矩陣式自控機(jī)械升降舞臺(tái)的方案解析

摘要：解析宛平劇場(chǎng)基于專業(yè)型戲曲劇場(chǎng)工藝特點(diǎn)和設(shè)備配置要求，采用矩陣式自控機(jī)械升降舞臺(tái)運(yùn)行模式、子母升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：舞臺(tái)機(jī)械;矩陣式升降臺(tái);子母升降臺(tái);共享活門;結(jié)構(gòu)干涉分析;結(jié)構(gòu)受力分析

0? ? 引言

戲曲是中國(guó)的傳統(tǒng)藝術(shù)，是中國(guó)文化瑰寶，需要傳承和發(fā)揚(yáng)。隨著現(xiàn)代文化的發(fā)展和科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的劇場(chǎng)搭載了智能舞臺(tái)或者自動(dòng)控制舞臺(tái)。而戲曲劇場(chǎng)舞臺(tái)工藝設(shè)計(jì)一直以來(lái)受傳統(tǒng)思想影響，舞臺(tái)形式比較簡(jiǎn)單且固定，某種程度上不利于戲曲藝術(shù)的革新和發(fā)展。上海宛平劇場(chǎng)作為專業(yè)戲曲藝術(shù)演藝場(chǎng)館，打破了原有思想的限制，大膽地嘗試了智能機(jī)械舞臺(tái)的應(yīng)用。宛平劇場(chǎng)由同濟(jì)建筑設(shè)計(jì)院總體設(shè)計(jì)，英國(guó)Theatre Projects Consultants公司負(fù)責(zé)舞臺(tái)工藝設(shè)計(jì)，無(wú)論是在劇場(chǎng)空間設(shè)計(jì)、舞臺(tái)設(shè)備配置上，還是在聲學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)上都做了深入細(xì)致的研究。因其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和劇場(chǎng)的獨(dú)特功能要求，舞臺(tái)機(jī)械的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，精度要求也更為苛刻。

1? ? 宛平劇場(chǎng)的工藝特點(diǎn)及設(shè)備配置

宛平劇場(chǎng)坐落于上海市徐匯區(qū)中山南二路和宛平南路口，地處上海核心城區(qū)，是一座兼具上海地域文化特質(zhì)和中國(guó)戲曲繁榮發(fā)展標(biāo)志的專業(yè)戲曲劇場(chǎng)，它承載著一代上海人的文化記憶。造型取意海派玉雕，外部體量簡(jiǎn)潔凝厚，內(nèi)部空間靈活多彩。立面取意中國(guó)折扇，線條挺拔、連續(xù)延展、曲面溫婉。

宛平劇場(chǎng)總用地面積6 472 m2，總建筑面積2.9萬(wàn)m2，其中，地上建筑面積為1.6萬(wàn)m2，地下建筑面積為1.3萬(wàn)m2。建筑高度24 m，局部的臺(tái)塔高度34.3 m。地上高度5層，地下3層（圖1）。

室內(nèi)延續(xù)扇形的設(shè)計(jì)風(fēng)格，在型與色上呈現(xiàn)中式特點(diǎn)（圖2）。戲曲大劇場(chǎng)馬蹄形觀眾廳，最大進(jìn)深27.17 m，最大寬度27.8 m，分為樓座和池座，可容納1 018名觀眾，其中池座座位771個(gè)，樓座座位225個(gè)，包廂座位22個(gè)。座椅造型汲取西方及日本的藝術(shù)設(shè)計(jì)理念，簡(jiǎn)潔精致，采用劇場(chǎng)專用座椅面料和泡棉，既滿足了戲曲演出的聲學(xué)要求，又為觀眾提供了舒適的觀演感受。

宛平劇場(chǎng)作為專業(yè)的戲曲表演場(chǎng)館，功能定位明確，舞臺(tái)設(shè)備配置豐富。臺(tái)口尺寸16 m（寬）×10 m（高），主舞臺(tái)寬27.8 m，進(jìn)深19.8 m;側(cè)舞臺(tái)寬8.0 m，進(jìn)深19.8 m;主舞臺(tái)臺(tái)塔凈高24.8 m。舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)配置包含臺(tái)上設(shè)備、臺(tái)下設(shè)備近200臺(tái)套。

