北京世園會開幕式舞臺機械的方案設(shè)計

于雪松 竇正保 李由 韓金濤

[摘要]針對2019年北京世界園藝博覽會開幕式藝術(shù)創(chuàng)作需求，設(shè)計了中心升降翻轉(zhuǎn)臺、鋼琴升降臺、內(nèi)外環(huán)升降臺、數(shù)控動態(tài)升降柱等舞臺機械，達到演出技術(shù)要求和藝術(shù)效果。

[關(guān)鍵詞]北京世園會開幕式;媯汭劇場;舞臺機械;升降翻轉(zhuǎn)臺;升降臺;升降柱

文章編號：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開幕式文藝演出在“花開蝶舞”的媯汭劇場呈現(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、炫彩光影融會貫通，營造一種融入山水的沉浸之感，讓觀眾置身于夢幻新奇的氛圍之中，詮釋人類命運共同體的理念。

“世園會開幕式專題”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用。

1項目概述

4月28日晚，2019北京世界園藝博覽會（以下簡稱“北京世園會”）文藝演出在“花開蝶舞”的媯訥劇場呈現(xiàn)。這臺名為《美麗家園》的晚會以山為幕、以水為臺，通過東西方多種藝術(shù)形式的創(chuàng)意演繹，同時借助多重科技手段和多維空間特效，成功營造出綺麗多彩、虛實結(jié)合、如夢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，將中國風范、世界表達、人類胸懷展現(xiàn)得淋漓盡致。

在這場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、內(nèi)外環(huán)升降臺、升降柱等40套舞臺機械，與藝術(shù)表演和合共融，震撼的舞臺效果驚艷世界。下文針對這些舞臺機械的方案設(shè)計進行解析。

2功能需求及設(shè)計方案

2.1功能需求

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

媯汭劇場是戶外劇場，其原舞臺方案是一個38mX26m的橢圓形固定舞臺（見圖2），由于沒有配置專業(yè)的舞臺設(shè)備，只能滿足廣場類的普通演出需求。為使媯汭劇場能夠滿足開幕式的演出需要，對其舞臺進行重新設(shè)計，實現(xiàn)開幕式大型演出的多功能要求。

2.2設(shè)計思路及設(shè)計方案

2.9.1設(shè)計思路

此次開幕式的舞臺機械方案以導(dǎo)演組的創(chuàng)意為設(shè)計依據(jù)，配合創(chuàng)意進行深化設(shè)計。設(shè)計思路為：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，實現(xiàn)開幕式演出所需的舞臺基本功能：

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

（2）利用舞臺機械實現(xiàn)演出場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，利用舞臺機械呈現(xiàn)震撼的視覺效果，豐富、提升演出效果。

2.2.2設(shè)計方案

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

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

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

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

（4）數(shù)控動態(tài)升降柱（29套）：直徑1m，高度7.6m，升降柱可單獨升降，也可編組運行，外圍包裝LED屏，在演出中呈現(xiàn)不同的舞美造型，增強視覺沖擊力;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舞臺機械的創(chuàng)新應(yīng)用及要點分析

此次開幕式演出所需要的舞臺機械，要在土建條件的制約下，實現(xiàn)穩(wěn)定而又靈活的機械運動，同時還要滿足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，自動化控制之復(fù)雜，帶來重重新的挑戰(zhàn)。下面針對主要設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用、技術(shù)要點及應(yīng)用效果作簡要介紹。

3.1中心升降翻轉(zhuǎn)臺

中心升降翻轉(zhuǎn)臺為直徑8m的圓形升降子母臺，子臺表面及圓周鋪R：LED屏幕，母臺升降總行程5.9m，子臺升降行程1.2m，子臺可沿最低端將整個圓形臺面翻轉(zhuǎn)90°面向觀眾，臺面頂端后方安裝一套自動翻轉(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)臺表演過程中，母升降臺先從臺倉升起到舞臺面標高處+0.6m，然后子臺在5s內(nèi)升起1m高，威壓演員連接索具，隨著子臺臺面向上翻轉(zhuǎn)到90。位置。此過程中，威壓鋼絲繩進行收放配合演員表演。

