随着越来越多的国际赛事和重大活动的举办，用于举办开闭幕式演出或其他演出的舞台规模越来越大，舞台固定钢结构也随之越来越复杂。鉴于这些活动的重要性，以及舞台固定钢结构受力的复杂性、时间跨度大、外部荷载复杂、制约条件多、结构不规则项多、施工难度大、工期紧张等特点，有必要对舞台固定钢结构进行专项分析，制定全生命周期包络设计、精细化设计、装配式技术的技术路线。笔者以北京冬奥会开闭幕式演出舞台固定钢结构设计为例，解析设计依据标准、荷载取值、结构设计、节点设计等，旨在对其他类似项目提供参考。

 1 工程概况

北京冬奥会、北京冬残奥会开闭幕式在国家体育场（鸟巢）举办，在2021年6月28日，鸟巢还穿插举办了庆祝中国共产党成立100周年文艺演出（以下简称：建党百年演出）。

鸟巢演出舞台为地下结构，位于场心地仓内，平面尺寸为84 m×42 m，固定钢结构下端生根于地仓底板上，结构顶标高为0.28 m。演出舞台范围内地仓底板顶标高主要为-10.3 m，地仓中心设有直径为23 m的圆坑，圆坑底板顶标高为-18.1 m；此外，地仓沿舞台四周设有一层地下室（靠近舞台一侧为框架），地下室地面标高为-5 m，地下室顶板标高为-0.8 m；地仓底板顶面和侧面预留有埋件。固定钢结构主要区域地下三层，主要区域结构高度为10.58 m。地下三层为架空层，顶标高为-8.5 m；地下二层为配套机电层，设有多个变配电室，顶标高为-5 m，局部为-7.1 m；地下一层为演员候场区域，顶标高为 0.28 m。演出舞台平面图及主要剖面图见图1至图3。

图3 B-B剖面图

2 结构设计特点及设计标准

2.1 结构设计特点

该舞台固定钢结构主要服务于舞台演出，具有以下特点。

（1）重要性高。舞台承载的活动均属于国家重大活动，具有重大国际影响力。

（2）时间跨度大。舞台从开始建设到拆除，时间跨度达14个月。

（3）外部作用复杂。固定钢结构除台面演出荷载和机房荷载外，还承受大量道具荷载。这些道具不仅产生静力荷载，还产生水平向及竖向移动荷载，偶然条件下还会产生瞬时冲击荷载。此外，该演出舞台固定钢结构平面尺寸较大，长期暴露在室外，且经历夏冬季交替，温度作用明显。

（4）制约因素多、结构不规则项多。固定钢结构要考虑大型道具需求，不仅为道具提供支承，还不能影响道具的存放移动，这样使得结构的布置受限较多，导致结构存在多项不规则，且构件截面高度受限。另外，地仓预留埋件布置不规律，承载力较低，且不容许增设后锚固件，对结构布置也产生较大影响。

（5）不同演出结构布置需进行转换。两次重大活动共有五场正式演出，由于不同演出创意不同，其所承受的荷载和结构布置存在差异，结构应满足不同阶段结构转换的要求。建党百年演出的道具均在舞台表面，需提供完整平面，荷载较大；北京冬奥会开闭幕式演出时，有大量道具从地仓升起，对地下空间需求大；结构设计时应满足不同活动转换要求。

（6）施工难度大。该工程主要位于地仓内，采用地面+地仓内多台吊车配合施工。另外，该工程施工与周边工程存在严重交叉，施工困难。

（7）工程量大、工期紧张。该工程演出舞台固定钢建筑面积达5 400 m2，工程量大；从进场到第一次演出彩排的时间不足4个月，工期紧张。

针对以上工程特点，该工程确定了以下技术路线。

（1）全生命周期包络设计。演出舞台固定钢结构应满足全生命周期内各个阶段的外部作用和使用要求，同时要为后期演出方案调整预留条件。

（2）精细化设计。针对不同阶段，施加不同的边界和荷载条件；针对建党百年演出的台面，演出荷载高达 10 kN/m2（即1 t/m2），结构设计时在大跨及悬挑部位设置可拆装的临时支撑。

