旭光

　　象征全世界手拉手的五环在夜幕中闪闪发亮，音符般的巨大主火炬燃烧起熊熊烈火，华表的影像流淌在徐徐展开的巨大卷轴上，人类在冉冉升起的蔚蓝色星球上漫步，闪烁的星空变幻成通体晶莹的“鸟巢”……一幅幅独特的壮美画卷让世人叹为观止。2008北京奥运会开幕式到底被施了什么“魔法”？
45000个LED编织“梦幻五环”
　　“太奇妙了！”开幕式上，当梦幻五环出现时，很多观众发出感叹。特别是当奥运五环展示结束，突然在空中“消失”，很多人惊叹的同时，不禁疑问：这是魔术吗？
　　这得先了解奥运五环的制作工艺。
    黑色钢丝暗藏玄机
　　首先要解决“五环”依托的问题。为此，总装某设计研究院通信工程师、“梦幻五环”负责人董平章及其同事制作了一张用直径2毫米钢丝线编织成的巨型网，宽 16.5米，长36米，网眼呈边长2厘米方格状。他们按照五环的布局在钢丝中焊接上了45000多个LED（发光二极管）小灯，当这些灯发出白色光时，就呈现出了大家所见到的璀璨五环。
　　这张巨网的上下两边各固定了一根钢管，上边的钢管上焊接了4个挂环，用于连接威亚（钢丝）装置。这么长的钢管，如何在尽量控制尺寸的同时保证不变形？董平章说要归功于负责特种结构设计的尹续峰等人。为了这根钢管，他们进行了大量的演算。甚至在第一次演出前，还对吊点的位置进行精确调整，保证了“星星五环”能够最平整地展示。
　　当然，钢丝也暗藏玄机，钢丝都裹上了一层塑料皮，和大家平时所见的电灯线结构一样。塑料皮和钢管都刷成黑色。这张网事先被放在了舞台中央。“梦幻五环”节目开始时，全场灯光都暗下来，五环音乐响起，舞台中央出现了奥运五环图案，与钢丝网上的五环图片重合。此时威亚装置随着音乐缓缓拉起钢丝网，网上的LED灯亮起，此前用灯打的五环同时熄灭。由于黑色塑料反射光小，在100米开外的观众只看到了奥运五环闪亮升起，等灯熄灭时，就感觉是五环在空中消失了。
    几易方案力求完美
　　董平章的工作室就设在“鸟巢”0层，他给记者展示了一截钢丝网，这就是“梦幻五环”设计初期的样子，最大的不同是网的颜色。董平章说，钢丝线和钢管，刚开始都是刷成灰色的，但演出时有部分反光，达不到满意效果，最后都刷成了黑色。
　　他还说，巨网上下两边刚开始时是用玻璃钢固定的，但成本高，强度也较弱，换成钢管虽然相对要沉一些，但在威亚系统的承载范围内，最主要的是比玻璃钢结实，可靠性更胜一筹。
　　奥运五环的大小也进行了反复调整。起初每个环的直径是8米，后来修改成6米、7米，直到最后才定为10米。“主要是跟表演场地的大小协调。”董平章说。
　　原先奥运五环周围还有很多闪闪发光的点，最后都换成了蓝色的底。“导演组认为这样背景显得干净，主题更加鲜明。”董平章说。
    四条线路同时供电
　　困扰技术保障人员的问题是，LED灯很小，在钢丝网的搬运过程中容易掉下来。光钢丝网的线就有800多条，每一次排练至少有十几条坏掉。因此每次彩排后，技术保障人员都要花费很大的精力去修补钢丝网和焊接灯，工作量很大。
　　后来，他们想了个简单易行的办法，蘸胶水点在小灯上，胶水凝固后就包住了小灯及两边的焊点，既不影响亮度，又比原先牢固。
　　为防止个别线路出现问题导致“梦幻五环”断路，他们采取4条线路同时供电。只要其中有一条不断路，钢丝网都能完整地显示出奥运五环的图案，当然这四条线同时正常工作的话，“梦幻五环”也就达到了最佳的效果。他们还采用两个不同频率的电路开关控制电源，即使两个开关都出现问题，还有1个手动控制开关。
