膜結構的裁剪設計與加工制作

膜結構加工制作階段的工作內容，包括裁剪設計的原則、裁剪方法、膜材的連接、裁剪下料圖及加工圖、膜面加工制作的工序與質量要求等。
除找形外，膜結構設計的另一大特點是需要進行裁剪設計，即在完成找形、荷載分析和構件設計（含膜材、索、支承鋼結構的設計等）并獲批準后，要購買膜材料，進行裁剪設計，加工制作膜面。本文將就膜結構加工制作階段的工作內容，如裁剪設計的原則、裁剪方法、膜材連接方法與接縫設計、裁剪加工圖、膜面制作工序與質量要求等，展開論述。
一、 膜結構裁剪設計的目的及一般原則
1. 裁剪設計的目的
膜結構建成后的膜面是預應力作用下的空間曲面。裁剪設計（或者稱裁剪分析）的目的是用無應力、平面狀態并有幅寬限制的膜材（卷材）去制作膜面，使這個膜面在張拉后符合找形所得的形狀和應力分布，且膜面接縫布置美觀，膜材用料節省。
2. 裁剪設計的內容與步驟
膜結構裁剪設計的內容與步驟如下：（1）在找形得到的空間膜面上布置裁剪線，將空間膜面劃分成若干個空間膜條；（2）將空間膜條展開為平面膜片；（3）釋放預應力，對平面膜片進行應變補償（即考慮預應力釋放后膜材的彈性回縮）；（4）根據以上結果，加上膜片接縫處及邊角處都放量，得到平面裁剪片；給出膜材的下料圖及膜面的加工圖。
3. 裁剪線的布置原則
裁剪線是指空間膜曲面上膜條與膜條之間的連接線，也就是裁剪片與裁剪片拼接時的接縫。裁剪線的布置應遵循以下原則：（1）美觀，有良好的視覺效果；（2）受力性能良好，通常將裁剪線布置成與膜材的經向一致，沿膜面主應力方向；（3）便于加工，避免裁剪線過于集中，以方便邊角處理；（4）節省，即節省膜材且使接縫總長度盡可能地短。
通常，裁剪線的方向就是膜材的經向，即膜材的長度方向。習慣上，圓錐形（傘形）膜面的裁剪線按經向布置，馬鞍形膜面的裁剪線沿平行于高點對角線的方向布置，拱支承形膜面的裁剪線多垂直于拱的跨度方向，而脊谷式膜面的裁剪線多平行于脊谷索布置；剛性邊界的膜結構，裁剪線多平行于邊界支承構件，如圖1 所示。設計實際工程時，不要墨守陳規。適度地改變習慣做法，有時會收到意想不到的新奇效果，參見圖2。
4. 裁剪的應變補償
膜材裁剪時的應變補償值（預縮量）受許多因素影響，如膜材本身的雙軸拉伸性能、徐變性能、膜面應力水平、裁剪片的形狀及材料經緯方向、結構尺度及支承方式、膜面熱合時的收縮情況、成型時的張拉難易程度等等。應變補償常以補償率的形式實施。嚴格說來，需根據膜材在特定應力比及應力水平下的雙軸拉伸試驗結果，結合上述諸因素綜合確定應變補償率。
需要注意的是，膜材經、緯向的應變補償率通常是不同的，且不同的應力分區也應采用不同的補償率。大體上來說，常用聚氯乙烯（PVC ）涂層覆蓋聚酯織物的應變補償率在0.5% 至 0.8% ；而常用聚四氟乙烯（PTFE ）涂層覆蓋玻璃纖維膜材的應變補償率經向為0.5% 至1.0% ，緯向在1.0% 至3.0%之間。
二、裁剪設計的方法
膜結構的裁剪分析最初是從量測物理模型開始的，即按一定比例制作一個所期望的結構曲面模型，用一定寬度的紙、布或其他柔性材料剪成相應的形狀粘貼到模型上，經反復修改，直到完
膜結構設計專題講座
全覆蓋整個模型。將每個粘貼條揭下按比例放大后，再考慮應變補償，即可得膜材的下料圖。
對于簡單、規則的可展曲面，可直接利用幾何方法將其展開并得到下料圖。而對于復雜曲面，需通過計算機方法確定。目前常用的裁剪方法有測地線裁剪法（Geodesic Line Method ）及平面相交裁剪法等，現分別介紹如下。
1.   測地線裁剪法
測地線原是個大地測量學中的概念，又稱短程線，其通常被理解為：經過曲面上兩點并存在于曲面上的最短的曲線。可展曲面上的測地線在曲面展開成平面后為直線；不可展曲面上的測地線在展開后接近直線。測地線裁剪法，就是以測地線來剖分空間膜面。求曲面上的測地線的問題，實際上是一個求曲面上兩點間曲線長度之泛函極值的問題。
用測地線概念作膜結構裁剪分析的問題之所以復雜，是因為膜結構幾何外形的新奇多變。通過找形分析，所得到的是膜面上一些離散點的空間坐標，而不是空間曲面的方程，因而也就無法得到曲面上兩點間曲線長度的泛函的顯式。通常采用分段線性化的方法來處理這一問題，即用求極值確定測地線上的若干點，再用線性插值的方法求中間點，從而求得測地線。
對于一些呈球面特征的曲面或曲面區域，兩端點（極點）間的測地線有無數條，即測地線并不
唯一，這樣就很難控制膜條的最大寬度。文獻[1] 提出了在兩端點間再指定一個中間點的準測地線
（Semi-Geodesic Line ）方法并已經用于膜結構設計軟件 EASY 中。
測地線裁剪法的好處是接縫最短、用料較省，但裁剪線的分布及材料經、緯方向的考慮不易把握。實際應用中，在將由兩條測地線及邊界圍成的空間膜條展開成平面時，需指定其中的一條測地線為直線。
2.  平面相交裁剪法平面相交裁剪法是用一組平面（通常用豎向平面）去截找形所得到的曲面，將膜面分成一個個的 “香蕉狀”的膜條，以平面與空間曲面的交線作為裁剪線。平面相交裁剪法常用于對稱膜面的裁剪，所得到的裁剪線比較整齊、美觀。
3. 膜材的連接方法
1.膜材的連接方法膜材的連接方法有機械連接、縫紉連接、熱合連接等。機械連接簡稱夾接，是在兩個膜片的邊緣埋繩，并在其重疊位置用機械夾板將膜片連接在一起，見圖3。機
械連接常用于大中型結構膜面與膜面的現場拼接。縫紉連接是用縫紉機將膜片縫在一起。采用縫紉連接時，需要注意選擇縫紉用線的強度和耐久性。縫紉連接通
常用于無防水要求的網狀膜材結構中，或者是與熱合連接同時應用在PVC 涂覆聚酯織物的邊角處理上。
熱合連接又稱焊接，是通過讓膜材接觸加熱物體、或通過高頻電磁波、或向膜材吹熱空氣等手法，使膜材獲得相應的熱量從而使織物上的涂層熔融，然后施加壓力并冷卻使膜片結合在一起。熱合連接是最常用的膜材連接方法。對PVC 膜材料，多用高頻焊接，局部修補可用熱風焊接；PTFE 及乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE) 膜材則采用接觸加熱物體的高溫熱合方法。接縫可以是搭接，也可以是采用“背貼條”的拼接，PTFE 膜材焊接時，需要在兩層PTFE 膜材間放置氟化乙丙烯(FEP)薄膜條。有關的熱合設備，
4. 裁剪加工圖及特殊部位的經驗處理
1、 裁剪加工圖
裁剪加工圖包括膜片下料圖、膜材排版圖、膜面加工圖三方面。膜片下料圖是指考慮了應變補償后的平面膜片圖，亦即各裁剪片的平面坐標及經線方向；膜材排版圖是指各裁剪片在特定幅寬膜材上的排列圖，在考慮了邊角放量及經緯方向后，排列盡可能緊湊以節約膜材；膜面加工圖就是各裁剪片的拼裝圖。在加工圖上，除了注明各裁剪片及接縫位置外，還需給出接縫及邊角處理方式和放量、接縫方向、補強位置及范圍、膜材型號及規格、接縫檢測要求、包裝時折疊的順序及方向標識要求等等，參見圖1如采用自動放樣及自動下料，膜片下料圖以數據文件形式提供。

