地面舞台机械设备是2022年北京冬奥会开闭幕式的重要表演设施。本文详细介绍了北京冬奥会开闭幕式地面舞台机械设备的总体工艺布置和技术参数，简单描述了单台设备的功能，并针对主要设计难点予以分析且提出了解决方案。
第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）是首次在中国举办的冬奥会，也是继2008年夏季奥运会后中国举办的最重要国际赛事，其开闭幕式更是备受瞩目。中国航天一院15所下属的北京长征天民高科技有限公司（以下简称：长征天民）承担了北京冬奥会开闭幕式全部舞台设备的设计、供货、安装及保障工作。
尽管受到全球疫情影响，北京冬奥会开闭幕式依然取得了圆满成功，获得了全球观众的赞叹。在开闭幕式演出中，航天科技发挥了重要作用，地面舞台为冰立方表演、五环呈现、火炬升起、冰瀑效果、地面大型LED屏幕提供了基础支撑。舞台按照航天标准建造，规模创新高，并在成熟机电技术的基础上，采用了多项新工艺、新技术，设备可靠性完全满足了本次演出的要求。
2.1 场地条件
开闭幕式活动场地在北京国家体育场（鸟巢）。场地中央原有的圆形地仓，直径23 m，仓底标高-18.100 m；新开挖的地仓84 m×42 m，标高-10.300 m，在地仓外围有混凝土环廊，外廓尺寸100 m×62 m，地面标高-5.100 m，环廊顶标高-0.800 m，环廊外围有3 m~4 m宽的肥槽，其余为跑道（见图1）。
2.2 方案说明
本项目的体育场场地全部为舞台区域，具体划分为：主舞台区域，固定舞台1A，固定舞台1B，固定舞台2，固定舞台3（见图2）。其中，主舞台区域、固定舞台1A和固定舞台2铺设LED屏幕作为表演区，固定舞台1B和固定舞台3为黑区（铺设木地板），供演员候场及工作人员活动使用。表演区LED屏幕面积约11 000 m2，黑区面积约9 798 m2。本项目的机械设备全部布置在主舞台范围内，地仓内设备以外是固定钢结构（主舞台剖面图见图3）。固定钢结构和舞台机械钢结构顶标高为+0.280 m，钢结构上铺设钢格栅，钢格栅上铺设LED屏幕，外围区域铺设木地板，使鸟巢地面形成一个完整的表演平面舞台。舞台面标高+0.416 m，在-5.100 m地仓有钢平台，用于演员候场、进出升降台和倾斜板、道具储存，舞台机械主控室也设在此钢平台上；在-7.000 m钢平台上有冰立方的控制柜室和LED屏幕系统控制柜室，LED屏幕的播控系统和操作室也布置在此位置。在-8.500 m钢平台有5个变配电室以安装供配电设备和控制柜。在-10.300 m地仓内安装所有舞台机械设备的驱动装置，在-18.100 m地仓内安装中央升降台的立柱和转向滑轮。本项目在舞台中央设置直径16 m的中央升降台，可以下降到-5.100 m，或上升到+5.416 m，用于升降主火炬或者演员；中央升降台上方有盖板遮蔽洞口；中央升降台的东侧设置22 m×7 m的冰立方，冰立方的两侧设置22 m×4 m的倾斜板，大量演员可以快速进出地仓；在冰立方的东侧有冰瀑和斜坡，冰瀑上有升降门；冰瀑通过斜坡与地屏形成一个整体表演空间，运动员通过冰瀑门进入场地（见图4）。
舞 台 北 侧 台 下 设 置 了 五 环 组 装 储 存 区 域 ，19m×8.75 m的五环在地仓内组装测试后，用吊车将其直接整体转运到冰立方内；开幕式结束后，五环被吊运回原储存位置，腾出冰立方内的空间，以便安装闭幕式用的“星星五环”。转运过程只需要2小时。本项目采用小开合方式进行换景，中央升降台上方的盖板采用在车台上安装补偿台的形式，实现了“补偿台先下降、盖板再向两侧整体平移”的开合效果，保证活动舞台区域限制在直径16 m的圆形范围内，可以最大限度地减少对舞台面其它区域演出的影响（见图5、图6）。
