2022年2月4日晚，全球瞩目的2022年北京冬季奥运会开幕式成功举办。在这场精彩绝伦、梦幻般的视觉盛宴中，观众一定对“黄河之水天上来”，再瞬间凝结成巨大冰立方的场景印象深刻。

冰立方

    “冰立方”位于国家体育场正中偏东侧，正对主席台，是冬奥会五环展现的主体。其作为开幕式五环展示的表演设备、核心装置，充分体现了导演团队无与伦比的艺术创意。

     一滴中国水墨从天而降晕染开，幻化成黄河之水天上来，铺满全场、浩浩荡荡，奔腾不息，将“山水画”与“黄河水”的观念相结合，展现了一幅兼具传统美学与现代科技的新时代图景。

    以激光在“冰立方”上描绘出运动人形及冬奥会历届举办国及举办城市名，这是奥运历史上首次以水墨动画风格呈现冬季运动，以中国书画传统笔墨精神再现冬奥历史。

“冰立方”有多大

    这些创意的实现绝非易事。冰本身是一种概念，这块“冰”用LED组成，面积很大，达到了三万平方米。LED本身的科技含量并不高，但如果让它淋漓尽致刻画出大家感觉上和心目中真正的冰，实际难度很大。

    晶莹剔透、流光溢彩的巨大“冰立方”，总重量约400吨，升降重量达约200吨，升降载荷超过一般剧院大型升降台的8倍，是整个开闭幕式中功率最大的驱动设备。

    “冰立方”升起来有10米，那就意味着下深度地舱至少11米。这个庞大设备在地面上看起来觉得很干净，其实“冰”的底下放满了多种机械机构，是以数控手段，包括5G信号的传输、复杂程序控制的高科技特殊机械装置。

冰立方机械系统设备组成图

冰立方横剖图

    “冰立方”机械装置由中国航天科技集团总负责，北京金东高科科技有限公司（以下简称“金东高科”）设计研发并制造的。其机械系统的设计方案从初步确立到最终成型，经过了十数次修改才得以确定。

冰立方位置与要求

• 温度：夏季使用不超过+40℃；冬季使用不低于-20℃。

• 风速：地面平均风速不超过6m/s，瞬时最大风速不超过10m/s。

• 使用环境：露天。

• 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22m，东西宽7m，高14.25m。

• 冰立方内部能够储存五环，储存静空间19m × 0.5m × 10m。

• 台面设置下翻活门，活门尺寸20m × 1m ，需要时，可以打开，平时闭合用作台面。

冰立方三维外形图

设计难点及重点

    冰立方设备地仓深度为10.716m，要求升起14.25m，不同于传统意义上的升降台，而是升起后形成一个由上表面LED、四周立面LED围成的长方体。其设计的难点和重点如下：

• 体量大：冰立方是此次表演设备体量最大的设备，长22m，宽7m，高14.25m，平面尺寸是普通演艺升降台的3倍，体积达到2195立方米。

• 载荷重：冰立方总重量约400吨，动载荷达到近200吨。

• 速度高：设备升降最大速度为0.45m/s，对传动机构和结构设计带来巨大挑战。

• 地仓浅，行程大：受地仓深度限制，10.716m深的地仓需要升起14.25m的设备，必须采取多级伸缩的形式，且应平稳自如。

• 受力结构不连续：设备中间位置需给五环留出20m × 1m × 10m的净空间，几乎把设备从中间分成两半，无法形成完整的桁架结构，受力状态不佳，结构上需要特殊处理。

• 露天，有风载荷：国家体育场内存在风载荷影响，根据气象局连续3个月测量的结果，场内平均风速为6m/s，最大瞬时风速达到10m/s。

• LED整体性：设备升起后，四周立面的LED需要14.25m高的整体，这么高的LED也需要储存在10.716m深的地仓内，所以四周立面LED也需进行机械伸缩。

设备运动、场景实现

    场景实现动作顺序

    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+5m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平移机构开始平移往内动作，平移0.57m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+14.25m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平移机构开始平移往外动作；

    第六阶段：主升降机构继续下降到2.5m，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。

计算及仿真

    在方案设计中，充分考虑了各种工况（冲击、偏载、侧风、横风、雪载、自振、风振等），并进行了大量的仿真计算、选型计算、运动加速惯量计算、刚强度计算、支反力均布优化、模态分析等，并根据计算结果进行了多轮优化。

调试及试验

    1 速度、电流、转矩试验

    2 静载试验

现场施工图

    验    收

    在自检合格后，由奥组委委托第三方（中国艺术科技研究所国家舞台设备质量监督检验中心）进行了全面的检测，顺利通过验收。

    考虑到开幕式全场表演设备的协调一致性和时间节奏要求，冰立方最后呈现在大家面前的是比原研发设计精简了很多功能的，比如升降行程由14.25m变为了10m、取消了整体水平移动等等，有一点点遗憾，即使这样，金东高科依然凭借自身的技术实力，完美的实现了导演的创意，给大家展示了滴水化冰的冰立方。

（图文素材来源于金东高科、冬奥视效团队、新华网、央视频、看看新闻knews等网络，本文仅用于行业交流学习，并不用于商业用途。文中观点为作者独立观点。如不慎侵涉第三方权益，请与我们联络，我们将第一时间删除处理。）