（2）為滿足讓LED屏組成的圓形子臺臺面快速、完整立于舞臺面的舞美效果，臺體表面不能觸碰舞臺面或母臺臺面，子臺的驅(qū)動需要能快速平穩(wěn)地將子臺頂起到90°位置。如上所述，該設(shè)備的設(shè)計難點主要有三點：其一，因直徑8m的子臺臺面及四周安裝有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、風載），因此，此處鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驅(qū)動的安裝難度都非常大;其二，使用油缸推動臺面翻轉(zhuǎn)，推桿行程很大且油缸要隨臺體升降，因此，必須使用二級油缸解決大行程的難題;其三，母臺的導(dǎo)向及油缸都需克服子臺翻轉(zhuǎn)重心位移帶來的受力變化，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°帶來的危險。

（3）由于臺面結(jié)構(gòu)面積大、支撐點少，結(jié)構(gòu)自身強度要求較高，為使設(shè)計更為準確，結(jié)構(gòu)設(shè)計時不僅進行了大量的計算，還通過計算機輔助設(shè)計手段進行了模擬受力分析，通過分析可以直觀了解該鋼結(jié)構(gòu)受力時的應(yīng)力狀態(tài)和位移情況。圖5為升降臺受力時的應(yīng)力及位移情況，圓臺翻轉(zhuǎn)起升開始時，子臺最大應(yīng)力為87.6MPa，最大位移為3.4mm。為了驗證設(shè)計計算的準確性，還進行了預(yù)拼裝加載試驗，試驗結(jié)果與計算數(shù)據(jù)吻合。

（4）在驅(qū)動能力設(shè)計方面，設(shè)計時考慮冗余，一用一備，當主驅(qū)動設(shè)備出問題后能及時切換備用設(shè)備驅(qū)動，以保證演出質(zhì)量。所有驅(qū)動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)動的制動能力方面為了提高可靠性，在電機輸出端及一級減速輸出端分別設(shè)置液壓制動器，形成雙制動保護。

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

其次，為了適應(yīng)極端天氣帶來大降水情況，母臺機械驅(qū)動位置設(shè)計時，將驅(qū)動設(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，可保證在臺倉大量進水時正常演出。

（6）在《綿長的芬芳》節(jié)目中，當舞蹈演員在中心升轉(zhuǎn)臺翩然舞動之際，整個臺體突然緩緩翻轉(zhuǎn)垂直立于舞臺之上，翻起的臺面又成為演員舞動的背景，如圖13、圖14所示。舞臺機械的翻動結(jié)合投影、燈光、音樂和演員的輕盈舞動，為觀眾呈現(xiàn)出一場穿越時空的視覺盛宴。當這一幕在舞臺上出現(xiàn)時，現(xiàn)場的掌聲經(jīng)久不息，觀眾無不被科技與藝術(shù)完美融合所營造出的視覺奇觀所震撼和驚嘆。

3.2數(shù)控動態(tài)升降柱

數(shù)控動態(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套升降柱既可單獨升降，又可編組運行，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，營造出層次豐富，造型多變的舞臺效果;升降柱頂部安裝電腦燈，用于逆光效果。

（1）驅(qū)動采用雙制動電機減速機的鋼絲繩卷揚機，做到驅(qū)動占用柱內(nèi)空間最小，驅(qū)動只有鋼絲繩進入升降柱內(nèi)。同時，驅(qū)動安裝基礎(chǔ)高于地面1m左右，便于保護驅(qū)動不受地面積水影響，上方也設(shè)置了防雨罩加以保護。由于采用二級行程，保證升降柱上下運行可靠，鋼絲繩采用閉環(huán)連接，每個柱子內(nèi)有多達10根鋼絲繩連接，保證升降部分柱體升起和下降都有驅(qū)動力，并不會存在卡滯現(xiàn)象。

（2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用二級升降行程，在升降柱1m直徑范圍內(nèi)布置三層相互運動的鋼結(jié)構(gòu)，空間非常小。為了保證柱體升起到8m時的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要中心立柱結(jié)構(gòu)緊湊且基礎(chǔ)牢固，兩級升降立柱需結(jié)構(gòu)輕巧牢固，同時還要有一定的結(jié)構(gòu)強度保證LED的安裝，設(shè)計需要能承受8級風載，驅(qū)動導(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)及運動變化載荷。為了使設(shè)計更為準確，結(jié)構(gòu)設(shè)計時不僅進行了大量的計算，還通過計算機輔助設(shè)計手段進行了模擬受力分析，通過分析可以直觀了解柱體各級鋼結(jié)構(gòu)在受力時的應(yīng)力狀態(tài)和位移情況（見圖16）。為了驗證設(shè)計計算的準確性，還進行了工廠預(yù)拼裝加載試驗，試驗結(jié)果與計算數(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)控動態(tài)升降柱在整場節(jié)目中貫穿始終，不僅可作為視頻柱增強現(xiàn)場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