“吊钢丝”巧技打造空中奇观
　　22位婀娜多姿的仙女在空中交叉飞行，璀璨夺目的奥运五环在空中环游，古典与现代就这样梦幻般地融合了。北京奥运会开幕式上，开篇就用“吊钢丝”的技法，为世界呈上了一道空中视觉奇观。
　　超复杂钢丝系统纵横巢顶
　　“开幕式上用的威亚（钢丝）装置，科技含量要高得多。”开闭幕式上空设备机械系统负责人常嵩介绍，开幕式上空共安装了31套威亚装置，每套包括1台移动小车、1个带滑轮吊具和3台卷扬机，这些组成了上空威亚系统。
　　“鸟巢”上空有10条钢索——东西向3条，南北向7条。这是移动小车滑动的轨道，称为承载钢索系统。操作员在上空控制台发出各种指令。
　　控制台放置在“鸟巢”四层的上空控制室里，是整个上空设备的“中枢神经系统”。这是“鸟巢”的“黄金地段”，操作手透过玻璃门能以最佳的视角察看演出状况。他们前方还挂着十几个监视屏。
　　55公里长的各种钢丝绳，2000余个滑轮， 471台（套）的电源柜、变频器柜、电机等设备，总重150吨，就分布在“鸟巢”上空的上下弦内，距离观众席上方四五十米的地方。
　　在高空安装、维护装备的每个人都必须谨慎细致。小到每卸下一颗螺丝，都要小心翼翼地收进矿泉水瓶里——一旦掉下去，那就是颗致命的子弹。
　　考虑多种细节只为万无一失
　　“片场上拍摄吊钢丝镜头时，出了问题就重拍。开幕式上如果设备不运转了，能等你修好了再继续演吗？”上空设备系统指挥方志刚说，“摆在我们面前最大的难题是如何确保万无一失。”这支平均年龄才30多岁的技术团队集智攻关，为开幕式演出“保驾护航”。
　　其中一个是采集吊威亚的物体移动坐标数据，并编成电脑指令。开幕式演出中，吊威亚的有仙女、宇航员、放风筝的小姑娘、梦幻五环、巨型纸等，这些都得在相应的指令下移动。10条钢索受地心引力和热胀冷缩影响，根据数学模型计算的数据与实际出入很大。设计者采取测算初始两个位置之间所要排放钢绳的长度，通过精确控制卷扬机收、排钢绳的长度和速度，确定了物体在这两点的移动轨迹。
　　小车运行时，钢索形状会不断变化，容易导致钢丝绳绷断，或是跳出滑轮。为此，技术人员添加了张紧装置，自动调节钢丝绳始终处于松紧适度的状态。他们还在卷扬机上安装了排绳装置，它就像交警，指挥走向复杂的钢丝绳有条不紊地通行，解决了容易乱绳和打死结的问题。智能编码器能“聪明”地保证钢丝绳单层而不交叠地缠绕卷筒，确保准确测量收、放钢丝绳的长度。
　　22位仙女在空中交叉飞行，会不会发生碰撞？方志刚说，在观众席上看好像是交叉的，但这是平面的视觉效果，在立体的空间里她们之间间距6—8米，就像两列相向运行的火车，在不同的轨道上行驶，显然不会发生碰撞。
　　航天经验保障空中安全
　　“这是一项和航天发射同样富有挑战性的任务。”方志刚说，“我们不会把开幕式当作新产品的试验台，所有的设备、系统都必须要有多年的成功应用经验。”如，奥运会开幕式上空设备的控制台，用的就是成功保障过航天发射的神舟某控制台。
　　他们将航天发射经验“嫁接”到开幕式技术保障中。大范围采用冗余设计。像核心控制器、操作系统、网络传输系统都是双备份。在一个出现故障的情况下，备份系统无延时切换。他们对开闭幕式特点进行了风险分析，建立了一整套完整的预案处置体系：一个环节出故障，有几套方案解决。
　　操作手也实行了“双备份”。每个岗位都分为一岗和二岗，两岗都配主操作手和应急操作手各一名，“一个干一个看”。多重保险让出现意外情况的概率几乎为零。
主火炬完美弧度与“鸟巢”浑然一体
