昆山文化艺术中心大剧院舞台机械工程技术创新与应用

陈 威，王海林，张丽萍

（总装备部工程设计研究总院，北京 100028）

江苏昆山文化艺术中心由大剧院、多功能剧场和多厅电影院等组成，是一座集文化交流、会议、展览、休闲、娱乐等多项功能为一体的文化综合体建筑。作为大剧院技术与功能的核心部分，其舞台机械工程中解决了一些技术难题，体现了技术创新的特性。

1 舞台布局

大剧院采用品字形舞台和镜框式台口，由主舞台、侧舞台和后舞台组成；主舞台台口宽度18 m，高度12 m，台塔宽32 m，进深22.9 m，栅顶距舞台面31 m，舞台台仓深16 m；侧舞台各宽25.5 m，进深22.9 m，净高约14 m，侧台台仓深1 m；后舞台宽22.3 m，进深约24.2 m，净高约13 m，后台台仓深2.5 m。台口前乐池区域共约112 m2，其中乐池升降部分约98 m2。

2 设计思路与原则

（1）设备配置能满足各种大型歌剧、舞剧、交响音乐会和大型综合文艺演出的要求，同时兼顾其他类型的演出。做到工艺设计科学、技术性能优良、配置优化实用、运行安全可靠、维修操作方便、经济合理。

（2）充分考虑国内外演出交流需求，机械舞台功能与国内外已建成的各大型剧场的机械舞台功能相同或优于后者。通过技术手段、材料工艺实现关键设备功能的突破，丰富传统品字形舞台设备的特殊功能。

（3）机械与电气设备的核心关键设备均为高品质、高可靠性。

（4）系统集成以性价统筹、品质优先为原则。核心元器件的选择以品质为主，价格成本为辅。重点考虑行业口碑与专业背景，优中选优。所有设备均实现工厂试装配，传动机构试运行。

（5）控制系统采用人工智能化管理，同时也可进行人工干预，并备有完善的安全保护及应急措施；人机界面友好，显示功能直观，故障诊断功能完善，具有自动、手动两种控制功能。

3 设备配置

3.1 台下设备

大剧院舞台台下机械设备包括：乐池升降护栏、乐池升降台、主舞台升降台、侧辅助升降台、侧台车台、侧台车台补偿台、运景升降台、后车载转台、后舞台补偿台、演员升降小车、“两会”座椅车台、乐池座椅台车、卸货平台等，以及台下机械电气与控制系统。见图1、图2。

图1 台下设备布置

与以往剧场不同的是，大剧院配置了2台电动的“两会”用座椅车台，用于大型会议使用。每台座椅车台设有4个台阶，每个台阶宽2.25 m。使用时每台座椅车台放在三个双层主升降台上，不用时储存在后台下方的储存室。

图2 舞台立面布置

图3 台上设备布置

3.2 台上设备

大剧院舞台台上机械设备包括：台唇（台口外）单点吊机、台唇链式吊机、台唇吊杆、防火幕、台口吊杆、大幕机、假台口、侧布景吊杆、电动吊杆、灯光吊杆、二道幕机、灯光吊笼、主舞台单点吊机、天幕吊杆、舞台吊杆、声反射罩、侧台装景吊机、台上机械电气与控制系统。见图2、图3。

上空设备最具特点的是4道分段式灯光吊杆和12套灯光吊笼，实现舞台上空纵横两个方向布光可大幅度机动调整，充分满足主舞台区演出的灯光要求。三段灯杆可同步使用，也可分层或单独使用；灯光吊笼可上人操作，可沿舞台台深方向移动，也可垂直舞台面上下移动，根据需要悬挂灯具。

3.3 项目难题与对策

3.3.1 设备层栅顶上使用空间高度不足

项目组织方与总承包单位总装备部工程设计研究总院在实施过程中，与昆克剧院工程咨询（北京）有限公司和中国建筑设计研究院反复研究讨论，通过设备技术改良，优化钢结构，增大使用空间。大剧院屋顶钢结构原设计中大梁横向布置，跨度大，高度为1.8 m。经过对舞台机械受力分析，充分利用结构纵横向跨度不同的特点，将主梁改为纵向布置，跨度减小，高度为1.2 m，使栅顶净空提高了0.6 m。这样，既满足了屋顶强度和刚度要求，又满足了吊杆卷扬机钢丝绳排绳的高度要求。