中央升降台在开幕式时安装了一套火炬举升设备（自重约20 t），高度1 m，可以将火炬升起45°。在升降台周围3 m高度内安装了LED格栅屏，在升降台升起后顶面和四周都可以显示视频影像。在闭幕式时升降台上安装了36台灯具，坑口四周安装射灯，盖板下降打开后，从地仓内射出灯柱，形成了“缅怀”环节的奇幻效果。倾斜板宽度4 m，便于大量演员从-5.100 m地仓到舞台面的进出，按照每排4人，间隔1 m、行走速度1 m/s（折合3.6 km/h）计算，每分钟可以通行240人。演员可以由地仓进入地面舞台，演出结束后经倾斜板从地仓撤场。主舞台区固定钢结构设计承载能力为10 kN/m2 ，中央升降台和倾斜板在安装临时支撑后承载能力也达到了10 kN/m2 。2021年4月底固定钢结构安装后，表面铺设钢格栅供“伟大征程”演出使用，舞台表面有大约4 000 名演员进行活动，还有重型车辆在台上行走参加表演。舞台结构承受住了这样的重型载荷，圆满完成了任务。在上述演出结束后，将表面钢格栅作为LED地屏的安装基础，使得地屏安装安全高效，维护检修方便。固定舞台3采用雷亚架结构，高度可以适应体育场地面的变化，表面铺设模块化面板，即阻燃木板安装在钢框架上，木板上铺设地胶耐磨防水，地胶上铺设黑色地毡防止反光，表面设计承载能力5 kN/m2 ，可以满足演员和道具的行走要求。特别是在开幕式结束后，仅用了10个小时就在场地的东侧拆出2条约长82 m、宽24m的通道，允许大型吊车和重型货车进入场地东侧中央部位去拆除冰瀑。在拆除结束后20小时内迅速恢复舞台表面，为闭幕式的演出排练提供了最优的技术保障。所有设备电机采用一主一备方式，备用电机与主电机规格完全相同，主电机和备用电机各自拥有独立的变频器。
地面舞台设备主要包括中央升降台、倾斜板、盖板、冰立方。
4.1 中央升降台
中央升降台位于舞台中央，利用了原有的直径23 m、深度18 m的深基坑，采用电动钢丝绳卷扬配重驱动、电梯导轨导向的方式。升降台导轨及配重导轨的安装钢结构都布置在深基坑内，并且与混凝土结构和主舞台固定钢结构连接保证其稳定性。驱动设备安装在-10.3 m标高，钢丝绳先引入-18.100 m，通过水平转向滑轮和下部垂直转向滑轮到升降台固定立柱上方滑轮牵引升降台运动。此深基坑允许升降台最低下降到-5.100 m，最高可以上升到+5.416 m，行程达到了10.516 m，最大程度地满足了演出需求。中央升降台使用2台250 kW电机（一主一备）驱动钢丝绳卷扬机确保使用可靠性。4组配重有效提高了升降台的载荷能力，最大动载为30 t，最大静载为60 t，升降台速度达到了0.25 m/s。由于深基坑直径23 m，升降台直径16 m，采用了两段式变截面钢结构台体。下层台体为矩形，可以与导轨、立柱、配重等良好连接，上部台体直径16 m，适应演出需求。在-5.100 m升降台东西两侧有钢平台与升降台直接连接，便于演员出入升降台。在-5.100 m升降台南北两侧设置手动翻转平台，翻转平台翻下时，演员和大型道具可以从南北两侧快速进出升降台，此种工况下，升降台可以从舞台面上升3 m，不会与翻转平台干涉。在手动翻转平台翻起后，升降台可以上升到+5.416 m。在-5.100 m平台升降台的各个入口都设置了安全门，安全门与升降台互锁，即安全门打开时，升降台不能运动。
4.2 盖板
2套盖板与1套中央升降台配套使用，每套盖板包括补偿台和平移车台（见图7）。
本项目将补偿台和平移车台结合，半径8 m的半圆形补偿台设置于 21 m × 8 m平移车台上，一起使用。补偿台下降后2块车台向洞口的南北两侧移动，让开直径16 m的圆形洞口，中央升降台可以上升到舞台面以上。中央升降台下降后，两侧的车台向中间平移到位，补偿台升起补平舞台面，盖板的运动不影响舞台面的演出。车台行走采用齿轮齿条形式，有4台电机减速机驱动车台运动，其中 2 台是备用驱动 。在车台上安装了10套刚性链，由2台电机驱动，2台电机也是一主一备。
4.3 倾斜板
在主舞台的东南角和东北角设置2套倾斜板，倾斜板长22 m，宽4 m，可下降后形成斜坡沟通-5.100 m环廊和舞台面，供演员从地仓快速进出舞台（见图8、图9）。倾斜板采用电动卷扬驱动，实现倾斜板绕轴转动，转动到位后，转轴处有较大缝隙，特别设计了一套推拉机构，将倾斜板整体拉动缩小间隙以保护演员行走安全。在环廊处设置专用坡道与倾斜板对接，坡道上有安全门与倾斜板互锁保证使用安全。在最低位置还有安全支架防止坠落，在舞台面有插销机构保证舞台面的安全使用，在倾斜板下降后的两侧墙有安全围挡，在潜藏风险的位置都做了安全性设计，同时还采用2台电机驱动，其中一台是备用电机，确保其可靠性。
