大型空中環(huán)形旋轉銀幕裝置的設計及應用

　　0 序言

　　蘇州360劇場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：本項目)的設計將360°旋轉式觀(guān)眾席與環(huán)形舞臺相結合，將多維度多層次銀幕投影作為環(huán)型舞臺上表演內容的一部分，與旋轉式觀(guān)眾席結合使用，使實(shí)景與虛景融為一體，創(chuàng )造出一種全新的演藝方式。劇場(chǎng)剖面圖如圖1所示，平面圖如圖2所示。

圖1 劇場(chǎng)整體半剖圖

圖2 劇場(chǎng)整體平面布置圖

　　環(huán)形旋轉銀幕(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：銀幕)是一種新型的在空中組成的大體量旋轉裝置。4塊弧形硬質(zhì)銀幕安裝在劇場(chǎng)上空的環(huán)形軌道上，軌道回轉直徑約44 m;銀幕外側的舞臺分為4塊表演區域;銀幕內側為觀(guān)眾座椅轉臺。演出時(shí)，根據劇目情節需要，環(huán)形銀幕裝置、觀(guān)眾座椅轉臺配合旋轉，再結合聲光效果，實(shí)現4個(gè)場(chǎng)景快速切換，使觀(guān)眾欣賞到一場(chǎng)奇妙的視覺(jué)盛宴。

　　1 設備組成

　　銀幕裝置主要由支撐立柱(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：立柱)、環(huán)形桁架(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：桁架)、銀幕、驅動(dòng)裝置等組成。如圖3所示。

　　1.1 立柱

　　立柱是整套設備的結構基礎(本項目共使用4根立柱)，同時(shí)也是舞臺表演區域的劃分基準。立柱底部通過(guò)化學(xué)錨栓與混凝土基礎相連，頂部通過(guò)拉索與屋頂結構相連。桁架通過(guò)拉索吊掛于支撐立柱上部。如圖4所示。

　　本項目采用立柱支撐桁架及其附屬設備重量，屋頂只承受少量水平載荷。這樣設計有以下好處：

　　1)大大減小屋頂結構載荷，降低整體成本;

　　2)設備安裝質(zhì)量不受屋頂建造質(zhì)量影響，減小土建施工難度;

　　3)舞臺設備整體方案具備極高的可移植性。

　　1.2 桁架

　　桁架既是銀幕運轉的基礎，也是一部分燈光、擴聲設備的安裝基礎，其頂部設有整圈檢修走道。銀幕的運行軌道由上到下設有4層，可分為內環(huán)和外環(huán)兩圈軌道。如圖5所示。

　　1.3 銀幕

　　銀幕共4塊，高度約12 m，兩長(cháng)兩短，安裝在內環(huán)和外環(huán)兩圈軌道上，內外環(huán)各有一長(cháng)一短兩塊銀幕。如圖6、圖7所示。每塊銀幕根據其尺寸，由數量不等的吊掛架、摩擦環(huán)、吊掛小車(chē)等均勻吊掛于銀幕軌道。如圖8所示。摩擦環(huán)是鋁合金型材圍成的圓形結構，由驅動(dòng)繩包絡(luò )，張緊后靠摩擦力帶動(dòng)銀幕沿軌道運行。銀幕基本參數見(jiàn)表1。

　　1.4 驅動(dòng)裝置

　　4塊銀幕配備有4套相互獨立的驅動(dòng)裝置。同一軌道上的兩塊銀幕通過(guò)編碼器連鎖控制防止碰撞;不同軌道上的銀幕互不影響，可根據演出需要自由運動(dòng)。驅動(dòng)原理為摩擦驅動(dòng)。每塊銀幕結構都設置有一整圈摩擦環(huán)，摩擦繩張緊后包絡(luò )摩擦環(huán)，靠摩擦力驅動(dòng)銀幕沿軌道運行。如圖9所示。驅動(dòng)電機、減速機、卷筒等均布置于舞臺面以下，通過(guò)立柱和滑輪組爬升、轉向至摩擦環(huán)。

