膜結(jié)構(gòu)的裁剪設(shè)計(jì)與加工制作

1、 與裁剪關(guān)系緊密親密的附件設(shè)計(jì)主要包括用于膜角的膜節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)、連接件選用及邊索長(zhǎng)度的確定等等。膜節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)板的連接方式以及邊索與結(jié)節(jié)板的連接設(shè)計(jì)等內(nèi)容。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)膜面外形及膜角處的應(yīng)力大小確定其基本幾何參數(shù)，驗(yàn)算抗拉強(qiáng)度、 局部承壓及焊縫長(zhǎng)度等等，并由此計(jì)算連接件及邊索長(zhǎng)度。膜節(jié)點(diǎn)板應(yīng)簡(jiǎn)潔、角度正確、傳力順暢。膜節(jié)點(diǎn)板常用鋼板制作、熱鍍鋅處理或以不銹鋼材料制成。附件的設(shè)計(jì)與加工 設(shè)計(jì)者需根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)及安裝設(shè)備等情況，確定膜面的展開(kāi)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(jìn)行折疊包裝。為 防止在膜表面留下

2、顯著折痕，PTFE 成品膜在折疊時(shí)應(yīng)襯入圓紙筒,ETFE 成品膜不能折疊，需放置在專用保護(hù)容器中。軟質(zhì)包裝袋上應(yīng)標(biāo)識(shí)好展開(kāi)方向，再加木箱包裝以利便運(yùn)輸。 包裝 圖10用于PVC 膜材高頻焊接的設(shè)備 圖9 用于PTFE 膜高溫?zé)岷系脑O(shè)備 熱合時(shí)宜采用張拉焊接（tension weld），即要對(duì)待焊區(qū)域的膜材施加一定的預(yù)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(yīng)力狀態(tài)。圖9 及圖10 為一些常用的熱合設(shè)備。 正式加工時(shí)，先將膜片在接縫處對(duì)齊，檢查膜材的正反面及接縫順序是否準(zhǔn)確；清潔待焊區(qū)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

3、；根據(jù)熱合試驗(yàn)所得到的參數(shù)進(jìn)行加工。最后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)邊角進(jìn)行諸如埋繩、焊接穿鋼索的“褲子”(cable cuff)及補(bǔ)強(qiáng)處理。 在正式進(jìn)行焊接加工前，需進(jìn)行熱合試驗(yàn)以便為熱合加工提供參數(shù)依據(jù)。試驗(yàn)樣條的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于其母材強(qiáng)度的80%。在焊接加工過(guò)程中，也需定時(shí)試驗(yàn)并記 錄結(jié)果，以便跟著環(huán)境溫、濕度的變化及加工部位的不同，隨時(shí)修正相關(guān)技術(shù)參數(shù)。熱合試驗(yàn)與焊接加工 圖7 自動(dòng)下料 圖8 手工下料 圖5 自動(dòng)放樣 圖6 手工放樣 放樣有自動(dòng)放樣與手工放樣之分，取決于加工廠商的設(shè)備情況。自動(dòng)放樣是將包含各膜片X、Y 坐標(biāo)的數(shù)據(jù)文件輸入電腦，經(jīng)排版、優(yōu)化后打印在膜布上或直接由電腦控制的切割機(jī)將膜布

4、裁剪成片。當(dāng)采用手工放樣時(shí)，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(jiàn)圖5至圖8。手工放樣、下料的精度應(yīng)控制在+/-2 mm 以內(nèi)。 放樣、排版與下料 圖3 膜材進(jìn)場(chǎng)時(shí)的外觀檢查 圖4 燈箱檢測(cè) 物理機(jī)能檢測(cè)主要是檢測(cè)厚度、重量、抗拉強(qiáng)度及撕裂強(qiáng)度等，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)不低于膜材機(jī)能表所列指標(biāo)。因?yàn)楦鲊?guó)的檢測(cè)方法不一致，檢測(cè)結(jié)果也會(huì)有出入。膜材進(jìn) 場(chǎng)時(shí)可對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行抽檢，并檢查膜材出廠時(shí)的材料檢測(cè)講演和質(zhì)量保證書(shū)。當(dāng)抽檢數(shù)據(jù)與出廠檢測(cè)講演出入較大時(shí)，應(yīng)通知膜材供給商并取樣送權(quán)勢(shì)巨子檢測(cè)機(jī) 構(gòu)檢測(cè)、鑒定。 膜材的進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)主要包括外觀檢查和物理機(jī)能檢測(cè)兩方面。外觀檢查

