0 序言

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

圖1 劇場整體半剖圖

圖2 劇場整體平面布置圖

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

　　1 設備組成

　　銀幕裝置主要由支撐立柱(以下簡稱：立柱)、環形桁架(以下簡稱：桁架)、銀幕、驅動裝置等組成。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)，同時也是舞臺表演區域的劃分基準。立柱底部通過化學錨栓與混凝土基礎相連，頂部通過拉索與屋頂結構相連。桁架通過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)設備安裝質量不受屋頂建造質量影響，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，可分為內環和外環兩圈軌道。如圖5所示。

　　1.3 銀幕

　　銀幕共4塊，高度約12 m，兩長兩短，安裝在內環和外環兩圈軌道上，內外環各有一長一短兩塊銀幕。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、吊掛小車等均勻吊掛于銀幕軌道。如圖8所示。摩擦環是鋁合金型材圍成的圓形結構，由驅動繩包絡，張緊后靠摩擦力帶動銀幕沿軌道運行。銀幕基本參數見表1。

　　1.4 驅動裝置

　　4塊銀幕配備有4套相互獨立的驅動裝置。同一軌道上的兩塊銀幕通過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。驅動原理為摩擦驅動。每塊銀幕結構都設置有一整圈摩擦環，摩擦繩張緊后包絡摩擦環，靠摩擦力驅動銀幕沿軌道運行。如圖9所示。驅動電機、減速機、卷筒等均布置于舞臺面以下，通過立柱和滑輪組爬升、轉向至摩擦環。

圖9 驅動原理圖

　　2 設計要點

　　2.1立柱強度與位置

　　本項目設置了4根立柱，每兩根相鄰立柱與上部的桁架組合形成4個臺口，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感受，前期設計時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，還要考慮動態載荷、振動以及疲勞。

　　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，其強度和剛度關乎整個劇場安全可靠運行。

　　由于桁架架設在14 m左右的高空，4根立柱近似細長桿件，故桁架需在保證可靠性和安全性的前提下，使用先進設計分析手段進行優化設計，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，設計運行線速度為 2 m/s，同時要保證設備運行噪聲不影響演出效果?，F場實踐證明，該速度對于銀幕的運行是一個非?？量痰闹笜恕ｃy幕在保證強度和剛度的同時，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、摩擦環等位置大量采用定制鋁合金型材，保證強度的同時，降低了設備重量。

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

　　本項目初始設計中，銀幕下端為自由端，但在調試過程中，由于安裝制造誤差的客觀存在，在離心力的作用下，銀幕旋轉時的運動誤差在其下端會被放大，銀幕下端的擺動幅度約為±100 mm，存在安全隱患。同時，反復擺動也容易造成構件疲勞，存在失效風險。鑒于以上原因，現場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(現場實測最大偏差為 30 mm)。

圖14 導向輪及導向軌道布置示意圖

　　2.4 驅動裝置合理性、可靠性、安全性

　　銀幕的驅動方式采用了高強度纖維繩摩擦傳動的方式來驅動，驅動電機、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，相比于其他傳動方式(鋼絲繩、鏈條、齒圈、自驅動等)主要有以下優勢：

　　1)摩擦繩傳動相比鏈條傳動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設備等安裝空間受限的特點;

　　2)齒圈、自驅動需要將驅動布置在高空，高空布線復雜，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勢。

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

　　摩擦繩出入摩擦環的角度極大地影響著銀幕及其軌道、推進環的受力情況。本項目設置了可擺動的滑輪組，以適應啟動、制動過程中的摩擦繩受力變化，調整摩擦繩角度，使摩擦繩進出摩擦環時盡量貼合摩擦環的切線方向，減少摩擦環受到的徑向拉力，同時對銀幕啟停時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

　　3.1  安裝順序

　　銀幕裝置安裝在14 m左右的高空，且為無實體中心的環形結構，安裝過程中的定位、提升方式的選擇都極大地影響著設備安裝質量。

　　基本安裝順序為：

　　1) 標高基準測定及中心線放線;

　　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) 桁架組環并緊固;

　　7) 桁架初升(提高2 m 左右);

　　8) 軌道、摩擦環、吊掛小車、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

　　立柱是整個設備的基礎，其安裝質量的重要性不言而喻。在安裝時，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程中可能對立柱產生較大的偏載力，在整個設備安裝完成前，要每天對立柱的垂直度進行檢測并及時調整，否則可能發生整體偏移的嚴重質量問題。

　　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量有直接影響。在選取合理安裝方法的同時要注重實時檢測，及時調整修復。

　　3.4 軌道、摩擦環的圓度、水平度、位置度及強度

　　軌道和摩擦環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程中實時檢測和調整。同時，要按設計尺寸測繪，確保整體回轉半徑誤差在允許范圍內。

　　摩擦繩包絡摩擦環的傳動方式決定了摩擦環的受力較大，尤其在設備啟停瞬間，摩擦環需有足夠的強度來承受摩擦繩的拉力，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。單個銀幕單元的弧度由制造商保證，現場組裝時可以根據軌道和摩擦環的弧度進行調整，保證同心。

　　3.6 摩擦繩出入摩擦環的角度

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

　　3.7 噪聲控制措施

　　根據現場實踐，安裝質量問題產生的噪聲來源主要有：

　　1) 軌道拼接質量差(縫隙大、對接面不齊等);

　　2) 軌道、摩擦環、銀幕弧度不匹配而導致吊掛小車啃軌;

　　3) 摩擦環拼接質量差(縫隙大、對接面不齊等);

　　4) 銀幕運行過程中的晃動;

　　5) 緊固件松動。

　　現場調試時，可根據噪聲源定點解決問題，直至符合演出要求。

　　4 檢修維護

　　為保證銀幕裝置的長期高質量運行，需要從以下方面進行定期檢修維護：

　　1)立柱、桁架、銀幕吊掛件等關鍵構件的焊縫及緊固件外觀檢查，及時發現變形和破壞，避免發生安全事故;

　　2)軌道及摩擦環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，發現異常響聲，及時排除故障;

　　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)定期進行同軌道的銀幕碰撞互鎖試驗，確保控制系統安全互鎖設置可靠運行。

　　5 結語

　　國內演藝形式的不斷創新給演藝設備制造行業帶來越來越多全新的技術挑戰。本項目的環形旋轉銀幕裝置同時具備高空作業、大型化、高精度、高速度、輕量化等特點，既是項目難點所在，卻也能夠為類似項目的開展提供一定的參考。

　　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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