內(nèi)外環(huán)升降臺長14m～16m，寬3m，用于運送演員和道具，可形成不同的舞臺標高，增加舞臺的縱深感和層次感。

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

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

（3）在驅(qū)動能力設(shè)計方面，設(shè)計時同樣考慮了冗余，在制動能力及防水等要求方面，設(shè)計原則上同上述中心升降臺母臺驅(qū)動部分，不再贅述。其結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計也進行了計算和分析，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都通過內(nèi)外環(huán)升降臺實現(xiàn)。此外，其升起后也可使整個舞臺層次更加分明，如圖25所示。

3.4鋼琴升降臺

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

3.5控制系統(tǒng)

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

控制臺具備自動和手動控制功能。上位機提供系統(tǒng)人機交互界面，負責進行數(shù)據(jù)顯示、存儲、備份和自動控制指令發(fā)送;下位機負責采集控制按鍵和觸摸屏操作，并通過工業(yè)現(xiàn)場總線通信與控制臺柜內(nèi)的主PLC進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)全系統(tǒng)的設(shè)備協(xié)調(diào)。

安裝于控制臺柜內(nèi)的主PLC實時與控制臺之間進行數(shù)據(jù)交換，接收控制臺設(shè)備操作命令并負責將命令解析后下發(fā)給安裝于現(xiàn)場控制柜內(nèi)的設(shè)備驅(qū)動單元;控制臺柜還包括負責安全功能的緊急停機系統(tǒng)核心——安全模塊，它負責實時監(jiān)控系統(tǒng)各緊急停機按鈕狀態(tài)，一旦有某個急停按鈕被按下，該模塊保證系統(tǒng)中正在運行的設(shè)備安全停機并斷電。

本控制系統(tǒng)軟件專為世園會開幕式演出舞臺機械設(shè)備控制與操作開發(fā)，由舞臺機械承辦方自主設(shè)計完成。系統(tǒng)具有良好的人機界面，操作簡單明確，具有圖形數(shù)字顯示、屏幕菜單操作、自動記憶、故障處理提示等功能。操作方式采用鍵盤操作結(jié)合鼠標點擊畫面的方式，特殊對話框的彈出實時、準確，浮點運算準確無誤。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、性能優(yōu)良，達到工業(yè)級的平均無故障工作時間要求。

3.6設(shè)計特點

（1）舞臺機械設(shè)備傳動采用雙電機同軸冗余設(shè)計，備用控制系統(tǒng)完全獨立于主控系統(tǒng)，通過一鍵切換技術(shù)屏蔽多重故障（如電機、編碼器、通信、控制臺、PLC、元器件等），備用控制系統(tǒng)可切換至任意升降臺且不受主控系統(tǒng)干擾，實現(xiàn)了演出過程中故障設(shè)備的快速切換，為排查故障爭取時間。當故障排除后，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油缸變徑時因流量差引起的沖擊力過強的技術(shù)難題，實現(xiàn)了中心升降臺翻板運行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。

（3）通過時間碼，實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)、威亞系統(tǒng)、視頻的匹配，實現(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)雜擬合曲線和場景數(shù)據(jù)庫，采用場景分割、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，實現(xiàn)了LED升降柱的動態(tài)藝術(shù)效果，得到了導(dǎo)演組的一致好評。

（5）上位機通過軟件優(yōu)化實現(xiàn)了分臺并行控制，互為備用，解決了毫秒級場景切換時操作難題，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

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

4結(jié)語

總體來說，這次舞臺機械的配置及設(shè)計均達到了演出的技術(shù)要求和所要實現(xiàn)的藝術(shù)效果，特別是中心升降翻轉(zhuǎn)臺及數(shù)控動態(tài)升降柱的設(shè)計運用了較多的創(chuàng)新方案，實現(xiàn)了理想的演出效果。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計中大量運用三維軟件及結(jié)構(gòu)分析軟件，也使得整個設(shè)計過程得以較好把握，減少了后期加工及裝配時的錯誤率。另外，模塊化設(shè)計的大量使用，也給工廠加工帶來了方便，為整個工程實施贏得了寶貴時間。

此次設(shè)計過程也進一步豐富了設(shè)計人員的經(jīng)驗。而通過現(xiàn)場安裝后的效果，也讓設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)了許多有待改進的地方，如驅(qū)動基礎(chǔ)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，為今后的設(shè)計提供了寶貴經(jīng)驗。

（編輯：杜青）