于雪松 竇正保 李由 韓金濤

[摘要]針對(duì)2019年北京世界園藝博覽會(huì)開幕式藝術(shù)創(chuàng)作需求，設(shè)計(jì)了中心升降翻轉(zhuǎn)臺(tái)、鋼琴升降臺(tái)、內(nèi)外環(huán)升降臺(tái)、數(shù)控動(dòng)態(tài)升降柱等舞臺(tái)機(jī)械，達(dá)到演出技術(shù)要求和藝術(shù)效果。

[關(guān)鍵詞]北京世園會(huì)開幕式;媯汭劇場(chǎng);舞臺(tái)機(jī)械;升降翻轉(zhuǎn)臺(tái);升降臺(tái);升降柱

文章編號(hào)：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.05.001

編者按：

4月28日晚，2019北京世界園藝博覽會(huì)開幕式文藝演出在“花開蝶舞”的媯汭劇場(chǎng)呈現(xiàn)。文藝演出圍繞“綠色生活，美麗家園”的主題，依托世園會(huì)園區(qū)的自然之景，借助多重科技手段，將表演與湖光山色、炫彩光影融會(huì)貫通，營(yíng)造一種融入山水的沉浸之感，讓觀眾置身于夢(mèng)幻新奇的氛圍之中，詮釋人類命運(yùn)共同體的理念。

“世園會(huì)開幕式專題”將為讀者解析大型園林情景光影藝術(shù)表演幕后的藝術(shù)創(chuàng)作的歷程，以及多種科技手段的運(yùn)用。

1項(xiàng)目概述

4月28日晚，2019北京世界園藝博覽會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“北京世園會(huì)”）文藝演出在“花開蝶舞”的媯訥劇場(chǎng)呈現(xiàn)。這臺(tái)名為《美麗家園》的晚會(huì)以山為幕、以水為臺(tái)，通過東西方多種藝術(shù)形式的創(chuàng)意演繹，同時(shí)借助多重科技手段和多維空間特效，成功營(yíng)造出綺麗多彩、虛實(shí)結(jié)合、如夢(mèng)似幻的唯美田園意境，讓人恍若置身美輪美奐的山水園藝畫卷之中，將中國(guó)風(fēng)范、世界表達(dá)、人類胸懷展現(xiàn)得淋漓盡致。

在這場(chǎng)大型園林情景光影藝術(shù)演出中，由北特圣迪研制的中心升轉(zhuǎn)臺(tái)、內(nèi)外環(huán)升降臺(tái)、升降柱等40套舞臺(tái)機(jī)械，與藝術(shù)表演和合共融，震撼的舞臺(tái)效果驚艷世界。下文針對(duì)這些舞臺(tái)機(jī)械的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行解析。

2功能需求及設(shè)計(jì)方案

2.1功能需求

此次開幕式的主會(huì)場(chǎng)媯汭劇場(chǎng)是北京世園會(huì)的演藝中心（見圖1），除此之外，還承擔(dān)著世園會(huì)期間各類大規(guī)模主題展演、文化活動(dòng)、大型集會(huì)及訪客休息集散等任務(wù)。

媯汭劇場(chǎng)是戶外劇場(chǎng)，其原舞臺(tái)方案是一個(gè)38mX26m的橢圓形固定舞臺(tái)（見圖2），由于沒有配置專業(yè)的舞臺(tái)設(shè)備，只能滿足廣場(chǎng)類的普通演出需求。為使媯汭劇場(chǎng)能夠滿足開幕式的演出需要，對(duì)其舞臺(tái)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)開幕式大型演出的多功能要求。

2.2設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方案

2.9.1設(shè)計(jì)思路

此次開幕式的舞臺(tái)機(jī)械方案以導(dǎo)演組的創(chuàng)意為設(shè)計(jì)依據(jù)，配合創(chuàng)意進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路為：在不破壞周邊環(huán)境及湖岸線的前提下，利用現(xiàn)有的觀演模式和橢圓舞臺(tái)，實(shí)現(xiàn)開幕式演出所需的舞臺(tái)基本功能：

（1）利用舞臺(tái)機(jī)械完成演員上下場(chǎng)，避免所有演員利用觀眾席前區(qū)通道上下場(chǎng)而造成的穿幫現(xiàn)象，滿足演員流線規(guī)劃;

