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中国七夕演艺中心的舞台机械设计

发布时间:2020年08月01日

  位于江西新余仙女湖码头的中国七夕演艺中心(以下简称:演艺中心)如图1所示,采用球形建筑,融合了地球和天堂、凡间与仙界的爱情元素,充分展示了仙女湖的爱情文化,整个建筑宏伟大气,极具现代美感。整个舞台工艺设计舞台的机械系统占到演艺舞台总面积的25%,是演艺舞台的重要组成部分。

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图1 中国七夕演艺中心现场

  演艺中心包含4种舞台机械:2台独杆升降机、1台旋转升降台、3台升降台和7台旋转屏,如图2所示。其中,由于独杆升降机采用了现有的成套设备,因此,本文中仅对另外3种非标舞台机械进行解析。

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图2 演艺中心舞台机械布置图

  该项目舞台机械从2019年4月下旬正式开始设计,2019年7月上旬所有舞台机械需要完成全部安装调试验收工作,设计制作总周期仅75天,加之江西夏季闷热多雨,不利于施工,给项目的设计、制作以及供应链的工作安排带来了极大的挑战。

  为了实现快速设计,这三种非标舞台机械全部采用了机械行业较为先进的参数化设计理念和手段进行设计,采用三维软件SolidWorks建模,对必要零部件采用Abaqus有限元软件进行仿真分析,保证设计的快速准确,同时在设备满足舞台美术要求的前提下降低了成本。下面对三种非标机械的设计进行解析。

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  旋转升降台为三层环形布置的装置,分别为12 m外径的外层、7 m外径的中层和2 m外径的内层。外层升降行程范围相对于舞台平面为0~+1.5 m,并且是可以360°自由旋转的转台。中层升降行程范围相对于外层为-3 m~+1.5 m,也是可以360°自由旋转的转台。内层升降行程范围相对于中层为0~+1.5 m,无旋转功能。内层和中层可以下降到舞台面以下3 m的地下一层接人或者道具。相应的,外层需要留有人从地下室进去中层的通道。其三维模型如图3所示,演出效果如图4所示。

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图3 旋转升降台的三维模型

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图4 旋转升降台在节目中的蛋糕塔和旋转木马效果

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  由于当地地质原因,基坑(如图5所示)可容许的最大深度仅为6.5 m,现场测量实际仅6.4 m。考虑到内层相对于舞台面的行程范围为-3 m~+4.5 m,中层相对于舞台面的行程范围为-3 m~+3 m,内层和中层的高度不可能大于3.5 m,再结合土建工程的误差,最终将内层和中层的高度定为3.1 m高。由于基坑深度与设备的高度和行程相比较小,属于浅基坑,因此,内层和中层最终选择了柔性链作为驱动部件。为了方便设计和采购,外层也选择了与内层、中层相同的柔性链作为驱动。因为内层和中层的高度有3.1 m高,导致钢结构与驱动结构使用的柔性链盒及其电机减速机在高度方向上有空间重叠,需要将钢结构上开若干个槽,以避免钢结构降到最低时与柔性链盒产生干涉。同时,该槽需要避开各个结构的轨道以及配重用的钢丝绳,这极大地增加了三维结构设计的工作量。

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图5 旋转升降台基坑

  考虑到设备的运行环境,并不是完全室内环境,仅在舞台上方有一层拱形构筑物可以挡雨,并且考虑到演员在设备上会有较大的舞蹈动作,对设备产生较大的侧向力,导向采用了钢轮钢轨的形式,外层的钢轨依附在建筑的立柱上,中层的钢轨依附在外层结构上,内层的钢轨依附在中层结构上。

