舞台机械设计工作概述

2013-12-25段慧文

演艺科技 2013年2期

关键词：设计者机械设计舞台

段慧文

（原国家大剧院业主委员会，北京 100031）

1 设计工作的特点

1.1 设计

设计是把计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程。具体地说，设计是按照任务的目的和要求，通过计算并绘制图样的方式，把计划、规划、设想传达为视觉信息的活动过程。

人类通过劳动改造世界，创造文明，创造物质财富和精神财富，而最主要的基础创造活动是造物。设计便是对造物活动进行的预先计划，可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计。

伴随工业革命和近代都市的出现，人类社会进入了标准化、机械化的大批量生产时代，也使设计从制造业中分离出来，成为一种独立的职业。

设计师首先要理解市场和用户的需要和期望，并了解设计业务、技术和行业上的规范和限制；然后将这些基本材料转化为对产品的规划，使得产品的形式、特质变得有用、好用，并在经济和技术上可行。

随着现代科技的发展和各种创新形态的产生，设计不再是专业设计师的专利，设计方式向更广泛的用户参与方式转变，以用户为中心成为设计的主要内容之一。

1.2 设计的演化

手工业时代的作坊主和工匠，既是设计者又是制作者，甚至还是销售者和使用者。工业革命后，设计从制造业中独立出来，经过再分工，形成造型与功能设计两部分。设计在后来的发展中逐渐成为一门专门的学科。19世纪工业化时期，外型设计与功能设计相分离；20世纪时期，随着专业化程度的提高，外部造型设计成为一门独立的学科，内部功能设计方面，系统工学和计算工学诞生，设计方法、方法论以及理论日渐成熟；进入21世纪，信息系统工程大发展，使外部造型设计与内部功能设计相结合，设计朝多元化方向发展，同时，人性化甚至生命化的设计也普遍出现。

1.3 机械设计

机械设计，是根据使用要求，对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的图形描述，以作为制造依据的工作过程。

机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能的最主要的因素，是由理念到转化成实物进行机械生产的第一步。机械设计的目标，是将各种限定条件（如材料、加工能力、理论知识和计算手段等）进行优化，设计出最好的机械。优化设计需要综合考虑许多条件，如：工作性能最好、制造成本最低、尺寸和重量最小、使用最可靠、消耗最低和环境污染最少，以使结果优秀。这些要求的相对重要性因机械种类和用途的不同而异，而且常是互相矛盾的。设计者的任务是根据具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械具有最优的综合技术经济性能。过去，随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累，以及计算机的推广应用，优化设计逐渐由依靠设计者的知识、经验和远见等主观判断向依靠科学的分析、计算转变。

服务于不同产业的机械，要求不同的功能和特性。各产业机械的设计，特别是整体和系统的机械设计，必须依附于各有关的产业技术而难于形成独立的学科。因此，在机械学科方面，出现了矿山机械、冶金机械、纺织机械、加工机械、起重运输机械、舞台机械等专业性的机械分支学科。但是，这许多分支机械的设计，在技术上又有许多共性，特别是基础学科方面是共通的。如：理论力学、材料力学、结构力学、振动力学、弹性力学、摩擦学、机构学（机构分析和综合）、力与能的传递（分析和计算）、机械零件、机械原理、工程材料学、传动及控制、液压与气动、加工与制造、润滑、密封、维修，以及标准化、可靠性等。另外，设计方法学研究设计工作的内在规律，如设计的合理步骤和方法。