臺(tái)上設(shè)備以65套均勻分布、高速運(yùn)行的電動(dòng)吊桿為主要承載設(shè)備，通過(guò)可移動(dòng)燈光渡橋的形式實(shí)現(xiàn)燈桿位置可變的功能。其他設(shè)備均為常規(guī)劇場(chǎng)的通用配置，并無(wú)特別可述之處。

本文著重講述臺(tái)下設(shè)備中機(jī)械升降舞臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行模式和功能體現(xiàn)，并重點(diǎn)分析和研究該升降舞臺(tái)系統(tǒng)的機(jī)械解決方案。

2? ? 矩陣式自控機(jī)械升降舞臺(tái)的布置形式及運(yùn)動(dòng)模式

2.1? ? 布置形式

機(jī)械升降舞臺(tái)在常規(guī)劇場(chǎng)的應(yīng)用較為廣泛，但在專業(yè)型戲曲劇場(chǎng)的應(yīng)用就較為少見(jiàn)了，而該項(xiàng)目采用的矩陣式自控機(jī)械升降舞臺(tái)則更為少見(jiàn)。中國(guó)傳統(tǒng)戲曲，尤其是一些武戲表演，對(duì)舞臺(tái)臺(tái)面的縫隙和平整度要求非常高，如果平整度不達(dá)標(biāo)會(huì)存在傷害演員的風(fēng)險(xiǎn)，這就限制了這類升降舞臺(tái)在戲曲劇場(chǎng)的應(yīng)用。

宛平劇場(chǎng)的矩陣式機(jī)械升降舞臺(tái)，由25塊3 m（寬）×3 m（進(jìn)深）的正方形臺(tái)面組成，呈5行和5列均布于主舞臺(tái)的核心表演區(qū)，如圖3所示。其中，有10套內(nèi)部還嵌裝了獨(dú)立升降的子升降臺(tái)，子臺(tái)面尺寸為1.8 m（寬）×1.5 m（進(jìn)深）。因此，機(jī)械升降舞臺(tái)分為A、B類。A類是單純的單層升降舞臺(tái)，升降行程為2.3 m，以1.000標(biāo)高為基準(zhǔn)，上升至3.000標(biāo)高，下降至0.700標(biāo)高（即相對(duì)于舞臺(tái)面上升2.0 m，下降0.3 m）。B類是內(nèi)部嵌裝子升降舞臺(tái)的子母升降舞臺(tái)，子升降舞臺(tái)的行程為3.5 m，以1.000標(biāo)高為基準(zhǔn)，下降至-2.500標(biāo)高，上升至最高位置即為1.000標(biāo)高;其他參數(shù)與A類相同。

每塊機(jī)械升降舞臺(tái)均由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成升降動(dòng)作，每套子升降舞臺(tái)也是由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成升降動(dòng)作。這樣的機(jī)械升降舞臺(tái)的分布模式，給整個(gè)舞臺(tái)面帶來(lái)了A類和B類臺(tái)縫共100條（圖4），而戲曲表演要求這些臺(tái)縫要非常小，在舞臺(tái)上面鋪上地膠和地毯后臺(tái)縫不能對(duì)演員表演產(chǎn)生任何影響。

2.2? ? 運(yùn)行模式

由于建筑結(jié)構(gòu)受限，機(jī)械升降舞臺(tái)基坑深度只能做到-4.0 m，因此，機(jī)械舞臺(tái)的升降行程受到極大的限制，無(wú)法按常規(guī)的機(jī)械舞臺(tái)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了盡量發(fā)揮機(jī)械升降舞臺(tái)對(duì)演出的作用，機(jī)械舞臺(tái)設(shè)計(jì)可通過(guò)子母升降舞臺(tái)接力的形式實(shí)現(xiàn)演員由臺(tái)倉(cāng)至舞臺(tái)以上的完整運(yùn)送，以達(dá)到豐富舞臺(tái)表演形式的效果。

升降舞臺(tái)的典型運(yùn)行模式如下：

（1）所有機(jī)械舞臺(tái)運(yùn)行至上限位，形成整體高臺(tái)模式，如圖5所示。

（2）機(jī)械舞臺(tái)成排編組，由前向后，每排高度遞增，形成臺(tái)階舞臺(tái)模式，如圖6所示。

（3）機(jī)械舞臺(tái)隨機(jī)編組升降，形成多點(diǎn)高臺(tái)模式，如圖7所示。

（4）所有機(jī)械舞臺(tái)上升至與周邊固定舞臺(tái)臺(tái)面平齊，形成大平臺(tái)模式，如圖8所示。

（5）所有機(jī)械舞臺(tái)處于下限位，低于周邊固定舞臺(tái)300 mm，可在此舞臺(tái)凹坑內(nèi)嵌裝拼裝式轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的周邊通過(guò)補(bǔ)平鋼架進(jìn)行補(bǔ)平，形成旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)模式，如圖9所示。

