舞臺裝置結構設計方法及力學分析探究
——以《基督山伯爵》舞臺裝置結構設計為例

常建軍

（國家大劇院，北京 100031）

Research on the Structure Design Method and Mechanical Analysis of Stage Set-Taking the Structural Design of Stage Set of as an ExampleThe Count of Monte Cristo

CHANG Jian-jun

(National Center for the Performing Arts,Beijing 100031,China)

【Abstract】This article introduces the present situation of the development of stage set at home and abroad,and in view of the lack of the feasibility study of stage set and the diversified requirements of the development of stage set at home,and combining theoretical knowledge with the summary of practical projects,expounds the structural design method and mechanical calculation content of stage set,and takes the actual repertoire ofThe Count of Monte Cristoas an example to express the specific structural design process,which provides reference to the industryis.

【Key Words】stage set;stage design effect;structural design;limit state;mechanical calculation;standardization

1 前言

舞臺裝置作為演出表演藝術形式的重要組成部分，為舞臺美術提供足夠的物質條件和技術支持。舞臺裝置最早于公元前6世紀出現在歐洲劇場，結構表現形式單一。文藝復興之后，科技的發展極大地推動了舞臺行業發展，舞臺裝置設計成為一門專業。為滿足舞臺空間和時間綜合表現，不僅要把控審美特征，更要注重科學技術的設計?，F階段，國外舞臺裝置的設計制作工藝水平較高，在專業性和規范性方面，有很多值得借鑒之處，國外舞臺裝置如圖1所示。中國舞臺藝術將西方戲劇表現形式和中國傳統文化中戲曲元素統一結合，起步較晚，基礎工藝、材料和設計理念相對滯后，國內尚無專業標準和規范，屬于非標形式。

目前，由于我國大多數舞臺工作人員畢業于藝術院校藝術專業，在紛繁復雜的舞臺創作中，工作以把握大致外部尺寸和整體效果為主，缺乏對舞臺裝置技術分析和使用過程的可行性研究，技術層面存在的問題和不利因素很容易被忽視，導致在舞臺裝拆臺和演出中存在較多的安全隱患。另一方面，舞美行業被現代化科學技術所武裝，歌劇、話劇、傳統戲劇、音樂劇、舞劇、演唱會等演出形式豐富，舞臺裝置結構的多樣性提升了舞臺演出的表現力；同時，舞臺布局調整和舞美設計對舞臺裝置結構要求越來越高，劇目設計生產制作中，裝置結構存在結構異型、樣式復雜多變、跨度大、水平或者豎向不均勻等問題。國家大劇院自制劇目異形樓梯裝置圖如圖2所示。

圖2 歌劇《羅密歐與朱麗葉》異型環形樓梯裝置劇照

因此，在保障技術安全合理的基礎上，逐步實現專業化、規范化、精細化以及融合創新集成，才能將藝術與技術更好的結合，也有利于推動整個舞臺行業的良性發展。針對劇場和舞臺環境下舞美設計特點，筆者結合實際項目中存在的問題，對舞臺裝置結構設計中諸多細節及力學分析要點進行思考和總結。

2 舞臺裝置結構設計特點

舞臺裝置在特定的有限空間里表達，因功能和使用環境的不同，與一般建筑物和構筑物相比，舞臺對裝置結構的要求有其特殊性。方案設計階段分析方案可行性，既要結合劇場現有技術條件，又要根據實際舞臺呈現效果對裝置結構整體把握；加工制作階段，要考慮結構與效果肌理銜接、安裝運輸靈活性；裝拆臺演出期間，保證舞臺裝置運行流暢、保障劇場和演職人員安全。

由于建筑和機械結構設計已有完備的規范和標準，建筑和機械技術在舞臺裝置中被廣泛應用，但設計中沒有統一的思路，參數和指標混用，舞臺裝置結構設計或冗余、或不足，存在很多問題。因此，需要制定一套完整的舞臺裝置結構設計規范，彌補舞臺技術工作的不足，為舞臺技術工作提供參考和依據。

3 舞臺裝置結構設計方法

3.1 基本規定

舞臺裝置的結構設計是以室內及室外舞臺搭建結構為研究對象的結構可靠性設計，保證結構在運輸、裝配和演出使用過程中，達到強度、剛度和穩定性條件，包括對擬建結構的力學分析研究和對既有結構的安全評定，為滿足舞臺美術整體效果和實現裝置功能提供必要技術支持，以安全可靠、質量保證、效果實現、經濟合理、技術先進為目標。舞臺裝置結構設計包含三個階段：

