可变浮力配重水中升降舞台的设计

张术永，戴连卿，杨秀双，尹文敬，李 强

（浙江大丰实业股份有限公司（杭州）舞台设计院，浙江 杭州 310000）

可变浮力配重水中升降舞台的设计

张术永，戴连卿，杨秀双，尹文敬，李 强

（浙江大丰实业股份有限公司（杭州）舞台设计院，浙江 杭州 310000）

针对大型实景演艺秀场的舞台特点，并综合考虑舞台机械的使用环境，介绍多吊点浮力配重大型水中升降舞台设计过程。

舞台机械；水中升降舞台；配重；浮力；多吊点设计

目前，各类大型实景演艺秀场的形式逐渐多元化，通过舞台机械的多维运动，辅以各类水景、灯光、焰火、视频、音效等，营造出气势恢宏且美轮美奂的艺术场景。这种多元化的演艺形式不仅使观众观演犹如身临其境，同时还强化了观众、演员以及场景变化之间的互动，使整个观演过程更具参与感、亲和力。然而，此类秀场多以大型、室外、实景居多，这对舞台机械的要求尤其严格，既要满足超大负载的设备安全稳定地运行，又要满足设备在室外风吹雨淋的环境下正常使用。如果秀场在剧目创意、场景设计过程中引入水景特效作为表现其艺术效果的载体，这就对舞台机械提出了更高的要求，其中包括：设备的密封、防腐、绝缘、环保以及可靠性等。2013年底，笔者所在的研究院为某旅游胜地室外秀场特别设计了一套大型水中升降舞台，该设备采用了钢丝绳多吊点远距离跨区域（从水池到牵引机房）牵引驱动，可调浮力装置作为水中配重，并辅助以钢丝绳载荷（拉力）传感器，通过PLC自动检测控制，根据台面载荷分布变化实时调整配重浮力，确保各吊点拉力均衡。

1 水中升降舞台工况要求

水中升降舞台台面形状如图1所示，台面宽33 m，进深23 m；台口靠观众席一侧有21 m×3.6 m的缺口，用于安装其他设备；台面总面积约683 m2，升降行程0.4 m，速度0.04 m/s；平时（低位时）台面低于水平面0.1 m。升降台的主体全部为钢结构，表面均采用热镀锌处理，使其具有良好的抗腐蚀性，现场拼装均采用螺栓连接，避免破坏镀锌层。驱动采用了不锈钢钢丝绳远程多吊点提升，干、湿区分离的驱动方式。其中，干区位于舞台后侧，是电器设备和驱动装置放置区；湿区为水池，是舞台演出区。干、湿区之间由防水混凝土剪力墙隔开，墙上高于水位0.3 m处预设钢丝绳出入孔。干湿区隔离有效地避免了电器设备遇水漏电以及机械传动装置油污入池的问题，确保了演员在水中表演的安全和池水的清洁环保。升降台剖面如图2。

2 水中升降舞台的设计

2.1 带有载荷检测的多吊点设计

由于舞台面积较大，宜采用多个吊点的方式承担整个舞台的自重和演出荷载。因此，共设置了20个吊点，如图3所示，并结合舞台的形状和受力特点，通过计算和结构分析，使每个吊点的提升力设计基本值相等。为保证各点的实际提升动力满足设计值，在每根钢丝绳与牵引机的连接销轴设置了载荷（拉力）传感器，将各点的载荷转换为电信号传输至PLC检测控制系统，设备调试时可根据载荷显示进行相应位置的浮力调整和钢丝绳预紧力的调整。运行中可根据检测数据，实时控制浮力调节系统进行相应的调整，进而保证了设备在演出运行时的稳定性和台面的最小形变。

设备升降行程较小，仅为0.4 m，因此，驱动装置采用齿轮减速加丝杆传动机构，如图4所示。钢丝绳末端与升降台连接处采用复式牵引方式，以减小钢丝绳的拉力。通过电机带动丝杆旋转，使螺母在水平方向上实现往复动作。两侧螺母向内平移时，钢丝绳被收紧，升降台上升；反之则下降。

吊点提升力的计算如下：

（1）设计条件：

① 舞台钢架自重F ≈580 kN；

图1 水中升降舞台平面图

图2 水中升降舞台纵剖图

图3 水中升降舞台吊点设计图

图4 丝杆驱动结构图

② 动载F动≈90 kN；

③ 钢丝绳吊点数n＝20个；

（2）由于浮力作用降台在水中的重力F'为：

（3）升降台下降时是完全依靠自重，为使设备在空载情况下在水中仍有一定的下沉速度，配重后最终需保留50 kN的自重（F保留），以保证设备完全沉入水中时，钢丝绳仍保持一定的拉紧力而不至松脱。其余设备自重将通过浮力配重系统予以抵消。因此，配重系统应提供的配重浮力F浮为：

