北京冬奧會開閉幕式大型高空表演設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)

于海莉，張海東，王秀會，馮 遼，鄭志榮，楊元永，陸 樂

（北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司，北京 100028）

1 概述

北京冬奧會開幕式于2022年2月4日在國家體育場（鳥巢）盛大舉行。奧運(yùn)的冰雪五環(huán)從冰立方中破冰而出冉冉升起，“致敬人民”場景的發(fā)光人腳踏大滑板穿越全場的唯美，吊掛的主火炬大雪花，都離不開高空表演設(shè)備系統(tǒng)的安全、可靠、準(zhǔn)確及零失誤運(yùn)行，使設(shè)備與藝術(shù)完美融合，達(dá)到簡約、唯美、浪漫、精彩的呈現(xiàn)效果。

高空表演設(shè)備系統(tǒng)用于鳥巢場地上空道具吊掛及切換場，是使用頻率最高的上空設(shè)備。鳥巢為南北長332 m、東西寬298 m的鞍形建筑，最高處高度69 m。鳥巢屋頂開口南北長182 m、東西寬124 m，鳥巢鋼架結(jié)構(gòu)鞍形開口處高度約14 m。高空表演設(shè)備系統(tǒng)安裝在屋頂鋼結(jié)構(gòu)的上弦、下弦及膜夾層中，供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)安裝在膜夾層。鳥巢屋頂上弦只安裝了承載鋼索立柱及輔助系統(tǒng)、承載鋼索及穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)備，移動小車安裝在鳥巢上空的承載鋼索上。這樣大大減少了設(shè)備對鳥巢外觀的影響。見圖1、圖2。

圖1 鳥巢屋頂上弦設(shè)備安裝部分場景

圖2 移動小車及承載鋼索

2 設(shè)備組成與參數(shù)

高空表演設(shè)備系統(tǒng)由威亞系統(tǒng)、鋼索及固定鋼索系統(tǒng)、鋼索立柱及輔助支撐、電氣及控制系統(tǒng)等組成。設(shè)備布置示意見圖3。

圖3 設(shè)備布置示意圖

威亞系統(tǒng)由升降驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、牽引驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、移動小車、吊具、導(dǎo)向滑輪組等組成。系統(tǒng)總承載重量約10.4 t，使用各類鋼索近16 km，承載鋼索最低點(diǎn)高度約為45 m。

場地上空南北方向設(shè)有8根直徑28 mm承載鋼索與2根直徑18 mm承載鋼索，跨距約200 m。設(shè)有三組10套高空表演設(shè)備，10套高空表演設(shè)備可同時(shí)使用。

3 設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)、難點(diǎn)

北京冬奧會開幕式演出的創(chuàng)意復(fù)雜多變。從2020年6月導(dǎo)演組提出創(chuàng)意設(shè)想，隨著導(dǎo)演組創(chuàng)意的不斷深化，高空表演系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案迭代優(yōu)化了十幾版，直至2021年4月方案才最終確定下來。開幕式演出對高空表演系統(tǒng)的使用要求非常高，系統(tǒng)負(fù)責(zé)吊掛道具大雪花、冰雪五環(huán)、大滑板、升降網(wǎng)幕等。由于吊掛載荷很大，速度快，同步運(yùn)行精度高，受鳥巢鋼結(jié)構(gòu)單點(diǎn)受力限制，設(shè)備自重應(yīng)盡量輕巧，所以需要全新研制一套高空表演系統(tǒng)。

3.1 空間限位條件下大負(fù)載精確呈現(xiàn)及回收控制

第一組高空表演設(shè)備吊掛冰雪五環(huán)。見圖4。當(dāng)冰立方自舞臺面上升至10 m高，冰立方頂部活門打開，吊掛鋼索下降至冰立方中與冰雪五環(huán)完成連接，在冰立方下降過程中冰雪五環(huán)呈現(xiàn)出來。運(yùn)動員從冰雪五環(huán)下方入場，在短片播放環(huán)節(jié)需要精確回收到地倉，將冰雪五環(huán)完全置于冰立方之中。由于冰立方儲藏空間四周間隙很小，在下鋼索至冰立方、冰立方下降伴隨著冰雪五環(huán)上升、冰雪五環(huán)呈現(xiàn)及冰雪五環(huán)回落環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)一旦控制精度不夠，冰雪五環(huán)將撞擊冰立方。由于兩個(gè)系統(tǒng)是獨(dú)立的，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，其破壞性都將造成巨大影響。