（2）利用舞臺(tái)機(jī)械實(shí)現(xiàn)演出場(chǎng)景和道具的快速切換，使演出調(diào)度更靈活多變;

（3）根據(jù)節(jié)目需求，利用舞臺(tái)機(jī)械呈現(xiàn)震撼的視覺效果，豐富、提升演出效果。

2.2.2設(shè)計(jì)方案

根據(jù)導(dǎo)演組的創(chuàng)意需求，在整臺(tái)開幕式表演的核心區(qū)域——主舞臺(tái)配置了如下的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備，安裝位置見圖3。

（1）中心升降翻轉(zhuǎn)臺(tái)（1套）：直徑8m，具備升降功能，臺(tái)面體可傾斜90°，在傾斜臺(tái)面頂端安裝1套威亞設(shè)備。

（2）鋼琴升降臺(tái)（2套）：長(zhǎng)4.5mX寬3.5m，用于運(yùn)送演員、鋼琴或其他道具參與表演。

（3）內(nèi)外環(huán)升降臺(tái)（6套）：長(zhǎng)14m～16m，寬3m，用于運(yùn)送演員和道具，形成不同的舞臺(tái)標(biāo)高，增加舞臺(tái)的縱深感和層次感。

（4）數(shù)控動(dòng)態(tài)升降柱（29套）：直徑1m，高度7.6m，升降柱可單獨(dú)升降，也可編組運(yùn)行，外圍包裝LED屏，在演出中呈現(xiàn)不同的舞美造型，增強(qiáng)視覺沖擊力;演員可以在升降柱之間穿行;升降柱頂部安裝電腦燈，用于逆光效果。

3舞臺(tái)機(jī)械的創(chuàng)新應(yīng)用及要點(diǎn)分析

此次開幕式演出所需要的舞臺(tái)機(jī)械，要在土建條件的制約下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而又靈活的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要滿足LED屏、燈光、音響、舞美等專業(yè)的安裝條件，其技術(shù)難度之高，協(xié)調(diào)工作之大，自動(dòng)化控制之復(fù)雜，帶來(lái)重重新的挑戰(zhàn)。下面針對(duì)主要設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用、技術(shù)要點(diǎn)及應(yīng)用效果作簡(jiǎn)要介紹。

3.1中心升降翻轉(zhuǎn)臺(tái)

中心升降翻轉(zhuǎn)臺(tái)為直徑8m的圓形升降子母臺(tái)，子臺(tái)表面及圓周鋪R：LED屏幕，母臺(tái)升降總行程5.9m，子臺(tái)升降行程1.2m，子臺(tái)可沿最低端將整個(gè)圓形臺(tái)面翻轉(zhuǎn)90°面向觀眾，臺(tái)面頂端后方安裝一套自動(dòng)翻轉(zhuǎn)威亞設(shè)備，可翻轉(zhuǎn)180°便于威壓繩連接索具與演員連接，如圖4所示。

（1）中心升降翻轉(zhuǎn)臺(tái)表演過程中，母升降臺(tái)先從臺(tái)倉(cāng)升起到舞臺(tái)面標(biāo)高處+0.6m，然后子臺(tái)在5s內(nèi)升起1m高，威壓演員連接索具，隨著子臺(tái)臺(tái)面向上翻轉(zhuǎn)到90。位置。此過程中，威壓鋼絲繩進(jìn)行收放配合演員表演。

（2）為滿足讓LED屏組成的圓形子臺(tái)臺(tái)面快速、完整立于舞臺(tái)面的舞美效果，臺(tái)體表面不能觸碰舞臺(tái)面或母臺(tái)臺(tái)面，子臺(tái)的驅(qū)動(dòng)需要能快速平穩(wěn)地將子臺(tái)頂起到90°位置。如上所述，該設(shè)備的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有三點(diǎn)：其一，因直徑8m的子臺(tái)臺(tái)面及四周安裝有LED屏，支撐架結(jié)構(gòu)自身重量需要盡量輕而且架體需要承受一定的載荷（鋼架自重和LED設(shè)備載荷、靜載荷、風(fēng)載），因此，此處鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)的安裝難度都非常大;其二，使用油缸推動(dòng)臺(tái)面翻轉(zhuǎn)，推桿行程很大且油缸要隨臺(tái)體升降，因此，必須使用二級(jí)油缸解決大行程的難題;其三，母臺(tái)的導(dǎo)向及油缸都需克服子臺(tái)翻轉(zhuǎn)重心位移帶來(lái)的受力變化，因此，在結(jié)構(gòu)上設(shè)置了防傾翻裝置，防止翻轉(zhuǎn)超過90°帶來(lái)的危險(xiǎn)。

