矩陣式自控機械升降舞臺的方案解析

摘要：解析宛平劇場基于專業(yè)型戲曲劇場工藝特點和設(shè)備配置要求，采用矩陣式自控機械升降舞臺運行模式、子母升降舞臺的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：舞臺機械;矩陣式升降臺;子母升降臺;共享活門;結(jié)構(gòu)干涉分析;結(jié)構(gòu)受力分析

0? ? 引言

戲曲是中國的傳統(tǒng)藝術(shù)，是中國文化瑰寶，需要傳承和發(fā)揚。隨著現(xiàn)代文化的發(fā)展和科技的進步，越來越多的劇場搭載了智能舞臺或者自動控制舞臺。而戲曲劇場舞臺工藝設(shè)計一直以來受傳統(tǒng)思想影響，舞臺形式比較簡單且固定，某種程度上不利于戲曲藝術(shù)的革新和發(fā)展。上海宛平劇場作為專業(yè)戲曲藝術(shù)演藝場館，打破了原有思想的限制，大膽地嘗試了智能機械舞臺的應(yīng)用。宛平劇場由同濟建筑設(shè)計院總體設(shè)計，英國Theatre Projects Consultants公司負責舞臺工藝設(shè)計，無論是在劇場空間設(shè)計、舞臺設(shè)備配置上，還是在聲學(xué)專業(yè)設(shè)計上都做了深入細致的研究。因其獨特的設(shè)計理念和劇場的獨特功能要求，舞臺機械的設(shè)計更為復(fù)雜，精度要求也更為苛刻。

1? ? 宛平劇場的工藝特點及設(shè)備配置

宛平劇場坐落于上海市徐匯區(qū)中山南二路和宛平南路口，地處上海核心城區(qū)，是一座兼具上海地域文化特質(zhì)和中國戲曲繁榮發(fā)展標志的專業(yè)戲曲劇場，它承載著一代上海人的文化記憶。造型取意海派玉雕，外部體量簡潔凝厚，內(nèi)部空間靈活多彩。立面取意中國折扇，線條挺拔、連續(xù)延展、曲面溫婉。

宛平劇場總用地面積6 472 m2，總建筑面積2.9萬m2，其中，地上建筑面積為1.6萬m2，地下建筑面積為1.3萬m2。建筑高度24 m，局部的臺塔高度34.3 m。地上高度5層，地下3層（圖1）。

室內(nèi)延續(xù)扇形的設(shè)計風格，在型與色上呈現(xiàn)中式特點（圖2）。戲曲大劇場馬蹄形觀眾廳，最大進深27.17 m，最大寬度27.8 m，分為樓座和池座，可容納1 018名觀眾，其中池座座位771個，樓座座位225個，包廂座位22個。座椅造型汲取西方及日本的藝術(shù)設(shè)計理念，簡潔精致，采用劇場專用座椅面料和泡棉，既滿足了戲曲演出的聲學(xué)要求，又為觀眾提供了舒適的觀演感受。

宛平劇場作為專業(yè)的戲曲表演場館，功能定位明確，舞臺設(shè)備配置豐富。臺口尺寸16 m（寬）×10 m（高），主舞臺寬27.8 m，進深19.8 m;側(cè)舞臺寬8.0 m，進深19.8 m;主舞臺臺塔凈高24.8 m。舞臺機械系統(tǒng)配置包含臺上設(shè)備、臺下設(shè)備近200臺套。

臺上設(shè)備以65套均勻分布、高速運行的電動吊桿為主要承載設(shè)備，通過可移動燈光渡橋的形式實現(xiàn)燈桿位置可變的功能。其他設(shè)備均為常規(guī)劇場的通用配置，并無特別可述之處。

本文著重講述臺下設(shè)備中機械升降舞臺系統(tǒng)的運行模式和功能體現(xiàn)，并重點分析和研究該升降舞臺系統(tǒng)的機械解決方案。

2? ? 矩陣式自控機械升降舞臺的布置形式及運動模式

2.1? ? 布置形式

機械升降舞臺在常規(guī)劇場的應(yīng)用較為廣泛，但在專業(yè)型戲曲劇場的應(yīng)用就較為少見了，而該項目采用的矩陣式自控機械升降舞臺則更為少見。中國傳統(tǒng)戲曲，尤其是一些武戲表演，對舞臺臺面的縫隙和平整度要求非常高，如果平整度不達標會存在傷害演員的風險，這就限制了這類升降舞臺在戲曲劇場的應(yīng)用。

宛平劇場的矩陣式機械升降舞臺，由25塊3 m（寬）×3 m（進深）的正方形臺面組成，呈5行和5列均布于主舞臺的核心表演區(qū)，如圖3所示。其中，有10套內(nèi)部還嵌裝了獨立升降的子升降臺，子臺面尺寸為1.8 m（寬）×1.5 m（進深）。因此，機械升降舞臺分為A、B類。A類是單純的單層升降舞臺，升降行程為2.3 m，以1.000標高為基準，上升至3.000標高，下降至0.700標高（即相對于舞臺面上升2.0 m，下降0.3 m）。B類是內(nèi)部嵌裝子升降舞臺的子母升降舞臺，子升降舞臺的行程為3.5 m，以1.000標高為基準，下降至-2.500標高，上升至最高位置即為1.000標高;其他參數(shù)與A類相同。