圖4 吊掛冰雪五環(huán)吊具示意圖

設(shè)備動作前，需要雙方熟悉流程，對接流程口令。在吊具設(shè)計(jì)過程中采用3組轉(zhuǎn)向滑輪，將吊具整體重心下移，并計(jì)算運(yùn)動過程中的受力情況。同時(shí)移動小車中鋼絲繩穿過滑輪組的間距與吊具鋼絲繩穿過滑輪組的間距是一致的。移動小車的升降滑輪組采用可旋轉(zhuǎn)滑輪，可自動調(diào)節(jié)鋼絲繩的偏擺，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩零偏角，確保移動小車及吊具在帶有坡度的柔性鋼索上平穩(wěn)運(yùn)行，不會出現(xiàn)鋼絲繩絞繩現(xiàn)象?？刂葡到y(tǒng)通過調(diào)節(jié)加速度、速度及標(biāo)定位置，兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)互相檢測對方信號，確保萬無一失，并做好應(yīng)急措施。

3.2 柔性雙索多車防撞設(shè)計(jì)

第二組高空表演設(shè)備吊掛大滑板。需要2套高空表演設(shè)備同步運(yùn)行，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從場地南側(cè)到北側(cè)沿特定拋物線完成運(yùn)動軌跡，達(dá)到唯美、浪漫的演出效果。在運(yùn)行過程中，移動小車的滑輪組具有擺動的功能。由于鋼索有柔性，移動小車行走時(shí)鋼索下?lián)?，因此?套移動小車在主索下坡段的速度不一致，一旦發(fā)生設(shè)備間運(yùn)動干涉，會造成設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞、鋼絲繩纏繞，影響演出的正常運(yùn)行。

移動小車設(shè)計(jì)采用雙索4組滑輪，4組滑輪同步運(yùn)行在雙主索上。2套移動小車在主索下坡段的速度不一致，每套移動小車端部設(shè)置防撞組件和抗震裝置，一旦控制限位裝置出現(xiàn)故障，可通過機(jī)械限位保護(hù)，防止運(yùn)行中出現(xiàn)碰撞。見圖5。柔性主索帶有坡度，需在移動小車設(shè)置支撐輪組件，確保鋼絲繩一直在滑輪組上，防止鋼絲繩與移動小車發(fā)生干涉，磨損鋼絲繩。

圖5 第二組多車防撞示意圖

3.3 大負(fù)載條件下姿態(tài)精確控制

第三組高空表演設(shè)備吊掛火炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)及火炬。執(zhí)行機(jī)構(gòu)需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從屋頂開口北側(cè)運(yùn)行到舞臺上空中央，完成姿態(tài)調(diào)整并同步運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行到舞臺上空中央時(shí)，移動小車承載執(zhí)行機(jī)構(gòu)吊掛大雪花完成升降、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜的動作。移動小車的尺寸為3.7 m×3.7 m，承載重量約6 400 kg。受鳥巢鋼結(jié)構(gòu)單點(diǎn)受力限制，固定鋼索支撐需采用四索式，固定鋼索系統(tǒng)設(shè)置了載荷傳感器，通過調(diào)整鋼索的高度確保4索受力一致，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼索的拉力。移動小車的吊掛滑輪采用4吊點(diǎn)對稱方式布置，吊具采用單滑輪的設(shè)計(jì)，確保移動小車在復(fù)雜鋼索上的運(yùn)行過程中滑輪所受摩擦力一致、實(shí)時(shí)受力均勻、同步運(yùn)行。移動小車牽引鋼絲繩的固定端采用2套壓板的方式固定，確保安全可靠。見圖6。通過分析，確定牽引鋼絲繩間距及滑輪之間間距，確保設(shè)備運(yùn)行時(shí)不會出現(xiàn)鋼絲繩纏繞現(xiàn)象。

圖6 第三組移動小車示意圖

3.4 驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

2021年文化和旅游部頒布了文化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WH∕T 78.7-2021 《演出安全 第7部分：舞臺威亞安全》。此次設(shè)計(jì)全部按照該標(biāo)準(zhǔn)的要求，高空表演設(shè)備系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)均采用雙減速電機(jī)、雙變頻器、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等冗余設(shè)計(jì)。

