大型空中环形旋转银幕装置的设计及应用

　　0 序言

　　苏州360剧场(以下简称：本项目)的设计将360°旋转式观众席与环形舞台相结合，将多维度多层次银幕投影作为环型舞台上表演内容的一部分，与旋转式观众席结合使用，使实景与虚景融为一体，创造出一种全新的演艺方式。剧场剖面图如图1所示，平面图如图2所示。

图1 剧场整体半剖图

图2 剧场整体平面布置图

　　环形旋转银幕(以下简称：银幕)是一种新型的在空中组成的大体量旋转装置。4块弧形硬质银幕安装在剧场上空的环形轨道上，轨道回转直径约44 m;银幕外侧的舞台分为4块表演区域;银幕内侧为观众座椅转台。演出时，根据剧目情节需要，环形银幕装置、观众座椅转台配合旋转，再结合声光效果，实现4个场景快速切换，使观众欣赏到一场奇妙的视觉盛宴。

　　1 设备组成

　　银幕装置主要由支撑立柱(以下简称：立柱)、环形桁架(以下简称：桁架)、银幕、驱动装置等组成。如图3所示。

　　1.1 立柱

　　立柱是整套设备的结构基础(本项目共使用4根立柱)，同时也是舞台表演区域的划分基准。立柱底部通过化学锚栓与混凝土基础相连，顶部通过拉索与屋顶结构相连。桁架通过拉索吊挂于支撑立柱上部。如图4所示。

　　本项目采用立柱支撑桁架及其附属设备重量，屋顶只承受少量水平载荷。这样设计有以下好处：

　　1)大大减小屋顶结构载荷，降低整体成本;

　　2)设备安装质量不受屋顶建造质量影响，减小土建施工难度;

　　3)舞台设备整体方案具备极高的可移植性。

　　1.2 桁架

　　桁架既是银幕运转的基础，也是一部分灯光、扩声设备的安装基础，其顶部设有整圈检修走道。银幕的运行轨道由上到下设有4层，可分为内环和外环两圈轨道。如图5所示。

　　1.3 银幕

　　银幕共4块，高度约12 m，两长两短，安装在内环和外环两圈轨道上，内外环各有一长一短两块银幕。如图6、图7所示。每块银幕根据其尺寸，由数量不等的吊挂架、摩擦环、吊挂小车等均匀吊挂于银幕轨道。如图8所示。摩擦环是铝合金型材围成的圆形结构，由驱动绳包络，张紧后靠摩擦力带动银幕沿轨道运行。银幕基本参数见表1。

　　1.4 驱动装置

　　4块银幕配备有4套相互独立的驱动装置。同一轨道上的两块银幕通过编码器连锁控制防止碰撞;不同轨道上的银幕互不影响，可根据演出需要自由运动。驱动原理为摩擦驱动。每块银幕结构都设置有一整圈摩擦环，摩擦绳张紧后包络摩擦环，靠摩擦力驱动银幕沿轨道运行。如图9所示。驱动电机、减速机、卷筒等均布置于舞台面以下，通过立柱和滑轮组爬升、转向至摩擦环。

图9 驱动原理图

　　2 设计要点

　　2.1立柱强度与位置

　　本项目设置了4根立柱，每两根相邻立柱与上部的桁架组合形成4个台口，将舞台划分为4块表演区域。故立柱的位置将直接影响最终的舞台表演效果和视觉感受，前期设计时需结合演出需要综合考虑。

　　4根立柱支撑了桁架及桁架上的银幕、灯具、扬声器和装饰材料等重量。由于银幕的运动，还要考虑动态载荷、振动以及疲劳。

　　立柱与屋顶桁架为拉索连接，只分担立柱顶部的水平载荷(倾斜载荷，Fx和Fy)，不分担垂直载荷(Fz，重力载荷)。立柱载荷分布如图10所示，立柱受力分析见表2。

图10 立柱载荷分布

　　2.2 桁架的强度、刚度与重量

　　桁架是银幕的运行基础，也是灯具、扬声器及装饰材料的安装基础，其强度和刚度关乎整个剧场安全可靠运行。

　　由于桁架架设在14 m左右的高空，4根立柱近似细长杆件，故桁架需在保证可靠性和安全性的前提下，使用先进设计分析手段进行优化设计，尽量降低重量。桁架整体强度分析如图11所示。

