舞台机械设备设计基本点

从广义上讲，机械设计就是为满足特定目标而开发一种机器的过程。演出场所舞台机械的设计，涉及到要将导演或布景设计师的设想转变成为真正理想的换景机械，或剧场必要的辅助运输机械以及安全隔离机械等。在这个过程中，首要和最基本的条件是有关舞台机械设备的设计技术要求。

1 舞台机械设备的设计技术要求

舞台机械设备的设计技术要求包括针对具体设备所要求的功能技术参数及功能需要的特定结构形式。功能技术参数是设备发挥其限定作用及效能所具备的参数，特定结构形式是为满足功能所预先要求的结构限定，这些都是设备设计制造完成后要满足的技术要求，一般作为设计输入条件给设计者作为设计依据并形成设计输出的一部分。虽然舞台机械设备的功能形式多种多样，但其设计技术要求还是可以归纳表达，如表1所示。

表1 舞台机械设备的设计技术要求（设计输入条件）

2 舞台机械工程相关通用要求

除设备设计技术要求外，设计者还应该注意舞台机械工程的相关通用要求，这也是设计输入的一部分，不能忽略。如：加工性、焊接性、装配性、试验性、安装性、材质特性、表面处理特性，以及滑轮及卷筒、绳索及锁具、卷扬机、钢结构、电机减速器、联轴器、传动轴、链轮链条、齿轮齿条、螺杆螺母、剪叉斜面、凸轮机构、连杆机构、制动器、轴承、平衡重、导向装置、锁定装置、限位开关、安全开关、传感元件等等。

还有设备停位精度、设备同步精度、台面板高差精度、台缝宽度、结构强度及安全系数、结构刚度、稳定性、安全性、可靠性、噪声与振动、铭牌与标志、标准化与通用性、辅助与备用、使用与维护，电气与控制要求等等。

这些通用要求都在工程项目的标书以及有关标准中有充分的表述。

这些总体要求作为设计输入条件的一部分都必须相应地体现在设备设计的过程及结果中，设计者不能遗漏，最直接的方法是设计前及设计各阶段用上述内容对照检查一遍，以免疏忽。

3 设计过程相关参数

设计过程相关参数是为满足设备功能而设计计算并选用的设备驱动传动结构的技术参数，设备设计制造完成后固化于设备系统中的结构参数，一般形成设计输出的一部分。舞台机械设备的结构形式根据需要可能会千变万化，故其结构参数将根据结构形式不同而有很多项，这里只将比较共用的参数归纳整理如表2所示，设计时根据其具体结构形式还会产生多项特性参数。

表2 设计过程相关参数

设计计算过程，就是以设备的设计技术要求及工程相关总体要求为设计输入条件，完成结构参数的设计计算及选定的过程，同时也是研究解决各个具体技术问题的过程。设备设计技术要求和工程相关通用要求作为设计输入条件，供设计者作为设计依据，贯彻在设计过程及结果中。同时，设计技术要求和设计过程相关参数共同作为设计输出结果，体现在设计图纸、计算书及有关输出技术文件中。同时，设计过程还要遵循市场供料及配套件技术规格、规范条件的限制。

另外，设计输出文件中的设备使用维护说明书也是设计者不可忽视的文件，其中除了正常的使用维护说明，还有设计过程中不可避免产生的许多使用维护限定条件体现在该文件中。

4 功能参数相关要素

功能参数以舞台工艺设计为依据，舞台工艺设计以满足功能需要为前提。舞台工艺确定之后，就确定了舞台建筑结构。所以，许多功能参数又与舞台建筑结构紧密相连，同时还与人体工程学等诸多因素有关。例如运行行程、运行速度及额定载荷等。

4.1 运行行程

台上吊挂设备的升降运行行程一般大于台口高度，且大部分都在台口高度的两倍以上，是吊挂景物换场换景的需要。

舞台平移飞行机构的运行行程一般大于台口宽度，是飞行表演过程的需要。主舞台升降台的升降运行行程一般为升程与降程，升程是高于舞台面表演最佳位置的需要；降程是低于舞台面藏匿演员或景物的需要。

侧车台平移运行行程一般是主舞台升降台宽度加侧辅助台宽度的和，是水平换场换景的需要，其中主舞台升降台宽度一般与台口宽度相适应；侧辅助台宽度是防止侧台景物穿帮的需要。有工艺要求侧车台行至另一侧的，其行程再加一升降台宽度和侧辅助台宽度。

乐池升降台的升降运行行程一般为舞台面以下乐池深度的降程，有运输座椅车台功能时其降程增加到座椅台仓的位置。

4.2 运行速度、起制动加速度

舞台机械设备的运行速度根据功能要求而定。换场换景设备要求尽可能高的速度，但当运动质量较大时，受到惯性力影响，速度不宜太高。同时，速度的确定还受到行程的影响，当行程不长时，由于起动制动过程的限制，真正高速运行的时间不长，提高速度对缩短时间效果不大（如图1所示）。

图1 速度与行程的关系

分析图1可知：

当运行距离 s与起动制动时的加减速度a给定时，运行时间只能缩短到一定的限制tmin，相应的最高速度为 vmax（图1-b），这样

舞台机械的运动速度、起制动加速度在追求高效工作的同时，还要重点考虑人体工程学、人体心理感受以及人身安全等因素。同时，不同设备的运动质量也差别较大，其惯性力影响悬殊，如单点吊机与主舞台升降台，其速度、加速度值的确定就有很大差别。

4.3 额定载荷

额定载荷是设计规定的、设备运动时所能承受的标定外载荷，它是计算设备结构强度、刚度、稳定性以及选择驱动机、设计驱动系统的基础依据之一。舞台机械设备的额定载荷主要是根据舞台工艺和演出需要来确定，起重机械的载荷值基本没有参考意义。

台上吊挂设备的额定载荷由于吊挂景物的需要，直接以载重质量或载重力表示，一般在1kN-30kN不等，常规设备为6kN-15kN为多。台下台面设备多数作为运动舞台来使用，故其额定载荷一般以单位面积承受的力表示，常规设备为2kN/㎡=2.5kN/㎡，台面面积较大的设备应限制总载荷，否则，质量太大致使结构设计庞大利用率却很低。

台上吊挂设备的额定载荷直接参与设备驱动系统和承载件结构的力学设计。台下台面设备的额定载荷主要参与驱动系统的动力学设计，是否参与承载件的结构力学设计，要视具体结构而言。因为台下台面设备一般都有静态载荷的要求且其值都远大于额定载荷，故其承载件的结构力学设计常以静态载荷为基础依据，这样就包容了额定载荷的要求。

选自《演艺科技》2012年第12期

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