昆山文化藝術中心大劇院舞臺機械工程技術創新與應用

陳 威，王海林，張麗萍

（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）

江蘇昆山文化藝術中心由大劇院、多功能劇場和多廳電影院等組成，是一座集文化交流、會議、展覽、休閑、娛樂等多項功能為一體的文化綜合體建筑。作為大劇院技術與功能的核心部分，其舞臺機械工程中解決了一些技術難題，體現了技術創新的特性。

1 舞臺布局

大劇院采用品字形舞臺和鏡框式臺口，由主舞臺、側舞臺和后舞臺組成；主舞臺臺口寬度18 m，高度12 m，臺塔寬32 m，進深22.9 m，柵頂距舞臺面31 m，舞臺臺倉深16 m；側舞臺各寬25.5 m，進深22.9 m，凈高約14 m，側臺臺倉深1 m；后舞臺寬22.3 m，進深約24.2 m，凈高約13 m，后臺臺倉深2.5 m。臺口前樂池區域共約112 m2，其中樂池升降部分約98 m2。

2 設計思路與原則

（1）設備配置能滿足各種大型歌劇、舞劇、交響音樂會和大型綜合文藝演出的要求，同時兼顧其他類型的演出。做到工藝設計科學、技術性能優良、配置優化實用、運行安全可靠、維修操作方便、經濟合理。

（2）充分考慮國內外演出交流需求，機械舞臺功能與國內外已建成的各大型劇場的機械舞臺功能相同或優于后者。通過技術手段、材料工藝實現關鍵設備功能的突破，豐富傳統品字形舞臺設備的特殊功能。

（3）機械與電氣設備的核心關鍵設備均為高品質、高可靠性。

（4）系統集成以性價統籌、品質優先為原則。核心元器件的選擇以品質為主，價格成本為輔。重點考慮行業口碑與專業背景，優中選優。所有設備均實現工廠試裝配，傳動機構試運行。

（5）控制系統采用人工智能化管理，同時也可進行人工干預，并備有完善的安全保護及應急措施；人機界面友好，顯示功能直觀，故障診斷功能完善，具有自動、手動兩種控制功能。

3 設備配置

3.1 臺下設備

大劇院舞臺臺下機械設備包括：樂池升降護欄、樂池升降臺、主舞臺升降臺、側輔助升降臺、側臺車臺、側臺車臺補償臺、運景升降臺、后車載轉臺、后舞臺補償臺、演員升降小車、“兩會”座椅車臺、樂池座椅臺車、卸貨平臺等，以及臺下機械電氣與控制系統。見圖1、圖2。

圖1 臺下設備布置

與以往劇場不同的是，大劇院配置了2臺電動的“兩會”用座椅車臺，用于大型會議使用。每臺座椅車臺設有4個臺階，每個臺階寬2.25 m。使用時每臺座椅車臺放在三個雙層主升降臺上，不用時儲存在后臺下方的儲存室。

圖2 舞臺立面布置

圖3 臺上設備布置

3.2 臺上設備

大劇院舞臺臺上機械設備包括：臺唇（臺口外）單點吊機、臺唇鏈式吊機、臺唇吊桿、防火幕、臺口吊桿、大幕機、假臺口、側布景吊桿、電動吊桿、燈光吊桿、二道幕機、燈光吊籠、主舞臺單點吊機、天幕吊桿、舞臺吊桿、聲反射罩、側臺裝景吊機、臺上機械電氣與控制系統。見圖2、圖3。

上空設備最具特點的是4道分段式燈光吊桿和12套燈光吊籠，實現舞臺上空縱橫兩個方向布光可大幅度機動調整，充分滿足主舞臺區演出的燈光要求。三段燈桿可同步使用，也可分層或單獨使用；燈光吊籠可上人操作，可沿舞臺臺深方向移動，也可垂直舞臺面上下移動，根據需要懸掛燈具。