4.4 冰立方
冰立方设备长22 m、宽7 m，位于国家体育场正中偏东侧，正对主席台，是北京冬奥会五环展现的主体设备，也是本届冬奥会开幕式的一大亮点（见图10、图11、图12）。冰立方不同于普通升降台，其顶面和四周都安装有LED屏幕，内部有五环储存支撑空间，顶部有活门作为五环升起通道，原始创意还要求在其内部储存大量的实物冰块模型，并在演出中由人工抛出。地仓深度仅有10.7 m，要求从舞台面升起10 m，能够承受六级风载荷。同时，冰立方需要托举五环从地下升到地上，这对于运动的平稳性要求很高。碎冰表演及出现五环时还需要与威亚配合运动。因此，冰立方是本工程中难度最大的设备。针对项目要求，设计采用多级升降方式，使用315kW电机驱动16条套筒滚子链带动二级钢立柱上升，二级钢立柱上的滑轮通过16条钢丝绳牵引上层台体运动，在4套固定钢立柱内设置4组配重有效增加驱动能力，固定立柱上的16条重型直线导轨保证了二级钢立柱的平稳运行以及抗风载能力，二级钢立柱上的电梯导轨使得五面覆盖LED的大型钢结构上层台体继续平稳上升。北京冬奥会开闭幕式地面舞台设备的设计及应用具有以下特点。
（1）全程完美落实了“安全、简约、精彩”的办赛要求。
（2）安全性高。露天使用舞台设备时，夏季安装需要防雨淋，冬季需要在-20°环境下使用。设备采用适合露天使用的高防护等级产品，同时在驱动设备上方安装雨棚防雨，在电机下方配备钢支架，在地仓内安装排水设备；此外，还由专人负责防止水淹，确保其安全可靠性。
（3）精密导向。地仓深度有限，设备升降行程要求大；特别是冰立方表现突出，采用多级升降、精密导向的方式实现了设备的平稳运行，最终实测定位精度达到了1 mm。
（4）方案历经多次打磨。反复与导演团队、冬奥组委沟通、研究、探讨，大胆创新，经过了将近20轮的调整后方案才最终确定。
（5）设计创新。使用小开合方式，将盖板和中央升降台都局限在16 m直径的范围内，有效提升其它舞台区域的利用率。
（6）设计兼顾保密和排练要求。五环的形式是一个重点保密的创意，需要最后安装，且安装期间已经开始排练，要求既不能影响排练，还需要严格保密；同时，对于一个长19 m、高8.75 m的庞然大物来说，运输也是难题。在固定舞台区域地仓内设置五环组装储存空间，上方是活动结构。打开2排地屏，揭开钢格栅就可以使用吊车将五环吊出直接转运到冰立方内，在开幕式结束后，可以将五环吊回储存位置，再把闭幕式用的“星星五环”吊入冰立方。这个转运工作不到2小时就可以完成，满足了保密和排练的要求。
（7）固定舞台3设计出彩。该舞台看似简单，其实并非如此，它需要在416 mm的高度内满足载荷要求、适应体育场内地面多达120 mm的高差，还要能反复快速拆装为其他道具安装服务。雷亚架结构与模块化台板完美实现了上述要求。
（8）冗余方案确保演出安全。所有设备都必须考虑备用冗余方案，避免单点现象，确保演出瞬间故障的应急处置安全切换，做到万无一失。机械设备确保了机构及传动的安全可靠，控制系统对所有电机和变频器的性能曲线实时监控，反复测试演练，最终保证了开闭幕式的顺利进行。
北京冬奥会是中国改革开放40余年后举办的重要国际赛事之一，具有重要的国际影响。开闭幕式地面舞台是国内外现有的最大舞台设备，是航天科技与舞台设备技术的有机结合，体现了国内舞台机械的技术实力和先进水平。长征天民把自己数十年的航天科技经验积累和质量管控体系应用到了冬奥会项目中，保证了开闭幕式演出的顺利进行，也为舞台机械行业带来了新的理念和突破，留下了值得借鉴的经验。
选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》 申纪刚，曹岭，何冠杰，郑志荣，智 浩，张向勇，杨元永《北京冬奥会开闭幕式地面舞台机械设备总体工艺设计》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技 冬奥特刊》。
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