北京冬奧會開閉幕式大型高空表演設備系統設計與呈現

于海莉，張海東，王秀會，馮 遼，鄭志榮，楊元永，陸 樂

（北京北特圣迪科技發展有限公司，北京 100028）

1 概述

北京冬奧會開幕式于2022年2月4日在國家體育場（鳥巢）盛大舉行。奧運的冰雪五環從冰立方中破冰而出冉冉升起，“致敬人民”場景的發光人腳踏大滑板穿越全場的唯美，吊掛的主火炬大雪花，都離不開高空表演設備系統的安全、可靠、準確及零失誤運行，使設備與藝術完美融合，達到簡約、唯美、浪漫、精彩的呈現效果。

高空表演設備系統用于鳥巢場地上空道具吊掛及切換場，是使用頻率最高的上空設備。鳥巢為南北長332 m、東西寬298 m的鞍形建筑，最高處高度69 m。鳥巢屋頂開口南北長182 m、東西寬124 m，鳥巢鋼架結構鞍形開口處高度約14 m。高空表演設備系統安裝在屋頂鋼結構的上弦、下弦及膜夾層中，供電系統及控制系統安裝在膜夾層。鳥巢屋頂上弦只安裝了承載鋼索立柱及輔助系統、承載鋼索及穩定系統設備，移動小車安裝在鳥巢上空的承載鋼索上。這樣大大減少了設備對鳥巢外觀的影響。見圖1、圖2。

圖1 鳥巢屋頂上弦設備安裝部分場景

圖2 移動小車及承載鋼索

2 設備組成與參數

高空表演設備系統由威亞系統、鋼索及固定鋼索系統、鋼索立柱及輔助支撐、電氣及控制系統等組成。設備布置示意見圖3。

圖3 設備布置示意圖

威亞系統由升降驅動卷揚機、牽引驅動卷揚機、移動小車、吊具、導向滑輪組等組成。系統總承載重量約10.4 t，使用各類鋼索近16 km，承載鋼索最低點高度約為45 m。

場地上空南北方向設有8根直徑28 mm承載鋼索與2根直徑18 mm承載鋼索，跨距約200 m。設有三組10套高空表演設備，10套高空表演設備可同時使用。

3 設計的亮點、難點

北京冬奧會開幕式演出的創意復雜多變。從2020年6月導演組提出創意設想，隨著導演組創意的不斷深化，高空表演系統設計方案迭代優化了十幾版，直至2021年4月方案才最終確定下來。開幕式演出對高空表演系統的使用要求非常高，系統負責吊掛道具大雪花、冰雪五環、大滑板、升降網幕等。由于吊掛載荷很大，速度快，同步運行精度高，受鳥巢鋼結構單點受力限制，設備自重應盡量輕巧，所以需要全新研制一套高空表演系統。

3.1 空間限位條件下大負載精確呈現及回收控制

第一組高空表演設備吊掛冰雪五環。見圖4。當冰立方自舞臺面上升至10 m高，冰立方頂部活門打開，吊掛鋼索下降至冰立方中與冰雪五環完成連接，在冰立方下降過程中冰雪五環呈現出來。運動員從冰雪五環下方入場，在短片播放環節需要精確回收到地倉，將冰雪五環完全置于冰立方之中。由于冰立方儲藏空間四周間隙很小，在下鋼索至冰立方、冰立方下降伴隨著冰雪五環上升、冰雪五環呈現及冰雪五環回落環節，任一環節一旦控制精度不夠，冰雪五環將撞擊冰立方。由于兩個系統是獨立的，任何環節出現故障，其破壞性都將造成巨大影響。

圖4 吊掛冰雪五環吊具示意圖

設備動作前，需要雙方熟悉流程，對接流程口令。在吊具設計過程中采用3組轉向滑輪，將吊具整體重心下移，并計算運動過程中的受力情況。同時移動小車中鋼絲繩穿過滑輪組的間距與吊具鋼絲繩穿過滑輪組的間距是一致的。移動小車的升降滑輪組采用可旋轉滑輪，可自動調節鋼絲繩的偏擺，實現鋼絲繩零偏角，確保移動小車及吊具在帶有坡度的柔性鋼索上平穩運行，不會出現鋼絲繩絞繩現象?？刂葡到y通過調節加速度、速度及標定位置，兩個獨立的系統互相檢測對方信號，確保萬無一失，并做好應急措施。

