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冬奥特辑丨独家揭秘:冰立方是如何滴水化冰的

2022-02-06

2022年2月4日,北京鸟巢,2022年冬奥会开幕式。当奥运五环破冰而出、冉冉升起时,整个世界都被这一美轮美奂的场景惊艳到了,而让人惊艳的冰立方设备,是由北京金东高科科技有限公司设计提供的。


冰立方是北京2022年冬奥会开幕式最核心的表演设备,位于国家体育场正中偏东侧,正对主席台,是冬奥会五环展现的主体。其机械系统的设计方案从初步确立到最终成型,经过了十数次修改才得以确定。



冰立方位置与要求

1) 温度:夏季使用不超过+40℃;冬季使用不低于-20℃。

2) 风速:地面平均风速不超过6m/s,瞬时最大风速不超过10m/s。

3) 使用环境:露天。

4) 冰立方位于体育场正中偏东侧,升起后为长方体结构,南北长22m,东西宽7m,高14.25m。

5) 冰立方内部能够储存五环,储存静空间19m × 0.5m × 10m。

6) 台面设置下翻活门,活门尺寸20m × 1m ,需要时,可以打开,平时闭合用作台面。


冰立方平面布置图

冰立方三维外形图


设计难点及重点

冰立方设备地仓深度为10.716m,要求升起14.25m,不同于传统意义上的升降台,而是升起后形成一个由上表面LED、四周立面LED围成的长方体。其设计的难点和重点如下:

1)  体量大

冰立方是此次表演设备体量最大的设备,长22m,宽7m,高14.25m,平面尺寸是普通演艺升降台的3倍,体积达到2195立方米。


2) 载荷重

冰立方总重量约400吨,动载荷达到近200吨。


3) 速度高

设备升降最大速度为0.45m/s,对传动机构和结构设计带来巨大挑战。


4) 地仓浅,行程大

受地仓深度限制,10.716m深的地仓需要升起14.25m的设备,必须采取多级伸缩的形式,且应平稳自如。


5) 受力结构不连续

设备中间位置需给五环留出20m × 1m × 10m的净空间,几乎把设备从中间分成两半,无法形成完整的桁架结构,受力状态不佳,结构上需要特殊处理。


6) 露天,有风载荷

国家体育场内存在风载荷影响,根据气象局连续3个月测量的结果,场内平均风速为6m/s,最大瞬时风速达到10m/s。


7) LED整体性

设备升起后,四周立面的LED需要14.25m高的整体,这么高的LED也需要储存在10.716m深的地仓内,所以四周立面LED也需进行机械伸缩。


设计方案 

冰立方机械系统包括1套主升降机构,2套南北下部LED平移机构,4套东西下部LED平移机构,1套顶部活门1,2套顶部活门2,2套顶部吊点活门。

冰立方机械系统设备组成图


冰立方横剖图


参数汇总表 

冰立方机械系统参数汇总表(第一种方案)


设备运动、场景实现 

1) 场景实现动作顺序

初始位置(位置一)位于地仓内,上表面与舞台面平齐,此时所有下部LED平移机构处于推出状态,与主升降机构上的LED前后伸缩收纳。


第一阶段:主升降机构开始升起,所有下部LED平移机构不动,升起到+5m时,到达位置二,此时主升降机构托起下部LED平移机构;


第二阶段:主升降机构继续上升,此时所有下部LED平移机构开始平移往内动作,平移0.57m后,到达位置三,给出到位信号;


第三阶段:主升降机构继续上升到达+14.25m高度,完成升起动作;所有活门打开,到达位置四;


第四阶段:主升降机构下降,内部五环逐渐露出;


第五阶段:主升降机构下降到6m时,即所有下部LED平移机构均进入地仓内,下部LED平移机构开始平移往外动作;


第六阶段:主升降机构继续下降到2.5m,所有下部LED平移机构平移动作完成;


第七阶段:主升降机构继续下降到舞台面,主升降机构停止动作,所有活门关闭,所有动作完成。


位置一


位置二


位置三


位置四


2) 场景呈现时间表及行程图

场景呈现时间行程图


计算及仿真

在方案设计中,充分考虑了各种工况(冲击、偏载、侧风、横风、雪载、自振、风振等),并进行了大量的仿真计算、选型计算、运动加速惯量计算、刚强度计算、支反力均布优化、模态分析等,并根据计算结果进行了多轮优化。由于篇幅有限,下面仅列出计算结果。


▲整体计算变形云图

整体计算应力云图


调试及试验 

1) 速度、电流、转矩试验


2) 静载试验

现场施工图


验收 

在自检合格后,由奥组委委托第三方(国家舞台设备质量监督检验中心)进行了全面的检测,顺利通过验收。


考虑到开幕式全场表演设备的协调一致性和时间节奏要求,冰立方最后呈现在大家面前的是比原研发设计精简了很多功能的,比如升降行程由14.25m变为了10m、取消了整体水平移动等等,有一点点遗憾,即使这样,金东高科依然凭借自身的技术实力,完美的实现了导演的创意,给大家展示了滴水化冰的冰立方。


需要说明的是,金东高科在本次开幕式表演中,不仅提供了冰立方这样出色的演出装置,还提供了其他一系列复杂的演出设备。




责编:柳眠

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