張術(shù)永，戴連卿，楊秀雙，尹文敬，李 強(qiáng)

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司（杭州）舞臺(tái)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000）

可變浮力配重水中升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)

張術(shù)永，戴連卿，楊秀雙，尹文敬，李 強(qiáng)

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司（杭州）舞臺(tái)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000）

針對(duì)大型實(shí)景演藝秀場(chǎng)的舞臺(tái)特點(diǎn)，并綜合考慮舞臺(tái)機(jī)械的使用環(huán)境，介紹多吊點(diǎn)浮力配重大型水中升降舞臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程。

舞臺(tái)機(jī)械；水中升降舞臺(tái)；配重；浮力；多吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

目前，各類大型實(shí)景演藝秀場(chǎng)的形式逐漸多元化，通過(guò)舞臺(tái)機(jī)械的多維運(yùn)動(dòng)，輔以各類水景、燈光、焰火、視頻、音效等，營(yíng)造出氣勢(shì)恢宏且美輪美奐的藝術(shù)場(chǎng)景。這種多元化的演藝形式不僅使觀眾觀演猶如身臨其境，同時(shí)還強(qiáng)化了觀眾、演員以及場(chǎng)景變化之間的互動(dòng)，使整個(gè)觀演過(guò)程更具參與感、親和力。然而，此類秀場(chǎng)多以大型、室外、實(shí)景居多，這對(duì)舞臺(tái)機(jī)械的要求尤其嚴(yán)格，既要滿足超大負(fù)載的設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行，又要滿足設(shè)備在室外風(fēng)吹雨淋的環(huán)境下正常使用。如果秀場(chǎng)在劇目創(chuàng)意、場(chǎng)景設(shè)計(jì)過(guò)程中引入水景特效作為表現(xiàn)其藝術(shù)效果的載體，這就對(duì)舞臺(tái)機(jī)械提出了更高的要求，其中包括：設(shè)備的密封、防腐、絕緣、環(huán)保以及可靠性等。2013年底，筆者所在的研究院為某旅游勝地室外秀場(chǎng)特別設(shè)計(jì)了一套大型水中升降舞臺(tái)，該設(shè)備采用了鋼絲繩多吊點(diǎn)遠(yuǎn)距離跨區(qū)域（從水池到牽引機(jī)房）牽引驅(qū)動(dòng)，可調(diào)浮力裝置作為水中配重，并輔助以鋼絲繩載荷（拉力）傳感器，通過(guò)PLC自動(dòng)檢測(cè)控制，根據(jù)臺(tái)面載荷分布變化實(shí)時(shí)調(diào)整配重浮力，確保各吊點(diǎn)拉力均衡。

1 水中升降舞臺(tái)工況要求

水中升降舞臺(tái)臺(tái)面形狀如圖1所示，臺(tái)面寬33 m，進(jìn)深23 m；臺(tái)口靠觀眾席一側(cè)有21 m×3.6 m的缺口，用于安裝其他設(shè)備；臺(tái)面總面積約683 m2，升降行程0.4 m，速度0.04 m/s；平時(shí)（低位時(shí)）臺(tái)面低于水平面0.1 m。升降臺(tái)的主體全部為鋼結(jié)構(gòu)，表面均采用熱鍍鋅處理，使其具有良好的抗腐蝕性，現(xiàn)場(chǎng)拼裝均采用螺栓連接，避免破壞鍍鋅層。驅(qū)動(dòng)采用了不銹鋼鋼絲繩遠(yuǎn)程多吊點(diǎn)提升，干、濕區(qū)分離的驅(qū)動(dòng)方式。其中，干區(qū)位于舞臺(tái)后側(cè)，是電器設(shè)備和驅(qū)動(dòng)裝置放置區(qū)；濕區(qū)為水池，是舞臺(tái)演出區(qū)。干、濕區(qū)之間由防水混凝土剪力墻隔開(kāi)，墻上高于水位0.3 m處預(yù)設(shè)鋼絲繩出入孔。干濕區(qū)隔離有效地避免了電器設(shè)備遇水漏電以及機(jī)械傳動(dòng)裝置油污入池的問(wèn)題，確保了演員在水中表演的安全和池水的清潔環(huán)保。升降臺(tái)剖面如圖2。

2 水中升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 帶有載荷檢測(cè)的多吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于舞臺(tái)面積較大，宜采用多個(gè)吊點(diǎn)的方式承擔(dān)整個(gè)舞臺(tái)的自重和演出荷載。因此，共設(shè)置了20個(gè)吊點(diǎn)，如圖3所示，并結(jié)合舞臺(tái)的形狀和受力特點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，使每個(gè)吊點(diǎn)的提升力設(shè)計(jì)基本值相等。為保證各點(diǎn)的實(shí)際提升動(dòng)力滿足設(shè)計(jì)值，在每根鋼絲繩與牽引機(jī)的連接銷軸設(shè)置了載荷（拉力）傳感器，將各點(diǎn)的載荷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至PLC檢測(cè)控制系統(tǒng)，設(shè)備調(diào)試時(shí)可根據(jù)載荷顯示進(jìn)行相應(yīng)位置的浮力調(diào)整和鋼絲繩預(yù)緊力的調(diào)整。運(yùn)行中可根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而保證了設(shè)備在演出運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和臺(tái)面的最小形變。