3.2 柔性雙索多車防撞設計

第二組高空表演設備吊掛大滑板。需要2套高空表演設備同步運行，在規定時間內從場地南側到北側沿特定拋物線完成運動軌跡，達到唯美、浪漫的演出效果。在運行過程中，移動小車的滑輪組具有擺動的功能。由于鋼索有柔性，移動小車行走時鋼索下撓，因此，2套移動小車在主索下坡段的速度不一致，一旦發生設備間運動干涉，會造成設備的嚴重損壞、鋼絲繩纏繞，影響演出的正常運行。

移動小車設計采用雙索4組滑輪，4組滑輪同步運行在雙主索上。2套移動小車在主索下坡段的速度不一致，每套移動小車端部設置防撞組件和抗震裝置，一旦控制限位裝置出現故障，可通過機械限位保護，防止運行中出現碰撞。見圖5。柔性主索帶有坡度，需在移動小車設置支撐輪組件，確保鋼絲繩一直在滑輪組上，防止鋼絲繩與移動小車發生干涉，磨損鋼絲繩。

圖5 第二組多車防撞示意圖

3.3 大負載條件下姿態精確控制

第三組高空表演設備吊掛火炬執行機構及火炬。執行機構需在規定時間內從屋頂開口北側運行到舞臺上空中央，完成姿態調整并同步運行平穩。當執行機構運行到舞臺上空中央時，移動小車承載執行機構吊掛大雪花完成升降、翻轉、旋轉等復雜的動作。移動小車的尺寸為3.7 m×3.7 m，承載重量約6 400 kg。受鳥巢鋼結構單點受力限制，固定鋼索支撐需采用四索式，固定鋼索系統設置了載荷傳感器，通過調整鋼索的高度確保4索受力一致，并可實時監測鋼索的拉力。移動小車的吊掛滑輪采用4吊點對稱方式布置，吊具采用單滑輪的設計，確保移動小車在復雜鋼索上的運行過程中滑輪所受摩擦力一致、實時受力均勻、同步運行。移動小車牽引鋼絲繩的固定端采用2套壓板的方式固定，確保安全可靠。見圖6。通過分析，確定牽引鋼絲繩間距及滑輪之間間距，確保設備運行時不會出現鋼絲繩纏繞現象。

圖6 第三組移動小車示意圖

3.4 驅動系統與控制系統的冗余設計

2021年文化和旅游部頒布了文化行業標準WH∕T 78.7-2021 《演出安全 第7部分：舞臺威亞安全》。此次設計全部按照該標準的要求，高空表演設備系統的驅動系統均采用雙減速電機、雙變頻器、控制系統、軟件系統等冗余設計。

驅動系統采用雙減速電機結構，一主一備減速電機同軸驅動卷揚機，雙電機上的制動器均設有制動器檢測裝置、電機過熱保護開關、增量值和絕對值編碼器。卷揚機上有防亂繩松繩保護開關、限位開關、極限位開關、卷筒超行程保護開關、鏈條張緊開關、載荷傳感器等安全裝置。軟件設有最大位置和最小位置。同時設置機械結構限位，實現設備多級安全保護措施。當主電機出現故障，控制系統快速、準確切換，確保排練演出過程中設備正常運行。

高空表演設備控制系統采用2套完全獨立互為備份且異構的冗余設計。由于高空表演設備使用頻率高，主控制系統采用熱冗余設計，采用2臺控制臺可實現無擾切換，確保演出呈現唯美、精彩的效果。同時，備用控制系統采用異構冗余設計——首次引入電子凸輪控制技術，解決了多電機特性參數、運動時序匹配問題，達到了主備控制系統交替接力表演場景。

4 設計與呈現

4.1 吊掛冰雪五環的設備系統

吊掛冰雪五環的設備系統由固定鋼索系統、中間固定平衡結構、2套升降驅動卷揚機、牽引驅動卷揚機、移動小車、吊具、導向滑輪組等組成，各分布在南北兩側。見圖7。冰雪五環呈現時，先需要水平動作的設備同步行進到舞臺上空中央，隨后升降動作設備同步下降并提升冰雪五環。升降動作和行走動作可單獨調速運行，也可以同時運行。

