舞臺機械設計工作概述

段慧文

（原國家大劇院業主委員會，北京 100031）

1 設計工作的特點

1.1 設計

設計是把計劃、規劃、設想通過視覺的形式傳達出來的活動過程。具體地說，設計是按照任務的目的和要求，通過計算并繪制圖樣的方式，把計劃、規劃、設想傳達為視覺信息的活動過程。

人類通過勞動改造世界，創造文明，創造物質財富和精神財富，而最主要的基礎創造活動是造物。設計便是對造物活動進行的預先計劃，可以把任何造物活動的計劃技術和計劃過程理解為設計。

伴隨工業革命和近代都市的出現，人類社會進入了標準化、機械化的大批量生產時代，也使設計從制造業中分離出來，成為一種獨立的職業。

設計師首先要理解市場和用戶的需要和期望，并了解設計業務、技術和行業上的規范和限制；然后將這些基本材料轉化為對產品的規劃，使得產品的形式、特質變得有用、好用，并在經濟和技術上可行。

隨著現代科技的發展和各種創新形態的產生，設計不再是專業設計師的專利，設計方式向更廣泛的用戶參與方式轉變，以用戶為中心成為設計的主要內容之一。

1.2 設計的演化

手工業時代的作坊主和工匠，既是設計者又是制作者，甚至還是銷售者和使用者。工業革命后，設計從制造業中獨立出來，經過再分工，形成造型與功能設計兩部分。設計在后來的發展中逐漸成為一門專門的學科。19世紀工業化時期，外型設計與功能設計相分離；20世紀時期，隨著專業化程度的提高，外部造型設計成為一門獨立的學科，內部功能設計方面，系統工學和計算工學誕生，設計方法、方法論以及理論日漸成熟；進入21世紀，信息系統工程大發展，使外部造型設計與內部功能設計相結合，設計朝多元化方向發展，同時，人性化甚至生命化的設計也普遍出現。

1.3 機械設計

機械設計，是根據使用要求，對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算，并將其轉化為具體的圖形描述，以作為制造依據的工作過程。

機械設計是機械工程的重要組成部分，是決定機械性能的最主要的因素，是由理念到轉化成實物進行機械生產的第一步。機械設計的目標，是將各種限定條件（如材料、加工能力、理論知識和計算手段等）進行優化，設計出最好的機械。優化設計需要綜合考慮許多條件，如：工作性能最好、制造成本最低、尺寸和重量最小、使用最可靠、消耗最低和環境污染最少，以使結果優秀。這些要求的相對重要性因機械種類和用途的不同而異，而且常是互相矛盾的。設計者的任務是根據具體情況權衡輕重，統籌兼顧，使設計的機械具有最優的綜合技術經濟性能。過去，隨著機械工程基礎理論和價值工程、系統分析等新學科的發展，制造和使用的技術經濟數據資料的積累，以及計算機的推廣應用，優化設計逐漸由依靠設計者的知識、經驗和遠見等主觀判斷向依靠科學的分析、計算轉變。

服務于不同產業的機械，要求不同的功能和特性。各產業機械的設計，特別是整體和系統的機械設計，必須依附于各有關的產業技術而難于形成獨立的學科。因此，在機械學科方面，出現了礦山機械、冶金機械、紡織機械、加工機械、起重運輸機械、舞臺機械等專業性的機械分支學科。但是，這許多分支機械的設計，在技術上又有許多共性，特別是基礎學科方面是共通的。如：理論力學、材料力學、結構力學、振動力學、彈性力學、摩擦學、機構學（機構分析和綜合）、力與能的傳遞（分析和計算）、機械零件、機械原理、工程材料學、傳動及控制、液壓與氣動、加工與制造、潤滑、密封、維修，以及標準化、可靠性等。另外，設計方法學研究設計工作的內在規律，如設計的合理步驟和方法。

