陳 威，王海林，張麗萍

（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）

江蘇昆山文化藝術(shù)中心由大劇院、多功能劇場(chǎng)和多廳電影院等組成，是一座集文化交流、會(huì)議、展覽、休閑、娛樂等多項(xiàng)功能為一體的文化綜合體建筑。作為大劇院技術(shù)與功能的核心部分，其舞臺(tái)機(jī)械工程中解決了一些技術(shù)難題，體現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新的特性。

1 舞臺(tái)布局

大劇院采用品字形舞臺(tái)和鏡框式臺(tái)口，由主舞臺(tái)、側(cè)舞臺(tái)和后舞臺(tái)組成；主舞臺(tái)臺(tái)口寬度18 m，高度12 m，臺(tái)塔寬32 m，進(jìn)深22.9 m，柵頂距舞臺(tái)面31 m，舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)深16 m；側(cè)舞臺(tái)各寬25.5 m，進(jìn)深22.9 m，凈高約14 m，側(cè)臺(tái)臺(tái)倉(cāng)深1 m；后舞臺(tái)寬22.3 m，進(jìn)深約24.2 m，凈高約13 m，后臺(tái)臺(tái)倉(cāng)深2.5 m。臺(tái)口前樂池區(qū)域共約112 m2，其中樂池升降部分約98 m2。

2 設(shè)計(jì)思路與原則

（1）設(shè)備配置能滿足各種大型歌劇、舞劇、交響音樂會(huì)和大型綜合文藝演出的要求，同時(shí)兼顧其他類型的演出。做到工藝設(shè)計(jì)科學(xué)、技術(shù)性能優(yōu)良、配置優(yōu)化實(shí)用、運(yùn)行安全可靠、維修操作方便、經(jīng)濟(jì)合理。

（2）充分考慮國(guó)內(nèi)外演出交流需求，機(jī)械舞臺(tái)功能與國(guó)內(nèi)外已建成的各大型劇場(chǎng)的機(jī)械舞臺(tái)功能相同或優(yōu)于后者。通過技術(shù)手段、材料工藝實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備功能的突破，豐富傳統(tǒng)品字形舞臺(tái)設(shè)備的特殊功能。

（3）機(jī)械與電氣設(shè)備的核心關(guān)鍵設(shè)備均為高品質(zhì)、高可靠性。

（4）系統(tǒng)集成以性價(jià)統(tǒng)籌、品質(zhì)優(yōu)先為原則。核心元器件的選擇以品質(zhì)為主，價(jià)格成本為輔。重點(diǎn)考慮行業(yè)口碑與專業(yè)背景，優(yōu)中選優(yōu)。所有設(shè)備均實(shí)現(xiàn)工廠試裝配，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)試運(yùn)行。

（5）控制系統(tǒng)采用人工智能化管理，同時(shí)也可進(jìn)行人工干預(yù)，并備有完善的安全保護(hù)及應(yīng)急措施；人機(jī)界面友好，顯示功能直觀，故障診斷功能完善，具有自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制功能。

3 設(shè)備配置

3.1 臺(tái)下設(shè)備

大劇院舞臺(tái)臺(tái)下機(jī)械設(shè)備包括：樂池升降護(hù)欄、樂池升降臺(tái)、主舞臺(tái)升降臺(tái)、側(cè)輔助升降臺(tái)、側(cè)臺(tái)車臺(tái)、側(cè)臺(tái)車臺(tái)補(bǔ)償臺(tái)、運(yùn)景升降臺(tái)、后車載轉(zhuǎn)臺(tái)、后舞臺(tái)補(bǔ)償臺(tái)、演員升降小車、“兩會(huì)”座椅車臺(tái)、樂池座椅臺(tái)車、卸貨平臺(tái)等，以及臺(tái)下機(jī)械電氣與控制系統(tǒng)。見圖1、圖2。

圖1 臺(tái)下設(shè)備布置

與以往劇場(chǎng)不同的是，大劇院配置了2臺(tái)電動(dòng)的“兩會(huì)”用座椅車臺(tái)，用于大型會(huì)議使用。每臺(tái)座椅車臺(tái)設(shè)有4個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階寬2.25 m。使用時(shí)每臺(tái)座椅車臺(tái)放在三個(gè)雙層主升降臺(tái)上，不用時(shí)儲(chǔ)存在后臺(tái)下方的儲(chǔ)存室。

