图1 开幕式演出现场

冰立方是第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）开幕式表演的重要设备之一，是根据导演组的创意，遵照节俭办奥运的精神，并最终由国际奥组委确认，用于展示冬奥会五环的设备。

冰立方设备位于国家体育场（鸟巢）正中偏东侧，正对主席台。其机械系统的设计方案从初步确立到最终成型，经历了多次修改。下面介绍设计过程中四种有代表性、且有很强延续性的方案，也通过对方案演变原因的分析来阐述重大活动机械设备的设计原则。

根据北京冬奥会和冬残奥会组织委员会开闭幕式工作部和国家体育场运行团队于2021年4月12日发出的《北京冬奥会和冬残奥会开闭幕式BLF（冰立方拼音首字母为代号）研制任务书》和北京长征天民高科技有限公司发出《技术协议》的要求，以及各种国家、行业的规范标准，设计输入及要求的主要内容如下：

环境条件：

（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6 m/s，瞬时最大风速不超过10 m/s。

（3）使用环境：露天。

地仓条件：

冰立方机械设备安装于鸟巢地仓内，地仓南北22.16 m，东西7.1 m，深度10.716 m，具体尺寸如图2~图4所示。

冰立方总体要求：

（1）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22 m，东西宽7 m，高14.25 m。见图5、图6。

图6 冰立方三维外形图

（2）冰立方内部能够储存五环，储存净空间不小于19 m×0.5 m×10 m。

（3）台面设置下翻活门，活门尺寸不小于20 m×1 m，需要时，可以打开，不能影响五环的升降等需求。

（4）四周需留出0.8 m宽的碎冰道具等空间。

载荷及刚度要求：

（1）冰立方在储存位置顶部可承受静态载荷不小于3.0 kN/m²。

（2）冰立方的动载荷为自重。

（3）冰立方应能承受足够的风载荷。

（4）冰立方在承受静载荷时，其最大允许挠度不应超过设备台面梁跨度的1/750。

3.1 体量大

3.2 载荷重

3.3 速度高

3.4 地仓浅，行程大

3.5 受力结构不连续

3.6 露天，有风载荷

3.7 LED整体性

通过分析以上要求和难点，确定方案：对于体量大、载荷重的设备，可通过合理加大型材截面、加大驱动能力、增加配重系统解决；对于速度高的设备，可采用分两级速度合成的形式，第一级选择链条传动，速度0.21 m/s，第二级选择钢丝绳传动，速度0.21 m/s，设备速度为两级传动的速度之和就为 0.42 m/s，这样每级的相对运动速度均没有超过规范推荐的速度，实际使用速度可根据试验数据决定；对于地仓浅、行程大的设备，解决方案通常为剪刀撑形式或伸缩导轨形式，剪刀撑形式适用超浅地仓，其稳定性和刚度稍差，此方案选择了三级伸缩导轨的结构形式；对于受力结构不连续、露天、有风载荷的设备，需合理布置受力结构，通过仿真计算优化设计，选择最优的型材截面；对于LED整体性的设备，增加东、南、西、北4套LED平移机构，当设备在最低位时，可以做到收缩后完全储存在地仓内部，当设备升起时，可拼接成完整的LED长方体，给舞美视频提供完整的显示介质。

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，2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，具体参见图7~图14。

图7 冰立方机械系统设备组成图

图8 冰立方横剖图

图9 冰立方纵剖图

主升降机构：尺寸为南北方向长22 m，东西方向宽7 m，数量为1套。可升出舞台面14.25 m。

南北下部LED平移机构：尺寸为东西方向宽7 m，高5 m，数量为2套。可前后平移0.57 m。

东西下部LED平移机构：尺寸为南北方向长22 m，高5 m，数量为2套。可前后平移0.57 m。

顶部活门1：尺寸为6 m×1 m，数量为1套。向下翻转90°。

顶部活门2：尺寸为6.5 m×1 m，数量为2套。向下翻转90°。

顶部吊点活门：尺寸为0.5 m×1m，数量为2套。向下翻转90° 。

见表1。

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+5 m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平移机构开始向设备内侧平移动作，平移0.57 m 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+14.25 m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平移机构开始向外侧平移动作；

第六阶段：主升降机构继续下降到2.5 m，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；

见表2和图19。

在方案设计中，充分考虑各种工况，进行了大量的计算，包括选型计算、运动加速惯量计算、刚度强度计算、支反力均布优化和模态分析等，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。具体参见表3~表6。

根据设备的自重及载荷，运动的各种工况，通过计算对各传动部件进行选型，下面仅列出重要驱动位置的部件选型。

比对各表，各部件安全系数均超过要求值。

设备从开始设计就利用了仿真技术，并用两种及以上软件（creo，ansys，SAP2000）相互验证，根据计算结果进行优化，加强薄弱环节，合理布置受力结构，选择最优型材等。

主升降机构计算见图20~图27，表7和表8。

下部LED平移机构计算见图28、图29和表9。

刚度强度各安全系数均超过要求值。

在设计过程中，还进行了可靠性分析，维修性分析，环境适应性分析，保障性分析，继承性分析，试验覆盖性分析，经济性分析，原材料分析，标准化、通用化、系列化分析，安全性及风险分析等，由于篇幅问题，不再详细说明。

此设计方案的下部LED机构仅具有电动平移功能，如果按照主升降机构最大的升起速度托起静置的下部LED机构，由于下部LED机构重量较大，即使做了各种防冲击减震的设计，仍会产生很大的冲击和噪声，对设备尤其是对LED屏体的影响会很大。为此，需要主升降机构在托起的位置速度要低，于是主升降机构的速度曲线就会像上面给出的一样，有一个“加速—匀速—减速—托起（5 m处）—加速—匀速—减速—停止”的过程。但这个中间减速过程又会给效果带来很大的影响，体现了设备特性与效果呈现的矛盾，也是舞台设备不可避免的难题。