圖9 驅動(dòng)原理圖

　　2 設計要點(diǎn)

　　2.1立柱強度與位置

　　本項目設置了4根立柱，每?jì)筛噜徚⒅c上部的桁架組合形成4個(gè)臺口，將舞臺劃分為4塊表演區域。故立柱的位置將直接影響最終的舞臺表演效果和視覺(jué)感受，前期設計時(shí)需結合演出需要綜合考慮。

　　4根立柱支撐了桁架及桁架上的銀幕、燈具、揚聲器和裝飾材料等重量。由于銀幕的運動(dòng)，還要考慮動(dòng)態(tài)載荷、振動(dòng)以及疲勞。

　　立柱與屋頂桁架為拉索連接，只分擔立柱頂部的水平載荷(傾斜載荷，Fx和Fy)，不分擔垂直載荷(Fz，重力載荷)。立柱載荷分布如圖10所示，立柱受力分析見(jiàn)表2。

圖10 立柱載荷分布

　　2.2 桁架的強度、剛度與重量

　　桁架是銀幕的運行基礎，也是燈具、揚聲器及裝飾材料的安裝基礎，其強度和剛度關(guān)乎整個(gè)劇場(chǎng)安全可靠運行。

　　由于桁架架設在14 m左右的高空，4根立柱近似細長(cháng)桿件，故桁架需在保證可靠性和安全性的前提下，使用先進(jìn)設計分析手段進(jìn)行優(yōu)化設計，盡量降低重量。桁架整體強度分析如圖11所示。

圖11 環(huán)形桁架整體強度分析

　　2.3 銀幕的強度、剛度、重量及運行穩定性

　　銀幕主要承擔投影幕的功能，設計運行線(xiàn)速度為 2 m/s，同時(shí)要保證設備運行噪聲不影響演出效果?，F場(chǎng)實(shí)踐證明，該速度對于銀幕的運行是一個(gè)非?？量痰闹笜?。銀幕在保證強度和剛度的同時(shí)，也需要最大限度減輕自身重量，降低整套設備的運行負載。

　　銀幕框架、軌道、摩擦環(huán)等位置大量采用定制鋁合金型材，保證強度的同時(shí)，降低了設備重量。

　　由于每塊銀幕只是一段圓弧，而摩擦環(huán)是整圓結構，因此在沒(méi)有吊掛銀幕的圓弧段需設置配重平衡整圈重量，以避免運轉過(guò)程中出現偏載。銀幕與配重段分界點(diǎn)結構示意如圖12所示，現場(chǎng)安裝見(jiàn)圖13。

　　本項目初始設計中，銀幕下端為自由端，但在調試過(guò)程中，由于安裝制造誤差的客觀(guān)存在，在離心力的作用下，銀幕旋轉時(shí)的運動(dòng)誤差在其下端會(huì )被放大，銀幕下端的擺動(dòng)幅度約為±100 mm，存在安全隱患。同時(shí)，反復擺動(dòng)也容易造成構件疲勞，存在失效風(fēng)險。鑒于以上原因，現場(chǎng)補制了導向軌道和導向輪，銀幕運行穩定性大大提高。如圖14所示。導向輪裝置設置了彈簧緩沖器，適應舞臺面高差偏差(現場(chǎng)實(shí)測最大偏差為 30 mm)。

圖14 導向輪及導向軌道布置示意圖

　　2.4 驅動(dòng)裝置合理性、可靠性、安全性

　　銀幕的驅動(dòng)方式采用了高強度纖維繩摩擦傳動(dòng)的方式來(lái)驅動(dòng)，驅動(dòng)電機、減速機、卷筒、張緊裝置和控制柜全部布置在舞臺面以下約0.9 m高的空間內，相比于其他傳動(dòng)方式(鋼絲繩、鏈條、齒圈、自驅動(dòng)等)主要有以下優(yōu)勢：

