[摘要]3DNc字化技術可以對劇場的整體建設或是舞臺設備設計安裝呈現(xiàn)工程技術的結果，可以提前為藝術創(chuàng)作者對場地和設施的各種可能性提供說明。

[關鍵詞]3DNc字化技術；劇場建設；鋼結構模組化技術；舞臺上部設備支承體系文章編號：10.3969/j.issn.1674—8239.2016.09.011

1.3D數(shù)字化技術及其應用

1.1 3D數(shù)字化技術概述

3D數(shù)字化技術是對機械4C（CAD/CAE/CAPP/CAM）技術和建筑信息模型（Building InformationModeling，BIM）技術的一個統(tǒng)稱。

在機械行業(yè)，CAD/CAE/CAPP/CAM技術已發(fā)展了幾十年，尤其CAD和CAE技術已被廣大的工程技術人員所掌握。UG NX、Pro/E、CATIA、SOHDWORKS等設計工具也在機械設計行業(yè)內(nèi)得到廣泛應用。這些設計軟件各有所長，均具有建立模型、進行運動學模擬和碰撞分析的基本功能。同時，通過與NASTRAN、ANSYS等有限元分析工具的接口，可以對機械結構進行靜力分析和動力分析。

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

習慣上，機械和建筑分屬于兩大行業(yè)。在CAD技術長足發(fā)展的今天，這兩大行業(yè)的數(shù)字平臺有了相互融合。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的核心團隊還開發(fā)了目前建筑工程中廣泛使用的Autodesk REVIT。

在劇場建設項目中，機械專業(yè)的4C技術和建筑專業(yè)的BIM技術，往往在混合使用，而參與項目的專業(yè)承包商又往往分屬于以上兩個領域。對這兩種分屬于兩大技術領域、底層技術又十分相似的數(shù)字化技術，經(jīng)常由于專業(yè)稱呼的不同而造成溝通效率降低，甚至導致誤解而造成損失。所以，在實踐中，把這兩種技術統(tǒng)稱為3D數(shù)字化技術，同時面對各專業(yè)技術與管理人員，淡化其行業(yè)特征。

1.2 3D數(shù)字化技術應用（以CATIA平臺為例）

CATIA（Computer Aided Three-dimensionalInteractive Application），是法國達索公司多年前針對陣風戰(zhàn)機而開發(fā)的一款CAD/CAE/CAPP/CAM平臺。

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目外墻設計中得到應用。

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

該項目的相關技術路徑為：（1）由設計師或藝術家塑造1：100小樣；（2）通過3D數(shù)字掃描儀建立小樣的數(shù)字點云圖；（3）將點云圖導入CATIA平臺，完善成插值曲面；（4）在CATIA平臺上將造型放大到1：1，以后的工作都在平臺上進行；（5）對細節(jié)進行數(shù)字化調整，必要時進行局部1：1塑形，再次掃描補充數(shù)據(jù)；（6）按照加工安裝工藝能力，對數(shù)字模型進行表面分割；（7）依據(jù)分割結果數(shù)據(jù)指導工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝。

可以說，CATIA提供了完備的曲面處理手段。

目前很多劇場建筑外形設計視覺沖擊力極強，甚至很多采用了設計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/剖面圖的方式已無法準確表達建筑外形，只能采用3D數(shù)字化模型曲面來描述。

以上簡述了針對復雜曲面的處理示例，對于舞臺實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)，與原先的圖紙表達方式相仿，但是大大提高了設計準確程度。

（2）輸出至數(shù)控切割機進行零件板料切割。在機械設備的框架制造、建筑鋼結構制作、建筑幕墻下料等工藝階段，應用廣泛。

（3）輸出到3D打印機，進行3D打印。

（4）輸出到其他造型設備。

我們開發(fā)了專用的5軸數(shù)控機床用于大尺度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鋁材。最常用的是EPc泡沫塑料。該設備最大單體輸出模塊為1m×1m×2m，精度0.1mm。大于此尺寸的模塊，目前采用3D數(shù)字模型切割分塊一分別輸出一后期粘接的處理方式。同時正在開發(fā)有效工作半徑1.5m、高度6m的懸臂式5軸數(shù)控機床，精度目標0.5mm，用于大尺度模型的一次性成型。

