舞臺桁架結構的優化設計分析

仇寅峰

摘要：隨著市場經濟的發展以及工業化進程的加快，劇場演出的數量越來越多，規模也越來越大。為了保證演出的安全性，可以將桁架結構應用在演出舞臺搭建當中，而桁架結構不僅能夠提高舞臺的質量，還具有跨度大、成本低等特點，因此需要對舞臺搭建中桁架結構的應用進行深入研究。本文將對舞臺搭建中桁架結構的優化設計進行簡析。

關鍵詞：舞臺搭建;桁架結構;優化設計

桁架結構是當前常用的一種梁式結構，具有結構布置靈活、抗彎性強、抗剪性強、應用范圍廣泛等特點。將桁架結構應用在舞臺搭建當中能夠有效增強舞臺的抗剪性、抗壓性，有利于提高舞臺的質量。但是當前舞臺搭建企業在應用桁架結構時還存在一些問題，需要不斷對桁架結構進行優化設計才能夠充分發揮桁架結構的作用。

1 舞臺搭建中的桁架結構

桁架結構是一種梁式結構，其中桁架是指桁架梁，也被稱為屋架，比較適用于跨度較大的展覽館、廠房等建筑當中。桁架結構的布置比較靈活，無論是抗彎性能還是抗剪性能都比較強，因此適用于各種跨度的建筑。按照桁架的外形，可將桁架結構分為平行弦桁架、折弦桁架以及三角形桁架;按照桁架的幾何組成方式可將桁架結構分為簡單桁架、聯合桁架以及復雜桁架;按照所受水平推力的不同可將桁架結構分為無推力的梁式桁架以及有推力的拱式桁架[1]。桁架的外形不同，對桿件內力分布的影響也不同，比如說平行弦桁架弦桿的內力是由中間向兩端逐漸減少的，而三角形桁架弦桿的內力則是由中間向兩端逐漸增加的。當前在實際演出過程中，舞臺搭建的內部空間較大，受臨時場地環境的影響，結構復雜，由于演出對光線等情況的要求，所以在實際的舞臺搭建桁架結構施工過程中，對施工技術的要求也比較高，舞臺桁架主要是為了支撐舞臺的（如下圖），在經過專業力學測試的情況下，舞臺承重結構滿足實際需求，所搭建起來的舞臺穩定性都很好，同時也可以搭建成后臺影視墻和頂層支架，可以懸掛背景布、燈光和音響。

舞臺桁架結構

2 舞臺搭建中桁架結構的優化設計

2.1 根據工程情況進行優化

工程建筑企業必須根據舞臺搭建工程的具體情況對桁架結構進行優化設計，只有這樣才能夠讓桁架結構更符合舞臺搭建的實際需要。比如說在“內蒙古巴彥淖爾逸城廣場宴會廳弧形桁架吊頂方案設計”當中，必須要讓桁架結構完全貼合宴會廳房頂的形狀，因此需要對人字型鋼結構房頂的吊裝環境進行深入分析，并合理設計吊點位置以及桁架結構，這樣才能夠讓桁架結構完全符合建筑需要。此外，在進行“河湖治理研究基地項目太湖廳模型桁架的設計與生產”時，需要在桁架截面固定的情況下，對桁架的結構和搭建方式進行理論測算和科學設計，這樣才能使桁架結構提供實際需要的超長跨度和承重。因此，工程建筑企業在構建桁架結構之前需要對工程所需的跨度、承重、形狀以及施工環境等各方面進行嚴格計算，然后再對桁架結構進行優化設計。

2.2 優化桁架結構的截面尺寸

確定拓撲是優化桁架結構的截面尺寸的基礎和前提，在優化桁架結構的截面尺寸時需要先利用少量尺寸表達結構的一些變動，比如說桁架各個單元的截面積等，以及節點位置的一些變動[2]。然后再根據這些具體的數據構建尺寸模型，利用相應的優化算法對該數學模型進行計算，并得到一個最優化的尺寸數據。當前桁架結構的截面尺寸優化算法已經相對成熟了，比如可以利用數學規劃法、力學準則法等方式進行優化計算。此外，還有相關人員提出可以利用漸進優化這種方式優化桁架結構的截面尺寸，也就是說對設計變量進行分離，然后再利用滿應力法等方法計算出最優化的尺寸和形狀，這樣就能夠使桁架結構的截面尺寸更符合實際需求。

2.3 優化桁架結構的形狀

優化桁架結構的形狀不僅能夠使整體結構更符合舞臺搭建的需求，也能夠改善結構的性能，并減少材料的使用，從而達到降低成本的目的。優化桁架結構的形狀主要是通過調整內外邊界的形狀實現的，因此要先對桁架結構形狀優化的對象進行明確區分。舞臺搭建企業需要對桁架結構的桿系結構、塊體結構以及殼類、板的連續結構進行逐一優化，從而使整個結構的形狀得以優化。

2.4 優化拓撲與布局

和優化截面尺寸、優化結構形狀相比，優化拓撲與布局相對來說比較復雜且困難，從20世紀開始就有很多人對拓撲與布局的優化進行研究。雖然相關人士已經提出了均質化方法、進化結構優化方法以及相對密度法等可以優化拓撲與布局的方法，但是這些方法還沒有被過多地應用。

3 結語

對舞臺搭建中的桁架結構進行優化設計具有重要意義，只有優化桁架結構的設計才能夠使桁架結構的成本降低、使桁架結構的受力更加均勻合理。因此建筑企業需要對桁架結構的受力等方面情況進行深入分析，并結合舞臺搭建的具體情況明確桁架結構的用途、角度，然后再通過科學計算優化桁架結構的截面尺寸、形狀、拓撲以及布局，從而改善桁架結構的性能，提高舞臺搭建的質量。

參考文獻：

[1]曾濱，張明波.國家體育場中心地倉舞臺開合結構優化設計[J].建筑結構，2013（19）：7982.

[2]葉云青.桁架結構的優化設計方法研究綜述[J].科學技術創新，2014（17）：204.