3.3 項目難題與對策

3.3.1 設備層柵頂上使用空間高度不足

項目組織方與總承包單位總裝備部工程設計研究總院在實施過程中，與昆克劇院工程咨詢（北京）有限公司和中國建筑設計研究院反復研究討論，通過設備技術改良，優化鋼結構，增大使用空間。大劇院屋頂鋼結構原設計中大梁橫向布置，跨度大，高度為1.8 m。經過對舞臺機械受力分析，充分利用結構縱橫向跨度不同的特點，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，既滿足了屋頂強度和剛度要求，又滿足了吊桿卷揚機鋼絲繩排繩的高度要求。

3.3.2 優化臺上設備工藝布局

原臺上設備布置圖中，每排（共4排）三道燈桿有兩道短桿卷揚機布置在柵頂下層，而中間段桿體的卷揚機設置在柵頂，設備布置分散，不易維護與管理，布局零亂。經過卷揚機結構設計優化，把短燈桿卷揚機布置在柵頂兩側，實現了上空設備布置整齊劃一，效果良好。臺上設備的合理布局，通過與燈光、音響、消防等專業單位的共同努力，昆山文化藝術中心劇院成為全國劇場柵頂布局最整潔、合理的劇場之一。

3.3.3 運景升降臺基坑深度不足

運景升降臺由于行程過大，相對而言基坑深度不夠，傳動機構無法安裝布置。經與中建院共同優化基坑層抗浮荷載分布，取消運景升降臺范圍內寬3 m、長18 m范圍內的荷載，節省了0.45 m深的回填土，使基坑深度增加0.45 m，在此基礎上將驅動設備位置重新布局，滿足了該設備的功能要求，并解決了運景升降臺四周均要求有升降欄桿的難題。

3.3.4 狹窄臺面鋼絲繩傳動系統布局實現

樂池升降臺前后分為兩塊，窄條狀弧形結構使得升降臺鋼絲繩傳動機構布置幾乎不可能實現；如果不采用鋼絲繩傳動，升降臺的速度、噪聲控制等指標難以實現。通過采用鋼絲繩折線設計、增設傾斜導向輪、調整升降臺中心等手段，最終實現了鋼絲繩高速、低噪聲的樂池升降臺的功能指標。

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面光設計。由于前期沒有預留設備條件，再加上工期因素，給工程方帶來了不小的挑戰。經過現場實勘測量，實測數據作為輸入條件，結合原有上空結構承載力與上空管道設備的布置等條件，采用計算機三維設計與動態模擬，解決了升降燈架的結構受力和干涉的難題，完成后效果頗佳。

綜上所述，可以看出工程實踐難題往往是多專業各類限制條件交織在一起的。工程難題的解決，需要強大的技術實力，還需要發揮多專業多學科間的綜合協同能力，這也是未來劇場舞臺設備專業需求發展的趨勢。

4 技術創新與應用

4.1 車臺激光掃描防撞安全裝置

目前，國內建設的大劇院，具有防撞功能的車臺較少，究其原因，主要是：防撞設備資金投入較大、技術不夠成熟、行業沒有硬性規定。防撞裝置一般有四種形式，機械式、光電式、激光式或超聲式。本項目共12套車臺，左右側臺對稱分布，平面尺寸18 m×3 m，設計中新型激光掃描裝置可以掃描到車臺邊緣4 m范圍內的物體，可以在掃描范圍內任意設定掃描形狀，可以在設定掃描形狀的范圍內定義雷達掃描分區：2 m警告區，1 m減速區和0.5 m緊急制動區。見圖4。

圖4 車臺防撞裝置工作示意圖

4.2 地板可溫控移動主席臺

考慮到昆山每年元月（“兩會”期間）天氣較冷，舞臺上空空調暖風難以迅速到達地面，并且能耗很大，特別研發了地板可溫控的移動式主席臺。它集成了電發熱地板系統。自發熱地板是一種以地板為載體的室內地面取暖材料，在地板中間內置了一種電能發熱層，其顯著特點是設備輕便、能源清潔環保、熱效高。臺體設計結合了主席臺傳統工藝尺寸，與主升降臺等模數，將發熱地板與移動臺體一體化設計，并對車臺結構和供電方式進行了防水、防火以及絕緣等專項設計。現場安裝和調試后，“兩會”期間應用良好。