機械設計所用的共性基礎知識、各機械分支的專業性要求與設計方法學的結合，就成為獨立的專業機械設計學科。

1.4 設計工作是復雜的智力活動

（1）設計是一個動態過程

概念或方案是瞬間形成和發展的，前一瞬間的方案可能在稍后即被改變、排除或代替，即便是極簡單的目標，它的確定也是動態的。

因此，采用鉛筆繪制草圖是最簡單的方法之一。

機械設計要考慮的問題多來自功能、安全、壽命、預算、制造、安裝、使用及維修等方面，零件設計、部件設計、設備整體設計均如此。

以兩個零件連接為例：是螺栓連接還是焊接連接？如果確定了用螺栓連接，螺栓的材質和尺寸大小？使用螺母的類型？結構上有沒有足夠的扳手空間？裸露的螺栓頭會不會刮擦演出服裝？螺栓在運輸、儲存和使用期間會不會生銹？安裝時需不需要使用扭力扳手？安裝鉗工會不會使用扭力扳手？螺栓連接時采用何種防松措施？螺栓損壞或失效后會產生何種后果？……這類問題層出不窮。

再如：一個用角鋼焊接的三維結構，究竟用何種方法拼接才是最佳方案？答案是多樣的，也需要設計者綜合各種因素、運用自己的學識和經驗決定做出取舍。

（2）設計是個反復的過程

沒有一條固定的道路可供設計工作自始至終地遵循。一般的情況是通過三個基本步驟，經過曲折和反復來完成整個設計工作。

a.建立一個概念：在衡量了所需設計機械的性質、結構、完成任務和必須解決的問題后，設計師形成了一個概念，建立了一個可行的方案，策劃了一個可以解決已知的問題或要完成任務的機械部件，畫出一個簡明清晰的草圖。

b.分析已經建立的方案：分析結構及其功能、運用公式、草圖甚至模型，決定其尺寸、重量、造價以及其他感興趣的問題，重點是方案的可行性及完成確定任務的有效性。

c.評價：側重于這個設計是否滿足了需求 ？其功能是否都是必須？是否造價太高而難以實施？是否尺寸太大而運輸困難？與其他方案相比的優缺點是什么？需不需要優化，如何改進？

這樣不斷提高、不斷重復此過程，以決定采用現有的設計或開始新一輪的反復。

（3）設計是可變的、柔性的

數學問題往往只有一個答案是正確的（這里指精確數學，現代出現的模糊數學另論），而為解決一個具體任務、 完成某項功能的設計，可以有多個可供選擇的方案，有多個可以接受的結論。設計過程不會只抱著惟一的解決方案，要不斷地提出疑問和問題。對設計者來說，有時眾多的“為什么”雖然不會改變所作的結論，但至少可開拓新的視野。

（4）設計既是發散的又是匯聚的

完成一個功能、實現一個目的，導致多種解決方案的出現。一個問題，引出多個結論，其中至少有一個適合完成預定任務，是好的或較好的結論。

例如：一個具體側車臺的設計就其傳動形式來說就有卷揚、齒形帶、套筒鏈、剛性鏈、齒輪齒條、液壓、氣動等，方案是多種多樣（發散）的；經過分析和評價，確定采用剛性鏈條傳動（匯聚）；經過進一步的探討，將鏈條的結構、節距、材質、鏈輪的結構、材質等進行分析（發散），最終確定本設計采用標準節距、調質鋼鏈條制作的Chainlift60剛性鏈條傳動（匯聚）。

（5）設計工作是一項嚴謹的工作

由于舞臺機械的地位、工作環境、工作對象等條件，決定了舞臺機械設計者必須保證機械在使用周期內的安全，這是第一位的任務。舞臺機械的載荷較大、速度較快、演員要在機械負載運動或靜止的條件下，在黑暗的環境中長期活動，毋庸置疑，安全是第一要務。設計者必須分析每個零件、部件及其他構件可能的失效及失效后對整個系統的影響，設計者還必須跟蹤包括設計、加工制造、安裝調試、驗收使用在內的全過程，以便總結經驗提高水平。

設計的優劣通常由設計者的基本素質決定。第一是設計者的知識結構，他所掌握的數學、物理、機電、液壓、氣動、結構、管理、繪圖、軟件等知識是進行設計工作的基礎；第二是設計者了解到的信息，信息可以從教科書、參考書、樣本、雜志、專利、標準、已有設備、網絡等渠道獲得；第三是經驗，設計者積累的有關材料、加工設備、加工工藝、設備的工作環境、設備的工作程序、已有設備存在的問題、使用單位提出過的改進設想等方面的具體經驗，都是設計不可或缺的素材；第四是想象力，這是個非常活躍的因素，具備了上述三項基本素質，想象力可能成為決定設計優劣的關鍵因素。設計者把自己的聰明才智轉化為以“出主意”、“想點子”為代表的創造力和解決實際問題的能力。