3.3.2 优化台上设备工艺布局

原台上设备布置图中，每排（共4排）三道灯杆有两道短杆卷扬机布置在栅顶下层，而中间段杆体的卷扬机设置在栅顶，设备布置分散，不易维护与管理，布局零乱。经过卷扬机结构设计优化，把短灯杆卷扬机布置在栅顶两侧，实现了上空设备布置整齐划一，效果良好。台上设备的合理布局，通过与灯光、音响、消防等专业单位的共同努力，昆山文化艺术中心剧院成为全国剧场栅顶布局最整洁、合理的剧场之一。

3.3.3 运景升降台基坑深度不足

运景升降台由于行程过大，相对而言基坑深度不够，传动机构无法安装布置。经与中建院共同优化基坑层抗浮荷载分布，取消运景升降台范围内宽3 m、长18 m范围内的荷载，节省了0.45 m深的回填土，使基坑深度增加0.45 m，在此基础上将驱动设备位置重新布局，满足了该设备的功能要求，并解决了运景升降台四周均要求有升降栏杆的难题。

3.3.4 狭窄台面钢丝绳传动系统布局实现

乐池升降台前后分为两块，窄条状弧形结构使得升降台钢丝绳传动机构布置几乎不可能实现；如果不采用钢丝绳传动，升降台的速度、噪声控制等指标难以实现。通过采用钢丝绳折线设计、增设倾斜导向轮、调整升降台中心等手段，最终实现了钢丝绳高速、低噪声的乐池升降台的功能指标。

3.3.5 观众席升降花心灯架

在装修已完成的情况下，增加观众厅花心灯架升降装置。观众席上空天花造型独特，中央花心灯架是花蕊造型，花瓣呈多层包裹的方式逐渐散开，花瓣的位置与造型兼顾舞台面光设计。由于前期没有预留设备条件，再加上工期因素，给工程方带来了不小的挑战。经过现场实勘测量，实测数据作为输入条件，结合原有上空结构承载力与上空管道设备的布置等条件，采用计算机三维设计与动态模拟，解决了升降灯架的结构受力和干涉的难题，完成后效果颇佳。

综上所述，可以看出工程实践难题往往是多专业各类限制条件交织在一起的。工程难题的解决，需要强大的技术实力，还需要发挥多专业多学科间的综合协同能力，这也是未来剧场舞台设备专业需求发展的趋势。

4 技术创新与应用

4.1 车台激光扫描防撞安全装置

目前，国内建设的大剧院，具有防撞功能的车台较少，究其原因，主要是：防撞设备资金投入较大、技术不够成熟、行业没有硬性规定。防撞装置一般有四种形式，机械式、光电式、激光式或超声式。本项目共12套车台，左右侧台对称分布，平面尺寸18 m×3 m，设计中新型激光扫描装置可以扫描到车台边缘4 m范围内的物体，可以在扫描范围内任意设定扫描形状，可以在设定扫描形状的范围内定义雷达扫描分区：2 m警告区，1 m减速区和0.5 m紧急制动区。见图4。

图4 车台防撞装置工作示意图

4.2 地板可温控移动主席台

考虑到昆山每年元月（“两会”期间）天气较冷，舞台上空空调暖风难以迅速到达地面，并且能耗很大，特别研发了地板可温控的移动式主席台。它集成了电发热地板系统。自发热地板是一种以地板为载体的室内地面取暖材料，在地板中间内置了一种电能发热层，其显著特点是设备轻便、能源清洁环保、热效高。台体设计结合了主席台传统工艺尺寸，与主升降台等模数，将发热地板与移动台体一体化设计，并对车台结构和供电方式进行了防水、防火以及绝缘等专项设计。现场安装和调试后，“两会”期间应用良好。