机械设计所用的共性基础知识、各机械分支的专业性要求与设计方法学的结合，就成为独立的专业机械设计学科。

1.4 设计工作是复杂的智力活动

（1）设计是一个动态过程

概念或方案是瞬间形成和发展的，前一瞬间的方案可能在稍后即被改变、排除或代替，即便是极简单的目标，它的确定也是动态的。

因此，采用铅笔绘制草图是最简单的方法之一。

机械设计要考虑的问题多来自功能、安全、寿命、预算、制造、安装、使用及维修等方面，零件设计、部件设计、设备整体设计均如此。

以两个零件连接为例：是螺栓连接还是焊接连接？如果确定了用螺栓连接，螺栓的材质和尺寸大小？使用螺母的类型？结构上有没有足够的扳手空间？裸露的螺栓头会不会刮擦演出服装？螺栓在运输、储存和使用期间会不会生锈？安装时需不需要使用扭力扳手？安装钳工会不会使用扭力扳手？螺栓连接时采用何种防松措施？螺栓损坏或失效后会产生何种后果？……这类问题层出不穷。

再如：一个用角钢焊接的三维结构，究竟用何种方法拼接才是最佳方案？答案是多样的，也需要设计者综合各种因素、运用自己的学识和经验决定做出取舍。

（2）设计是个反复的过程

没有一条固定的道路可供设计工作自始至终地遵循。一般的情况是通过三个基本步骤，经过曲折和反复来完成整个设计工作。

a.建立一个概念：在衡量了所需设计机械的性质、结构、完成任务和必须解决的问题后，设计师形成了一个概念，建立了一个可行的方案，策划了一个可以解决已知的问题或要完成任务的机械部件，画出一个简明清晰的草图。

b.分析已经建立的方案：分析结构及其功能、运用公式、草图甚至模型，决定其尺寸、重量、造价以及其他感兴趣的问题，重点是方案的可行性及完成确定任务的有效性。

c.评价：侧重于这个设计是否满足了需求？其功能是否都是必须？是否造价太高而难以实施？是否尺寸太大而运输困难？与其他方案相比的优缺点是什么？需不需要优化，如何改进？

这样不断提高、不断重复此过程，以决定采用现有的设计或开始新一轮的反复。

（3）设计是可变的、柔性的

数学问题往往只有一个答案是正确的（这里指精确数学，现代出现的模糊数学另论），而为解决一个具体任务、完成某项功能的设计，可以有多个可供选择的方案，有多个可以接受的结论。设计过程不会只抱着惟一的解决方案，要不断地提出疑问和问题。对设计者来说，有时众多的“为什么”虽然不会改变所作的结论，但至少可开拓新的视野。

（4）设计既是发散的又是汇聚的

完成一个功能、实现一个目的，导致多种解决方案的出现。一个问题，引出多个结论，其中至少有一个适合完成预定任务，是好的或较好的结论。

例如：一个具体侧车台的设计就其传动形式来说就有卷扬、齿形带、套筒链、刚性链、齿轮齿条、液压、气动等，方案是多种多样（发散）的；经过分析和评价，确定采用刚性链条传动（汇聚）；经过进一步的探讨，将链条的结构、节距、材质、链轮的结构、材质等进行分析（发散），最终确定本设计采用标准节距、调质钢链条制作的Chainlift60刚性链条传动（汇聚）。

（5）设计工作是一项严谨的工作

由于舞台机械的地位、工作环境、工作对象等条件，决定了舞台机械设计者必须保证机械在使用周期内的安全，这是第一位的任务。舞台机械的载荷较大、速度较快、演员要在机械负载运动或静止的条件下，在黑暗的环境中长期活动，毋庸置疑，安全是第一要务。设计者必须分析每个零件、部件及其他构件可能的失效及失效后对整个系统的影响，设计者还必须跟踪包括设计、加工制造、安装调试、验收使用在内的全过程，以便总结经验提高水平。

设计的优劣通常由设计者的基本素质决定。第一是设计者的知识结构，他所掌握的数学、物理、机电、液压、气动、结构、管理、绘图、软件等知识是进行设计工作的基础；第二是设计者了解到的信息，信息可以从教科书、参考书、样本、杂志、专利、标准、已有设备、网络等渠道获得；第三是经验，设计者积累的有关材料、加工设备、加工工艺、设备的工作环境、设备的工作程序、已有设备存在的问题、使用单位提出过的改进设想等方面的具体经验，都是设计不可或缺的素材；第四是想象力，这是个非常活跃的因素，具备了上述三项基本素质，想象力可能成为决定设计优劣的关键因素。设计者把自己的聪明才智转化为以“出主意”、“想点子”为代表的创造力和解决实际问题的能力。