驅(qū)動系統(tǒng)采用雙減速電機(jī)結(jié)構(gòu)，一主一備減速電機(jī)同軸驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)，雙電機(jī)上的制動器均設(shè)有制動器檢測裝置、電機(jī)過熱保護(hù)開關(guān)、增量值和絕對值編碼器。卷揚(yáng)機(jī)上有防亂繩松繩保護(hù)開關(guān)、限位開關(guān)、極限位開關(guān)、卷筒超行程保護(hù)開關(guān)、鏈條張緊開關(guān)、載荷傳感器等安全裝置。軟件設(shè)有最大位置和最小位置。同時(shí)設(shè)置機(jī)械結(jié)構(gòu)限位，實(shí)現(xiàn)設(shè)備多級安全保護(hù)措施。當(dāng)主電機(jī)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確切換，確保排練演出過程中設(shè)備正常運(yùn)行。

高空表演設(shè)備控制系統(tǒng)采用2套完全獨(dú)立互為備份且異構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)。由于高空表演設(shè)備使用頻率高，主控制系統(tǒng)采用熱冗余設(shè)計(jì)，采用2臺控制臺可實(shí)現(xiàn)無擾切換，確保演出呈現(xiàn)唯美、精彩的效果。同時(shí)，備用控制系統(tǒng)采用異構(gòu)冗余設(shè)計(jì)——首次引入電子凸輪控制技術(shù)，解決了多電機(jī)特性參數(shù)、運(yùn)動時(shí)序匹配問題，達(dá)到了主備控制系統(tǒng)交替接力表演場景。

4 設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)

4.1 吊掛冰雪五環(huán)的設(shè)備系統(tǒng)

吊掛冰雪五環(huán)的設(shè)備系統(tǒng)由固定鋼索系統(tǒng)、中間固定平衡結(jié)構(gòu)、2套升降驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、牽引驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、移動小車、吊具、導(dǎo)向滑輪組等組成，各分布在南北兩側(cè)。見圖7。冰雪五環(huán)呈現(xiàn)時(shí)，先需要水平動作的設(shè)備同步行進(jìn)到舞臺上空中央，隨后升降動作設(shè)備同步下降并提升冰雪五環(huán)。升降動作和行走動作可單獨(dú)調(diào)速運(yùn)行，也可以同時(shí)運(yùn)行。

圖7 第一組吊掛冰雪五環(huán)示意圖

工藝技術(shù)參數(shù)：水平速度0.67 m/s，水平行程90 m，升降速度1 m/s，升降行程50 m，總承載載荷3 200 kg。

吊掛的冰雪五環(huán)，由于速度快、行程大、安裝空間等限制，驅(qū)動系統(tǒng)采用可行走的自排繩卷揚(yáng)機(jī)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的中間固定平衡結(jié)構(gòu)由固定座、升降固定結(jié)構(gòu)、水平轉(zhuǎn)向滑輪、旋轉(zhuǎn)軸等組成，需固定在鋼索中心。見圖8。固定平衡結(jié)構(gòu)將鋼索分成兩部分，同時(shí)限定了行程，在空間上設(shè)置升降裝置固定壓板和水平裝置導(dǎo)向滑輪，導(dǎo)向滑輪帶旋轉(zhuǎn)軸，使鋼絲繩在柔性鋼索上實(shí)現(xiàn)零偏角。在吊具組件兩側(cè)均勻布置配重組件，可實(shí)現(xiàn)空載設(shè)備正常運(yùn)行，縮短了道具與場景的切換時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)采用同步編組設(shè)置，將2套設(shè)備同步綁定，運(yùn)行相對誤差約0.1 mm。同時(shí)設(shè)置多段曲線編程，通過調(diào)整設(shè)備的加速度、速度、位置，確保冰雪五環(huán)精準(zhǔn)呈現(xiàn)，在空間上不會出現(xiàn)晃動，并可迅速回收到開口狹小的冰立方內(nèi)。

圖8 第一組平衡結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 吊掛大滑板的設(shè)備系統(tǒng)