圖2 舞臺(tái)立面布置

圖3 臺(tái)上設(shè)備布置

3.2 臺(tái)上設(shè)備

大劇院舞臺(tái)臺(tái)上機(jī)械設(shè)備包括：臺(tái)唇（臺(tái)口外）單點(diǎn)吊機(jī)、臺(tái)唇鏈?zhǔn)降鯔C(jī)、臺(tái)唇吊桿、防火幕、臺(tái)口吊桿、大幕機(jī)、假臺(tái)口、側(cè)布景吊桿、電動(dòng)吊桿、燈光吊桿、二道幕機(jī)、燈光吊籠、主舞臺(tái)單點(diǎn)吊機(jī)、天幕吊桿、舞臺(tái)吊桿、聲反射罩、側(cè)臺(tái)裝景吊機(jī)、臺(tái)上機(jī)械電氣與控制系統(tǒng)。見圖2、圖3。

上空設(shè)備最具特點(diǎn)的是4道分段式燈光吊桿和12套燈光吊籠，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)上空縱橫兩個(gè)方向布光可大幅度機(jī)動(dòng)調(diào)整，充分滿足主舞臺(tái)區(qū)演出的燈光要求。三段燈桿可同步使用，也可分層或單獨(dú)使用；燈光吊籠可上人操作，可沿舞臺(tái)臺(tái)深方向移動(dòng)，也可垂直舞臺(tái)面上下移動(dòng)，根據(jù)需要懸掛燈具。

3.3 項(xiàng)目難題與對(duì)策

3.3.1 設(shè)備層?xùn)彭斏鲜褂每臻g高度不足

項(xiàng)目組織方與總承包單位總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院在實(shí)施過程中，與昆克劇院工程咨詢（北京）有限公司和中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院反復(fù)研究討論，通過設(shè)備技術(shù)改良，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)，增大使用空間。大劇院屋頂鋼結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)中大梁橫向布置，跨度大，高度為1.8 m。經(jīng)過對(duì)舞臺(tái)機(jī)械受力分析，充分利用結(jié)構(gòu)縱橫向跨度不同的特點(diǎn)，將主梁改為縱向布置，跨度減小，高度為1.2 m，使柵頂凈空提高了0.6 m。這樣，既滿足了屋頂強(qiáng)度和剛度要求，又滿足了吊桿卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩排繩的高度要求。

3.3.2 優(yōu)化臺(tái)上設(shè)備工藝布局

原臺(tái)上設(shè)備布置圖中，每排（共4排）三道燈桿有兩道短桿卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在柵頂下層，而中間段桿體的卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)置在柵頂，設(shè)備布置分散，不易維護(hù)與管理，布局零亂。經(jīng)過卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，把短燈桿卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在柵頂兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)了上空設(shè)備布置整齊劃一，效果良好。臺(tái)上設(shè)備的合理布局，通過與燈光、音響、消防等專業(yè)單位的共同努力，昆山文化藝術(shù)中心劇院成為全國(guó)劇場(chǎng)柵頂布局最整潔、合理的劇場(chǎng)之一。

3.3.3 運(yùn)景升降臺(tái)基坑深度不足

運(yùn)景升降臺(tái)由于行程過大，相對(duì)而言基坑深度不夠，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法安裝布置。經(jīng)與中建院共同優(yōu)化基坑層抗浮荷載分布，取消運(yùn)景升降臺(tái)范圍內(nèi)寬3 m、長(zhǎng)18 m范圍內(nèi)的荷載，節(jié)省了0.45 m深的回填土，使基坑深度增加0.45 m，在此基礎(chǔ)上將驅(qū)動(dòng)設(shè)備位置重新布局，滿足了該設(shè)備的功能要求，并解決了運(yùn)景升降臺(tái)四周均要求有升降欄桿的難題。

3.3.4 狹窄臺(tái)面鋼絲繩傳動(dòng)系統(tǒng)布局實(shí)現(xiàn)

樂池升降臺(tái)前后分為兩塊，窄條狀弧形結(jié)構(gòu)使得升降臺(tái)鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置幾乎不可能實(shí)現(xiàn)；如果不采用鋼絲繩傳動(dòng)，升降臺(tái)的速度、噪聲控制等指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。通過采用鋼絲繩折線設(shè)計(jì)、增設(shè)傾斜導(dǎo)向輪、調(diào)整升降臺(tái)中心等手段，最終實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩高速、低噪聲的樂池升降臺(tái)的功能指標(biāo)。

3.3.5 觀眾席升降花心燈架

在裝修已完成的情況下，增加觀眾廳花心燈架升降裝置。觀眾席上空天花造型獨(dú)特，中央花心燈架是花蕊造型，花瓣呈多層包裹的方式逐漸散開，花瓣的位置與造型兼顧舞臺(tái)面光設(shè)計(jì)。由于前期沒有預(yù)留設(shè)備條件，再加上工期因素，給工程方帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入條件，結(jié)合原有上空結(jié)構(gòu)承載力與上空管道設(shè)備的布置等條件，采用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)模擬，解決了升降燈架的結(jié)構(gòu)受力和干涉的難題，完成后效果頗佳。

