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北京世園會開幕式舞臺機械的方案設計

發布者:管理員  2019-06-14 9:58:40

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”的媯汭劇場呈現。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形式的創意演繹,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、人類胸懷展現得淋漓盡致。


   在這場大型園林情景光影藝術演出中,由北特圣迪研制的中心升轉臺、內外環升降臺、升降柱等40套舞臺機械,與藝術表演和合共融,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計進行解析。


   2 功能需求及設計方案


   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模主題展演、文化活動、大型集會及訪客休息集散等任務。

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圖1 “演藝中心”媯汭劇場的所在位置


   媯汭劇場是戶外劇場,其原舞臺方案是一個 38 m×26 m的橢圓形固定舞臺(見圖2),由于沒有配置專業的舞臺設備,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計,實現開幕式大型演出的多功能要求。

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圖2 媯汭劇場原舞臺方案


   2.2 設計思路及設計方案


   2.2.1 設計思路


   此次開幕式的舞臺機械方案以導演組的創意為設計依據,配合創意進行深化設計。設計思路為:在不破壞周邊環境及湖岸線的前提下,利用現有的觀演模式和橢圓舞臺,實現開幕式演出所需的舞臺基本功能:

   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通道上下場而造成的穿幫現象,滿足演員流線規劃;

   利用舞臺機械實現演出場景和道具的快速切換,使演出調度更靈活多變;

   根據節目需求,利用舞臺機械呈現震撼的視覺效果,豐富、提升演出效果。


   2.2.2 設計方案


   根據導演組的創意需求,在整臺開幕式表演的核心區域——主舞臺配置了如下的舞臺機械設備,安裝位置見圖3。

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圖3 媯汭劇場舞臺機械設備布置圖

   中心升降翻轉臺(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套威亞設備。

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

   內外環升降臺(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。

   數控動態升降柱(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 舞臺機械的創新應用及要點分析


   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,實現穩定而又靈活的機械運動,同時還要滿足LED屏、燈光、音響、舞美等專業的安裝條件,其技術難度之高,協調工作之大,自動化控制之復雜,帶來重重新的挑戰。下面針對主要設備的創新應用、技術要點及應用效果作簡要介紹。


   3.1 中心升降翻轉臺


   中心升降翻轉臺為直徑8m的圓形升降子母臺,子臺表面及圓周鋪設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90°面向觀眾,臺面頂端后方安裝一套自動翻轉威亞設備,可翻轉180°便于威壓繩連接索具與演員連接,如圖4所示。

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圖4 中心升降翻轉臺

   中心升降翻轉臺表演過程中,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內升起1m高,威壓演員連接索具,隨著子臺臺面向上翻轉到90°位置。此過程中,威壓鋼絲繩進行收放配合演員表演。

   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,子臺的驅動需要能快速平穩地將子臺頂起到90°位置。如上所述,該設備的設計難點主要有三點:其一,因直徑8m的子臺臺面及四周安裝有LED屏,支撐架結構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設備載荷、靜載荷、風載),因此,此處鋼結構的設計和驅動的安裝難度都非常大;其二,使用油缸推動臺面翻轉,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,母臺的導向及油缸都需克服子臺翻轉重心位移帶來的受力變化,因此,在結構上設置了防傾翻裝置,防止翻轉超過90°帶來的危險。

   于臺面結構面積大、支撐點少,結構自身強度要求較高,為使設計更為準確,結構設計時不僅進行了大量的計算,還通過計算機輔助設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構受力時的應力狀態和位移情況。圖5為升降臺受力時的應力及位移情況,圓臺翻轉起升開始時,子臺最大應力為87.6MPa,最大位移為3.4mm。為了驗證設計計算的準確性,還進行了預拼裝加載試驗,試驗結果與計算數據吻合。

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圖5 臺面應力分析(最大應力為113MPa)

   在驅動能力設計方面,設計時考慮冗余,一用一備,當主驅動設備出問題后能及時切換備用設備驅動,以保證演出質量。所有驅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置液壓制動器,形成雙制動保護。



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圖6 臺面應力分析(最大位移為3.78mm

   由于現場基坑基礎條件限制,中心升轉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,為了適應極端天氣帶來大降水情況,母臺機械驅動位置設計時,將驅動設備基礎高度提高了0.7m左右,提高設備使用安全和壽命,可保證在臺倉大量進水時正常演出。


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圖7 圓臺翻轉起升開始時子臺最大應力為87.6MPa

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圖8 圓臺翻轉起升開始時子臺最大位移為3.4mm

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圖9 圓臺翻轉到位時子臺最大應力為82.1MPa

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圖10 圓臺翻轉到位時子臺最大位移為1.62mm

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圖11 受靜載荷時子臺最大應力為50.4MPa

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圖12 受靜載荷時子臺最大位移為0.15mm

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


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圖13 舞蹈演員可與立起的中心升降翻轉臺在空中互動,產生震撼的舞臺效果

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圖14 中心升降翻轉臺不但是演員表演的舞臺,同時還具有運送演員、道具上下場的功能


