可變浮力配重水中升降舞臺的設計

張術永，戴連卿，楊秀雙，尹文敬，李 強

（浙江大豐實業股份有限公司（杭州）舞臺設計院，浙江 杭州 310000）

可變浮力配重水中升降舞臺的設計

張術永，戴連卿，楊秀雙，尹文敬，李 強

（浙江大豐實業股份有限公司（杭州）舞臺設計院，浙江 杭州 310000）

針對大型實景演藝秀場的舞臺特點，并綜合考慮舞臺機械的使用環境，介紹多吊點浮力配重大型水中升降舞臺設計過程。

舞臺機械；水中升降舞臺；配重；浮力；多吊點設計

目前，各類大型實景演藝秀場的形式逐漸多元化，通過舞臺機械的多維運動，輔以各類水景、燈光、焰火、視頻、音效等，營造出氣勢恢宏且美輪美奐的藝術場景。這種多元化的演藝形式不僅使觀眾觀演猶如身臨其境，同時還強化了觀眾、演員以及場景變化之間的互動，使整個觀演過程更具參與感、親和力。然而，此類秀場多以大型、室外、實景居多，這對舞臺機械的要求尤其嚴格，既要滿足超大負載的設備安全穩定地運行，又要滿足設備在室外風吹雨淋的環境下正常使用。如果秀場在劇目創意、場景設計過程中引入水景特效作為表現其藝術效果的載體，這就對舞臺機械提出了更高的要求，其中包括：設備的密封、防腐、絕緣、環保以及可靠性等。2013年底，筆者所在的研究院為某旅游勝地室外秀場特別設計了一套大型水中升降舞臺，該設備采用了鋼絲繩多吊點遠距離跨區域（從水池到牽引機房）牽引驅動，可調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PLC自動檢測控制，根據臺面載荷分布變化實時調整配重浮力，確保各吊點拉力均衡。

1 水中升降舞臺工況要求

水中升降舞臺臺面形狀如圖1所示，臺面寬33 m，進深23 m；臺口靠觀眾席一側有21 m×3.6 m的缺口，用于安裝其他設備；臺面總面積約683 m2，升降行程0.4 m，速度0.04 m/s；平時（低位時）臺面低于水平面0.1 m。升降臺的主體全部為鋼結構，表面均采用熱鍍鋅處理，使其具有良好的抗腐蝕性，現場拼裝均采用螺栓連接，避免破壞鍍鋅層。驅動采用了不銹鋼鋼絲繩遠程多吊點提升，干、濕區分離的驅動方式。其中，干區位于舞臺后側，是電器設備和驅動裝置放置區；濕區為水池，是舞臺演出區。干、濕區之間由防水混凝土剪力墻隔開，墻上高于水位0.3 m處預設鋼絲繩出入孔。干濕區隔離有效地避免了電器設備遇水漏電以及機械傳動裝置油污入池的問題，確保了演員在水中表演的安全和池水的清潔環保。升降臺剖面如圖2。

2 水中升降舞臺的設計

2.1 帶有載荷檢測的多吊點設計

由于舞臺面積較大，宜采用多個吊點的方式承擔整個舞臺的自重和演出荷載。因此，共設置了20個吊點，如圖3所示，并結合舞臺的形狀和受力特點，通過計算和結構分析，使每個吊點的提升力設計基本值相等。為保證各點的實際提升動力滿足設計值，在每根鋼絲繩與牽引機的連接銷軸設置了載荷（拉力）傳感器，將各點的載荷轉換為電信號傳輸至PLC檢測控制系統，設備調試時可根據載荷顯示進行相應位置的浮力調整和鋼絲繩預緊力的調整。運行中可根據檢測數據，實時控制浮力調節系統進行相應的調整，進而保證了設備在演出運行時的穩定性和臺面的最小形變。

設備升降行程較小，僅為0.4 m，因此，驅動裝置采用齒輪減速加絲桿傳動機構，如圖4所示。鋼絲繩末端與升降臺連接處采用復式牽引方式，以減小鋼絲繩的拉力。通過電機帶動絲桿旋轉，使螺母在水平方向上實現往復動作。兩側螺母向內平移時，鋼絲繩被收緊，升降臺上升；反之則下降。

吊點提升力的計算如下：

（1）設計條件：

① 舞臺鋼架自重F ≈580 kN；

圖1 水中升降舞臺平面圖

圖2 水中升降舞臺縱剖圖

圖3 水中升降舞臺吊點設計圖

圖4 絲桿驅動結構圖

② 動載F動≈90 kN；

③ 鋼絲繩吊點數n＝20個；

（2）由于浮力作用降臺在水中的重力F'為：

（3）升降臺下降時是完全依靠自重，為使設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），以保證設備完全沉入水中時，鋼絲繩仍保持一定的拉緊力而不至松脫。其余設備自重將通過浮力配重系統予以抵消。因此，配重系統應提供的配重浮力F浮為：