綜上所述，可以看出工程實(shí)踐難題往往是多專業(yè)各類限制條件交織在一起的。工程難題的解決，需要強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力，還需要發(fā)揮多專業(yè)多學(xué)科間的綜合協(xié)同能力，這也是未來(lái)劇場(chǎng)舞臺(tái)設(shè)備專業(yè)需求發(fā)展的趨勢(shì)。

4 技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

4.1 車臺(tái)激光掃描防撞安全裝置

目前，國(guó)內(nèi)建設(shè)的大劇院，具有防撞功能的車臺(tái)較少，究其原因，主要是：防撞設(shè)備資金投入較大、技術(shù)不夠成熟、行業(yè)沒有硬性規(guī)定。防撞裝置一般有四種形式，機(jī)械式、光電式、激光式或超聲式。本項(xiàng)目共12套車臺(tái)，左右側(cè)臺(tái)對(duì)稱分布，平面尺寸18 m×3 m，設(shè)計(jì)中新型激光掃描裝置可以掃描到車臺(tái)邊緣4 m范圍內(nèi)的物體，可以在掃描范圍內(nèi)任意設(shè)定掃描形狀，可以在設(shè)定掃描形狀的范圍內(nèi)定義雷達(dá)掃描分區(qū)：2 m警告區(qū)，1 m減速區(qū)和0.5 m緊急制動(dòng)區(qū)。見圖4。

圖4 車臺(tái)防撞裝置工作示意圖

4.2 地板可溫控移動(dòng)主席臺(tái)

考慮到昆山每年元月（“兩會(huì)”期間）天氣較冷，舞臺(tái)上空空調(diào)暖風(fēng)難以迅速到達(dá)地面，并且能耗很大，特別研發(fā)了地板可溫控的移動(dòng)式主席臺(tái)。它集成了電發(fā)熱地板系統(tǒng)。自發(fā)熱地板是一種以地板為載體的室內(nèi)地面取暖材料，在地板中間內(nèi)置了一種電能發(fā)熱層，其顯著特點(diǎn)是設(shè)備輕便、能源清潔環(huán)保、熱效高。臺(tái)體設(shè)計(jì)結(jié)合了主席臺(tái)傳統(tǒng)工藝尺寸，與主升降臺(tái)等模數(shù)，將發(fā)熱地板與移動(dòng)臺(tái)體一體化設(shè)計(jì)，并對(duì)車臺(tái)結(jié)構(gòu)和供電方式進(jìn)行了防水、防火以及絕緣等專項(xiàng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試后，“兩會(huì)”期間應(yīng)用良好。

4.3 無(wú)導(dǎo)軌導(dǎo)向座椅臺(tái)車（插拔式滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)）

大劇院配置了“兩會(huì)”用移動(dòng)主席臺(tái)和樂池座椅臺(tái)車，為保證其在運(yùn)行中的穩(wěn)定性，需要在舞臺(tái)面上設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)做法是在舞臺(tái)木地板上開槽，將導(dǎo)軌藏于其中，這樣會(huì)造成舞臺(tái)面上的開槽縱橫交錯(cuò)，影響美觀和使用。為解決該難題，采用臨時(shí)插拔式導(dǎo)向輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)軌，舞臺(tái)面上只需預(yù)留固定插拔孔，平時(shí)用蓋板封住，使用時(shí)將導(dǎo)向輪插入，用于座椅車臺(tái)運(yùn)行的導(dǎo)向，該設(shè)計(jì)使舞臺(tái)面更完整。見圖5。

4.4 金珠鉆針織鑲燙工藝大幕

大幕上呈現(xiàn)的圖案是一條富有藝術(shù)氣息的波浪形曲線。為了能更好地體現(xiàn)大幕整體設(shè)計(jì)效果，選擇在天鵝絨材質(zhì)大幕上，將設(shè)計(jì)圖案以鑲嵌金珠鉆的工藝方式精工制作完成。該工藝既能保持天鵝絨面料原有的柔軟度和垂感，又能使金珠鉆在舞臺(tái)燈光的照射下閃閃發(fā)光，呈現(xiàn)流光溢彩、金碧輝煌的獨(dú)特效果。