4.3 無導軌導向座椅臺車（插拔式滾輪導向機構）

大劇院配置了“兩會”用移動主席臺和樂池座椅臺車，為保證其在運行中的穩定性，需要在舞臺面上設置導向機構。傳統做法是在舞臺木地板上開槽，將導軌藏于其中，這樣會造成舞臺面上的開槽縱橫交錯，影響美觀和使用。為解決該難題，采用臨時插拔式導向輪代替傳統導軌，舞臺面上只需預留固定插拔孔，平時用蓋板封住，使用時將導向輪插入，用于座椅車臺運行的導向，該設計使舞臺面更完整。見圖5。

4.4 金珠鉆針織鑲燙工藝大幕

大幕上呈現的圖案是一條富有藝術氣息的波浪形曲線。為了能更好地體現大幕整體設計效果，選擇在天鵝絨材質大幕上，將設計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燈光的照射下閃閃發光，呈現流光溢彩、金碧輝煌的獨特效果。

鑲燙金珠鉆是一個特殊的制作工藝，采用專用的模板模具與手法。大幕圖案是一條非對稱、無循環的圖形，由440種規格不同的珠鉆組成（每組珠鉆的珠粒數量和排列都不相同），需要定制440套不同的模板模具。整個鑲燙工藝采用人工排版與電腦操作相結合的方式完成。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

4.5.1 控制系統結構

控制系統采用“上位機+服務器+控制器+驅動器”的分布式控制結構，專用的傳輸協議，保證了系統的實時性和多驅動同步運動。見圖6。

4.5.2 控制系統可靠性

控制系統安全性是指一旦系統發生某種故障，可以保證設備運行，保證演出順利進行。為提高系統可靠性，舞臺機械控制系統采用了大量的冗余設計，包括電源系統冗余、服務器冗余、網絡冗余、中央軸控制器冗余、操作設備冗余和完善的備用系統。

圖5 車臺插拔導輪

圖6 控制系統結構

圖7 電源系統冗余

圖8 服務器冗余

圖9 備用系統

（1）電源系統冗余

電源系統冗余見圖7。

（2）服務器冗余

控制系統采用三冗余服務器，服務器可進行自動切換，也可由用戶在控制臺上手動切換，將任意一個服務器作為主服務器。見圖8。

（3）網絡冗余

控制系統采用雙網結構，網絡A和網絡B互為冗余備份且定時自動進行切換。

（4）中央控制器冗余

中央控制器采集系統級關鍵信息，這些信息對舞臺機械設備的安全穩定運行至關重要，因此，對中央控制器采用了雙冗余的設計。

（5）備用系統

備用系統覆蓋的設計主要有升降臺、車載轉臺、單點吊機、吊桿、樂池升降臺等。見圖9。

4.5.3 控制系統的便捷與開放性

舞臺機械控制系統通過以下方面的軟硬件設計，保證了現場調試和操作人員在整個設備調試、裝臺彩排和演出使用過程中的方便性。

（1）控制臺可多點接入

大劇院內共分布10個接口箱，接口箱為控制臺提供電源和網絡；此外，劇場內還設有無線接入點，信號能覆蓋整個劇場，從而使無線控制臺可在劇場內任意位置使用，為設備調試和操作提供了更大的方便。

（2）控制設備更換

控制器插入固定架和更換均很簡便；更換后控制器自動配置，無需費時調整其地址和參數。變頻器通過端子排與外界連接，通過IC卡寫入程序，便于設備更換。

5 結束語

昆山大劇院舞臺機械工程的幾點創新設計，以解決或完善現代化機械舞臺布局不合理、功能不足等實際問題為出發點，實現以人為本、節能環保的科學設計理念。傳統品字形舞臺的工藝設計已近成熟，但是圍繞著舞臺表演藝術的需求，各種多媒體效果和移動功能的相互交融，使得舞臺機械呈現出以下多方向發展趨勢：一是人機結合越來越緊密，要求設備系統可靠性極高；二是復雜多領域的功能需求，要求大規模系統優化集成；三是實現打破傳統的舞臺效果，要求舞臺機械應具備演出的核心支撐能力。因此，未來的機械化舞臺將更加安全、更加環保、更加多樣、更加開放。