（6）拼裝式旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)嵌裝在機(jī)械舞臺(tái)后，所有機(jī)械舞臺(tái)同時(shí)升降至一定高度，形成高臺(tái)旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)模式，如圖10所示。

（7）機(jī)械舞臺(tái)處于大平臺(tái)模式時(shí)，子升降舞臺(tái)可單獨(dú)或任意編組由地下一層運(yùn)送演員或道具至舞臺(tái)表面，形成魔術(shù)舞臺(tái)模式，如圖11所示。

3? ? 矩陣式自控機(jī)械升降舞臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)分析

矩陣式自控機(jī)械升降舞臺(tái)，將舞臺(tái)分隔為多個(gè)模塊化的小升降臺(tái)，可任意編組運(yùn)行，極大地豐富了舞臺(tái)形式，為舞臺(tái)藝術(shù)創(chuàng)作提供了良好的想象空間和表現(xiàn)手法。然而，要能夠充分實(shí)現(xiàn)這樣的機(jī)械舞臺(tái)的使用功能，是非常困難的。由于機(jī)械舞臺(tái)數(shù)量多，自控邏輯關(guān)系復(fù)雜，互鎖、聯(lián)動(dòng)要求都非常高，25套升降母臺(tái)加上10套升降子臺(tái)，共計(jì)35套獨(dú)立運(yùn)行的機(jī)械，每套機(jī)械除本身應(yīng)具備的限位控制邏輯外，機(jī)械之間還存在著互鎖、聯(lián)動(dòng)、編組等邏輯關(guān)系。專業(yè)的戲曲表演，尤其是武戲類表演，要求舞臺(tái)表面垂直高差不大于2 mm（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為不得大于3 mm），臺(tái)縫不大于6 mm（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為不得大于12 mm），因此機(jī)械升降舞臺(tái)的垂直升降重復(fù)定位精度應(yīng)控制在±1 mm以內(nèi)，水平誤差應(yīng)控制在±3 mm以內(nèi)，這給舞臺(tái)機(jī)械技術(shù)專業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試等提出了巨大的挑戰(zhàn)。

從舞臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)角度分析，該機(jī)械升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有三點(diǎn)：其一，合理選擇機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保證升降臺(tái)的重復(fù)定位誤差可控;其二，合理設(shè)計(jì)子升降舞臺(tái)和母升降舞臺(tái)之間的機(jī)械邏輯關(guān)系，在淺基坑的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩套相對(duì)獨(dú)立的升降設(shè)備的連續(xù)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)演員的接力運(yùn)送;其三，機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝空間有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需充分分析各主要結(jié)構(gòu)受力工況，合理選擇安全系數(shù)，確保機(jī)械舞臺(tái)結(jié)構(gòu)受力和運(yùn)行安全。

4? ? 對(duì)應(yīng)的解決方案及結(jié)構(gòu)分析

4.1? ? 機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

經(jīng)空間和結(jié)構(gòu)分析，A類升降舞臺(tái)比較容易實(shí)現(xiàn)，功能性和可靠性也可保證;而B(niǎo)類升降舞臺(tái)較為復(fù)雜，涉及兩套獨(dú)立的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)嵌套關(guān)系，同時(shí)存在共用結(jié)構(gòu)部分的銜接關(guān)系。因此，筆者重點(diǎn)分析B類舞臺(tái)的解決方案及結(jié)構(gòu)。

B類舞臺(tái)主要由外框的母臺(tái)和嵌套在內(nèi)部的子臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，子臺(tái)和母臺(tái)的行程及速度均不相同。母臺(tái)作為外框結(jié)構(gòu)，與A類舞臺(tái)的結(jié)構(gòu)和功能基本相同，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力分配系統(tǒng)采用鏈輪鏈條，頂升機(jī)構(gòu)采用自導(dǎo)向齒輪齒條系統(tǒng)。這套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，安裝空間緊湊，傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，重復(fù)定位精度高等。子臺(tái)系統(tǒng)由于升降速度較快（0.5 m/s），因此，選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鋼絲繩卷?yè)P(yáng)的驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式不受結(jié)構(gòu)限制，驅(qū)動(dòng)單元可以安裝在執(zhí)行單元旁邊，通過(guò)滑輪或滑輪組等機(jī)構(gòu)改變動(dòng)力傳遞方向。另外，借助滑靴導(dǎo)軌的導(dǎo)向系統(tǒng)，確保整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