鑲燙金珠鉆是一個(gè)特殊的制作工藝，采用專用的模板模具與手法。大幕圖案是一條非對(duì)稱、無(wú)循環(huán)的圖形，由440種規(guī)格不同的珠鉆組成（每組珠鉆的珠粒數(shù)量和排列都不相同），需要定制440套不同的模板模具。整個(gè)鑲燙工藝采用人工排版與電腦操作相結(jié)合的方式完成。每塊大幕高13.5 m、寬13 m，由20幅面料拼接而成。

4.5 控制系統(tǒng)

4.5.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用“上位機(jī)+服務(wù)器+控制器+驅(qū)動(dòng)器”的分布式控制結(jié)構(gòu)，專用的傳輸協(xié)議，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多驅(qū)動(dòng)同步運(yùn)動(dòng)。見圖6。

4.5.2 控制系統(tǒng)可靠性

控制系統(tǒng)安全性是指一旦系統(tǒng)發(fā)生某種故障，可以保證設(shè)備運(yùn)行，保證演出順利進(jìn)行。為提高系統(tǒng)可靠性，舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)采用了大量的冗余設(shè)計(jì)，包括電源系統(tǒng)冗余、服務(wù)器冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、中央軸控制器冗余、操作設(shè)備冗余和完善的備用系統(tǒng)。

圖5 車臺(tái)插拔導(dǎo)輪

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 電源系統(tǒng)冗余

圖8 服務(wù)器冗余

圖9 備用系統(tǒng)

（1）電源系統(tǒng)冗余

電源系統(tǒng)冗余見圖7。

（2）服務(wù)器冗余

控制系統(tǒng)采用三冗余服務(wù)器，服務(wù)器可進(jìn)行自動(dòng)切換，也可由用戶在控制臺(tái)上手動(dòng)切換，將任意一個(gè)服務(wù)器作為主服務(wù)器。見圖8。

（3）網(wǎng)絡(luò)冗余

控制系統(tǒng)采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B互為冗余備份且定時(shí)自動(dòng)進(jìn)行切換。

（4）中央控制器冗余

中央控制器采集系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵信息，這些信息對(duì)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，因此，對(duì)中央控制器采用了雙冗余的設(shè)計(jì)。

（5）備用系統(tǒng)

備用系統(tǒng)覆蓋的設(shè)計(jì)主要有升降臺(tái)、車載轉(zhuǎn)臺(tái)、單點(diǎn)吊機(jī)、吊桿、樂池升降臺(tái)等。見圖9。

4.5.3 控制系統(tǒng)的便捷與開放性

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)通過以下方面的軟硬件設(shè)計(jì)，保證了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和操作人員在整個(gè)設(shè)備調(diào)試、裝臺(tái)彩排和演出使用過程中的方便性。

（1）控制臺(tái)可多點(diǎn)接入

大劇院內(nèi)共分布10個(gè)接口箱，接口箱為控制臺(tái)提供電源和網(wǎng)絡(luò)；此外，劇場(chǎng)內(nèi)還設(shè)有無(wú)線接入點(diǎn)，信號(hào)能覆蓋整個(gè)劇場(chǎng)，從而使無(wú)線控制臺(tái)可在劇場(chǎng)內(nèi)任意位置使用，為設(shè)備調(diào)試和操作提供了更大的方便。

（2）控制設(shè)備更換

控制器插入固定架和更換均很簡(jiǎn)便；更換后控制器自動(dòng)配置，無(wú)需費(fèi)時(shí)調(diào)整其地址和參數(shù)。變頻器通過端子排與外界連接，通過IC卡寫入程序，便于設(shè)備更換。

5 結(jié)束語(yǔ)

昆山大劇院舞臺(tái)機(jī)械工程的幾點(diǎn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以解決或完善現(xiàn)代化機(jī)械舞臺(tái)布局不合理、功能不足等實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以人為本、節(jié)能環(huán)保的科學(xué)設(shè)計(jì)理念。傳統(tǒng)品字形舞臺(tái)的工藝設(shè)計(jì)已近成熟，但是圍繞著舞臺(tái)表演藝術(shù)的需求，各種多媒體效果和移動(dòng)功能的相互交融，使得舞臺(tái)機(jī)械呈現(xiàn)出以下多方向發(fā)展趨勢(shì)：一是人機(jī)結(jié)合越來(lái)越緊密，要求設(shè)備系統(tǒng)可靠性極高；二是復(fù)雜多領(lǐng)域的功能需求，要求大規(guī)模系統(tǒng)優(yōu)化集成；三是實(shí)現(xiàn)打破傳統(tǒng)的舞臺(tái)效果，要求舞臺(tái)機(jī)械應(yīng)具備演出的核心支撐能力。因此，未來(lái)的機(jī)械化舞臺(tái)將更加安全、更加環(huán)保、更加多樣、更加開放。