（3）钢结构装配式技术。为了实现快速组装、拆卸和不同阶段结构转换，主体结构尽量采用钢结构装配式技术，即梁柱采用栓焊连接、次梁及支撑两端采用螺栓连接、钢格栅采用安装夹固定等。

舞台固定钢结构主要设计参数如表1所示。

3 荷载取值

3.1 台面演出荷载和机房活荷载

根据演出要求，建党百年演出时舞台台面演出荷载取10 kN/m2，北京冬奥会开闭幕式取5 kN/m2；机房活荷载取7 kN/m2。

舞台演出方案进行了多次调整，固定钢结构最初设计按照6组道具预留条件，分别是中央升降台、冰立方、道具S、道具D、道具NE及道具SE，后期因演出方案调整，实际演出时仅使用了中央升降台和冰立方这两组道具。这些道具作用在固定钢结构上的荷载作用复杂，包括水平移动盖板荷载、升降台导向荷载和升降台插销荷载等，其中升降台插销荷载属于偶然荷载。

中央升降台对固定钢结构产生的荷载平面布置如图4所示，包括盖板4产生的移动荷载及升降台升降时产生的水平导向荷载 。盖板 4 沿东西侧两条轨道梁（梁顶标高 - 2 . 4 m ）移动，荷载如下：竖直向下荷载为150kN/m，每8 m范围内不超过800 kN；沿轨道方向水平力为20 kN；垂直轨道方向水平力为20 kN/m，每8 m范围内不超过40 kN。固定钢结构围绕中央升降台环向需设置16根导向柱，其中8根导向柱（LZ1）上承载的总侧向力为90 kN，另外8根导向柱（LZ2）上承载的总侧向力为30 kN。

冰立方位于中央升降台东侧，竖向荷载由其自身结构传至地面。

该工程施工单位进场时正值冬季，钢结构合拢温度取0℃~10℃，温差取值考虑不同深度温度渐变的影响，升温计算温差取40~60℃，降温计算温差取-20~-25℃。

参考北京市地方标准 DB11/693—2017《建设工程临建房屋技术标准》 [ 2 ] ，地震作用及抗震措施按7度（0.10 g）考虑。

4 固定钢结构设计

由于受到道具等因素制约，演出舞台的主要钢结构构件被多处分断，各部分之间连接较弱，结构存在扭转不规则、平面凹凸不规则、楼板不连续、竖向刚度突变和竖向构件不连续等不规则项，结构受力复杂；另外，周边地下室靠近舞台一侧为框架，仅在梁柱侧面预留有埋件，固定钢结构仅与少数埋件可连接，且埋件承载力较低。综合考虑，主舞台固定钢结构自成体系，并通过结构缝分成4个结构单元（分别是结构单元S、E、NE和NW），各单元采用钢框架或钢框架-中心支撑结构，柱底铰接，地下二层地面及地下一层地面楼盖采用次梁+花纹钢板+角钢，台面（0.28 m）楼盖采用密肋梁（根据演出要求，次梁间距≤1 m）+水平支撑+钢格栅。结构设计时分别考虑荷载作用的标准组合、基本组合、偶然组合及地震组合。该工程采用SPAS-PMSAP进行分析，整体模型见图5。以下主要介绍与中央升降台和冰立方相关的结构单元S和结构单元E。

结构单元S平面尺寸为59.4 m×42.25 m，平面存在大开洞；同时，存在竖向收进、楼层错层及竖向构件不连续等不规则项；此外，中央升降台区域存在20 m大跨空间，道具D区域存在7.75 m长悬挑；该结构单元受力复杂。-8.5 m、-5 m及0.28 m标高平面布置图见图6至图8。