1.5 舞臺機械設計的種類

和其他機械設計一樣，舞臺機械設計可分為新型設計、繼承設計和變型設計三類。

（1）新型設計：應用成熟的技術和（或）經過實驗證明是可行的新技術，設計過去沒有的新型舞臺機械。

（2）繼承設計：以提高性能、降低制造成本或減少運用費用為目的，根據長期使用經驗和技術的發展，對已有的舞臺機械進行整體或部分重新設計。

（3）變型設計：為滿足新的需求對已有的舞臺機械作部分修改而發展出不同于原來機械（產品變型）的設計。

1.6 設計的主要階段

（1）計劃階段：根據用戶要求、市場或科研需要制定設計任務，設計工作進入計劃階段。此時， 應對所設計的設備做充分的調查、分析和研究，明確設備所應具有的功能及工作環境、加工、運輸、安裝、經濟、工期等各方面的約束條件，然后形成設計任務書。設計任務書應包括：設備的功能、經濟性、環保性、制造要求、使用要求以及完成設計任務的計劃時限等。

（2）初步設計（方案設計）：主要工作是進行功能分析、確定功能參數和實施方案，確定機械的工作原理和基本結構，對原動機、傳動部分及執行機構進行詳細論證，繪制設備總體方案圖和重要部件方案圖，并提交審查。方案設計，要處理好借鑒與創新的關系。借鑒同類機器成功的經驗，薄弱環節及不符合現有任務要求的應當改進創新。方案設計對整體設計的成敗起關鍵作用。其過程充分地表現出設計工作多方案的特點。要從技術、經濟及環保等方面對方案進行綜合評價。

（3）技術設計：根據初步設計審查意見進行設計修改，繪制更詳細的設備總圖草圖和主要部件草圖（有時要繪制復雜的關鍵零件圖）以及修改后的計算書供審查。技術設計的主要工作有：

a.根據設備的結構方案，確定原動件的參數（功率、轉速、線速度等）并做運動學計算，從而確定各運動件的運動參數（轉速、速度、加速度等）。

b.根據各部分的結構及運動參數進行機器的動力學計算，確定主要零件載荷的大小及特性。由于尚未進行零件設計，此時的載荷只是作用于零件的公稱載荷。

c.根據零件公稱載荷的大小和特性進行零件的工作能力設計。一般按強度、剛度、穩定性、壽命等設計準則，通過計算或類比，決定零、部件的基本尺寸。

d.根據已定出的主要零、部件的基本尺寸，繪制部件裝配草圖及總裝配草圖。對所有零件的外形及尺寸進行結構優化，認真地考慮零、部件的結構工藝性，使全部零件有最合理的構形。

e.主要零件的精確校核。對一些重要的或外形及受力情況復雜的零件進行精確的校核計算并根據計算結果，修改零件的結構及尺寸。

f.確定機器設備的潤滑、備用等重要輔助系統具體方案。

（4）施工圖設計：根據技術設計審查意見繪制全部工作圖，如零件圖、部件裝配圖和總裝配圖等。零件工作圖的繪制，要充分考慮零件的加工和裝配工藝性、加工過程中和加工完成后的檢驗要求和實施方法等。要按最終零件工作圖的結構及尺寸，重新繪制部件裝配圖及總裝配圖。

施工圖設計的一個重要內容是制定技術文件，如設計說明書（應包括方案選擇及技術設計的全部結論性的內容）、使用和操作維修說明書（應包括機器的性能參數、操作方法、日常保養及簡單的維修方法、備品備件目錄等）、標準件明細表、材料表、易損件清單等。

對于某些比較簡單的機械設計可省去初步（方案）設計階段。

1.7 設計準則和方法

機器的成敗基本上取決于設計質量。制造對機器的作用，本質上在于實現設計時所規定的質量。因此，機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵。遵循一定的設計準則和方法，是保證設計質量的前提。

設計準則是設計應該滿足的約束條件。

（1）技術性能準則

技術性能準則是指相關設備的技術性能必須達到規定的要求。技術性能既指靜態性能，也指動態性能。例如，機械能傳遞的功率、效率、壽命、強度、剛度、抗摩擦、磨損性能、振動穩定性、熱特性等。

（2）標準化準則

標準化準則就是在設計的全過程中的所有行為，都要滿足上述標準化的要求。如概念標準化（名詞術語、符號、計量單位等應符合標準）、 實物形態標準化（零部件、原材料、設備及能源等）、方法標準化（操作方法、測量方法、試驗方法等）等。執行已發布的與機械零件設計有關的標準是設計者的基本義務。