（1）前期方案階段，涉及材料選擇、結構方案選型、零件拆分和裝配原則；

（2）中期計算分析階段，構件布置和截面選取、材料定型、荷載種類大小和布置方式、邊界約束形式、荷載組合和效應計算、結構極限狀態分析；

（3）后期構造設計階段，構件和零件連接、節點構造措施、制作拆分安裝和防火防腐處理要求。

3.2 結構分析及參數

舞臺裝置結構使用年限受安裝位置和使用頻次影響，室外大型游樂場和演出頻次較多的劇目，按照25年設計使用年限；小型游樂場和較少頻次演出劇目的結構構件易于替換，按照10年設計使用年限；臨時性演出和極少頻次演出劇目，按照5年設計使用年限。根據舞臺裝置設計使用年限的具體要求，結合《木結構設計標準》《鋼結構設計標準》，以及實際舞臺裝置結構積累的經驗，對其采取相對應的安全等級，以滿足計算和構造的合理設計。評定設計使用年限為25年的裝置結構，其安全等級采用一級，結構重要性系數為1.0；評定設計使用年限為10年的裝置結構，其安全等級采用二級，結構重要性系數為0.95；評定設計使用年限為5年的裝置結構，其安全等級采用三級，結構重要性系數為0.9。結構中次要受力構件或不直接承受荷載構件，可降低安全等級。

舞臺裝置結構體系水平和豎向傳力途徑直接，強度、剛度、整體和局部穩定性滿足要求，結構約束邊界條件冗余，避免采用無破壞預兆的結構體系，與主體結構連接的表面肌理形象宜采用輕質材料。依據實現的效果功能、優化的自重和經濟情況，采用不同結構體系，有框架、支撐框架、空腹桁架和實腹桁架類型。舞臺結構形式復雜多樣，有平臺、塔樓、橋跨、懸臂、臺階、車臺和吊裝升降結構。

舞臺裝置結構的計算模型節點和邊界約束復雜，很難與實際完全相符，一般框架連接采用剛接，桁架連接采用鉸接形式，也可采用剛度折減方式介于兩者之間。通常情況下，舞臺裝置結構與地面無連接或只有輕微拉結，支座的邊界約束條件采用只受壓、不受拉形式。依據不同使用功能，舞臺裝置建立多種荷載工況，荷載工況下對多種荷載進行組合，承受荷載分為兩類：

（1）永久荷載，又稱恒荷載，包括主要受力結構的構件自重，由木材、鋼材和鋁材等受力材料構成，通過附加結構豎直向下自重加速度g來施加；表面附著肌理重量，由苯板、玻璃鋼、木板、有機合成材料等裝飾材料構成，通過面荷載導荷到結構或者均勻折算為節點荷載方式施加，常用材料特性如表1所示。

表1 常用材料特性

（2）可變荷載，又稱活荷載，包括面板上部道具和演員引起的荷載，根據實際道具體量和演員數量綜合判定，通常取值范圍1 kN/m2～2 kN/m2；安裝和檢修階段造成的施工階段荷載，根據實際需要的安裝工人數量確定；室外舞臺或游樂場裝置結構與地面沒有有效連接，風荷載對結構影響不能忽視，具體根據當地天氣情況和場地因素確定；由于舞臺裝置水平移動和垂直升降切換布景，由慣性力產生的附加加速度荷載，通過附加豎向和水平折算加速度或放大自重方式施加；活荷載還應該考慮實際使用中產生的不利布置。

舞臺裝置結構設計運用分項系數表達式方法，分別對裝置結構的兩種極限狀態進行計算和分析，其一是承載能力極限狀態設計，其表達式和取值參閱GB 50068-2018：8.2，包括結構和連接的強度、結構和構件穩定性、結構整體傾覆，荷載效應組合方式按照基本組合；其二是正常使用極限狀態設計，其表達式和取值參閱GB 50068-2018：8.3，包括裝置結構構件的剛度和變形、影響舒適度的結構自振周期和豎向振動加速度，荷載效應組合方式按照標準組合。升降結構考慮加速度影響，對吊裝構件應乘以1.05-1.1的動力系數。

對結構構件豎向變形和舒適度規定，懸掛起重設備桁架和梁允許撓度限值為L/400，主體結構允許撓度限值為L/250，次梁和板允許撓度限值為L/150。結構豎向自振頻率不應低于3 Hz，豎向加速度峰值不得超過和0.5 m/s2。對結構構件水平變形和舒適度規定，風荷載和水平慣性力作用下，水平位移限值h/250，橫向和扭動自振頻率不得低于2.5 Hz。為避免裝置構件由失穩引起破壞，各種結構中構件需滿足長細比限值，如表2所示。

