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1、3D数字化技术与钢结构模组化技术在剧场建设中的应用1.3D数字化技术及其应用 1.1 3D数字化技术概述 3D数字化技术是对机械4C（CAD/CAE/CAPP/CAM）技术和建筑信息模型（Building InformationModeling，BIM）技术的一个统称。 在机械行业，CAD/CAE/CAPP/CAM技术已发展了几十年，尤其CAD和CAE技术已被广大的工程技术人员所掌握。UG NX、Pro/E、CATIA、SOHDWORKS等设计工具也在机械设计行业内得到广泛应用。这些设计软件各有所长，均具有建立模型、进行运动学模拟和碰撞分析的基本功能。同时，通过与NASTRAN、ANSYS等有
2、限元分析工具的接口，可以对机械结构进行静力分析和动力分析。 在建筑行业，BIM技术在近几年发展很快，从政府管理层面，也在大力推动。目前几乎所有重大建设项目都引入了BIM。与机械CAD/CAM的工作程序类似，首先需要建立建筑项目的3D数字模型，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。 习惯上，机械和建筑分属于两大行业。在CAD技术长足发展的今天，这两大行业的数字平台有了相互融合。比如CATIA在最基本的航空/航天模块之外，开发了专用的建筑工程模块；另外，开发Pro/E的核心团队还开发了目前建筑工程中广泛使用的Autodesk REVIT。 在剧
3、场建设项目中，机械专业的4C技术和建筑专业的BIM技术，往往在混合使用，而参与项目的专业承包商又往往分属于以上两个领域。对这两种分属于两大技术领域、底层技术又十分相似的数字化技术，经常由于专业称呼的不同而造成沟通效率降低，甚至导致误解而造成损失。所以，在实践中，把这两种技术统称为3D数字化技术，同时面对各专业技术与管理人员，淡化其行业特征。 1.2 3D数字化技术应用（以CATIA平台为例） CATIA（Computer Aided Three-dimensionalInteractive Application），是法国达索公司多年前针对阵风战机而开发的一款CAD/CAE/CAPP/CAM平
4、台。 CATIA具有优秀的曲面造型能力，很早就在西班牙的毕尔巴鄂古根海姆博物馆项目外墙设计中得到应用。 2009年，CATIA用于安徽九华山地藏菩萨露天铜像项目，在国内把3D数字化技术引入建筑工程复杂曲面处理是比较早的。 该项目的相关技术路径为：（1）由设计师或艺术家塑造1：100小样；（2）通过3D数字扫描仪建立小样的数字点云图；（3）将点云图导入CATIA平台，完善成插值曲面；（4）在CATIA平台上将造型放大到1：1，以后的工作都在平台上进行；（5）对细节进行数字化调整，必要时进行局部1：1塑形，再次扫描补充数据；（6）按照加工安装工艺能力，对数字模型进行表面分割；（7）依据分割结果数据
5、指导工厂生产和现场安装。 可以说，CATIA提供了完备的曲面处理手段。 目前很多剧场建筑外形设计视觉冲击力极强，甚至很多采用了设计师随意手绘曲线的轮廓，按照建筑业惯用的平面图/立面图/剖面图的方式已无法准确表达建筑外形，只能采用3D数字化模型曲面来描述。 以上简述了针对复杂曲面的处理示例，对于舞台实体道具也可以采用类似方式处理。 1.3 3D数字化模型的输出 （1）输出到平面图纸，作为生产加工依据，与原先的图纸表达方式相仿，但是大大提高了设计准确程度。 （2）输出至数控切割机进行零件板料切割。在机械设备的框架制造、建筑钢结构制作、建筑幕墙下料等工艺阶段，应用广泛。 （3）输出到3D打印机，进行