　　1)摩擦繩傳動(dòng)相比鏈條傳動(dòng)具有更靈活的布置自由度，適合本項目的屏幕位置高和驅動(dòng)設備等安裝空間受限的特點(diǎn);

　　2)齒圈、自驅動(dòng)需要將驅動(dòng)布置在高空，高空布線(xiàn)復雜，可靠性低，成本高;

　　3)采用高分子材料制成的高強度纖維繩配合橡膠來(lái)摩擦，相比于鋼絲繩具有摩擦力大、磨損小、安裝維護難度小等優(yōu)勢。

　　采用摩擦繩傳動(dòng)方式，就潛藏了打滑和定位不準的風(fēng)險，對銀幕的運行速度、運行定位及安全距離提出較高要求。

　　摩擦繩出入摩擦環(huán)的角度極大地影響著(zhù)銀幕及其軌道、推進(jìn)環(huán)的受力情況。本項目設置了可擺動(dòng)的滑輪組，以適應啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中的摩擦繩受力變化，調整摩擦繩角度，使摩擦繩進(jìn)出摩擦環(huán)時(shí)盡量貼合摩擦環(huán)的切線(xiàn)方向，減少摩擦環(huán)受到的徑向拉力，同時(shí)對銀幕啟停時(shí)的沖擊力起緩沖作用。如圖15所示。

圖15 擺臂輪組原理示意

　　3 安裝調試要點(diǎn)

　　3.1  安裝順序

　　銀幕裝置安裝在14 m左右的高空，且為無(wú)實(shí)體中心的環(huán)形結構，安裝過(guò)程中的定位、提升方式的選擇都極大地影響著(zhù)設備安裝質(zhì)量。

　　基本安裝順序為：

　　1) 標高基準測定及中心線(xiàn)放線(xiàn);

　　2) 桁架地面按測定的基準標識初布置;

　　3) 立柱固定螺栓預埋;

　　4) 立柱定位測量安裝;

　　5) 立柱垂直度找正;

　　6) 桁架組環(huán)并緊固;

　　7) 桁架初升(提高2 m 左右);

　　8) 軌道、摩擦環(huán)、吊掛小車(chē)、配重等的組裝;

　　9) 桁架提升至設計高度;

　　10) 立柱垂直度再次找正，并利用吊掛拉索調節;

　　11) 桁架與立柱連接緊固;

　　12) 利用觀(guān)眾座椅轉臺在舞臺面繪制銀幕的運轉基準圓;

　　13) 銀幕吊裝，并比對基準圓調整;

　　14) 驅動(dòng)裝置等組裝、走繩;

　　15) 銀幕導向軌道和導向輪的安裝;

　　16) 調試及試運行。

　　3.2 立柱的垂直度、位置度

　　立柱是整個(gè)設備的基礎，其安裝質(zhì)量的重要性不言而喻。在安裝時(shí)，要保證安裝的位置精準，并保證安裝后立柱的垂直度。

　　特別需要注意的是，由于桁架在安裝及吊裝過(guò)程中可能對立柱產(chǎn)生較大的偏載力，在整個(gè)設備安裝完成前，要每天對立柱的垂直度進(jìn)行檢測并及時(shí)調整，否則可能發(fā)生整體偏移的嚴重質(zhì)量問(wèn)題。

　　3.3 桁架的圓度、水平度、位置度

　　桁架由12段弧形桁架結構拼接而成，其安裝圓度、水平度和位置度都對后續設備的安裝質(zhì)量有直接影響。在選取合理安裝方法的同時(shí)要注重實(shí)時(shí)檢測，及時(shí)調整修復。

　　3.4 軌道、摩擦環(huán)的圓度、水平度、位置度及強度

　　軌道和摩擦環(huán)由多段鋁合金型材拼接而成，圓度、水平度和位置度亦需要在安裝過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測和調整。同時(shí)，要按設計尺寸測繪，確保整體回轉半徑誤差在允許范圍內。