設(shè)備升降行程較小，僅為0.4 m，因此，驅(qū)動(dòng)裝置采用齒輪減速加絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。鋼絲繩末端與升降臺(tái)連接處采用復(fù)式牽引方式，以減小鋼絲繩的拉力。通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，使螺母在水平方向上實(shí)現(xiàn)往復(fù)動(dòng)作。兩側(cè)螺母向內(nèi)平移時(shí)，鋼絲繩被收緊，升降臺(tái)上升；反之則下降。

吊點(diǎn)提升力的計(jì)算如下：

（1）設(shè)計(jì)條件：

① 舞臺(tái)鋼架自重F ≈580 kN；

圖1 水中升降舞臺(tái)平面圖

圖2 水中升降舞臺(tái)縱剖圖

圖3 水中升降舞臺(tái)吊點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

圖4 絲桿驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

② 動(dòng)載F動(dòng)≈90 kN；

③ 鋼絲繩吊點(diǎn)數(shù)n＝20個(gè)；

（2）由于浮力作用降臺(tái)在水中的重力F'為：

（3）升降臺(tái)下降時(shí)是完全依靠自重，為使設(shè)備在空載情況下在水中仍有一定的下沉速度，配重后最終需保留50 kN的自重（F保留），以保證設(shè)備完全沉入水中時(shí)，鋼絲繩仍保持一定的拉緊力而不至松脫。其余設(shè)備自重將通過(guò)浮力配重系統(tǒng)予以抵消。因此，配重系統(tǒng)應(yīng)提供的配重浮力F浮為：

（4）在鋼架自身浮力和配重浮力的共同作用下，升降臺(tái)實(shí)際重量為：

① 舞臺(tái)全部露出水面并且滿負(fù)載時(shí)的最大重量② 舞臺(tái)全部沉沒(méi)水中并且是空載時(shí)的最小重量

（5）各吊點(diǎn)（鋼絲繩）平均所受拉力f為：

① 舞臺(tái)全部露出水面時(shí)，

② 舞臺(tái)全部沉沒(méi)水中時(shí)，

（注：升降臺(tái)上吊點(diǎn)為動(dòng)滑輪結(jié)構(gòu)）

2.2 浮力可調(diào)配重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由以上計(jì)算可知，舞臺(tái)自重580 kN，在水中的自身浮力為74 kN，除去預(yù)留50 kN自重作為設(shè)備下沉力，浮力配重系統(tǒng)需提供的浮力為456 kN。

考慮到升降臺(tái)面積較大，如果使用常規(guī)的固定浮力浮筒作為配重，由于其浮力是固定值，因此可能產(chǎn)生下述弊端：

（1）無(wú)法根據(jù)設(shè)備在水中的實(shí)際狀況調(diào)整浮力；

（2）舞臺(tái)面積較大，如果浮力分配不合理或臺(tái)面受載不均時(shí)，臺(tái)面可能會(huì)出現(xiàn)局部凸起或凹陷等變形，此時(shí)將無(wú)法通過(guò)改變浮力的大小來(lái)均衡臺(tái)面的變形；

（3）浮筒在水池注水前安裝固定，一旦注水調(diào)試后，如果發(fā)現(xiàn)局部浮力配置不合理、整體過(guò)剩或不足，只能將池水排掉后才能重新調(diào)整，整改周期長(zhǎng)且水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、費(fèi)用高。

（4）雖然此類秀場(chǎng)演出劇目和場(chǎng)景是相對(duì)固定的，但劇組導(dǎo)演也會(huì)根據(jù)天氣、季節(jié)以及流行元素等其他因素隨時(shí)調(diào)整演員走位、增減大型道具或改變道具位置等。這就會(huì)打破原有的重力平衡，造成升降臺(tái)傾斜或局部變形。

為避免上述弊端，此升降舞臺(tái)特別設(shè)計(jì)了水下浮力可調(diào)的配重系統(tǒng)，浮力可根據(jù)實(shí)際需要在一定范圍內(nèi)調(diào)整。其工作原理是：用熱鍍鋅鋼板焊接成長(zhǎng)條形箱體作為浮力載體（浮箱），并配以給、排水和排氣系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)浮箱內(nèi)的儲(chǔ)水量實(shí)現(xiàn)對(duì)浮箱的浮力調(diào)節(jié)，如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)或局部浮力過(guò)大時(shí)，相應(yīng)吊點(diǎn)的鋼絲繩拉力減小，載荷傳感器反饋信號(hào)，PLC控制系統(tǒng)啟動(dòng)給水泵；同時(shí)打開(kāi)進(jìn)水總閥，并根據(jù)反饋信號(hào)打開(kāi)相應(yīng)浮箱的電磁閥，對(duì)浮箱加水，以增加浮箱自重，進(jìn)而減小系統(tǒng)或局部的浮力。反之，當(dāng)系統(tǒng)或局部浮力太小時(shí)，相應(yīng)吊點(diǎn)的鋼絲繩拉力增大，載荷傳感器反饋信號(hào)，啟動(dòng)排水泵；同時(shí)打開(kāi)進(jìn)水總閥和相應(yīng)浮箱的電磁閥，排掉浮箱內(nèi)的水量，減少浮箱自重，提高系統(tǒng)的整體浮力。浮箱的通氣口用軟管引至水池邊，管口高于水面一定高度固定即可。根據(jù)該舞臺(tái)的情況，該浮力配重系統(tǒng)的浮力在360 kN～560 kN之間可調(diào)。