6、3D打印。 （4）输出到其他造型设备。 我们开发了专用的5轴数控机床用于大尺度3D模型的输出。模型材料可选用各种常用材料，但目前材料硬度不超过铝材。最常用的是EPc泡沫塑料。该设备最大单体输出模块为1m1m2m，精度0.1mm。大于此尺寸的模块，目前采用3D数字模型切割分块一分别输出一后期粘接的处理方式。同时正在开发有效工作半径1.5m、高度6m的悬臂式5轴数控机床，精度目标0.5mm，用于大尺度模型的一次性成型。 1.4 3D数字化技术与剧场项目的结合 3D数字化技术对剧场项目提供了全面深入的技术和管理支持。 首先，是其可视化。由于建立了剧场项目完整的3D数字化模型，能够表达使用者所要求的细
7、节，“所见即所得”。对于普通管理人员来讲，读懂建筑设计图纸有一定的困难，很难发现其中的不合理情况，但3D数字化技术提供了可视化的途径，将以往图纸线条式的表达形成三维的立体模型展示在人们面前。在3D数字化模型中，由于整个过程都是可视化的，不仅可以用来进行效果图的展示及报表的生成，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行，对于提高管理效率意义重大。 其次，是碰撞检查。利用3D数字化技术，在项目前期可以进行碰撞检查，提前发现设计各专业之间空间使用的冲突，优化工程设计，减少在建筑施工阶段的错误损失，减少返工，优化管线排布方案。施工人员也可以利用碰撞优化后的方案，进
8、行施工模拟，提高施工质量。 第三，在3D数字化环境下，人们可以将整个剧场施工过程按照进度计划进行预演，发现过程中的关键环节，给予及时关注。 同时，模型建立后，不仅仅可以供管理人员、技术人员在项目实施阶段使用，在前期设计阶段，通过适当的数据转换，输出数据即可用于结构受力分析、日照分析、通风分析、剧场声学分析等，使剧场建设从方案阶段起就在一个统一的基础平台上运行。 综上，在3D数字化环境下，使用者可以随意观察建设进行中任意节点的状态，包括完成后的情形，及时全面支持剧场建设管理者的工作。 具体到舞台机械，无论台上台下设备及设备支架，同样可以采用3D数字化手段来支持。 台下设备及台上设备可以通过3D数
9、字化技术模拟全部运动逻辑，在设计完成后即可检查设备运作状况和相互之间以及与周边结构的干涉。 无论在剧场的整体建设过程，还是在具体的舞台设备设计安装过程中，3D数字化技术都可以提供可靠的支持。 2.钢结构模组化技术及其应用 钢结构模组化技术是在3D数字化技术支持下开发的一种舞台上部支承构架技术。最初是从一个剧场改造项目中发展出来的。 2.1老旧剧场改造项目的特征 （1）建设年代较早，结构老旧，承载能力不满足现行工程设计规范要求。 （2）舞台上空吊杆系统设置不符合现行安全标准。 （3）周边运输环境不利，剧场建设位置往往位于市镇繁华地带。 （4）改造项目一般会涉及建造新的台仓，安装新的台仓内设备，设
10、置台上支架和吊杆系统。 （5）改造周期急迫，投资有限。 （6）内部空间紧张，业主有充分利用空间的要求。 2.2钢结构模组化技术的特点 针对老旧剧场改造的以上特征，在3D数字化技术支持下，开发了模组化钢结构技术，是通过集成设计与施工安装技术实现的。 模组化钢结构构件满足如下条件： （1）结构体系可以满足吊杆系统的空间要求和结构承载力要求；（2）构件分段及连接方式标准化，适合中型车辆运输；（3）支架基础与台仓改造同时处理；（4）安装周期短；（5）充分使用舞台上空。 模组化钢结构由下列构件组成：标准柱段、标准梁端、标准滑轮梁、标准支撑体系、马道标准段、格栅层。同时要配套专用场内运输设备、专用安装、提