（4）在鋼架自身浮力和配重浮力的共同作用下，升降臺實際重量為：

① 舞臺全部露出水面并且滿負載時的最大重量② 舞臺全部沉沒水中并且是空載時的最小重量

（5）各吊點（鋼絲繩）平均所受拉力f為：

① 舞臺全部露出水面時，

② 舞臺全部沉沒水中時，

（注：升降臺上吊點為動滑輪結構）

2.2 浮力可調配重系統設計

由以上計算可知，舞臺自重580 kN，在水中的自身浮力為74 kN，除去預留50 kN自重作為設備下沉力，浮力配重系統需提供的浮力為456 kN。

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

（1）無法根據設備在水中的實際狀況調整浮力；

（2）舞臺面積較大，如果浮力分配不合理或臺面受載不均時，臺面可能會出現局部凸起或凹陷等變形，此時將無法通過改變浮力的大小來均衡臺面的變形；

（3）浮筒在水池注水前安裝固定，一旦注水調試后，如果發現局部浮力配置不合理、整體過?；虿蛔?，只能將池水排掉后才能重新調整，整改周期長且水資源浪費嚴重、費用高。

（4）雖然此類秀場演出劇目和場景是相對固定的，但劇組導演也會根據天氣、季節以及流行元素等其他因素隨時調整演員走位、增減大型道具或改變道具位置等。這就會打破原有的重力平衡，造成升降臺傾斜或局部變形。

為避免上述弊端，此升降舞臺特別設計了水下浮力可調的配重系統，浮力可根據實際需要在一定范圍內調整。其工作原理是：用熱鍍鋅鋼板焊接成長條形箱體作為浮力載體（浮箱），并配以給、排水和排氣系統，通過調節浮箱內的儲水量實現對浮箱的浮力調節，如圖5所示。當系統或局部浮力過大時，相應吊點的鋼絲繩拉力減小，載荷傳感器反饋信號，PLC控制系統啟動給水泵；同時打開進水總閥，并根據反饋信號打開相應浮箱的電磁閥，對浮箱加水，以增加浮箱自重，進而減小系統或局部的浮力。反之，當系統或局部浮力太小時，相應吊點的鋼絲繩拉力增大，載荷傳感器反饋信號，啟動排水泵；同時打開進水總閥和相應浮箱的電磁閥，排掉浮箱內的水量，減少浮箱自重，提高系統的整體浮力。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。根據該舞臺的情況，該浮力配重系統的浮力在360 kN～560 kN之間可調。

圖5 浮力可調水下配重系統原理圖

給、排水系統和排氣管路采用軟、硬管結合使用，軟管保證了設備升降時管路不受影響。浮箱內均配裝液位檢測裝置，控制室有相應的水位顯示控制儀，可直觀地觀察注入浮箱內的水量多少，進而控制浮力。每組浮箱設計1根給、排水共用管路，管路接口設置于浮箱底部，排氣管路結構設置與浮箱頂部，如圖6～圖7所示。

圖6 浮箱給、排水系統示意圖

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控制系統原理圖

根據舞臺鋼架結構和載荷分布情況，可調浮力系統共設計了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。組內的浮箱互通，組間浮箱相對獨立，如圖8所示。浮箱可同時給、排水，也可按組單獨進行給、排水，即可同時調整系統浮力，也可局部調整浮力。

2.3 浮力自動監測調整PLC控制系統

為滿足升降臺安全平穩運行的要求，浮力配重系統必須能隨面載荷大小、位置的變化而變化，為此，在設計中采用兩套信號采集系統，即載荷傳感器和液位傳感器。傳感器信號通過PLC控制系統，控制相應的泵與電磁閥，使之達到實時調整各部分配重浮力的目的，確保了升降臺面的水平，同時使各吊點鋼絲繩受力基本均衡，避免了因局部載荷過大造成部分鋼絲繩異常損壞。圖9為PLC控制系統原理圖。

3 結論

以上詳細闡述了可變浮力配重水中升降舞臺的設計過程?？勺兏×ε渲叵到y具有結構簡單、造價低、功能全、節能環保、自動化程度高、使用維護方便等優點，可廣泛應用于各類水中升降臺。該系統采用鋼絲繩遠程牽引提升的方式，合理地將舞臺與驅動機房分隔為兩部分，濕區部分為舞臺與表演區，而配電、控制、驅動機構則設置于干區。干區完全與水分隔，避免了強電進入濕區，確保了演員的安全；同時還有效地避免了驅動裝置油污等對水質的污染，又方便日常維護。此升降舞臺的設計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，大大降低設備運行的驅動功率。浮箱通過給、排水系統自動調節浮力，進而保證大型舞臺面的水平。系統調節方便，易于控制，對演出場景的變化適應性更強，且節能環保效果顯著。到目前為止，該水中升降舞臺已安全運行一年多，演出場次達一千多場，取得了良好的舞臺效果，獲得了業主、表演團隊和觀眾的一致認可。

（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