圖5 浮力可調(diào)水下配重系統(tǒng)原理圖

給、排水系統(tǒng)和排氣管路采用軟、硬管結(jié)合使用，軟管保證了設(shè)備升降時(shí)管路不受影響。浮箱內(nèi)均配裝液位檢測(cè)裝置，控制室有相應(yīng)的水位顯示控制儀，可直觀地觀察注入浮箱內(nèi)的水量多少，進(jìn)而控制浮力。每組浮箱設(shè)計(jì)1根給、排水共用管路，管路接口設(shè)置于浮箱底部，排氣管路結(jié)構(gòu)設(shè)置與浮箱頂部，如圖6～圖7所示。

圖6 浮箱給、排水系統(tǒng)示意圖

圖7 浮箱給、排水和排氣管路布置示意圖

圖8 浮箱分布及管路走向圖

圖9 PLC控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)舞臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)和載荷分布情況，可調(diào)浮力系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了12只浮箱，分為7組固定安裝在鋼架下面，這樣可以使浮箱始終處于水面以下。組內(nèi)的浮箱互通，組間浮箱相對(duì)獨(dú)立，如圖8所示。浮箱可同時(shí)給、排水，也可按組單獨(dú)進(jìn)行給、排水，即可同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)浮力，也可局部調(diào)整浮力。

2.3 浮力自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)整PLC控制系統(tǒng)

為滿足升降臺(tái)安全平穩(wěn)運(yùn)行的要求，浮力配重系統(tǒng)必須能隨面載荷大小、位置的變化而變化，為此，在設(shè)計(jì)中采用兩套信號(hào)采集系統(tǒng)，即載荷傳感器和液位傳感器。傳感器信號(hào)通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，控制相應(yīng)的泵與電磁閥，使之達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整各部分配重浮力的目的，確保了升降臺(tái)面的水平，同時(shí)使各吊點(diǎn)鋼絲繩受力基本均衡，避免了因局部載荷過(guò)大造成部分鋼絲繩異常損壞。圖9為PLC控制系統(tǒng)原理圖。

3 結(jié)論

以上詳細(xì)闡述了可變浮力配重水中升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程?？勺兏×ε渲叵到y(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、功能全、節(jié)能環(huán)保、自動(dòng)化程度高、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類水中升降臺(tái)。該系統(tǒng)采用鋼絲繩遠(yuǎn)程牽引提升的方式，合理地將舞臺(tái)與驅(qū)動(dòng)機(jī)房分隔為兩部分，濕區(qū)部分為舞臺(tái)與表演區(qū)，而配電、控制、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則設(shè)置于干區(qū)。干區(qū)完全與水分隔，避免了強(qiáng)電進(jìn)入濕區(qū)，確保了演員的安全；同時(shí)還有效地避免了驅(qū)動(dòng)裝置油污等對(duì)水質(zhì)的污染，又方便日常維護(hù)。此升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)借鑒了船舶加載壓艙平衡的工作原理，利用水下浮箱提供浮力配重，大大降低設(shè)備運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)功率。浮箱通過(guò)給、排水系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)浮力，進(jìn)而保證大型舞臺(tái)面的水平。系統(tǒng)調(diào)節(jié)方便，易于控制，對(duì)演出場(chǎng)景的變化適應(yīng)性更強(qiáng)，且節(jié)能環(huán)保效果顯著。到目前為止，該水中升降舞臺(tái)已安全運(yùn)行一年多，演出場(chǎng)次達(dá)一千多場(chǎng)，取得了良好的舞臺(tái)效果，獲得了業(yè)主、表演團(tuán)隊(duì)和觀眾的一致認(rèn)可。

（編輯 薛云霞）

Design of Variable Buoyancy Counterweight Stage Movements in Water

ZHANG Shu-yong, DAI Lian-qin, YANG Xiu-shuang, YIN Wen-jing, LI Qiang
(Zhejiang Dafeng Industry Co., Ltd. (Hangzhou) Stage Design Institute, Hangzhou Zhejiang 310000, China)

For the stage characteristics of large-scale real performing show field, and considering the use environment of stage machinery, this paper introduces the design process of more hanging points variable buoyancy counterweight stage movements in water.

stage machinery; stage movements in water; counterweight; buoyancy; design of more hanging points

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.012