1.4 3D數(shù)字化技術與劇場項目的結合

3D數(shù)字化技術對劇場項目提供了全面深入的技術和管理支持。

首先，是其可視化。由于建立了劇場項目完整的3D數(shù)字化模型，能夠表達使用者所要求的細節(jié)，“所見即所得”。對于普通管理人員來講，讀懂建筑設計圖紙有一定的困難，很難發(fā)現(xiàn)其中的不合理情況，但3D數(shù)字化技術提供了可視化的途徑，將以往圖紙線條式的表達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，由于整個過程都是可視化的，不僅可以用來進行效果圖的展示及報表的生成，更重要的是，項目設計、建造、運營過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進行，對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，在項目前期可以進行碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)設計各專業(yè)之間空間使用的沖突，優(yōu)化工程設計，減少在建筑施工階段的錯誤損失，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，進行施工模擬，提高施工質量。

第三，在3D數(shù)字化環(huán)境下，人們可以將整個劇場施工過程按照進度計劃進行預演，發(fā)現(xiàn)過程中的關鍵環(huán)節(jié)，給予及時關注。

同時，模型建立后，不僅僅可以供管理人員、技術人員在項目實施階段使用，在前期設計階段，通過適當?shù)臄?shù)據(jù)轉換，輸出數(shù)據(jù)即可用于結構受力分析、日照分析、通風分析、劇場聲學分析等，使劇場建設從方案階段起就在一個統(tǒng)一的基礎平臺上運行。

綜上，在3D數(shù)字化環(huán)境下，使用者可以隨意觀察建設進行中任意節(jié)點的狀態(tài)，包括完成后的情形，及時全面支持劇場建設管理者的工作。

具體到舞臺機械，無論臺上臺下設備及設備支架，同樣可以采用3D數(shù)字化手段來支持。

臺下設備及臺上設備可以通過3D數(shù)字化技術模擬全部運動邏輯，在設計完成后即可檢查設備運作狀況和相互之間以及與周邊結構的干涉。

無論在劇場的整體建設過程，還是在具體的舞臺設備設計安裝過程中，3D數(shù)字化技術都可以提供可靠的支持。

2.鋼結構模組化技術及其應用

鋼結構模組化技術是在3D數(shù)字化技術支持下開發(fā)的一種舞臺上部支承構架技術。最初是從一個劇場改造項目中發(fā)展出來的。

2.1老舊劇場改造項目的特征

（1）建設年代較早，結構老舊，承載能力不滿足現(xiàn)行工程設計規(guī)范要求。

（2）舞臺上空吊桿系統(tǒng)設置不符合現(xiàn)行安全標準。

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

（4）改造項目一般會涉及建造新的臺倉，安裝新的臺倉內(nèi)設備，設置臺上支架和吊桿系統(tǒng)。

（5）改造周期急迫，投資有限。

（6）內(nèi)部空間緊張，業(yè)主有充分利用空間的要求。

2.2鋼結構模組化技術的特點

針對老舊劇場改造的以上特征，在3D數(shù)字化技術支持下，開發(fā)了模組化鋼結構技術，是通過集成設計與施工安裝技術實現(xiàn)的。

模組化鋼結構構件滿足如下條件：

（1）結構體系可以滿足吊桿系統(tǒng)的空間要求和結構承載力要求；（2）構件分段及連接方式標準化，適合中型車輛運輸；（3）支架基礎與臺倉改造同時處理；（4）安裝周期短；（5）充分使用舞臺上空。

模組化鋼結構由下列構件組成：標準柱段、標準梁端、標準滑輪梁、標準支撐體系、馬道標準段、格柵層。同時要配套專用場內(nèi)運輸設備、專用安裝、提升措施。由于大型自動化施工機具無法使用，安裝方案應以使用人力和簡單機具為主。

2.3鋼結構模組化技術的應用

鋼結構模組化技術已在若干改造項目上得到實際使用，而且針對具體情況，形成了兩個大類。一類是柱體為整體構造，適合于臺倉較大，柱基礎可以進入臺倉底板范圍內(nèi)的情形。另一類是柱體為分段構造，適合于臺倉較小，柱基礎位于臺倉范圍以外的情形。