圖1 裁剪片的平面坐標

2、特殊部位的經驗處理
（1）邊角處理放量在膜片與膜片的連接處，因接縫需要放量；在柔性邊界的膜結構中，為方便穿鋼索，常將膜邊放出一定的余量做成索套（cable cuff）, 俗稱“褲子”；在膜結點板處以及剛性邊界膜結構的邊界處，常采用“繩邊”（rope edge）,也需在裁剪基準線外加上適當余量以方便埋繩。圖8 和圖9 是典型的邊角處理方式及放量情況。挖弧及補強層在膜角點，一般用膜節點板并通過連接配件連接膜面與支承結構。節點板處的膜面要作“挖弧”處理；膜角處及錐形膜面的頂部等應力比較集中，常用兩層或三層膜熱合在一起，即作“補強層”處理
(2) 特殊部位應變補償率的調整
如前所述，盡管影響膜材裁剪應變補償值的因素很多，但實用上大多采用百分率補償法；計算程序一般也用輸入的具體百分率對膜材的經緯向進行預縮。由于膜面上可能存在不同的應力分區，且各分區及各部位在安裝時的張拉難易程度不一，對特定部位，需對其應變補償率作出調整。
對于外形為圓錐形的膜結構，在帽圈處常用圓鋼板或圓環與膜面相連，安裝時通常也是先將膜面固定在鋼板或圓環上再頂升，因而帽圈處膜的環向應變補償值幾乎為零。同樣，靠近邊索處的膜在沿索的方向很難張拉，應變補償率也需作出調整。在剛性邊界的膜結構中，中間部位的膜比較容易張拉，而靠近邊界處的膜張拉就比較困難，邊角處的應變補償率也宜作出適當的調整。
(3) 方便安裝及考慮防水或美觀的一些構造
考慮到安裝的方便，除了將膜面進行必要的分塊之外，還可以在膜面上特定部位焊接一些“搭扣”（lifting tape ），以方便吊裝及張拉，在張拉完成后再將其剪去。圖12 第一道接縫處為方便吊裝而焊接的連續搭扣即為一例。出于防水或美觀的考慮，也可在膜面適當部位焊接一些用于覆蓋用的膜片，如圖2。