1.5 舞台机械设计的种类

和其他机械设计一样，舞台机械设计可分为新型设计、继承设计和变型设计三类。

（1）新型设计：应用成熟的技术和（或）经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有的新型舞台机械。

（2）继承设计：以提高性能、降低制造成本或减少运用费用为目的，根据长期使用经验和技术的发展，对已有的舞台机械进行整体或部分重新设计。

（3）变型设计：为满足新的需求对已有的舞台机械作部分修改而发展出不同于原来机械（产品变型）的设计。

1.6 设计的主要阶段

（1）计划阶段：根据用户要求、市场或科研需要制定设计任务，设计工作进入计划阶段。此时，应对所设计的设备做充分的调查、分析和研究，明确设备所应具有的功能及工作环境、加工、运输、安装、经济、工期等各方面的约束条件，然后形成设计任务书。设计任务书应包括：设备的功能、经济性、环保性、制造要求、使用要求以及完成设计任务的计划时限等。

（2）初步设计（方案设计）：主要工作是进行功能分析、确定功能参数和实施方案，确定机械的工作原理和基本结构，对原动机、传动部分及执行机构进行详细论证，绘制设备总体方案图和重要部件方案图，并提交审查。方案设计，要处理好借鉴与创新的关系。借鉴同类机器成功的经验，薄弱环节及不符合现有任务要求的应当改进创新。方案设计对整体设计的成败起关键作用。其过程充分地表现出设计工作多方案的特点。要从技术、经济及环保等方面对方案进行综合评价。

（3）技术设计：根据初步设计审查意见进行设计修改，绘制更详细的设备总图草图和主要部件草图（有时要绘制复杂的关键零件图）以及修改后的计算书供审查。技术设计的主要工作有：

a.根据设备的结构方案，确定原动件的参数（功率、转速、线速度等）并做运动学计算，从而确定各运动件的运动参数（转速、速度、加速度等）。

b.根据各部分的结构及运动参数进行机器的动力学计算，确定主要零件载荷的大小及特性。由于尚未进行零件设计，此时的载荷只是作用于零件的公称载荷。

c.根据零件公称载荷的大小和特性进行零件的工作能力设计。一般按强度、刚度、稳定性、寿命等设计准则，通过计算或类比，决定零、部件的基本尺寸。

d.根据已定出的主要零、部件的基本尺寸，绘制部件装配草图及总装配草图。对所有零件的外形及尺寸进行结构优化，认真地考虑零、部件的结构工艺性，使全部零件有最合理的构形。

e.主要零件的精确校核。对一些重要的或外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算并根据计算结果，修改零件的结构及尺寸。

f.确定机器设备的润滑、备用等重要辅助系统具体方案。

（4）施工图设计：根据技术设计审查意见绘制全部工作图，如零件图、部件装配图和总装配图等。零件工作图的绘制，要充分考虑零件的加工和装配工艺性、加工过程中和加工完成后的检验要求和实施方法等。要按最终零件工作图的结构及尺寸，重新绘制部件装配图及总装配图。

施工图设计的一个重要内容是制定技术文件，如设计说明书（应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容）、使用和操作维修说明书（应包括机器的性能参数、操作方法、日常保养及简单的维修方法、备品备件目录等）、标准件明细表、材料表、易损件清单等。

对于某些比较简单的机械设计可省去初步（方案）设计阶段。

1.7 设计准则和方法

机器的成败基本上取决于设计质量。制造对机器的作用，本质上在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。遵循一定的设计准则和方法，是保证设计质量的前提。

设计准则是设计应该满足的约束条件。

（1）技术性能准则

技术性能准则是指相关设备的技术性能必须达到规定的要求。技术性能既指静态性能，也指动态性能。例如，机械能传递的功率、效率、寿命、强度、刚度、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。