图6 结构单元S -8.5 m及-7.1 m标高平面图

图7 结构单元S -5.0 m标高平面图

图8 结构单元S 0.28 m标高平面图

因长度较长，且地下三层层高较小，刚度较大，当梁轴向约束不释放时，温度作用明显，见图9，最大轴力达500 kN；将地下三层顶部分钢梁的轴向约束释放后（一端设为铰接，另一端设置长圆孔），此时温度效应显著减小，最大轴力减小为250 kN，见图10。

图9 结构单元S -8.5 m梁轴向约束释放前温度作用

图 10 结构单元S -8.5 m部分梁轴向约束释放后温度作用

针对中央升降台区域20 m大跨空间，因钢梁截面高度需控制在800 mm以内，该工程采用密肋梁+根部加腋的方案。针对道具D区域7.75 m悬挑梁，钢梁截面高度需控制在680 mm以内，该工程采用密肋梁+临时支撑的方案，因建党百年演出荷载较大，故演出时设置临时支撑，演出后拆除，临时支撑平面布置见图7。图11及图12分别为建党百年演出（带临时支撑）和北京冬奥会开闭幕式（临时支撑已拆除）时荷载作用下的竖向变形，考虑预起拱，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》[3]及WH/T 36—2009《舞台机械台下设备安全要求》 [4]的要求。

图11  结构单元S建党百年演出荷载的下变形图

图12 结构单元S北京冬奥会开闭幕式演出荷载下变形

针对钢柱无法直接与埋件连接的问题，在钢柱下部设置钢转换地梁，钢转换地梁布置见图13。

东南角悬挑7.75 m，且竖向构件呈瘦高型，倾覆稳定问题突出，该区域既有埋件承载力无法满足要求，设计时考虑在该区域设置配重，见图3。

该结构单元模型见图14。

结构单元E位于道具冰立方区域，其平面尺寸为22.0 m×8.0 m，结构高度为10.58 m，仅在建党百年演出时作为台面使用，演出结束后拆除；北京冬奥会开闭幕式在原位安装冰立方，为节省工期，该结构采用钢框架-中心支撑结构，除台面0.28 m、梁柱采用栓焊连接外，其他部位均采用螺栓连接，结构模型如图15所示。

5 节点设计

5.1 柱脚节点设计

鉴于地仓底板上预留的埋件承载力较低，无法满足钢柱脚刚接的要求，且为便于施工，柱脚采用铰接节点。为保障钢柱与下部预埋件之间的铰接连接，同时实现上部钢结构快速安装和吊车快速摘钩的问题，该工程采用转换板+螺栓+限位板的连接节点，如图16所示。

转换板与下部混凝土顶部预留的埋件连接；钢柱端部设有柱脚底板；柱脚底板和转换板可贴合，且对应于螺杆位置均开孔；螺杆与转换板穿孔塞焊；钢柱穿过螺杆贴合在转换板上后，安装螺杆垫板和双螺母；所述螺杆垫板与柱脚底板焊接，柱脚底板四周设置限位板，限位板与柱脚底板顶紧不焊接，限位板与转换板焊接。

为满足中心升降台各个阶段不同提升行程的要求，在中央升降台区域地下一层地面局部位置设置折叠板，位置详见图7，当需要从地下一层地面上人或布置道具时，将折叠板落下；当中央升降台需要更大的提升行程时，将折叠板收起，具体见图17。

图17 中央升降台折叠板的收放示意图

6 结论

北京冬奥会开闭幕式舞台固定钢结构采用上述技术路线有效保障了结构安全和施工工期，为开闭幕式成功演出奠定了坚实的基础。从中可以总结出，针对此类重大活动演出舞台固定钢结构设计，采用全生命周期包络设计、精细化设计、装配式技术是一个合理的选择。  

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》 申纪刚，李俊刚，肖 亮，张 峰，邓尤贵，闫虹瑞《北京冬奥会开闭幕式舞台固定钢结构设计》。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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