　　“鸟巢”顶部，东北角，大大的充气帐篷里，藏着北京奥运会的最高机密。在所有目光都注视着最后一次火炬交接的时候，主火炬滑出帐篷、悄然竖起。45吨的主火炬缘何稳站“鸟巢”顶端？火炬塔代号为“TS设备”，从上空俯瞰，主火炬外形是一道音符。看似简洁的符号，工程实现起来却难乎其难。
　　精确到螺丝的三维设计
　　2006年10月，火炬塔研制工作启动。总装某设计研究院一批机械、结构、控制工程师首先参与其中，负责把导演创意转化为艺术装置。
　　音符的创意提了出来，耳目一新，却给结构设计带来巨大困难。方案论证了3个月，2007年10月开始正式设计。从外形的几道弧线入手，先展开平面，根据平面确定结构体系、内部材料，再一步步细化优化。
　　从“线”扩展到“面”，延伸至“体”，负责结构设计的黄伟开始火炬的计算机建模。表面平整的主火炬，里面藏着不少“玄机”，要为焰火燃烧及控制提供空间，还要解决自身连接问题。运用三维软件，黄伟画出了第一支主火炬。在三维空间里，这支火炬的每一个螺丝都进行了精确表达。通过计算机控制，可以看到各个角度各个部位的情况。
　　严丝合缝的仿真模拟
　　不仅风，还有雨、雪和高温，火炬塔经受了重重考验。网状钢结构交织成的“鸟巢”，顶部是起伏不平的。火炬塔所处的屋面是一个弧形缓坡，每个点都不同。
　　在“鸟巢”顶部搭建火炬塔，一个关键问题是要进行重量控制。选材、用材，把厚钢板用在关键部位，从总体到细节，全程控制，解决了难题。最终，主火炬重约45吨，驱动系统重约80吨，燃气系统也仅十几吨，完全控制在“鸟巢”的承受范围内。
　　几乎每一次试验，都必须把火炬塔所处的特殊环境模拟出来。为此，以原设计图纸为基础，火炬塔团队构造出一个个“鸟巢”局部。在京东郊区的某个地方，甚至专门做了14米高、1∶1的“鸟巢”局部作为试验平台。主火炬、驱动、燃气，从分项到整体，全部进行实物模拟试验。
　　4月下旬，京郊试验场进行火炬塔首期竖起点火试验。离8月8日不到100天，已经没有调整的时间。“万一失败，就彻底玩完了！”郑志荣和负责驱动系统设计的王迎东等人，连续3天没睡觉。试验一举成功，千斤重担暂时放下。
　　5月10日，火炬塔开始现场安装。试验场上整体调试完毕的火炬塔，到了“鸟巢”却需要一点一滴重新开始。甚至，原来严丝合缝的螺丝连接，因为一个点位误差的放大，也会变得相距甚远。6月初，系统安装完毕。反复调试，一点点优化，到7月26日，经过几次试验检验、调整，火炬塔系统施工才算全部完成。
　　浑然一体的整体造型
　　开幕式要求体现“天人合一”的中华文化精髓。竖立在“鸟巢”一角的主火炬，犹如从上方十几米宽的膜结构卷出，与“鸟巢”浑然一体。主火炬的下边缘，要和膜结构上的造型线相合。精确的定位要求，为火炬塔的驱动系统设计带来了巨大难题。
　　一条11米长、3米多宽的轨道，铺上“鸟巢”顶部。主火炬平常藏在靠近外环的帐篷里。点火前，一套水平驱动系统把它缓缓拉出，直到近半部分探出内环。另一套复合驱动系统又把它顶起，推到与“鸟巢”内环垂直，下缘与膜结构曲线对接。整个翻转竖立过程由6个环节组成，工艺之复杂、行程之长、设备数量之多、功率之大，都是搞了20多年航天发射场和大型舞台机械控制的郑志荣从未见过的。
　　为了确保精确定位、绝对可靠，驱动控制系统采用了智能化设计。在火炬塔运行的几个关键部位，专门布设监测仪器，实时反映设备运行状态。根据反馈信息，控制系统能够自动调整设备运行方向、速度。直径3米多、行程11米多的主火炬，运行控制误差低于2毫米，精确度达到万分之二。


出处: 科技日报