當前，有關舞臺機械的標準有：

WH/T35-2009《演出場館設備技術術語 舞臺機械》；

WH/T28-2007《舞臺機械 臺上設備安全》；

WH/T36-2009《舞臺機械 臺下設備安全要求》；

WH/T27-2007《舞臺機械 設備驗收檢測程序》；

WH/T37-2009《舞臺機械 操作與維修導則》。

此外，還有一些單項設備標準。

（3）可靠性準則

可靠性準則就是指設計的產品、部件或零件應能滿足規定的可靠性（在規定的使用條件下，在預期的壽命內能完成規定功能的概率）要求。

（4）安全性準則

機器的安全性準則是指機器保證在規定的使用條件下對人員和環境不造成危害的要求。

（5）設計方法

設計方法是將設計思維上升為理性，從而使設計工作能按一定的邏輯進行，使設計人員做出好的設計。大致包括以下內容：

a.將設計的階段細分，每一階段都成為有章可循和有理可據的活動。

b.建立設計資料庫，儲存成功的設計以供設計參考、采用。

c.用價值工程的概念和方法，對設計中的矛盾進行功能與成本分析，獲得好的效果。

d.將摩擦學、振動學、斷裂力學、有限元法、可靠性設計、優化設計、系統工程、人類工程學等新興學科知識應用于設計工作，提高科學性，減少盲目性。

e.將用戶參與設計工作納入設計過程，從市場預測到售后服務都要傾聽用戶的意見。

f.應用計算機輔助設計技術和各種計算軟件，提高設計速度和設計質量。

2 舞臺機械設計要點

2.1 概述

由于舞臺機械在劇場演出中的特殊地位（工作場所是文化和社交活動的劇場；工作對象是與人密切相關的景與物，或就是人本身；工作特點是其他機械所不具備的節奏性；工作性質是在演出中不允許因故障而中斷運動，且要維持劇目的多場或長期演出；工作環境往往非常黑暗、經常有不熟悉舞臺機械的人員接觸等），使得在使用中發生危險或存在危險傾向。舞臺機械的安全必須從設計開始（并主要由設計來保證），一直貫穿到制造、安裝調試、使用和維修保養。在舞臺機械的整個壽命周期內，安全始終是第一位的。

保障安全是舞臺機械設計者的責任，設計者應對自己的設計擔負道義和法律上的責任，必須多方努力，確保設備運行安全，不會因機械故障對演出產生影響，更不會因機械失效對人員造成傷害。

在設計階段，除非設計者對設備的需求、負載、受力等要素有了充分的了解，否則不能開始實質性的設計工作。簡單地用加大設備零、部件的方法來適應各種功能需要的辦法是不可取的，要對各種因素進行分析，在分析的基礎上得出合理的結論，選擇合適的零、部件。

2.2 風險評價

從整體上說，舞臺機械設計和其他機械設計一樣需要進行風險評價。由于舞臺機械行業是一個歷史悠久的行業，大多數設備都有多年使用的經驗，設計者對使用中存在的風險比較了解，因此，這一程序常常被忽略；但對于新開發的設備品種，特別是非常規劇場中的新、奇、特和技術參數要求特別高的設備，應當進行風險評價。風險評價的主要內容包括：風險分析（機械限制的確定即機械壽命各階段、機械的預定合理使用、可預見的使用范圍和限制、可預見的使用者預期訓練和能力等；危險識別即機械危險、電氣危險、熱危險、輻射產生的危險、振動和噪聲產生的危險、機械加工產生的危險、設計中忽略人類工效學產生的危險等；在此基礎上進行風險評估）和風險評定，以確定是否需要減小風險或是否達到了安全。有關風險評價的具體規定應按照GB/T16865《機械安全 風險評價的原則》進行。

2.3 規避風險的措施

（1）從設計上避免危險，包括：設置必要的和一定數量的安全功能和安全設施；機械和電氣控制設置應急和備用系統；控制系統中設人工干預、運行程序修改、緊急停機、防止自行啟動等子系統；遵循人類工效學的原則減小操作者的緊張和體力消耗等。

（2）設置必要的安全防護裝置。

（3）設置必要的使用信息，將遺留的安全問題用視覺、聽覺、標志符號等給用戶提示和警告。