（2）标准化准则

标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为，都要满足上述标准化的要求。如概念标准化（名词术语、符号、计量单位等应符合标准）、实物形态标准化（零部件、原材料、设备及能源等）、方法标准化（操作方法、测量方法、试验方法等）等。执行已发布的与机械零件设计有关的标准是设计者的基本义务。

当前，有关舞台机械的标准有：

WH/T35-2009《演出场馆设备技术术语舞台机械》；

WH/T28-2007《舞台机械台上设备安全》；

WH/T36-2009《舞台机械台下设备安全要求》；

WH/T27-2007《舞台机械设备验收检测程序》；

WH/T37-2009《舞台机械操作与维修导则》。

此外，还有一些单项设备标准。

（3）可靠性准则

可靠性准则就是指设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性（在规定的使用条件下，在预期的寿命内能完成规定功能的概率）要求。

（4）安全性准则

机器的安全性准则是指机器保证在规定的使用条件下对人员和环境不造成危害的要求。

（5）设计方法

设计方法是将设计思维上升为理性，从而使设计工作能按一定的逻辑进行，使设计人员做出好的设计。大致包括以下内容：

a.将设计的阶段细分，每一阶段都成为有章可循和有理可据的活动。

b.建立设计资料库，储存成功的设计以供设计参考、采用。

c.用价值工程的概念和方法，对设计中的矛盾进行功能与成本分析，获得好的效果。

d.将摩擦学、振动学、断裂力学、有限元法、可靠性设计、优化设计、系统工程、人类工程学等新兴学科知识应用于设计工作，提高科学性，减少盲目性。

e.将用户参与设计工作纳入设计过程，从市场预测到售后服务都要倾听用户的意见。

f.应用计算机辅助设计技术和各种计算软件，提高设计速度和设计质量。

2 舞台机械设计要点

2.1 概述

由于舞台机械在剧场演出中的特殊地位（工作场所是文化和社交活动的剧场；工作对象是与人密切相关的景与物，或就是人本身；工作特点是其他机械所不具备的节奏性；工作性质是在演出中不允许因故障而中断运动，且要维持剧目的多场或长期演出；工作环境往往非常黑暗、经常有不熟悉舞台机械的人员接触等），使得在使用中发生危险或存在危险倾向。舞台机械的安全必须从设计开始（并主要由设计来保证），一直贯穿到制造、安装调试、使用和维修保养。在舞台机械的整个寿命周期内，安全始终是第一位的。

保障安全是舞台机械设计者的责任，设计者应对自己的设计担负道义和法律上的责任，必须多方努力，确保设备运行安全，不会因机械故障对演出产生影响，更不会因机械失效对人员造成伤害。

在设计阶段，除非设计者对设备的需求、负载、受力等要素有了充分的了解，否则不能开始实质性的设计工作。简单地用加大设备零、部件的方法来适应各种功能需要的办法是不可取的，要对各种因素进行分析，在分析的基础上得出合理的结论，选择合适的零、部件。

2.2 风险评价

从整体上说，舞台机械设计和其他机械设计一样需要进行风险评价。由于舞台机械行业是一个历史悠久的行业，大多数设备都有多年使用的经验，设计者对使用中存在的风险比较了解，因此，这一程序常常被忽略；但对于新开发的设备品种，特别是非常规剧场中的新、奇、特和技术参数要求特别高的设备，应当进行风险评价。风险评价的主要内容包括：风险分析（机械限制的确定即机械寿命各阶段、机械的预定合理使用、可预见的使用范围和限制、可预见的使用者预期训练和能力等；危险识别即机械危险、电气危险、热危险、辐射产生的危险、振动和噪声产生的危险、机械加工产生的危险、设计中忽略人类工效学产生的危险等；在此基础上进行风险评估）和风险评定，以确定是否需要减小风险或是否达到了安全。有关风险评价的具体规定应按照GB/T16865《机械安全风险评价的原则》进行。