图11 环形桁架整体强度分析

　　2.3 银幕的强度、刚度、重量及运行稳定性

　　银幕主要承担投影幕的功能，设计运行线速度为 2 m/s，同时要保证设备运行噪声不影响演出效果。现场实践证明，该速度对于银幕的运行是一个非常苛刻的指标。银幕在保证强度和刚度的同时，也需要最大限度减轻自身重量，降低整套设备的运行负载。

　　银幕框架、轨道、摩擦环等位置大量采用定制铝合金型材，保证强度的同时，降低了设备重量。

　　由于每块银幕只是一段圆弧，而摩擦环是整圆结构，因此在没有吊挂银幕的圆弧段需设置配重平衡整圈重量，以避免运转过程中出现偏载。银幕与配重段分界点结构示意如图12所示，现场安装见图13。

　　本项目初始设计中，银幕下端为自由端，但在调试过程中，由于安装制造误差的客观存在，在离心力的作用下，银幕旋转时的运动误差在其下端会被放大，银幕下端的摆动幅度约为±100 mm，存在安全隐患。同时，反复摆动也容易造成构件疲劳，存在失效风险。鉴于以上原因，现场补制了导向轨道和导向轮，银幕运行稳定性大大提高。如图14所示。导向轮装置设置了弹簧缓冲器，适应舞台面高差偏差(现场实测最大偏差为 30 mm)。

图14 导向轮及导向轨道布置示意图

　　2.4 驱动装置合理性、可靠性、安全性

　　银幕的驱动方式采用了高强度纤维绳摩擦传动的方式来驱动，驱动电机、减速机、卷筒、张紧装置和控制柜全部布置在舞台面以下约0.9 m高的空间内，相比于其他传动方式(钢丝绳、链条、齿圈、自驱动等)主要有以下优势：

　　1)摩擦绳传动相比链条传动具有更灵活的布置自由度，适合本项目的屏幕位置高和驱动设备等安装空间受限的特点;

　　2)齿圈、自驱动需要将驱动布置在高空，高空布线复杂，可靠性低，成本高;

　　3)采用高分子材料制成的高强度纤维绳配合橡胶来摩擦，相比于钢丝绳具有摩擦力大、磨损小、安装维护难度小等优势。

　　采用摩擦绳传动方式，就潜藏了打滑和定位不准的风险，对银幕的运行速度、运行定位及安全距离提出较高要求。

　　摩擦绳出入摩擦环的角度极大地影响着银幕及其轨道、推进环的受力情况。本项目设置了可摆动的滑轮组，以适应启动、制动过程中的摩擦绳受力变化，调整摩擦绳角度，使摩擦绳进出摩擦环时尽量贴合摩擦环的切线方向，减少摩擦环受到的径向拉力，同时对银幕启停时的冲击力起缓冲作用。如图15所示。

图15 摆臂轮组原理示意

　　3 安装调试要点

　　3.1  安装顺序

　　银幕装置安装在14 m左右的高空，且为无实体中心的环形结构，安装过程中的定位、提升方式的选择都极大地影响着设备安装质量。

　　基本安装顺序为：

　　1) 标高基准测定及中心线放线;

　　2) 桁架地面按测定的基准标识初布置;

　　3) 立柱固定螺栓预埋;

　　4) 立柱定位测量安装;

　　5) 立柱垂直度找正;

　　6) 桁架组环并紧固;

　　7) 桁架初升(提高2 m 左右);

　　8) 轨道、摩擦环、吊挂小车、配重等的组装;

　　9) 桁架提升至设计高度;

　　10) 立柱垂直度再次找正，并利用吊挂拉索调节;

　　11) 桁架与立柱连接紧固;

　　12) 利用观众座椅转台在舞台面绘制银幕的运转基准圆;

