膜结构的裁剪设计与加工制作-片头模版

关键词：膜构造、裁剪、应变补偿、连接、加工除找形外，膜构造设计的另一大特点是须要进行裁剪设计，即在完成找形、荷载剖析和构件设计（含膜材、索、支承钢构造的设计等）并获批准后，要购买膜材料，进行裁剪设计，加工制作膜面。
本文姑息膜构造加工制作阶段的事情内容，如裁剪设计的原则、裁剪方法、膜材连接手法与接缝设计、裁剪加工图、膜面制作工序与质量哀求等，展开论述。

一、膜构造裁剪设计的目的及一样平常原则

1. 裁剪设计的目的

膜构造建成后的膜面是预应力浸染下的空间曲面。
裁剪设计（或者称裁剪剖析）的目的是用无应力、平面状态并有幅脱期制的膜材（卷材）去制作膜面，使这个膜面在张拉后符合找形所得的形状和应力分布，且膜面接缝支配都雅，膜材用料节省。

2. 裁剪设计的内容与步骤

膜构造裁剪设计的内容与步骤如下：（1）在找形得到的空间膜面上支配裁剪线，将空间膜面划分成多少个空间膜条；（2）将空间膜条展开为平面膜片；（3）开释预应力，对平面膜片进行应变补偿（即考虑预应力开释后膜材的弹性回缩）；（4）根据以上结果，加上膜片接缝处及边角处都放量，得到平面裁剪片；给出膜材的下料图及膜面的加工图。

3. 裁剪线的支配原则

裁剪线是指空间膜曲面上膜条与膜条之间的连接线，也便是裁剪片与裁剪片拼接时的接缝。

裁剪线的支配应遵照以下原则：（1）都雅，有良好的视觉效果；（2）受力性能良好，常日将裁剪线支配成与膜材的经向同等，沿膜面主应力方向；（3）便于加工，避免裁剪线过于集中，以方便边角处理；（4）节省，即节省膜材且使接缝总长度尽可能地短。

常日，裁剪线的方向便是膜材的经向，即膜材的长度方向。
习气上，圆锥形（伞形）膜面的裁剪线按经向支配，马鞍形膜面的裁剪线沿平行于高点对角线的方向布置，拱支承形膜面的裁剪线多垂直于拱的跨度方向，而脊谷式膜面的裁剪线多平行于脊谷索支配；刚性边界的膜构造，裁剪线多平行于边界支承构件，如图1 所示。
设计实际工程时，不要墨守陈规。
适度地改变习气做法，有时会收到意想不到的新奇效果，拜会图2。

4. 裁剪的应变补偿

膜材裁剪时的应变补偿值（预缩量）受许多成分影响，如膜材本身的双轴拉伸性能、徐变性能、膜面应力水平、裁剪片的形状及材料经纬方向、构造尺度及支承办法、膜面热合时的紧缩情形、成型时的张拉难易程度等等。
应变补偿常以补偿率的形式履行。
严格说来，需根据膜材在特定应力比及应力水平下的双轴拉伸试验结果，结合上述诸成分综合确定应变补偿率。

须要把稳的是，膜材经、纬向的应变补偿率常日是不同的，且不同的应力分区也应采取不同的补偿率。
大体上来说，常用聚氯乙烯（PVC ）涂层覆盖聚酯织物的应变补偿率在0.5% 至 0.8% ；而常用聚四氟乙烯（PTFE ）涂层覆盖玻璃纤维膜材的应变补偿率经向为0.5% 至1.0% ，纬向在1.0% 至3.0%之间。

二、裁剪设计的方法

膜构造的裁剪剖析最初是从量测物理模型开始的，即按一定比例制作一个所期望的构造曲面模型，用一定宽度的纸、布或其他柔性材料剪成相应的形状粘贴到模型上，经反复修正，直到完

膜构造设计专题讲座

全覆盖全体模型。
将每个粘贴条揭下按比例放大后，再考虑应变补偿，即可得膜材的下料图。

对付大略、规则的可展曲面，可直策应用几何方法将其展开并得到下料图。
而对付繁芜曲面，需通过打算机方法确定。
目前常用的裁剪方法有测地线裁剪法（Geodesic Line Method ）及平面相交裁剪法等，现分别先容如下。

1.测地线裁剪法

测地线原是个大地丈量学中的观点，又称短程线，其常日被理解为：经由曲面上两点并存在于曲面上的最短的曲线。
可展曲面上的测地线在曲面展开成平面后为直线；不可展曲面上的测地线在展开后靠近直线。
测地线裁剪法，便是以测地线来剖分空间膜面。
求曲面上的测地线的问题，实际上是一个求曲面上两点间曲线长度之泛函极值的问题。