（3）由于臺(tái)面結(jié)構(gòu)面積大、支撐點(diǎn)少，結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度要求較高，為使設(shè)計(jì)更為準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅進(jìn)行了大量的計(jì)算，還通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段進(jìn)行了模擬受力分析，通過分析可以直觀了解該鋼結(jié)構(gòu)受力時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)和位移情況。圖5為升降臺(tái)受力時(shí)的應(yīng)力及位移情況，圓臺(tái)翻轉(zhuǎn)起升開始時(shí)，子臺(tái)最大應(yīng)力為87.6MPa，最大位移為3.4mm。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性，還進(jìn)行了預(yù)拼裝加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)吻合。

（4）在驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)時(shí)考慮冗余，一用一備，當(dāng)主驅(qū)動(dòng)設(shè)備出問題后能及時(shí)切換備用設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以保證演出質(zhì)量。所有驅(qū)動(dòng)裝置要具有一定防水功能，以保證極端天氣下的演出需要。驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)能力方面為了提高可靠性，在電機(jī)輸出端及一級(jí)減速輸出端分別設(shè)置液壓制動(dòng)器，形成雙制動(dòng)保護(hù)。

（5）由于現(xiàn)場(chǎng)基坑基礎(chǔ)條件限制，中心升轉(zhuǎn)臺(tái)整體布置在滿足功能的同時(shí)還要緊湊合理，盡量減少空間占用。子母臺(tái)升降驅(qū)動(dòng)采用柔性柱傳動(dòng)，可滿足淺基坑大行程的安裝需要。

其次，為了適應(yīng)極端天氣帶來(lái)大降水情況，母臺(tái)機(jī)械驅(qū)動(dòng)位置設(shè)計(jì)時(shí)，將驅(qū)動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)高度提高了0.7m左右，提高設(shè)備使用安全和壽命，可保證在臺(tái)倉(cāng)大量進(jìn)水時(shí)正常演出。

（6）在《綿長(zhǎng)的芬芳》節(jié)目中，當(dāng)舞蹈演員在中心升轉(zhuǎn)臺(tái)翩然舞動(dòng)之際，整個(gè)臺(tái)體突然緩緩翻轉(zhuǎn)垂直立于舞臺(tái)之上，翻起的臺(tái)面又成為演員舞動(dòng)的背景，如圖13、圖14所示。舞臺(tái)機(jī)械的翻動(dòng)結(jié)合投影、燈光、音樂和演員的輕盈舞動(dòng)，為觀眾呈現(xiàn)出一場(chǎng)穿越時(shí)空的視覺盛宴。當(dāng)這一幕在舞臺(tái)上出現(xiàn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的掌聲經(jīng)久不息，觀眾無(wú)不被科技與藝術(shù)完美融合所營(yíng)造出的視覺奇觀所震撼和驚嘆。

3.2數(shù)控動(dòng)態(tài)升降柱

數(shù)控動(dòng)態(tài)升降柱為圓形柱體，直徑1m，基礎(chǔ)高度7.6m，升降高度8m，如圖15所示。29套升降柱既可單獨(dú)升降，又可編組運(yùn)行，在演出中上下升降排列、編組，演員可以在升降柱之間穿行，呈現(xiàn)不同的舞美造型，增強(qiáng)視覺沖擊力;柱體外圍包裝LED柔性屏，可以給舞美極大的靈活性，營(yíng)造出層次豐富，造型多變的舞臺(tái)效果;升降柱頂部安裝電腦燈，用于逆光效果。