每塊機械升降舞臺均由獨立的驅(qū)動系統(tǒng)完成升降動作，每套子升降舞臺也是由獨立的驅(qū)動系統(tǒng)完成升降動作。這樣的機械升降舞臺的分布模式，給整個舞臺面帶來了A類和B類臺縫共100條（圖4），而戲曲表演要求這些臺縫要非常小，在舞臺上面鋪上地膠和地毯后臺縫不能對演員表演產(chǎn)生任何影響。

2.2? ? 運行模式

由于建筑結(jié)構(gòu)受限，機械升降舞臺基坑深度只能做到-4.0 m，因此，機械舞臺的升降行程受到極大的限制，無法按常規(guī)的機械舞臺模式進行設(shè)計，為了盡量發(fā)揮機械升降舞臺對演出的作用，機械舞臺設(shè)計可通過子母升降舞臺接力的形式實現(xiàn)演員由臺倉至舞臺以上的完整運送，以達到豐富舞臺表演形式的效果。

升降舞臺的典型運行模式如下：

（1）所有機械舞臺運行至上限位，形成整體高臺模式，如圖5所示。

（2）機械舞臺成排編組，由前向后，每排高度遞增，形成臺階舞臺模式，如圖6所示。

（3）機械舞臺隨機編組升降，形成多點高臺模式，如圖7所示。

（4）所有機械舞臺上升至與周邊固定舞臺臺面平齊，形成大平臺模式，如圖8所示。

（5）所有機械舞臺處于下限位，低于周邊固定舞臺300 mm，可在此舞臺凹坑內(nèi)嵌裝拼裝式轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺的周邊通過補平鋼架進行補平，形成旋轉(zhuǎn)舞臺模式，如圖9所示。

（6）拼裝式旋轉(zhuǎn)舞臺嵌裝在機械舞臺后，所有機械舞臺同時升降至一定高度，形成高臺旋轉(zhuǎn)舞臺模式，如圖10所示。

（7）機械舞臺處于大平臺模式時，子升降舞臺可單獨或任意編組由地下一層運送演員或道具至舞臺表面，形成魔術(shù)舞臺模式，如圖11所示。

3? ? 矩陣式自控機械升降舞臺的技術(shù)特點分析

矩陣式自控機械升降舞臺，將舞臺分隔為多個模塊化的小升降臺，可任意編組運行，極大地豐富了舞臺形式，為舞臺藝術(shù)創(chuàng)作提供了良好的想象空間和表現(xiàn)手法。然而，要能夠充分實現(xiàn)這樣的機械舞臺的使用功能，是非常困難的。由于機械舞臺數(shù)量多，自控邏輯關(guān)系復(fù)雜，互鎖、聯(lián)動要求都非常高，25套升降母臺加上10套升降子臺，共計35套獨立運行的機械，每套機械除本身應(yīng)具備的限位控制邏輯外，機械之間還存在著互鎖、聯(lián)動、編組等邏輯關(guān)系。專業(yè)的戲曲表演，尤其是武戲類表演，要求舞臺表面垂直高差不大于2 mm（行業(yè)標準為不得大于3 mm），臺縫不大于6 mm（行業(yè)標準為不得大于12 mm），因此機械升降舞臺的垂直升降重復(fù)定位精度應(yīng)控制在±1 mm以內(nèi)，水平誤差應(yīng)控制在±3 mm以內(nèi)，這給舞臺機械技術(shù)專業(yè)的設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試等提出了巨大的挑戰(zhàn)。

從舞臺機械設(shè)計角度分析，該機械升降舞臺的設(shè)計難點主要有三點：其一，合理選擇機械驅(qū)動系統(tǒng)和傳動機構(gòu)，以保證升降臺的重復(fù)定位誤差可控;其二，合理設(shè)計子升降舞臺和母升降舞臺之間的機械邏輯關(guān)系，在淺基坑的基礎(chǔ)上實現(xiàn)兩套相對獨立的升降設(shè)備的連續(xù)動作，以實現(xiàn)演員的接力運送;其三，機械結(jié)構(gòu)安裝空間有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需充分分析各主要結(jié)構(gòu)受力工況，合理選擇安全系數(shù)，確保機械舞臺結(jié)構(gòu)受力和運行安全。

4? ? 對應(yīng)的解決方案及結(jié)構(gòu)分析

4.1? ? 機械驅(qū)動系統(tǒng)和傳動機構(gòu)的選擇

經(jīng)空間和結(jié)構(gòu)分析，A類升降舞臺比較容易實現(xiàn)，功能性和可靠性也可保證;而B類升降舞臺較為復(fù)雜，涉及兩套獨立的機械驅(qū)動系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)嵌套關(guān)系，同時存在共用結(jié)構(gòu)部分的銜接關(guān)系。因此，筆者重點分析B類舞臺的解決方案及結(jié)構(gòu)。