表2 構件允許長細比

舞臺裝置結構靜力分析采用一階線彈性分析，依靠材料力學和結構力學知識，求解構件和結構的內力和位移。動力分析采用附加加速度和分項系數方式，運用模態分析得到結構自振周期。通過計算機軟件，運用有限元分析方法，能更快了解裝置結構力學特性，對結構方案進行比較優化設計，常用力學分析軟件有SAP2000、MIDAS、ABAQUS等。

3.3 吊具鋼絲繩及安裝

鋼絲繩技術條件，包括公稱直徑、繩類別、表面狀態、鋼絲繩級別、參考重量和破斷拉力。鋼絲繩類型有單層鋼絲繩、異型股鋼絲繩、阻旋轉鋼絲繩、單股鋼絲繩等。舞臺裝置吊裝中，常用單股鋼絲繩參數可以按照GB/T 20118-2017中表A.29選用。鋼絲繩為防止磨損和腐蝕，一種方法是采用鍍鋅、鋁、尼龍或塑料在鋼絲繩外面，鍍層級別有B級、AB級和A級，對鋼絲繩起到保護作用；另一種方法是采用內層纖維浸油、外層潤滑油脂方式，對防銹起到很大作用。鋼絲繩使用過程中，滑輪的直徑和相對位置影響其使用壽命，滑輪組和卷揚機滾筒的最大直徑與鋼絲繩的直徑比值應大于40，盡可能將鋼絲繩的彎曲半徑調大，減少鋼絲繩與滑輪接觸面積，嚴禁鋼絲繩反向扭轉和纏繞，以緩解鋼絲繩在使用過程中產生的應力損失。

鋼絲繩夾扣的安裝和布置方式如圖3所示，繩夾的具體布置數量按照GB/T 5976-2006中A.2的要求。夾扣的螺絲擰緊至彎回鋼絲繩被壓扁1/3為宜，為保險起見，可以在鋼絲繩末端設置安全彎，通過觀察安全彎滑移情況，判斷鋼絲繩使用是否安全。鋼絲繩的夾扣安裝順序如圖4所示，參閱《劇場懸吊手冊》。

圖3 鋼絲繩夾扣安裝距離

圖4 鋼絲繩安裝順序及最大強度使用方法

3.4 車臺腳輪及安裝

為滿足演出場景變換和遷移，舞臺裝置下部會安裝腳輪，根據演出使用環境、舞臺面接觸材料、舞臺面載荷能力、舞臺裝置結構形式和表面肌理類型，選擇不同性能的腳輪，舞臺常用定向輪（單/雙向剎）、萬向輪（單/雙向剎）和多自由度三角萬向輪等形式。腳輪按照安裝方式，分為平板型、螺桿型、插銷型和孔頂型；按照材料不同，主要分為熱塑聚氨酯、聚丙烯、尼龍、熱塑橡膠、聚氯乙烯。腳輪規格如表3所示，重型可采用輕型和中型組合三角形式替換，參閱CB/T 14687-2011。為配合腳輪使用，還有腳輪升降器和地剎器。

表3 腳輪規格

3.5 制作和維護

構件避免刻傷，切割部位應該整齊準確、構件上面的鐵銹和灰塵清除干凈，焊接后清除毛刺，保證焊接區光滑。連接鉆孔保證無毛刺、損傷、凹凸不平痕跡。包裝時，保證涂層完好。構件在運輸、堆放、安裝中，不變形、不損壞、不丟失。安裝過程中，保證節點對正、中心線對齊、搭接對接定位準確。對構件進行防銹、防腐和防火涂層處理。舞臺裝置結構防腐和防火處理，能有效增加耐久性，對結構的維護和檢修至關重要。對于存儲期間木結構裝置，應采取有效的防水、防潮措施，保證能在多次拆裝臺中正常工作。室外放置時，避免直接與土壤接觸和日光暴曬。

4 舞臺裝置力學計算

4.1 構件力學分析

構件力學計算如表4所示。

表4 構件力學計算

4.2 變形和舒適度力學分析

4.2.1 撓度

常見荷載和邊界條件下，構件最大撓度值計算公式如表5所示，摘自《建筑結構靜力計算手冊》（第二版），中國建筑工業出版社。

表5 構件最大撓度值

4.2.2 豎向加速度

利用有限元分析軟件模態計算模塊，得到結構自振頻率，當頻率滿足相關規定要求，可不進行豎向加速度分析。

結構面板加速計算式中，ap/g為估算峰值加速度；P0為人員行走恒定力，一般取值為0.42 kN；f0為固有頻率，通過模態分析求解；β為模態阻尼比，通常取值范圍為0.01～0.02；W為面板有效質量。