（1）驅(qū)動(dòng)采用雙制動(dòng)電機(jī)減速機(jī)的鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)，做到驅(qū)動(dòng)占用柱內(nèi)空間最小，驅(qū)動(dòng)只有鋼絲繩進(jìn)入升降柱內(nèi)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)安裝基礎(chǔ)高于地面1m左右，便于保護(hù)驅(qū)動(dòng)不受地面積水影響，上方也設(shè)置了防雨罩加以保護(hù)。由于采用二級(jí)行程，保證升降柱上下運(yùn)行可靠，鋼絲繩采用閉環(huán)連接，每個(gè)柱子內(nèi)有多達(dá)10根鋼絲繩連接，保證升降部分柱體升起和下降都有驅(qū)動(dòng)力，并不會(huì)存在卡滯現(xiàn)象。

（2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用二級(jí)升降行程，在升降柱1m直徑范圍內(nèi)布置三層相互運(yùn)動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)，空間非常小。為了保證柱體升起到8m時(shí)的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要中心立柱結(jié)構(gòu)緊湊且基礎(chǔ)牢固，兩級(jí)升降立柱需結(jié)構(gòu)輕巧牢固，同時(shí)還要有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度保證LED的安裝，設(shè)計(jì)需要能承受8級(jí)風(fēng)載，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)需要能承受載荷偏移，并保證偏移量在15mm范圍內(nèi)及運(yùn)動(dòng)變化載荷。為了使設(shè)計(jì)更為準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅進(jìn)行了大量的計(jì)算，還通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段進(jìn)行了模擬受力分析，通過分析可以直觀了解柱體各級(jí)鋼結(jié)構(gòu)在受力時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)和位移情況（見圖16）。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性，還進(jìn)行了工廠預(yù)拼裝加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)吻合。

（3）結(jié)構(gòu)安裝上，采用模塊式整體安裝，保證工期要求;升降柱外表面鋪設(shè)高分辨率柔性LED屏，采用磁吸加捆扎方式固定，方便可靠。

（4）數(shù)控動(dòng)態(tài)升降柱在整場(chǎng)節(jié)目中貫穿始終，不僅可作為視頻柱增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的視覺沖擊力和藝術(shù)感染力，還可以隨音樂起伏升降，如圖17、圖18所示。

3.3內(nèi)外環(huán)升降臺(tái)

內(nèi)外環(huán)升降臺(tái)長(zhǎng)14m～16m，寬3m，用于運(yùn)送演員和道具，可形成不同的舞臺(tái)標(biāo)高，增加舞臺(tái)的縱深感和層次感。

（1）此次開幕式共采用1套內(nèi)環(huán)升降臺(tái)，1套外環(huán)升降臺(tái)。它們分別由三塊大面積的異形升降臺(tái)組成，具備運(yùn)送演員和道具上下的功能，亦可同時(shí)或獨(dú)立升降，參與節(jié)目表演。內(nèi)環(huán)升降臺(tái)表面及前立面鋪設(shè)LED屏。

（2）驅(qū)動(dòng)部件方面，主升降驅(qū)動(dòng)要滿足整體快速升降，每塊臺(tái)體采用四組柔性柱傳動(dòng)。

（3）在驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)時(shí)同樣考慮了冗余，在制動(dòng)能力及防水等要求方面，設(shè)計(jì)原則上同上述中心升降臺(tái)母臺(tái)驅(qū)動(dòng)部分，不再贅述。其結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了計(jì)算和分析，如圖19～圖24所示。

（4）開幕式演出中大規(guī)模的人員和道具換場(chǎng)都通過內(nèi)外環(huán)升降臺(tái)實(shí)現(xiàn)。此外，其升起后也可使整個(gè)舞臺(tái)層次更加分明，如圖25所示。

3.4鋼琴升降臺(tái)

2套鋼琴升降臺(tái)的作用和功能與內(nèi)外環(huán)升降臺(tái)類似，如圖26所示。

3.5控制系統(tǒng)

該項(xiàng)目舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（主PLC）、控制臺(tái)、控制柜、通信網(wǎng)絡(luò)、急停網(wǎng)絡(luò)等組成。

控制臺(tái)具備自動(dòng)和手動(dòng)控制功能。上位機(jī)提供系統(tǒng)人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、備份和自動(dòng)控制指令發(fā)送;下位機(jī)負(fù)責(zé)采集控制按鍵和觸摸屏操作，并通過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信與控制臺(tái)柜內(nèi)的主PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的設(shè)備協(xié)調(diào)。