　　摩擦繩包絡(luò )摩擦環(huán)的傳動(dòng)方式?jīng)Q定了摩擦環(huán)的受力較大，尤其在設備啟停瞬間，摩擦環(huán)需有足夠的強度來(lái)承受摩擦繩的拉力，在反復使用中不得變形。

　　3.5 銀幕的彎度

　　一塊銀幕由多段短弧形銀幕單元拼接而成。單個(gè)銀幕單元的弧度由制造商保證，現場(chǎng)組裝時(shí)可以根據軌道和摩擦環(huán)的弧度進(jìn)行調整，保證同心。

　　3.6 摩擦繩出入摩擦環(huán)的角度

　　由于設置了擺臂輪組，摩擦繩出入摩擦環(huán)的角度是根據受力而浮動(dòng)的。在安裝調試時(shí)，可以實(shí)際觀(guān)測擺動(dòng)情況，調整擺臂的擺動(dòng)范圍，防止擺動(dòng)范圍過(guò)大影響設備運行的穩定性和產(chǎn)生不必要的噪聲。擺臂隨摩擦環(huán)的實(shí)時(shí)位置調整與摩擦環(huán)的距離，使摩擦繩盡可能貼近摩擦環(huán)，使摩擦環(huán)受摩擦繩徑向力的影響盡量小而不致位移;同時(shí)使摩擦繩對摩擦環(huán)有最大的包絡(luò )角，增大摩擦力。

　　3.7 噪聲控制措施

　　根據現場(chǎng)實(shí)踐，安裝質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的噪聲來(lái)源主要有：

　　1) 軌道拼接質(zhì)量差(縫隙大、對接面不齊等);

　　2) 軌道、摩擦環(huán)、銀幕弧度不匹配而導致吊掛小車(chē)啃軌;

　　3) 摩擦環(huán)拼接質(zhì)量差(縫隙大、對接面不齊等);

　　4) 銀幕運行過(guò)程中的晃動(dòng);

　　5) 緊固件松動(dòng)。

　　現場(chǎng)調試時(shí)，可根據噪聲源定點(diǎn)解決問(wèn)題，直至符合演出要求。

　　4 檢修維護

　　為保證銀幕裝置的長(cháng)期高質(zhì)量運行，需要從以下方面進(jìn)行定期檢修維護：

　　1)立柱、桁架、銀幕吊掛件等關(guān)鍵構件的焊縫及緊固件外觀(guān)檢查，及時(shí)發(fā)現變形和破壞，避免發(fā)生安全事故;

　　2)軌道及摩擦環(huán)的變形及磨損定期檢查，更換變形、磨損嚴重的構件，確定變形和磨損的原因，排除故障;

　　3)檢測設備運行的噪聲，發(fā)現異常響聲，及時(shí)排除故障;

　　4)定期檢查摩擦繩磨損情況，根據磨損情況和弧形銀幕的運轉情況調整張緊力或更換摩擦繩;

　　5)定期進(jìn)行同軌道的銀幕碰撞互鎖試驗，確?？刂葡到y安全互鎖設置可靠運行。

　　5 結語(yǔ)

　　國內演藝形式的不斷創(chuàng )新給演藝設備制造行業(yè)帶來(lái)越來(lái)越多全新的技術(shù)挑戰。本項目的環(huán)形旋轉銀幕裝置同時(shí)具備高空作業(yè)、大型化、高精度、高速度、輕量化等特點(diǎn)，既是項目難點(diǎn)所在，卻也能夠為類(lèi)似項目的開(kāi)展提供一定的參考。

　　選自 《演藝科技》2023年第四期 賈  亮，呂圣龍《大型空中環(huán)形旋轉銀幕裝置的設計及應用》。轉載請標注： 演藝科技傳媒。 更多詳細內容請參閱《演藝科技》。

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