B類舞臺主要由外框的母臺和嵌套在內(nèi)部的子臺組成，結(jié)構(gòu)相對獨立，子臺和母臺的行程及速度均不相同。母臺作為外框結(jié)構(gòu)，與A類舞臺的結(jié)構(gòu)和功能基本相同，采用電機驅(qū)動，動力分配系統(tǒng)采用鏈輪鏈條，頂升機構(gòu)采用自導(dǎo)向齒輪齒條系統(tǒng)。這套驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點是技術(shù)成熟，安裝空間緊湊，傳動準確可靠，重復(fù)定位精度高等。子臺系統(tǒng)由于升降速度較快（0.5 m/s），因此，選擇電機驅(qū)動、鋼絲繩卷揚的驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式不受結(jié)構(gòu)限制，驅(qū)動單元可以安裝在執(zhí)行單元旁邊，通過滑輪或滑輪組等機構(gòu)改變動力傳遞方向。另外，借助滑靴導(dǎo)軌的導(dǎo)向系統(tǒng)，確保整個驅(qū)動系統(tǒng)運行安全可靠。

4.2? ? “共享活門”設(shè)計

B類舞臺除兩套獨立的驅(qū)動系統(tǒng)外，另一個設(shè)計要點就是演員活門，演員活門并非特殊產(chǎn)品，在很多劇場里都有應(yīng)用，技術(shù)也相對成熟，但是由于結(jié)構(gòu)限制，常規(guī)的電動演員活門做法很難應(yīng)用于該項目中。因為該項目的演員活門不僅僅起到“門”的作用，還是子臺和母臺之間接力運送演員的銜接橋梁，它既要能夠隨子臺升降，還要能夠隨母臺升降。因此，該項目通過“共享活門”的方式實現(xiàn)這一功能，將子臺的舞臺臺板做成可分離的活動臺板，當子臺升高至上限位時，通過鎖定機構(gòu)將活動臺板與母臺鎖定，活動臺板即成為母臺臺面的一部分，隨母臺上升，進而實現(xiàn)子臺與母臺運送演員的接力功能。當需要由舞臺面接送演員下來時，子臺固定臺板上升至上限位，使定位插銷插入“共享活門”的定位銷孔，并觸動限位裝置，控制系統(tǒng)檢測到子臺固定臺板已達到銜接位置，并已與“共享活門”安全鎖定，控制系統(tǒng)發(fā)送指令至母臺的快鎖機構(gòu)，鎖舌收回至安全位置，此時子臺固定臺板帶動“共享活門”一同下降，將演員運送至臺倉，如圖12所示。

“共享活門”的設(shè)計尺寸為1.8 m（寬）×1.5 m（進深），鋼結(jié)構(gòu)作為主體，表面鋪設(shè)專用舞臺木質(zhì)地板。鋼結(jié)構(gòu)主體帶有鎖穴結(jié)構(gòu)，與安裝在母臺鋼架上的鎖舌結(jié)構(gòu)配合，實現(xiàn)對“共享活門”結(jié)構(gòu)的鎖定，快鎖機構(gòu)配有檢測開關(guān)，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保設(shè)備運行安全，如圖12左上角放大圖所示。

4.3? ? 三維軟件輔助結(jié)構(gòu)干涉分析和結(jié)構(gòu)受力分析

由于安裝空間緊湊，設(shè)備零部件較多，某些尺寸關(guān)系在CAD的二維圖紙上較難體現(xiàn)，因此，通過三維軟件SolidWorks建模，進行結(jié)構(gòu)干涉分析，如圖13、圖14所示，降低了因零部件干涉造成設(shè)計錯誤的風險;同時對于臺面鋼架的薄弱環(huán)節(jié)進行了結(jié)構(gòu)受力分析，如圖15、圖16所示，模擬了設(shè)備的實際受力情況，驗證了結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理性和受力安全性。

由于該項目應(yīng)用要求的特殊性，為確保整套設(shè)備各項參數(shù)的合理性，特試裝了2套設(shè)備，如圖17所示。經(jīng)現(xiàn)場檢測，各項指標均達標，機械運行的水平誤差在±2 mm以內(nèi)，垂直誤差在±1 mm以內(nèi)，機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

5? ? 結(jié)語

矩陣式自控機械升降舞臺采用接力式子母升降舞臺的設(shè)計，突破了原有機械舞臺設(shè)計的固化思維，提出了一種針對淺基坑結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大行程升降舞臺的機械解決方案，以其靈活的舞臺形式滿足現(xiàn)代戲曲舞臺藝術(shù)需求，為舞臺機械設(shè)計提供了一種參考思路。

收稿日期：2020-04-26

作者簡介：張術(shù)永（1982—），男，浙江杭州人，碩士，工程師，研究方向：舞臺機械。