在3D數(shù)字化技術的支持下，新建鋼結構支架頂面與原屋面混凝土底板最低點問的距離可控制小于100mm，與側墻距離可控制小于50mm，上部空間的利用實現(xiàn)最大化。

鋼結構模組化技術也可以用在新建項目和室外項目上。所有構件制作均在工廠完成，制作精度有保證，現(xiàn)場安裝進度可控，是理想的舞臺上部設備支承體系。

對于目前已實施項目，模組化鋼結構體系的跨度，在室內(nèi)環(huán)境下，受限于原有劇場舞臺寬度，最大為23 m；在室外環(huán)境下，可拓展到60m。已實施的模組化鋼結構體系的高度，在室內(nèi)環(huán)境下，對于改造項目受限于原有劇場高度，最大為17m；對于新建項目或室外環(huán)境可以拓展到30m，適當增加支撐體系，高度甚至可以達到50m。

3.幾點建議

在實際工作中，按照基本建設程序，劇場建設是由業(yè)主委托建筑設計院設計，建筑工程公司總承包的方式進行建設。而一般的建筑設計院對建筑造形、動線設計、空調、暖通、消防、給水排水等專業(yè)是十分精通的，規(guī)模較大的設計院對聲學設計、視線分析也是比較專業(yè)的，但是對于舞臺臺上臺下設備基本不關心，一般的處理方式是提供水、電接口，未來由專業(yè)廠家配合設計。而臺上臺下設備的采購招標往往滯后于工程總承包招標。這就導致舞臺設備進入項目太晚，往往劇場建設又是當?shù)氐男蜗蠊こ?，設計者的注意力也在如何滿足地標形象的要求，反而劇場的基本功能被忽視，甚至有的劇場設計專注于創(chuàng)新，導致對劇場傳統(tǒng)丟棄太多，舞臺使用受到很大限制，結果無法安排普通的劇目演出。

回歸本源，建議舞臺的使用者應該積極提前介入劇場項目建設的前期設計階段，舞臺上部結構設計應該由舞臺演出需求來驅動，如果被動適應基建現(xiàn)狀，往往會留下遺憾；舞臺上部結構適宜作為設備支架的功能與舞臺設備統(tǒng)一考慮，不宜作為純粹的基建工程來對待；舞臺上部結構應把設計、制作、運輸、安裝作為整體來考慮，目前的經(jīng)驗是，運輸、安裝方案對項目成敗同樣是有決定性的影響。

4.結語

近年來，國家把“繼續(xù)加強完善公共文化場館基礎設施建設”作為公共文化服務體系建設的一項重要工作，各省文化中心、劇場等文化場館建設數(shù)量迅速增加，中國三、四線城市也將新建、改建一批文化場館設施。同時，伴隨著文化大繁榮大發(fā)展和旅游業(yè)的快速發(fā)展，旅游主題劇場也成為旅游市場的一道靚麗的風景。

3D數(shù)字化、聲光電一體化設計等技術的應用，打破了傳統(tǒng)的劇場與舞臺的概念，為劇情量身定制舞臺及表演空間的演出場所越來越多，形成新的演出形式，觀與演的高度融合是未來演藝場所的重要模式和發(fā)展方向。

舞臺的使用者是藝術專業(yè)人員，我們作為技術支持，理解使用者的要求是做好設計的最基本出發(fā)點。3D數(shù)字化技術可以直觀地呈現(xiàn)工程技術的結果，可以提前為藝術創(chuàng)作者對場地和設施的各種可能性提供說明，是有效的交流手段，也是技術與藝術相結合的可靠途徑。

藝術產(chǎn)生創(chuàng)意，技術提供技持，技術手段最終是為藝術服務的。作為專業(yè)技術人員，支持藝術家們的創(chuàng)意，為尋找合適的技術表達方式，是不懈的努力方向。

作者簡介：

王源，高級工程師，航天萬源實業(yè)公司技術研發(fā)總監(jiān)，工程BIM總監(jiān)。專注于特種結構技術和3D數(shù)字化技術開發(fā)。目前重點研究方向為鋼結構模組化技術在劇場建設中的應用和3D數(shù)字化模型的高精度成型技術。