用测地线观点作膜构造裁剪剖析的问题之以是繁芜，是由于膜构造几何形状的新奇多变。
通过找形剖析，所得到的是膜面上一些离散点的空间坐标，而不是空间曲面的方程，因而也就无法得到曲面上两点间曲线长度的泛函的显式。
常日采取分段线性化的方法来处理这一问题，即用求极值确定测地线上的多少点，再用线性插值的方法求中间点，从而求得测地线。

对付一些呈球面特色的曲面或曲面区域，两端点（极点）间的测地线有无数条，即测地线并不唯一，这样就很难掌握膜条的最大宽度。
文献[1] 提出了在两端点间再指定一个中间点的准测地线（Semi-Geodesic Line ）方法并已经用于膜构造设计软件 EASY 中。

测地线裁剪法的好处是接缝最短、用料较省，但裁剪线的分布及材料经、纬方向的考虑不易把握。
实际运用中，在将由两条测地线及边界围成的空间膜条展开成平面时，需指定个中的一条测地线为直线。

2.平面相交裁剪法平面相交裁剪法是用一组平面（常日用竖向平面）去截找形所得到的曲面，将膜面分成一个个的 “喷鼻香蕉状”的膜条，以平面与空间曲面的交线作为裁剪线。
平面相交裁剪法常用于对称膜面的裁剪，所得到的裁剪线比较整洁、都雅。

3.膜材的连接方法

膜材的连接方法膜材的连接方法有机器连接、缝纫连接、热合连接等。
机器连接简称夹接，是在两个膜片的边缘埋绳，并在其重叠位置用机器夹板将膜片连接在一起，见图3。
机器连接常用于大中型构造膜面与膜面的现场拼接。
缝纫连接是用缝纫机将膜片缝在一起。
采取缝纫连接时，须要把稳选择缝纫用线的强度和耐久性。
缝纫连接常日用于无防水哀求的网状膜材构造中，或者是与热合连接同时运用在PVC 涂覆聚酯织物的边角处理上。

热合连接又称焊接，是通过让膜材打仗加热物体、或通过高频电磁波、或向膜材吹热空气等手腕，使膜材得到相应的热量从而使织物上的涂层熔融，然后施加压力并冷却使膜片结合在一起。
热合连接是最常用的膜材连接方法。
对PVC 膜材料，多用高频焊接，局部修补可用热风焊接；PTFE 及乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE) 膜材则采取打仗加热物体的高温热合方法。
接缝可以是搭接，也可以是采取“背贴条”的拼接，PTFE 膜材焊接时，须要在两层PTFE 膜材间放置氟化乙丙烯(FEP)薄膜条。
有关的热合设备。

4.裁剪加工图及分外部位的履历处理

裁剪加工图

裁剪加工图包括膜片下料图、膜材排版图、膜面加工图三方面。
膜片下料图是指考虑了应变补偿后的平面膜片图，亦即各裁剪片的平面坐标及经线方向；膜材排版图是指各裁剪片在特定幅宽膜材上的排列图，在考虑了边角放量及经纬方向后，排列尽可能紧凑以节约膜材；膜面加工图便是各裁剪片的拼装图。
在加工图上，除了注明各裁剪片及接缝位置外，还需给出接缝及边角处理办法和放量、接缝方向、补强位置及范围、膜材型号及规格、接缝检测哀求、包装时折叠的顺序及方向标识哀求等等，拜会图1如采取自动放样及自动下料，膜片下料图以数据文件形式供应。

图1 裁剪片的平面坐标

分外部位的履历处理

（1）边角处理放量在膜片与膜片的连接处，因接缝须要放量；在柔性边界的膜构造中，为方便穿钢索，常将膜边放出一定的余量做成索套（cable cuff）, 俗称“裤子”；在膜结点板处以及刚性边界膜构造的边界处，常采取“绳边”（rope edge）,也需在裁剪基准线外加上适当余量以方便埋绳。
图8 和图9 是范例的边角处理办法及放量情形。
挖弧及补强层在膜角点，一样平常用膜节点板并通过连接配件连接膜面与支承构造。
节点板处的膜面要作“挖弧”处理；膜角处及锥形膜面的顶部等应力比较集中，常用两层或三层膜热合在一起，即作“补强层”处理

(2) 分外部位应变补偿率的调度

如前所述，只管影响膜材裁剪应变补偿值的成分很多，但实用上大多采取百分率补偿法；打算程序一样平常也用输入的详细百分率对膜材的经纬向进行预缩。
由于膜面上可能存在不同的应力分区，且各分区及各部位在安装时的张拉难易程度不一，对特定部位，需对其应变补偿率作出调度。

对付形状为圆锥形的膜构造，在帽圈处常用圆钢板或圆环与膜面相连，安装时常日也是先将膜面固定在钢板或圆环上再顶升，因而帽圈处膜的环向应变补偿值险些为零。
同样，靠近边索处的膜在沿索的方向很难张拉，应变补偿率也需作出调度。
在刚性边界的膜构造中，中间部位的膜比较随意马虎张拉，而靠近边界处的膜张拉就比较困难，边角处的应变补偿率也宜作出适当的调度。