圖7 第一組吊掛冰雪五環示意圖

工藝技術參數：水平速度0.67 m/s，水平行程90 m，升降速度1 m/s，升降行程50 m，總承載載荷3 200 kg。

吊掛的冰雪五環，由于速度快、行程大、安裝空間等限制，驅動系統采用可行走的自排繩卷揚機。機械結構的中間固定平衡結構由固定座、升降固定結構、水平轉向滑輪、旋轉軸等組成，需固定在鋼索中心。見圖8。固定平衡結構將鋼索分成兩部分，同時限定了行程，在空間上設置升降裝置固定壓板和水平裝置導向滑輪，導向滑輪帶旋轉軸，使鋼絲繩在柔性鋼索上實現零偏角。在吊具組件兩側均勻布置配重組件，可實現空載設備正常運行，縮短了道具與場景的切換時間?？刂葡到y采用同步編組設置，將2套設備同步綁定，運行相對誤差約0.1 mm。同時設置多段曲線編程，通過調整設備的加速度、速度、位置，確保冰雪五環精準呈現，在空間上不會出現晃動，并可迅速回收到開口狹小的冰立方內。

圖8 第一組平衡結構示意圖

4.2 吊掛大滑板的設備系統

吊掛大滑板的設備系統由固定鋼索系統、4套升降驅動卷揚機、牽引驅動卷揚機、移動小車、吊具、導向滑輪組等組成，各分布在南北兩側。見圖9。大滑板呈現時，需要2套升降動作的設備、水平動作的設備共同運行，從場地南側沿拋物線軌跡運行到北側。通過每套設備的上升速度調整大滑板的姿態，運行到舞臺上空中央時，設備處于水平平穩懸停狀態并迅速上升。升降動作和行走動作可單獨調速運行，也可以同時運行。

圖9 第二組吊掛大滑板的設備系統示意圖

工藝技術參數：水平速度2 m/s，水平行程180 m，升降速度2 m/s，升降行程50 m，總承載載荷1 000 kg。

由于行程大、運行速度快，驅動系統采用導向滑輪行走的自排繩卷揚機，并設計排繩組件及鏈條組件，確保鋼絲繩從卷筒到轉向滑輪組的偏角幾乎為零?？刂葡到y設置了設備間互鎖，通過編碼器控制設備的速度和設備間距，確保設備間距離安全可靠。在柔性鋼索上設置可變擺長防晃裝置，相比傳統的通過調節加減速實現防晃的安全穩定性大大提高，視覺效果非常具有沖擊力。

4.3 吊掛執行機構及火炬的設備系統

吊掛執行機構及火炬的設備系統由固定鋼索系統、4套升降驅動卷揚機、1套牽引驅動卷揚機、移動小車、吊具、導向滑輪組等組成，各分布在南北兩側。見圖10?；鹁娉尸F環節，需4套升降動作的設備、1套水平動作的設備共同運行，從場地北側運行到舞臺上空中央，并調整執行機構的姿態。升降動作和行走動作可單獨調速運行，也可以同時運行。

工藝技術參數：水平速度1.7 m/s，水平行程90 m，升降速度0.8 m/s，升降行程50 m，總承載載荷6 400 kg。

由于行程大、承載重、運行速度快，在鋼索上運行務必平穩。為實現整體同步運行，驅動系統采用4吊點自排繩卷揚機，并設計排繩組件及鏈條組件，通過吊裝執行機構重量、吊點的協調合理布置以及吊點鋼索偏角旋轉特性分析技術，水平運行每側4根牽引繩，并兩兩備份，實現機械同步平穩運行?；鹁娴墓╇娤到y采用上供電方式，供電電纜及光纖通過電纜支撐安裝在電纜鋼索上。電纜支撐的結構設計采用小車滾輪組配設導向和滾動承載的技術、小車滾輪平行四邊形結構和滿足小折彎半徑結構支撐技術，可實現電纜支撐在柔性鋼索運行時姿態自動調節，供電系統隨移動小車同步運行。

5 結語

高空表演設備系統通過對流程動作分析、接口匹配性和協調性檢查、環境適應性分析、試驗充分性分析等技術風險分析及試驗，關鍵關節冗余設計，解決了柔性鋼索的運行控制難題，技術狀態受控，在排練與正式演出期間動作順暢，最終以“零失誤、零誤差、零故障”的完美表現為北京冬奧會開幕式演出盛宴再添華彩，整場演出更加靈活、浪漫、唯美，促進了技術與藝術完美融合。