   3.2 數控動態升降柱


   數控動態升降柱為圓形柱體,直徑1m,基礎高度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。

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圖15 數控動態升降柱

   驅動采用雙制動電機減速機的鋼絲繩卷揚機,做到驅動占用柱內空間最小,驅動只有鋼絲繩進入升降柱內。同時,驅動安裝基礎高于地面1m左右,便于保護驅動不受地面積水影響,上方也設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,鋼絲繩采用閉環連接,每個柱子內有多達10根鋼絲繩連接,保證升降部分柱體升起和下降都有驅動力,并不會存在卡滯現象。

   總體結構設計方面,采用二級升降行程,在升降柱1m直徑范圍內布置三層相互運動的鋼結構,空間非常小。為了保證柱體升起到8m時的整體結構穩定,需要中心立柱結構緊湊且基礎牢固,兩級升降立柱需結構輕巧牢固,同時還要有一定的結構強度保證LED的安裝,設計需要能承受8級風載,驅動導向結構需要能承受載荷偏移,并保證偏移量在15mm范圍內及運動變化載荷。為了使設計更為準確,結構設計時不僅進行了大量的計算,還通過計算機輔助設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構在受力時的應力狀態和位移情況(見圖16)。為了驗證設計計算的準確性,還進行了工廠預拼裝加載試驗,試驗結果與計算數據吻合。

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圖16 數控動態升降柱各層結構受力分析圖示

   結構安裝上,采用模塊式整體安裝,保證工期要求;升降柱外表面鋪設高分辨率柔性LED屏,采用磁吸加捆扎方式固定,方便可靠。

   數控動態升降柱在整場節目中貫穿始終,不僅可作為視頻柱增強現場的視覺沖擊力和藝術感染力,還可以隨音樂起伏升降,如圖17、圖18所示。

17.jpg   圖17 29套升降柱在演出中被頻繁使用,幾乎每一幕都會出現

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圖18 升降柱的起伏配合其上的LED屏,使舞臺效果豐富多變


   3.3 內外環升降臺


   內外環升降臺長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。

   此次開幕式共采用1套內環升降臺,1套外環升降臺。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,參與節目表演。內環升降臺表面及前立面鋪設LED屏。

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

   在驅動能力設計方面,設計時同樣考慮了冗余,在制動能力及防水等要求方面,設計原則上同上述中心升降臺母臺驅動部分,不再贅述。其結構方面的設計也進行了計算和分析,如圖19~圖24所示。

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圖19 外圓弧升降臺應力的計算和分析

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圖20 外圓弧升降臺變形的計算和分析

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圖21 內圓弧升降臺應力的計算和分析

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圖22 內圓弧升降臺變形的計算和分析

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圖23 導向架應力的計算和分析

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圖24 導向架變形的計算和分析

   開幕式演出中大規模的人員和道具換場都通過內外環升降臺實現。此外,其升起后也可使整個舞臺層次更加分明,如圖25所示。


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圖25 運用內外環升降臺換場


   3.4 鋼琴升降臺


   2套鋼琴升降臺的作用和功能與內外環升降臺類似,如圖26所示。


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圖26 2套鋼琴升降臺成為運送演員及道具上下場的重要工具


   3.5 控制系統


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


   控制臺具備自動和手動控制功能。上位機提供系統人機交互界面,負責進行數據顯示、存儲、備份和自動控制指令發送;下位機負責采集控制按鍵和觸摸屏操作,并通過工業現場總線通信與控制臺柜內的主PLC進行數據交換,從而實現全系統的設備協調。


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


   本控制系統軟件專為世園會開幕式演出舞臺機械設備控制與操作開發,由舞臺機械承辦方自主設計完成。系統具有良好的人機界面,操作簡單明確,具有圖形數字顯示、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。系統運行穩定、性能優良,達到工業級的平均無故障工作時間要求。


   3.6 設計特點

   舞臺機械設備傳動采用雙電機同軸冗余設計,備用控制系統完全獨立于主控系統,通過一鍵切換技術屏蔽多重故障(如電機、編碼器、通信、控制臺、PLC、元器件等),備用控制系統可切換至任意升降臺且不受主控系統干擾,實現了演出過程中故障設備的快速切換,為排查故障爭取時間。當故障排除后,可迅速切換回原狀態,使主、備控制系統均處于健康狀態。

   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難題,實現了中心升降臺翻板運行狀態的平穩過渡。

   通過時間碼,實現了液壓系統、威亞系統、視頻的匹配,實現了藝術與技術的高度融合呈現。

   依據導演組的創意需求,編制了多種復雜擬合曲線和場景數據庫,采用場景分割、合并等多重技術手段,快速響應導演的各種造型要求,實現了LED升降柱的動態藝術效果,得到了導演組的一致好評。

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

   通過多種現場數字信息反饋技術,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,提高了主控系統故障恢復效率。


   4 結語


   總體來說,這次舞臺機械的配置及設計均達到了演出的技術要求和所要實現的藝術效果,特別是中心升降翻轉臺及數控動態升降柱的設計運用了較多的創新方案,實現了理想的演出效果。同時,結構設計中大量運用三維軟件及結構分析軟件,也使得整個設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。


   此次設計過程也進一步豐富了設計人員的經驗。而通過現場安裝后的效果,也讓設計人員發現了許多有待改進的地方,如驅動基礎的設計和結構的優化等,為今后的設計提供了寶貴經驗。

來源:演藝科技傳媒

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