陣風(fēng)系數(shù)以B類地區(qū)50年一遇的風(fēng)壓計(jì)算，風(fēng)載荷高度取值為7 m（這是一個(gè)比較保守的高度取值，具體取值方法查詢上述標(biāo)準(zhǔn)即可，在此不再贅述），最終陣風(fēng)系數(shù)取1.83；風(fēng)荷載體型系數(shù)按一般墻面取1.2；風(fēng)壓高度變化系數(shù)，由于高度較低取1；基本風(fēng)壓，當(dāng)?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(shè)計(jì)時(shí)咨詢了當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)該工程的華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的工程師，與他們?nèi)≈迪嗤粚⑸鲜?個(gè)數(shù)值相乘得0.77 kN/m2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，不足1 kN/m2時(shí)按1 kN/m2，即風(fēng)載荷為按1 kN/m2。

中間旋轉(zhuǎn)屏高14 m，寬3.5 m，風(fēng)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(yīng)力及絕對(duì)位移分布圖

鋼結(jié)構(gòu)及云圖如圖11所示。經(jīng)過仿真計(jì)算，整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為117 MPa，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 150-2011《壓力容器》中 Q345B 鋼許用應(yīng)力 230 MPa（345/1.5=230）。最大絕對(duì)位移為12.4 mm，不到1/1 000，符合GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

4 結(jié)語

3種舞臺(tái)機(jī)械的設(shè)計(jì)制作的總周期僅75天，在此期間，完成總計(jì)出圖紙近350張、采用設(shè)備總重量達(dá)300多噸、SolidWorks統(tǒng)計(jì)的零件數(shù)目近20萬個(gè)，得益于SolidWorks的數(shù)字化建模技術(shù)和Abaqus有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用，才能在如此短暫的時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出安全可靠的設(shè)備。

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