(3) 方便安装及考虑防水或都雅的一些布局

考虑到安装的方便，除了将膜面进行必要的分块之外，还可以在膜面上特定部位焊接一些“搭扣”（lifting tape ），以方便吊装及张拉，在张拉完成后再将其剪去。
图12 第一道接缝处为方便吊装而焊接的连续搭扣即为一例。
出于防水或都雅的考虑，也可在膜面适当部位焊接一些用于覆盖用的膜片，如图2。

图2方便吊装而焊接的连续搭扣图

用于防水或都雅的覆盖膜片

常日，膜面的加工制作包含以下工序：（1）准备事情，包括技能准备、园地及设备准备、膜材料进场检测等；（2）放样、排版与下料；（3）热合试验；（4）热合加工；（5）边角处理；（6）洗濯、包装。

1. 2. 膜面加工的技能准备及园地哀求膜面加工的技能准备事情，紧张是阅读、领会设计图纸（包括构造形状图及膜面下料、加工

2. 图），查看干系数据文件；如为人工下料，需对制作职员进行技能交底。
加工场地需平整、无尘，温度、湿度适宜；加工设备保养良好

膜材的进场检测紧张包括外不雅观检讨和物理性能检测两方面。
外不雅观检讨紧张是检讨膜面光荣是否同等、有无斑点、小孔等，一样平常通过目测结合专用灯箱进行，参见图3及图4。
待用膜材的品牌与型号应与设计图纸同等，并为同一批号（不同批号的膜材光荣会有差异）；哀求无直径2 mm 以上的油污、瑕疵，无直径1 mm 以上的针孔，光荣均匀同等。

物理性能检测紧张是检测厚度、重量、抗拉强度及撕裂强度等，检测结果应不低于膜材性能表所列指标。
由于各国的检测方法不一致，检测结果也会有出入。
膜材进场时可对各项技能指标进行抽检，并检讨膜材出厂时的材料检测报告和质量担保书。
当抽检数据与出厂检测报告出入较大时，应关照膜材供应商并取样送威信检测机构检测、鉴定。

图3 膜材进场时的外不雅观检讨

图4 灯箱检测

放样、排版与下料

放样有自动放样与手工放样之分，取决于加工厂商的设备情形。
自动放样是将包含各膜片X、Y 坐标的数据文件输入电脑，经排版、优化后打印在膜布上或直接由电脑掌握的切割机将膜布裁剪成片。
当采取手工放样时，常日要先做出1:1 的纸样，再将纸样放置在膜布上排版，末了划线、下料，拜会图5至图8。
手工放样、下料的精度应掌握在+/-2 mm 以内。

图5 自动放样

图6 手工放样

图7 自动下料

图8 手工下料

热合试验与焊接加工

在正式进行焊接加工前，需进行热合试验以便为热合加工供应参数依据。
试验样条的抗拉强度应不低于其母材强度的80%。
在焊接加工过程中，也需定时试验并记录结果，以便随着环境温、湿度的变革及加工部位的不同，随时改动干系技能参数。

正式加工时，先将膜片在接缝处对齐，检讨膜材的正反面及接缝顺序是否精确；清洁待焊区域；如为PVC 膜材拼接接缝放置“背贴条”，如为PTFE 膜材需在接缝处两层膜片间放置EFP 条；根据热合试验所得到的参数进行加工。
末了根据设计图纸对边角进行诸如埋绳、焊接穿钢索的“裤子”(cable cuff)及补强处理。

热合时宜采取张拉焊接（tension weld），即要对待焊区域的膜材施加一定的预张力，以减小因热合造成的膜材紧缩、改进张拉成型后焊缝处的应力状态。
图9 及图10 为一些常用的热合设备。

图9 用于PTFE 膜高温热合的设备

图10用于PVC 膜材高频焊接的设备

包装

设计者需根据施工现场及安装设备等情形，确定膜面的展开方向及折叠包装的顺序，加工好的膜面在两面洗濯后，按指定哀求进行折叠包装。
为防止在膜表面留下明显折痕，PTFE 成品膜在折叠时应衬入圆纸筒,ETFE 成品膜不能折叠，需放置在专用保护容器中。
软质包装袋上应标识好展开方向，再加木箱包装以方便运输。

附件的设计与加工

与裁剪关系密切的附件设计紧张包括用于膜角的膜节点板设计、连接件选用及边索长度的确定等等。
膜节点板的设计紧张涉及形式、大小、角度、连接孔及安装孔的位置及大小、板厚、膜与节点板的连接办法以及边索与结节板的连接设计等内容。
设计时，根据膜面形状及膜角处的应力大小确定其基本几何参数，验算抗拉强度、局部承压及焊缝长度等等，并由此打算连接件及边索长度。
膜节点板应简洁、角度准确、传力顺畅。
膜节点板常用钢板制作、热镀锌处理或以不锈钢材料制成。