　　13) 银幕吊装，并比对基准圆调整;

　　14) 驱动装置等组装、走绳;

　　15) 银幕导向轨道和导向轮的安装;

　　16) 调试及试运行。

　　3.2 立柱的垂直度、位置度

　　立柱是整个设备的基础，其安装质量的重要性不言而喻。在安装时，要保证安装的位置精准，并保证安装后立柱的垂直度。

　　特别需要注意的是，由于桁架在安装及吊装过程中可能对立柱产生较大的偏载力，在整个设备安装完成前，要每天对立柱的垂直度进行检测并及时调整，否则可能发生整体偏移的严重质量问题。

　　3.3 桁架的圆度、水平度、位置度

　　桁架由12段弧形桁架结构拼接而成，其安装圆度、水平度和位置度都对后续设备的安装质量有直接影响。在选取合理安装方法的同时要注重实时检测，及时调整修复。

　　3.4 轨道、摩擦环的圆度、水平度、位置度及强度

　　轨道和摩擦环由多段铝合金型材拼接而成，圆度、水平度和位置度亦需要在安装过程中实时检测和调整。同时，要按设计尺寸测绘，确保整体回转半径误差在允许范围内。

　　摩擦绳包络摩擦环的传动方式决定了摩擦环的受力较大，尤其在设备启停瞬间，摩擦环需有足够的强度来承受摩擦绳的拉力，在反复使用中不得变形。

　　3.5 银幕的弯度

　　一块银幕由多段短弧形银幕单元拼接而成。单个银幕单元的弧度由制造商保证，现场组装时可以根据轨道和摩擦环的弧度进行调整，保证同心。

　　3.6 摩擦绳出入摩擦环的角度

　　由于设置了摆臂轮组，摩擦绳出入摩擦环的角度是根据受力而浮动的。在安装调试时，可以实际观测摆动情况，调整摆臂的摆动范围，防止摆动范围过大影响设备运行的稳定性和产生不必要的噪声。摆臂随摩擦环的实时位置调整与摩擦环的距离，使摩擦绳尽可能贴近摩擦环，使摩擦环受摩擦绳径向力的影响尽量小而不致位移;同时使摩擦绳对摩擦环有最大的包络角，增大摩擦力。

　　3.7 噪声控制措施

　　根据现场实践，安装质量问题产生的噪声来源主要有：

　　1) 轨道拼接质量差(缝隙大、对接面不齐等);

　　2) 轨道、摩擦环、银幕弧度不匹配而导致吊挂小车啃轨;

　　3) 摩擦环拼接质量差(缝隙大、对接面不齐等);

　　4) 银幕运行过程中的晃动;

　　5) 紧固件松动。

　　现场调试时，可根据噪声源定点解决问题，直至符合演出要求。

　　4 检修维护

　　为保证银幕装置的长期高质量运行，需要从以下方面进行定期检修维护：

　　1)立柱、桁架、银幕吊挂件等关键构件的焊缝及紧固件外观检查，及时发现变形和破坏，避免发生安全事故;

　　2)轨道及摩擦环的变形及磨损定期检查，更换变形、磨损严重的构件，确定变形和磨损的原因，排除故障;

　　3)检测设备运行的噪声，发现异常响声，及时排除故障;

　　4)定期检查摩擦绳磨损情况，根据磨损情况和弧形银幕的运转情况调整张紧力或更换摩擦绳;

　　5)定期进行同轨道的银幕碰撞互锁试验，确保控制系统安全互锁设置可靠运行。

　　5 结语

　　国内演艺形式的不断创新给演艺设备制造行业带来越来越多全新的技术挑战。本项目的环形旋转银幕装置同时具备高空作业、大型化、高精度、高速度、轻量化等特点，既是项目难点所在，却也能够为类似项目的开展提供一定的参考。

　　选自 《演艺科技》2023年第四期 贾  亮，吕圣龙《大型空中环形旋转银幕装置的设计及应用》。转载请标注： 演艺科技传媒。 更多详细内容请参阅《演艺科技》。

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