（4）在钢架自身浮力和配重浮力的共同作用下，升降台实际重量为：

① 舞台全部露出水面并且满负载时的最大重量② 舞台全部沉没水中并且是空载时的最小重量

（5）各吊点（钢丝绳）平均所受拉力f为：

① 舞台全部露出水面时，

② 舞台全部沉没水中时，

（注：升降台上吊点为动滑轮结构）

2.2 浮力可调配重系统设计

由以上计算可知，舞台自重580 kN，在水中的自身浮力为74 kN，除去预留50 kN自重作为设备下沉力，浮力配重系统需提供的浮力为456 kN。

考虑到升降台面积较大，如果使用常规的固定浮力浮筒作为配重，由于其浮力是固定值，因此可能产生下述弊端：

（1）无法根据设备在水中的实际状况调整浮力；

（2）舞台面积较大，如果浮力分配不合理或台面受载不均时，台面可能会出现局部凸起或凹陷等变形，此时将无法通过改变浮力的大小来均衡台面的变形；

（3）浮筒在水池注水前安装固定，一旦注水调试后，如果发现局部浮力配置不合理、整体过剩或不足，只能将池水排掉后才能重新调整，整改周期长且水资源浪费严重、费用高。

（4）虽然此类秀场演出剧目和场景是相对固定的，但剧组导演也会根据天气、季节以及流行元素等其他因素随时调整演员走位、增减大型道具或改变道具位置等。这就会打破原有的重力平衡，造成升降台倾斜或局部变形。

为避免上述弊端，此升降舞台特别设计了水下浮力可调的配重系统，浮力可根据实际需要在一定范围内调整。其工作原理是：用热镀锌钢板焊接成长条形箱体作为浮力载体（浮箱），并配以给、排水和排气系统，通过调节浮箱内的储水量实现对浮箱的浮力调节，如图5所示。当系统或局部浮力过大时，相应吊点的钢丝绳拉力减小，载荷传感器反馈信号，PLC控制系统启动给水泵；同时打开进水总阀，并根据反馈信号打开相应浮箱的电磁阀，对浮箱加水，以增加浮箱自重，进而减小系统或局部的浮力。反之，当系统或局部浮力太小时，相应吊点的钢丝绳拉力增大，载荷传感器反馈信号，启动排水泵；同时打开进水总阀和相应浮箱的电磁阀，排掉浮箱内的水量，减少浮箱自重，提高系统的整体浮力。浮箱的通气口用软管引至水池边，管口高于水面一定高度固定即可。根据该舞台的情况，该浮力配重系统的浮力在360 kN～560 kN之间可调。

图5 浮力可调水下配重系统原理图

给、排水系统和排气管路采用软、硬管结合使用，软管保证了设备升降时管路不受影响。浮箱内均配装液位检测装置，控制室有相应的水位显示控制仪，可直观地观察注入浮箱内的水量多少，进而控制浮力。每组浮箱设计1根给、排水共用管路，管路接口设置于浮箱底部，排气管路结构设置与浮箱顶部，如图6～图7所示。

图6 浮箱给、排水系统示意图

图7 浮箱给、排水和排气管路布置示意图

图8 浮箱分布及管路走向图

图9 PLC控制系统原理图

根据舞台钢架结构和载荷分布情况，可调浮力系统共设计了12只浮箱，分为7组固定安装在钢架下面，这样可以使浮箱始终处于水面以下。组内的浮箱互通，组间浮箱相对独立，如图8所示。浮箱可同时给、排水，也可按组单独进行给、排水，即可同时调整系统浮力，也可局部调整浮力。

2.3 浮力自动监测调整PLC控制系统

为满足升降台安全平稳运行的要求，浮力配重系统必须能随面载荷大小、位置的变化而变化，为此，在设计中采用两套信号采集系统，即载荷传感器和液位传感器。传感器信号通过PLC控制系统，控制相应的泵与电磁阀，使之达到实时调整各部分配重浮力的目的，确保了升降台面的水平，同时使各吊点钢丝绳受力基本均衡，避免了因局部载荷过大造成部分钢丝绳异常损坏。图9为PLC控制系统原理图。

3 结论

以上详细阐述了可变浮力配重水中升降舞台的设计过程。可变浮力配重系统具有结构简单、造价低、功能全、节能环保、自动化程度高、使用维护方便等优点，可广泛应用于各类水中升降台。该系统采用钢丝绳远程牵引提升的方式，合理地将舞台与驱动机房分隔为两部分，湿区部分为舞台与表演区，而配电、控制、驱动机构则设置于干区。干区完全与水分隔，避免了强电进入湿区，确保了演员的安全；同时还有效地避免了驱动装置油污等对水质的污染，又方便日常维护。此升降舞台的设计借鉴了船舶加载压舱平衡的工作原理，利用水下浮箱提供浮力配重，大大降低设备运行的驱动功率。浮箱通过给、排水系统自动调节浮力，进而保证大型舞台面的水平。系统调节方便，易于控制，对演出场景的变化适应性更强，且节能环保效果显著。到目前为止，该水中升降舞台已安全运行一年多，演出场次达一千多场，取得了良好的舞台效果，获得了业主、表演团队和观众的一致认可。

（编辑 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