4.3 无导轨导向座椅台车（插拔式滚轮导向机构）

大剧院配置了“两会”用移动主席台和乐池座椅台车，为保证其在运行中的稳定性，需要在舞台面上设置导向机构。传统做法是在舞台木地板上开槽，将导轨藏于其中，这样会造成舞台面上的开槽纵横交错，影响美观和使用。为解决该难题，采用临时插拔式导向轮代替传统导轨，舞台面上只需预留固定插拔孔，平时用盖板封住，使用时将导向轮插入，用于座椅车台运行的导向，该设计使舞台面更完整。见图5。

4.4 金珠钻针织镶烫工艺大幕

大幕上呈现的图案是一条富有艺术气息的波浪形曲线。为了能更好地体现大幕整体设计效果，选择在天鹅绒材质大幕上，将设计图案以镶嵌金珠钻的工艺方式精工制作完成。该工艺既能保持天鹅绒面料原有的柔软度和垂感，又能使金珠钻在舞台灯光的照射下闪闪发光，呈现流光溢彩、金碧辉煌的独特效果。

镶烫金珠钻是一个特殊的制作工艺，采用专用的模板模具与手法。大幕图案是一条非对称、无循环的图形，由440种规格不同的珠钻组成（每组珠钻的珠粒数量和排列都不相同），需要定制440套不同的模板模具。整个镶烫工艺采用人工排版与电脑操作相结合的方式完成。每块大幕高13.5 m、宽13 m，由20幅面料拼接而成。

4.5 控制系统

4.5.1 控制系统结构

控制系统采用“上位机+服务器+控制器+驱动器”的分布式控制结构，专用的传输协议，保证了系统的实时性和多驱动同步运动。见图6。

4.5.2 控制系统可靠性

控制系统安全性是指一旦系统发生某种故障，可以保证设备运行，保证演出顺利进行。为提高系统可靠性，舞台机械控制系统采用了大量的冗余设计，包括电源系统冗余、服务器冗余、网络冗余、中央轴控制器冗余、操作设备冗余和完善的备用系统。

图5 车台插拔导轮

图6 控制系统结构

图7 电源系统冗余

图8 服务器冗余

图9 备用系统

（1）电源系统冗余

电源系统冗余见图7。

（2）服务器冗余

控制系统采用三冗余服务器，服务器可进行自动切换，也可由用户在控制台上手动切换，将任意一个服务器作为主服务器。见图8。

（3）网络冗余

控制系统采用双网结构，网络A和网络B互为冗余备份且定时自动进行切换。

（4）中央控制器冗余

中央控制器采集系统级关键信息，这些信息对舞台机械设备的安全稳定运行至关重要，因此，对中央控制器采用了双冗余的设计。

（5）备用系统

备用系统覆盖的设计主要有升降台、车载转台、单点吊机、吊杆、乐池升降台等。见图9。

4.5.3 控制系统的便捷与开放性

舞台机械控制系统通过以下方面的软硬件设计，保证了现场调试和操作人员在整个设备调试、装台彩排和演出使用过程中的方便性。

（1）控制台可多点接入

大剧院内共分布10个接口箱，接口箱为控制台提供电源和网络；此外，剧场内还设有无线接入点，信号能覆盖整个剧场，从而使无线控制台可在剧场内任意位置使用，为设备调试和操作提供了更大的方便。

（2）控制设备更换

控制器插入固定架和更换均很简便；更换后控制器自动配置，无需费时调整其地址和参数。变频器通过端子排与外界连接，通过IC卡写入程序，便于设备更换。

5 结束语

昆山大剧院舞台机械工程的几点创新设计，以解决或完善现代化机械舞台布局不合理、功能不足等实际问题为出发点，实现以人为本、节能环保的科学设计理念。传统品字形舞台的工艺设计已近成熟，但是围绕着舞台表演艺术的需求，各种多媒体效果和移动功能的相互交融，使得舞台机械呈现出以下多方向发展趋势：一是人机结合越来越紧密，要求设备系统可靠性极高；二是复杂多领域的功能需求，要求大规模系统优化集成；三是实现打破传统的舞台效果，要求舞台机械应具备演出的核心支撑能力。因此，未来的机械化舞台将更加安全、更加环保、更加多样、更加开放。