吊掛大滑板的設(shè)備系統(tǒng)由固定鋼索系統(tǒng)、4套升降驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、牽引驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、移動小車、吊具、導(dǎo)向滑輪組等組成，各分布在南北兩側(cè)。見圖9。大滑板呈現(xiàn)時(shí)，需要2套升降動作的設(shè)備、水平動作的設(shè)備共同運(yùn)行，從場地南側(cè)沿拋物線軌跡運(yùn)行到北側(cè)。通過每套設(shè)備的上升速度調(diào)整大滑板的姿態(tài)，運(yùn)行到舞臺上空中央時(shí)，設(shè)備處于水平平穩(wěn)懸停狀態(tài)并迅速上升。升降動作和行走動作可單獨(dú)調(diào)速運(yùn)行，也可以同時(shí)運(yùn)行。

圖9 第二組吊掛大滑板的設(shè)備系統(tǒng)示意圖

工藝技術(shù)參數(shù)：水平速度2 m/s，水平行程180 m，升降速度2 m/s，升降行程50 m，總承載載荷1 000 kg。

由于行程大、運(yùn)行速度快，驅(qū)動系統(tǒng)采用導(dǎo)向滑輪行走的自排繩卷揚(yáng)機(jī)，并設(shè)計(jì)排繩組件及鏈條組件，確保鋼絲繩從卷筒到轉(zhuǎn)向滑輪組的偏角幾乎為零?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置了設(shè)備間互鎖，通過編碼器控制設(shè)備的速度和設(shè)備間距，確保設(shè)備間距離安全可靠。在柔性鋼索上設(shè)置可變擺長防晃裝置，相比傳統(tǒng)的通過調(diào)節(jié)加減速實(shí)現(xiàn)防晃的安全穩(wěn)定性大大提高，視覺效果非常具有沖擊力。

4.3 吊掛執(zhí)行機(jī)構(gòu)及火炬的設(shè)備系統(tǒng)

吊掛執(zhí)行機(jī)構(gòu)及火炬的設(shè)備系統(tǒng)由固定鋼索系統(tǒng)、4套升降驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、1套牽引驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)、移動小車、吊具、導(dǎo)向滑輪組等組成，各分布在南北兩側(cè)。見圖10?；鹁娉尸F(xiàn)環(huán)節(jié)，需4套升降動作的設(shè)備、1套水平動作的設(shè)備共同運(yùn)行，從場地北側(cè)運(yùn)行到舞臺上空中央，并調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的姿態(tài)。升降動作和行走動作可單獨(dú)調(diào)速運(yùn)行，也可以同時(shí)運(yùn)行。

工藝技術(shù)參數(shù)：水平速度1.7 m/s，水平行程90 m，升降速度0.8 m/s，升降行程50 m，總承載載荷6 400 kg。

由于行程大、承載重、運(yùn)行速度快，在鋼索上運(yùn)行務(wù)必平穩(wěn)。為實(shí)現(xiàn)整體同步運(yùn)行，驅(qū)動系統(tǒng)采用4吊點(diǎn)自排繩卷揚(yáng)機(jī)，并設(shè)計(jì)排繩組件及鏈條組件，通過吊裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量、吊點(diǎn)的協(xié)調(diào)合理布置以及吊點(diǎn)鋼索偏角旋轉(zhuǎn)特性分析技術(shù)，水平運(yùn)行每側(cè)4根牽引繩，并兩兩備份，實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步平穩(wěn)運(yùn)行?；鹁娴墓╇娤到y(tǒng)采用上供電方式，供電電纜及光纖通過電纜支撐安裝在電纜鋼索上。電纜支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用小車滾輪組配設(shè)導(dǎo)向和滾動承載的技術(shù)、小車滾輪平行四邊形結(jié)構(gòu)和滿足小折彎半徑結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電纜支撐在柔性鋼索運(yùn)行時(shí)姿態(tài)自動調(diào)節(jié)，供電系統(tǒng)隨移動小車同步運(yùn)行。

5 結(jié)語

高空表演設(shè)備系統(tǒng)通過對流程動作分析、接口匹配性和協(xié)調(diào)性檢查、環(huán)境適應(yīng)性分析、試驗(yàn)充分性分析等技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析及試驗(yàn)，關(guān)鍵關(guān)節(jié)冗余設(shè)計(jì)，解決了柔性鋼索的運(yùn)行控制難題，技術(shù)狀態(tài)受控，在排練與正式演出期間動作順暢，最終以“零失誤、零誤差、零故障”的完美表現(xiàn)為北京冬奧會開幕式演出盛宴再添華彩，整場演出更加靈活、浪漫、唯美，促進(jìn)了技術(shù)與藝術(shù)完美融合。