4.3 構件和零件連接力學分析

構件和零件連接力學計算如表6所示。

表6 構件和零件連接力學計算

4.4 整體力學分析

4.4.1 結構抗傾覆穩定性驗算

舞臺裝置在使用中，由于演員水平移動或者切換裝置過程中產生水平慣性力作用，裝置有傾覆的危險，需驗算結構整體抗傾覆能力。

式中，Mr為抗傾覆力矩；Mo為傾覆力矩；G為恒載作用下等效重力；a為等效重力作用點與傾覆點之間垂直距離；F為所產生水平慣性力大小；b為水平慣性力與傾覆點之間的垂直距離。

4.4.2 結構抗滑移穩定性驗算

舞臺裝置在使用中，由于演員水平移動或者外恒載產生水平慣性力作用，裝置有滑移的危險，需驗算結構整體抗滑移能力。

式中，Fr為抗滑移力；Fm為滑移力；G為恒載作用下等效重力；F為所產生水平慣性力大小；α為結構底面與舞臺面夾角；μ為結構底面與舞臺面摩擦系數。

4.5 吊裝鋼絲繩力學計算

吊裝鋼絲繩參數確定通常采用安全系數法，吊裝重量采用荷載標準值?？紤]裝置不均勻受力，當吊點數量大于3個時，應按3個進行計算，鋼絲繩與水平夾角α應大于30°。實際安裝中，與U型吊環、柔性或扁平吊帶、收緊器及索具等標準載荷件配套使用。

式中，P為吊裝重量；K為安全系數，參閱《機電工程》索吊具及牽引裝置選用原則，如表7所示；K1為動力系數；n為吊點數量；α為鋼絲繩與水平夾角；φ為鋼絲繩捻制折減系數；Sb為鋼絲繩最小破斷拉力。

表7 鋼絲繩使用安全系數

4.6 車臺腳輪力學計算

舞臺裝置腳輪的數量和位置，由舞臺裝置下部車臺結構形式、舞臺演出實現功能、上部荷載類型大小及確保裝拆臺每個裝置結構單元移動等因素決定。計算承載重量以正常使用極限狀態下標準組合為依據，為保證車臺受力穩定，每個單獨車臺最多計算3個支座反力，依據計算所得的單個腳輪承載重量選取合適腳輪。

式中，T為單輪或腳輪所需承載重量；E為舞臺裝置結構自重；Z為恒載和活載總重量；M為所用單輪或腳輪數量；N為安全系數（1.3～1.5）。

5 話劇《基督山伯爵》舞臺裝置結構設計與力學分析

話劇《基督山伯爵》演出中，舞臺裝置盒子多次使用且存在安全隱患，為滿足舞美效果要求，對結構設計和制作水平要求較高，需要重點研究。根據舞美設計要求，該裝置在演出中的兩種使用方式如圖5和圖6所示。該裝置尺寸和體量較大，整體重量如果依靠劇場吊桿完成升降和翻轉，會超過劇場吊桿載荷能力，造成吊桿偏心受力，故改用安裝電動卷揚機完成要求。

圖5 話劇《基督山伯爵》一幕舞臺效果

圖6 話劇《基督山伯爵》二幕舞臺效果

演出中，活荷載較小，對結構強度要求不高。同時，為減小吊裝鋼絲繩直徑和卷揚機造價，該結構的材料采用鋁合金，結構形式為桁架梁柱體系，零件拆分避開受力較大的截面，且滿足儲運要求。構件布置考慮與上部形象尺寸銜接、板面受力最小尺寸以及桿件傳力途徑。截面選取和材料定型依據荷載種類和布置，滿足極限狀態設計要求，具體設計內容如表8所示。

表8 計算分析過程

6 結語

面對層出不窮的演出形式和舞臺新技術的引進，舞臺技術工作者不僅要在實際項目中磨煉和積累經驗，更要加強理論學習，不斷完善知識體系。本文針對舞臺裝置結構特性，結合既有力學分析理論研究成果，對舞臺裝置的結構設計與力學研究制定技術分析方法，確保力學分析準確、結構安全可靠、制作安裝便捷、運輸儲運經濟。完善舞臺技術工作流程和要點，能夠逐步推動舞臺裝置技術規范化、專業化、系統化發展，同時為業內人士提供理論和技術支持。