安裝于控制臺(tái)柜內(nèi)的主PLC實(shí)時(shí)與控制臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收控制臺(tái)設(shè)備操作命令并負(fù)責(zé)將命令解析后下發(fā)給安裝于現(xiàn)場(chǎng)控制柜內(nèi)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)單元;控制臺(tái)柜還包括負(fù)責(zé)安全功能的緊急停機(jī)系統(tǒng)核心——安全模塊，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各緊急停機(jī)按鈕狀態(tài)，一旦有某個(gè)急停按鈕被按下，該模塊保證系統(tǒng)中正在運(yùn)行的設(shè)備安全停機(jī)并斷電。

本控制系統(tǒng)軟件專為世園會(huì)開幕式演出舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備控制與操作開發(fā)，由舞臺(tái)機(jī)械承辦方自主設(shè)計(jì)完成。系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單明確，具有圖形數(shù)字顯示、屏幕菜單操作、自動(dòng)記憶、故障處理提示等功能。操作方式采用鍵盤操作結(jié)合鼠標(biāo)點(diǎn)擊畫面的方式，特殊對(duì)話框的彈出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，浮點(diǎn)運(yùn)算準(zhǔn)確無(wú)誤。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、性能優(yōu)良，達(dá)到工業(yè)級(jí)的平均無(wú)故障工作時(shí)間要求。

3.6設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)采用雙電機(jī)同軸冗余設(shè)計(jì)，備用控制系統(tǒng)完全獨(dú)立于主控系統(tǒng)，通過一鍵切換技術(shù)屏蔽多重故障（如電機(jī)、編碼器、通信、控制臺(tái)、PLC、元器件等），備用控制系統(tǒng)可切換至任意升降臺(tái)且不受主控系統(tǒng)干擾，實(shí)現(xiàn)了演出過程中故障設(shè)備的快速切換，為排查故障爭(zhēng)取時(shí)間。當(dāng)故障排除后，可迅速切換回原狀態(tài)，使主、備控制系統(tǒng)均處于健康狀態(tài)。

（2）通過軟件算法解決了多級(jí)油缸變徑時(shí)因流量差引起的沖擊力過強(qiáng)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了中心升降臺(tái)翻板運(yùn)行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。

（3）通過時(shí)間碼，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)、威亞系統(tǒng)、視頻的匹配，實(shí)現(xiàn)了藝術(shù)與技術(shù)的高度融合呈現(xiàn)。

（4）依據(jù)導(dǎo)演組的創(chuàng)意需求，編制了多種復(fù)雜擬合曲線和場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，采用場(chǎng)景分割、合并等多重技術(shù)手段，快速響應(yīng)導(dǎo)演的各種造型要求，實(shí)現(xiàn)了LED升降柱的動(dòng)態(tài)藝術(shù)效果，得到了導(dǎo)演組的一致好評(píng)。

（5）上位機(jī)通過軟件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了分臺(tái)并行控制，互為備用，解決了毫秒級(jí)場(chǎng)景切換時(shí)操作難題，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

（6）通過多種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字信息反饋技術(shù)，快速定位故障點(diǎn)，縮小了故障排查范圍，減少了故障排查時(shí)間，提高了主控系統(tǒng)故障恢復(fù)效率。

4結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，這次舞臺(tái)機(jī)械的配置及設(shè)計(jì)均達(dá)到了演出的技術(shù)要求和所要實(shí)現(xiàn)的藝術(shù)效果，特別是中心升降翻轉(zhuǎn)臺(tái)及數(shù)控動(dòng)態(tài)升降柱的設(shè)計(jì)運(yùn)用了較多的創(chuàng)新方案，實(shí)現(xiàn)了理想的演出效果。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用三維軟件及結(jié)構(gòu)分析軟件，也使得整個(gè)設(shè)計(jì)過程得以較好把握，減少了后期加工及裝配時(shí)的錯(cuò)誤率。另外，模塊化設(shè)計(jì)的大量使用，也給工廠加工帶來(lái)了方便，為整個(gè)工程實(shí)施贏得了寶貴時(shí)間。

此次設(shè)計(jì)過程也進(jìn)一步豐富了設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。而通過現(xiàn)場(chǎng)安裝后的效果，也讓設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)了許多有待改進(jìn)的地方，如驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，為今后的設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（編輯：杜青）