4.2? ? “共享活門”設(shè)計(jì)

B類舞臺(tái)除兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外，另一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是演員活門，演員活門并非特殊產(chǎn)品，在很多劇場(chǎng)里都有應(yīng)用，技術(shù)也相對(duì)成熟，但是由于結(jié)構(gòu)限制，常規(guī)的電動(dòng)演員活門做法很難應(yīng)用于該項(xiàng)目中。因?yàn)樵擁?xiàng)目的演員活門不僅僅起到“門”的作用，還是子臺(tái)和母臺(tái)之間接力運(yùn)送演員的銜接橋梁，它既要能夠隨子臺(tái)升降，還要能夠隨母臺(tái)升降。因此，該項(xiàng)目通過(guò)“共享活門”的方式實(shí)現(xiàn)這一功能，將子臺(tái)的舞臺(tái)臺(tái)板做成可分離的活動(dòng)臺(tái)板，當(dāng)子臺(tái)升高至上限位時(shí)，通過(guò)鎖定機(jī)構(gòu)將活動(dòng)臺(tái)板與母臺(tái)鎖定，活動(dòng)臺(tái)板即成為母臺(tái)臺(tái)面的一部分，隨母臺(tái)上升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)子臺(tái)與母臺(tái)運(yùn)送演員的接力功能。當(dāng)需要由舞臺(tái)面接送演員下來(lái)時(shí)，子臺(tái)固定臺(tái)板上升至上限位，使定位插銷插入“共享活門”的定位銷孔，并觸動(dòng)限位裝置，控制系統(tǒng)檢測(cè)到子臺(tái)固定臺(tái)板已達(dá)到銜接位置，并已與“共享活門”安全鎖定，控制系統(tǒng)發(fā)送指令至母臺(tái)的快鎖機(jī)構(gòu)，鎖舌收回至安全位置，此時(shí)子臺(tái)固定臺(tái)板帶動(dòng)“共享活門”一同下降，將演員運(yùn)送至臺(tái)倉(cāng)，如圖12所示。

“共享活門”的設(shè)計(jì)尺寸為1.8 m（寬）×1.5 m（進(jìn)深），鋼結(jié)構(gòu)作為主體，表面鋪設(shè)專用舞臺(tái)木質(zhì)地板。鋼結(jié)構(gòu)主體帶有鎖穴結(jié)構(gòu)，與安裝在母臺(tái)鋼架上的鎖舌結(jié)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)“共享活門”結(jié)構(gòu)的鎖定，快鎖機(jī)構(gòu)配有檢測(cè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，確保設(shè)備運(yùn)行安全，如圖12左上角放大圖所示。

4.3? ? 三維軟件輔助結(jié)構(gòu)干涉分析和結(jié)構(gòu)受力分析

由于安裝空間緊湊，設(shè)備零部件較多，某些尺寸關(guān)系在CAD的二維圖紙上較難體現(xiàn)，因此，通過(guò)三維軟件SolidWorks建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)干涉分析，如圖13、圖14所示，降低了因零部件干涉造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)對(duì)于臺(tái)面鋼架的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析，如圖15、圖16所示，模擬了設(shè)備的實(shí)際受力情況，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性和受力安全性。

由于該項(xiàng)目應(yīng)用要求的特殊性，為確保整套設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的合理性，特試裝了2套設(shè)備，如圖17所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，機(jī)械運(yùn)行的水平誤差在±2 mm以內(nèi)，垂直誤差在±1 mm以內(nèi)，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

矩陣式自控機(jī)械升降舞臺(tái)采用接力式子母升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)，突破了原有機(jī)械舞臺(tái)設(shè)計(jì)的固化思維，提出了一種針對(duì)淺基坑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大行程升降舞臺(tái)的機(jī)械解決方案，以其靈活的舞臺(tái)形式滿足現(xiàn)代戲曲舞臺(tái)藝術(shù)需求，為舞臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)提供了一種參考思路。

收稿日期：2020-04-26

作者簡(jiǎn)介：張術(shù)永（1982—），男，浙江杭州人，碩士，工程師，研究方向：舞臺(tái)機(jī)械。