基于第一种方案存在的问题，延续出第二种设计方案。解决方案是在下部LED平移机构上增加电动升降功能，将其变成下部LED平移升降机构。主升降机构和下部LED机构为子母台形式，各自独立运动，互不干涉。主升降机构开始升起，下部LED机构同时下降，其速度和加减速时间与主升降机构一致，主升降机构中间不减速，下部LED机构下降动作完成后，接着就是平移动作，其所有动作均在地仓内完成，设备升起后就是一个完整的LED平面。按照实现功能来说，此方案为比较完美的方案。

见表10。

见表11和图30。

第一个问题：对控制要求较高。下部LED机构增加了电动升降，其升降和平移动作完成后，设备距离地仓台面的安全距离仅为0.86 m左右；另外，设备的互锁条件多，前一个动作完成并反馈信号后，下一个动作才能运行。并且连接非常紧密，间隔时间仅为0.5 s。

第二个问题：可靠度下降。因为增加了电动升降功能，导致驱动单元多，下部LED机构主动电机（平移加升降）为18套（如果加上备用电机为36套），任何一套驱动不能正常运行均会造成整个冰立方机构故障。对功能实现造成重大隐患。尤其是这种时间不能更改、需万万无一失的重大活动，可靠性是重中之重。

基于第二种方案存在的问题，延续出第三种设计方案。解决方案是取消下部LED机构的所有驱动，不追求完整显示效果，而是让下部LED机构和主LED一直保持一个前后错位的位置，且这个距离尽量的小，设计到200mm内，尽量减少LED前后错位对显示效果的影响。下部LED机构的升起仍然是由主升降机构托起，但不做减速，通过减轻下部LED机构的重量、增设吸能橡胶缓冲器来减少冲击及噪声。

见表12。

见表13。

为验证LED前后错位对显示效果的影响，按实际尺寸在试验场地搭建了1:1的外形，通过简单播放视频观察，对显示效果影响较小。见图31。

为了验证冲击影响，按最大一个下部伸缩机构，并安装LED屏做样机冲击试验。见图32。通过现场观测，设备基本没有冲击，而通过载荷传感器得知，冲击时的最大载荷仅为自重的1.3倍。试验表明，吸能橡胶缓冲器的缓冲效果非常理想。

但随着视频内容的深化，LED的前后错位的问题对裸眼3D的视频内容影响还是很大的。视频内容多次调整仍未能弥补错位影响。

基于第三种方案存在的问题，延续出第四种设计方案。解决方案是取消下部LED机构，主升降机构行程减小，由原来14.25 m修改成10 m，LED无需伸缩，为整体长方体。这也是最后呈现给大家的冰立方的最终状态。通过减小设备的规格来保证设备的效果。见图33、图34。

图33  冰立方最终设计图纸（南北剖视图）

图34  冰立方安装现场

见表14。

见表15。

此方案为最终方案并进行工程实施，安装完成后，进行了机械设备的调试及试验。

主升降机构运行参数表见表16。

动载试验测试的转矩与电流曲线图见图35。

活门打开和关闭运行参数表见表17。

活门动载试验时转矩与电流曲线图见图36。

主升降机构和活门系统裕度汇总表见表18。

首先，在台体的四角和中间选取6个观测点，记录初始数据。观测点如下图所示。

其次，在台体上表面均匀布置46块1 t的载荷块，共加载46 t静载荷，布置如图37，静置2小时以上。

最后再次测量6个观测点，记录数据后，再去掉北侧6 t的载荷块，形成南重北轻的偏载工况，再次测量6个观测点，记录数据见表19。

根据记录表，中心相对于两侧的最大挠度为7 mm，跨度为22 000 mm，变形比为1/3 142。符合规范要求。

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）进行了全面的检测并出具了检测报告，报告显示，验收合格。

冰立方设备机械系统的方案设计历时近一年，其间，经过了多次重大修改。通过上面介绍的四种设计方案的延续变化可以看出，对用于北京冬奥会开幕式这样重大活动的机械设备，设计有其特殊性。其演出时间无法更改、设备需做到万无一失、一旦故障无重新表演的机会。

通过冰立方机械系统的设计经历，笔者简单总结了重大活动机械设备的设计原则：

第一是安全性。不能出现人员伤亡或设备损坏。

第二是可靠性。需要进行可靠度分析，尽量避免操作复杂、互锁条件多的降低可靠性的机构。

第三是功能性。一切为实现导演组创意和演出效果服务，充分做到机械与艺术相结合。发散思维，用多种方案尽可能地全面展现效果的实现途径。

第四是简化性。发散之后需要收敛，在多个方案中进行简化，找到简单、可靠的设计方案。

第五是可扩展性。设计时需考虑设备的可修改性，随着创意的深化，导演可能会对设备提出一些修改要求，设计时需留出一定的备用空间，包括速度、行程、载荷和外形尺寸等。

希望以上对重大活动机械设备设计原则的总结，能给今后从事此方面工作的工程师一些启发，也相信本文对于提高工作效率，保证设备的安全性，设计出符合需求的可靠运行的机械设备具有一定的现实意义。

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》 张向勇，赵劲彪，高松松，杨卫杰，高敬东，申纪刚，何冠杰《北京冬奥会开幕式冰立方设备机械系统设计》。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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