11、升措施。由于大型自动化施工机具无法使用，安装方案应以使用人力和简单机具为主。 2.3钢结构模组化技术的应用 钢结构模组化技术已在若干改造项目上得到实际使用，而且针对具体情况，形成了两个大类。一类是柱体为整体构造，适合于台仓较大，柱基础可以进入台仓底板范围内的情形。另一类是柱体为分段构造，适合于台仓较小，柱基础位于台仓范围以外的情形。 在3D数字化技术的支持下，新建钢结构支架顶面与原屋面混凝土底板最低点问的距离可控制小于100mm，与侧墙距离可控制小于50mm，上部空间的利用实现最大化。 钢结构模组化技术也可以用在新建项目和室外项目上。所有构件制作均在工厂完成，制作精度有保证，现场安装进度可控，
12、是理想的舞台上部设备支承体系。 对于目前已实施项目，模组化钢结构体系的跨度，在室内环境下，受限于原有剧场舞台宽度，最大为23 m；在室外环境下，可拓展到60m。已实施的模组化钢结构体系的高度，在室内环境下，对于改造项目受限于原有剧场高度，最大为17m；对于新建项目或室外环境可以拓展到30m，适当增加支撑体系，高度甚至可以达到50m。 3.几点建议 在实际工作中，按照基本建设程序，剧场建设是由业主委托建筑设计院设计，建筑工程公司总承包的方式进行建设。而一般的建筑设计院对建筑造形、动线设计、空调、暖通、消防、给水排水等专业是十分精通的，规模较大的设计院对声学设计、视线分析也是比较专业的，但是对于舞
13、台台上台下设备基本不关心，一般的处理方式是提供水、电接口，未来由专业厂家配合设计。而台上台下设备的采购招标往往滞后于工程总承包招标。这就导致舞台设备进入项目太晚，往往剧场建设又是当地的形象工程，设计者的注意力也在如何满足地标形象的要求，反而剧场的基本功能被忽视，甚至有的剧场设计专注于创新，导致对剧场传统丢弃太多，舞台使用受到很大限制，结果无法安排普通的剧目演出。 回归本源，建议舞台的使用者应该积极提前介入剧场项目建设的前期设计阶段，舞台上部结构设计应该由舞台演出需求来驱动，如果被动适应基建现状，往往会留下遗憾；舞台上部结构适宜作为设备支架的功能与舞台设备统一考虑，不宜作为纯粹的基建工程来对待；
14、舞台上部结构应把设计、制作、运输、安装作为整体来考虑，目前的经验是，运输、安装方案对项目成败同样是有决定性的影响。 4.结语 近年来，国家把“继续加强完善公共文化场馆基础设施建设”作为公共文化服务体系建设的一项重要工作，各省文化中心、剧场等文化场馆建设数量迅速增加，中国三、四线城市也将新建、改建一批文化场馆设施。同时，伴随着文化大繁荣大发展和旅游业的快速发展，旅游主题剧场也成为旅游市场的一道靓丽的风景。 3D数字化、声光电一体化设计等技术的应用，打破了传统的剧场与舞台的概念，为剧情量身定制舞台及表演空间的演出场所越来越多，形成新的演出形式，观与演的高度融合是未来演艺场所的重要模式和发展方向。 舞台的使用者是艺术专业人员，我们作为技术支持，理解使用者的要求是做好设计的最基本出发点。3D数字化技术可以直观地呈现工程技术的结果，可以提前为艺术创作者对场地和设施的各种可能性提供说明，是有效的交流手段，也是技术与艺术相结合的可靠途径。 艺术产生创意，技术提供技持，技术手段最终是为艺术服务的。作为专业技术人员，支持艺术家们的创意，为寻找合适的技术表达方式，是不懈的努力方向。 王源，高级工程师，航天万源实业公司技术研发总监，工程BIM总监。专注于特种结构技术和3D数字化技术开发。目前重点研究方向为钢结构模组化技术在剧场建设中的应用和3D数字化模型的高精度成型技术。