圖2方便吊裝而焊接的連續搭扣圖            用于防水或美觀的覆蓋膜片

通常，膜面的加工制作包含以下工序：（1）準備工作，包括技術準備、場地及設備準備、膜材料進場檢測等；（2）放樣、排版與下料；（3）熱合試驗；（4）熱合加工；（5）邊角處理；
（6）清洗、包裝。

2. 膜面加工的技術準備及場地要求膜面加工的技術準備工作，主要是閱讀、領會設計圖紙（包括結構外形圖及膜面下料、加工
圖），查看相關數據文件；如為人工下料，需對制作人員進行技術交底。加工場地需平整、無塵，溫度、濕度適宜；加工設備保養良好
膜材的進場檢測主要包括外觀檢查和物理性能檢測兩方面。外觀檢查主要是檢查膜面色澤是否一致、有無斑點、小孔等，一般通過目測結合專用燈箱進行，參見圖3及圖4。待用膜材的品牌與型號應與設計圖紙一致，并為同一批號（不同批號的膜材色澤會有差異）；要求無直徑2 mm 以上的油污、瑕疵，無直徑1 mm 以上的針孔，色澤均勻一致。
物理性能檢測主要是檢測厚度、重量、抗拉強度及撕裂強度等，檢測結果應不低于膜材性能表所列指標。由于各國的檢測方法不一致，檢測結果也會有出入。膜材進場時可對各項技術指標進行抽檢，并檢查膜材出廠時的材料檢測報告和質量保證書。當抽檢數據與出廠檢測報告出入較大時，應通知膜材供應商并取樣送權威檢測機構檢測、鑒定。

圖3 膜材進場時的外觀檢查                   圖4 燈箱檢測
3、放樣、排版與下料
放樣有自動放樣與手工放樣之分，取決于加工廠商的設備情況。自動放樣是將包含各膜片X、Y 坐標的數據文件輸入電腦，經排版、優化后打印在膜布上或直接由電腦控制的切割機將膜布裁剪成片。當采用手工放樣時，通常要先做出1:1 的紙樣，再將紙樣放置在膜布上排版，最后劃線、下料，參見圖5至圖8。手工放樣、下料的精度應控制在+/-2 mm 以內。

圖5 自動放樣                                         圖6 手工放樣

圖7 自動下料                                   圖8 手工下料
4、熱合試驗與焊接加工
在正式進行焊接加工前，需進行熱合試驗以便為熱合加工提供參數依據。試驗樣條的抗拉強度應不低于其母材強度的80%。在焊接加工過程中，也需定時試驗并記錄結果，以便隨著環境溫、濕度的變化及加工部位的不同，隨時修正相關技術參數。
正式加工時，先將膜片在接縫處對齊，檢查膜材的正反面及接縫順序是否正確；清潔待焊區域；如為PVC 膜材拼接接縫放置“背貼條”，如為PTFE 膜材需在接縫處兩層膜片間放置EFP 條；根據熱合試驗所得到的參數進行加工。最后根據設計圖紙對邊角進行諸如埋繩、焊接穿鋼索的“褲子”(cable cuff)
及補強處理。
熱合時宜采用張拉焊接（tension weld），即要對待焊區域的膜材施加一定的預張力，以減小因熱合造成的膜材收縮、改善張拉成型后焊縫處的應力狀態。
圖9 及圖10 為一些常用的熱合設備。

圖9 用于PTFE 膜高溫熱合的設備

圖10用于PVC 膜材高頻焊接的設備
5、包裝
設計者需根據施工現場及安裝設備等情況，確定膜面的展開方向及折疊包裝的順序，加工好的膜面在兩面清洗后，按指定要求進行折疊包裝。為防止在膜表面留下明顯折痕，PTFE 成品膜在折疊時應襯入圓紙筒,ETFE 成品膜不能折疊，需放置在專用保護容器中。軟質包裝袋上應標識好展開方向，再加木箱包裝以方便運輸。
6、附件的設計與加工
與裁剪關系密切的附件設計主要包括用于膜角的膜節點板設計、連接件選用及邊索長度的確定等
等。
膜節點板的設計主要涉及形式、大小、角度、連接孔及安裝孔的位置及大小、板厚、膜與節點板的
連接方式以及邊索與結節板的連接設計等內容。設計時，根據膜面形狀及膜角處的應力大小確定其基本
幾何參數，驗算抗拉強度、局部承壓及焊縫長度等等，并由此計算連接件及邊索長度。膜節點板應簡
潔、角度準確、傳力順暢。膜節點板常用鋼板制作、熱鍍鋅處理或以不銹鋼材料制成。