揭秘2022北京冬奧會火炬臺設計

第24屆冬奧會的火炬臺由清華大學美術(shù)學院黨委書記馬賽教授帶隊設計。在開幕式的主火炬基礎上，充分融合了藝術(shù)及工程技術(shù)的要求，體現(xiàn)了“簡約、安全、精彩”的冬奧理念，以純粹的冰雪元素，演繹了純潔、和平、團結(jié)和友誼，晶瑩的雪花和靈動的絲帶相向旋轉(zhuǎn)，如冰上長袖飄飄的舞者，輕盈優(yōu)雅。簡潔、現(xiàn)代的造型中透出東方的審美韻味，成為此次冬奧會的亮點之一。

獨特造型詮釋藝術(shù)與科學的融合

火炬臺的造型在開幕式主火炬的基礎上增加了環(huán)繞的“銀絲帶”及鏡面底盤，起到支撐、穩(wěn)定的作用。將開幕式上的大雪花以中軸固定的方式予以呈現(xiàn)，“銀絲帶”造型完美詮釋了冬奧會的理念，緊緊縈繞著象征世界各國攜手走向未來的由小雪花和橄欖枝組成的大雪花。隨著底盤的旋轉(zhuǎn)，它在不同角度下呈現(xiàn)出高低起伏的形態(tài)，是對冬奧會眾多賽事項目速度、激情、節(jié)奏、躍動，以及群山等自然形態(tài)的抽象表達，通過鏡面的映射及流動的燈光，讓觀賞者在火炬臺的旋轉(zhuǎn)中既能感受到“燕山雪花大如席”的意境和“銀絲帶”輕舞飛揚的姿態(tài)，又能感受到冰雪運動的速度、激情、優(yōu)雅與純潔。

為了兼顧火炬夜間的動態(tài)效果，團隊在“銀絲帶”、橄欖枝和底座轉(zhuǎn)臺上均設置了燈帶，并在燈帶外層添加鏤空的小雪花格柵以修正光強效果。整體燈光效果以橄欖枝為核心，“銀絲帶”、底盤燈光與之配合，營造出冬奧運動強烈的速度感、節(jié)奏感和冰雪的圣潔感。

受燃氣、材料、加工工藝，以及力學結(jié)構(gòu)等工程技術(shù)的制約，設計方案進行了多輪修改，為了降低反復調(diào)整帶來的不確定性與不可解釋性，團隊采用參數(shù)化設計，從“銀絲帶”基礎主干曲線階數(shù)的控制，到每一個控制點的坐標調(diào)整，支撐結(jié)構(gòu)件的數(shù)據(jù)化生成，再到每一個小雪花位置的排布，都有數(shù)值可依。并且每一次調(diào)整、修正的數(shù)據(jù)都被完整記錄，通過數(shù)值的優(yōu)化迭代，使火炬臺既滿足工程的要求，又能達到設計的藝術(shù)性要求。

機械傳動為雕塑注入“動”的靈魂

不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)火炬，此次火炬臺的設計圍繞著雪花核心圖形，增加了動感的表達，增添了雪花所帶來的活力與魅力，引發(fā)人們對圣潔的冰雪及激情運動的無限遐想?！般y絲帶”與“大雪花”非勻速的雙向同心運動，為火炬增加了時間維度及動態(tài)視覺體驗。

項目早期嘗試以雪花為整體形態(tài)，橄欖枝作為枝干結(jié)構(gòu)，該方案具有很高的藝術(shù)美學，但是其結(jié)構(gòu)強度及工程實現(xiàn)上都存在問題。若要滿足整個雪花重量都壓在一根細小的枝條上且實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，就要求整個雕塑厚度約為100毫米，團隊通過有限元受力分析，證實了該結(jié)構(gòu)是不可能實現(xiàn)的。在深化設計過程中，針對旋轉(zhuǎn)運動支撐結(jié)構(gòu)提出以上下兩點支撐的方式，并以縈繞周圍的“銀絲帶”作為中心結(jié)構(gòu)加持，但大雪花自身結(jié)構(gòu)卻無法滿足結(jié)構(gòu)受力邊界條件。清華大學土木工程系石永久教授根據(jù)相關(guān)國家標準，以及雕塑所在地歷史天氣數(shù)據(jù)等確定了整個裝置設計校核時應采用的載荷工況，綜合考慮風載、雪壓，以及自重等因素;與美術(shù)學院團隊一起最大限度地保留“銀絲帶”的美學理念;機械系田煜教授團隊通過將上下橄欖枝條中的葉子與枝條搭接，構(gòu)成雙支撐結(jié)構(gòu)，有效地提高了橄欖枝支撐點的強度。中心圓環(huán)與上下支條采用10毫米厚度的不銹鋼板，形成主要承力結(jié)構(gòu)，其余枝條與葉子采用4毫米厚度的不銹鋼板，以降低整體重量。上下枝條與中心圓環(huán)連接處焊接采用內(nèi)部支撐的方式，并增加肋條以提高局部力集中部位的強度，為橄欖枝成為動態(tài)雕塑的重要受力結(jié)構(gòu)提供了基礎，進而完成最終優(yōu)化圖案。

在此基礎上，由清華大學機械系田煜教授牽頭組織，帶領其團隊骨干成員王子羲老師、高志老師、李新新博士和李遠哲博士，針對中心圖案剛度較低、整體裝置上下支點跨度的問題，提出上下運動支點均采用調(diào)心軸承支撐，以適應加工、安裝等帶來的上下端不同軸問題。通過一端固定、一端預緊的軸承定位方式，提高薄板的剛度，減小變形，降低失穩(wěn)風險。電機固定在地面，采用齒形聯(lián)軸器或雙萬向節(jié)等柔性聯(lián)軸器連接齒輪箱和薄板轉(zhuǎn)軸，以適應轉(zhuǎn)軸末端較大的偏轉(zhuǎn)，氫氣通過旋轉(zhuǎn)連接器、內(nèi)部中空管道進入到火炬，對軸承、電機等零部件進行選型與校核，最終實現(xiàn)大尺寸動態(tài)雕塑“動”的靈魂。

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