  由于外层和中层自重较大,对其分别布置有配重,以降低设备的功率,并且配重增加了结构受力点的数量,进而分散结构受力。

  对于外层和中层的转台,为了节约设计和生产时间,采用标准的圆弧型固定脚轮,作为竖直方向的支撑和转台的中心定位,单轮承重可达800 kg,如图6所示。转台驱动采用齿轮传动,在此项目中,采用由激光切割的可拼接外齿圈(由约16 mm厚的钢板激光切割外齿形,其中外层的齿圈外径为9 m,内径为8.7 m。相对于传统机床加工的齿轮,在同样满足使用要求的情况下,激光切割大大加快了制作速度(实际上全部激光切割齿轮,从确定采购到供应商出货不到三天)。

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图6 转台结构

  为了保证设备运行中的安全,旋转升降台上各个电机的输出端均安装有液压式制动器,每个电机自身也配有抱闸;为防止升降机突然下落,其底部装有数量足够的缓冲器。当演员从地下室通过外层钢结构进入中层钢结构时,外层钢结构上的门通过一些控制逻辑禁止此时设备启动,以保证演员安全。

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  总体方案设计中,设备结构关键受力点的受力分析是保证方案、系统结构合理、安全的重要环节。本文中,仅以外层钢结构为例,对其受力进行分析,设备上的其他关键结构受力分析与外层钢结构类似,不再赘述。

  外层钢结构整体由焊接钢结构再经螺栓连接组成。主体钢结构采用60 mm×60 mm、厚2.5 mm的方管焊接而成,对于部分受力较大的区域采用60 mm×60 mm、厚3.5 mm的方管焊接。

  材料属性定义上,杨氏模量定位为209 000 MPa,泊松比0.3,由于需要考虑重力对结构的影响,将材料密度定义为7.9E-9(t/mm³)(即7 900 kg/m³)。

  由于abaqus属于数值分析软件,软件中的数据是没有单位的,所以需要用户自己规定数据的单位,常采用的单位制式有两种,一种是规范的国际单位;一种是机械行业习惯用法,长度单位mm、力单位N、质量单位t(吨)、时间单位s、密度单位t/mm³、应力和弹性模量的单位是N/mm²(MPa)。所以,本文中全部采用第二种单位制式。

  边界条件设置上,外层钢结构受力有以下几种:外层钢结构自身重力、升降台的均布负载、外层结构配重载荷、中层钢结构挂在外层钢结构上的配重载荷、用于驱动外层钢结构顶升的柔性链的力以及中层钢结构柔性链位置的力,受力数值见表1。由于升降台的均布载荷并非定值,柔性链的力随均布载荷变化而变化,这里将旋转升降台上表面在数值分析软件中的边界条件设置为固定,柔性链的力按最大时候计算,其他力为定值,直接按实际情况输入即可。

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  对于线框模型,划分网格的方式非常简单,本文中不再额外讲述。

  钢结构及云图如图7所示,经过仿真计算可得,整体结构最大应力为134 MPa,小于GB 150-2011《压力容器》中Q345B钢许用应力230 MPa(345/1.5=230);最大绝对位移为2.4 mm,这个位移不会对其他结构造成影响。

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图7 钢结构应力及绝对位移分布图


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  该升降台采用常规的升降台,3台并排布置,如图8所示。每台均可降到舞台以下3.5 m处接人和道具,最高点位置与舞台表面平齐。基坑深度和旋转升降台相同,现场实际测量为6.4 m。为了设计与采购方便,升降台的驱动采用与旋转升降台相同的柔性链形式。导向方面则采用了电梯轨道加导靴的组合。为了降低设备功率,避免受力集中,同样使用了配重。其他安全保障措施与旋转升降台一致,不再赘述。

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图8 3台升降台的三维模型

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  旋转屏共计7块,并排布置在建筑的最后侧,对称布置,如图9所示(图中有9块屏幕,其中只有中间的7块旋转,两侧的2块不旋转)。旋转屏上部被环状遮挡片遮挡住一部分,露出的部分形成半圆形。旋转屏顶端与建筑主拱的钢结构相连,下面与地面预埋钢板相连。

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图9 旋转屏及遮挡片的立面布置图


  旋转屏正面为LED屏幕,侧面为灯箱(也可改装安装电脑灯),背面安装电脑灯。为了确保旋转屏屏幕全部位于正面时画面的完整性,要求旋转屏的间距尽可能小,同时考虑到安装误差和LED自身的厚度,最终确定间距为50 mm。

  在旋转屏的侧面面向观众时,演员可以从旋转屏间的缝隙中走出,使旋转屏达到分割舞台前后空间的效果;为了保证演出效果,旋转屏不能太厚;同时,由于旋转屏位于室外,一定要考虑到风载荷,其厚度又不能做得太薄。这些要求给设计造成了一定困难。

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  旋转屏属于细长条型旋转设备,具体宽、高尺寸如图9所示。由于其需要承受较大的风载荷,考虑到安装的便捷,设备顶端和底端均采用回转支撑这种承载性能可靠的标准化设备作为支撑导向和驱动的关键部件。

  驱动采用电机→蜗轮蜗杆减速机→输出轴小齿轮→回转支撑的形式,如图10所示。采用蜗轮蜗杆减速机,一方面原因是货期较短;另一方面是其有一定自锁能力,相当于在电机自身抱闸的基础上加了一道自锁装置,避免了输出端造成的旋转屏旋转。

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图10 旋转屏驱动装置三维模型

  由于当地多雨,旋转屏的机械设计需考虑设备电机及其他零部件的防雨措施。演艺中心为长期存在的演出场所,在设计之初就要考虑对舞台关键零部件的检修工作,需要设计并制作相应的检修门以供工作人员随时出入。演艺中心的建设由多个部门配合完成,旋转屏防雨机构和检修门结构由土建方根据机械设计与制作方要求随其他钢结构一并完成。

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  旋转屏的钢结构设计要兼顾演出效果和风载荷的要求,以最高的位于中间的(14 m高)旋转屏为例简单介绍计算过程。

  风载荷的标准值是根据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》计算的,由阵风系数、风荷载体型系数、风压高度变化系数和基本风压4个值相乘而得。

  根据上述标准,阵风系数以B类地区50年一遇的风压计算,风载荷高度取值为7 m(这是一个比较保守的高度取值,具体取值方法查询上述标准即可,在此不再赘述),最终阵风系数取1.83;风荷载体型系数按一般墙面取1.2;风压高度变化系数,由于高度较低取1;基本风压,当地没有给出具体值,以与新余相近的九江取值0.35 kN/㎡(笔者在设计时咨询了当时负责该工程的华东勘测设计研究院的工程师,与他们取值相同);将上述4个数值相乘得0.77 kN/㎡,根据标准,不足1 kN/㎡时按1 kN/㎡,即风载荷为按1 kN/㎡。

  中间旋转屏高14 m,宽3.5 m,风载荷1 kN/㎡,受49 kN均布力。旋转屏上下有回转支撑固定,所以分析软件上的约束按固定处理。

  结构由焊接钢结构再经螺栓连接组成。主体钢结构采用50 mm×50 mm,厚3 mm的方管焊接而成。

  钢结构及云图如图11所示。经过仿真计算,整体结构最大应力为117 MPa,小于国家标准GB 150-2011《压力容器》中Q345B钢许用应力230 MPa(345/1.5=230)。最大绝对位移为12.4 mm,不到1/1 000,符合GB 50017-2003《钢结构设计规范》的要求。

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图11 旋转屏钢结构应力及绝对位移分布图

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  3种舞台机械的设计制作的总周期仅75天,在此期间,完成总计出图纸近350张、采用设备总重量达300多吨、SolidWorks统计的零件数目近20万个,得益于SolidWorks的数字化建模技术和Abaqus有限元仿真技术的应用,才能在如此短暂的时间内快速准确地设计出安全可靠的设备。

  目前设备已经完成交付并投入使用。2019年央视七夕晚会《天下有情人》在演艺中心顺利地完成了录制任务,并于2019年七夕节当天顺利播出。

  选自《演艺科技》2020年第6期石森《中国七夕演艺中心的舞台机械设计》,转载请标注:演艺科技传媒。


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