5、主要是檢查膜面光彩是否一致、有無(wú)雀斑、小孔等，一般通過(guò)目測(cè)結(jié)合專用燈箱進(jìn)行，參 見(jiàn)圖3及圖4。待用膜材的品牌與型號(hào)應(yīng)與設(shè)計(jì)圖紙一致，并為統(tǒng)一批號(hào)（不同批號(hào)的膜材光彩會(huì)有差異）；要求無(wú)直徑2 mm 以上的油污、瑕疵，無(wú)直徑1 mm 以上的針孔，光彩平均一致。2. 圖），查看相關(guān)數(shù)據(jù)文件；如為人工下料，需對(duì)制作職員進(jìn)行技術(shù)交底。加工場(chǎng)地需平整、無(wú)塵，溫度、濕度相宜；加工設(shè)備保養(yǎng)良好 1. 2. 膜面加工的技術(shù)預(yù)備及場(chǎng)地要求膜面加工的技術(shù)預(yù)備工作，主要是閱讀、領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)圖紙（包括結(jié)構(gòu)形狀圖及膜面下料、加工 通常，膜面的加工制作包含以下工序：（1）預(yù)備工作，包括技術(shù)預(yù)備、場(chǎng)地及設(shè)備預(yù)備、膜材料進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)等

6、；（2）放樣、排版與下料；（3）熱合試驗(yàn)；（4） 熱合加工；（5）邊角處理； （6）清洗、包裝。 圖2利便吊裝而焊接的連續(xù)搭扣圖 用于防水或美觀的籠蓋膜片 考慮到安裝的利便，除了將膜面進(jìn)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 ），以利便吊裝及張拉，在張拉完成后再將其剪去。圖12 第一道接縫處為利便吊裝而焊接的連續(xù)搭扣即為一例。出于防水或美觀的考慮，也可在膜面適當(dāng)部位焊接一些用于籠蓋用的膜片，如圖2。 (3) 利便安裝及考慮防水或美觀的一些構(gòu)造 對(duì)于形狀為圓錐形的膜結(jié)構(gòu)，在帽圈處常用圓鋼板或圓環(huán)與膜面相連，安裝時(shí)通常也是先將膜面固定在鋼板或圓環(huán)上再頂升

7、，因而帽圈處膜的環(huán)向應(yīng)變補(bǔ)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(yīng)變補(bǔ)償率也需作出調(diào)整。在剛性邊界的膜結(jié)構(gòu)中，中間部位的膜比較輕易張拉，而靠近邊界處的膜張拉就比較 難題，邊角處的應(yīng)變補(bǔ)償率也宜作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 如前所述，盡管影響膜材裁剪應(yīng)變補(bǔ)償值的因素良多，但實(shí)用上大多采用百分率補(bǔ)償法；計(jì)算程序一般也用輸入的詳細(xì)百分率對(duì)膜材的經(jīng)緯向進(jìn)行預(yù)縮。因?yàn)槟っ嫔?可能存在不同的應(yīng)力分區(qū)，且各分區(qū)及各部位在安裝時(shí)的張拉難易程度不一，對(duì)特定部位，需對(duì)其應(yīng)變補(bǔ)償率作出調(diào)整。 (2) 特殊部位應(yīng)變補(bǔ)償率的調(diào)整 （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(jié)構(gòu)中，為利

8、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(jié)點(diǎn)板處以及剛性邊界膜結(jié)構(gòu)的邊界處，常采用“繩邊”（rope edge）,也需在裁剪基準(zhǔn)線外加上適當(dāng)余量以利便埋繩。圖8 和圖9 是典型的邊角處理方式及放量情況。挖弧及補(bǔ)強(qiáng)層在膜角點(diǎn)，一般用膜節(jié)點(diǎn)板并通過(guò)連接配件連接膜面與支承結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)板處的膜面要作“挖弧”處理；膜角處及錐 形膜面的頂部等應(yīng)力比較集中，常用兩層或三層膜熱合在一起，即作“補(bǔ)強(qiáng)層”處理 特殊部位的經(jīng)驗(yàn)處理 圖1 裁剪片的平面坐標(biāo) 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(yīng)變補(bǔ)償后的平面膜片圖，亦即各裁剪片的平面

9、坐標(biāo)及經(jīng)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(jīng)緯方向后，排列盡可能緊湊以節(jié)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(bǔ)強(qiáng)位置及范圍、膜材型號(hào)及規(guī)格、接縫檢測(cè)要求、包裝時(shí)折疊的順序及方向標(biāo)識(shí)要求 等等，參見(jiàn)圖1如采用自動(dòng)放樣及自動(dòng)下料，膜片下料圖以數(shù)據(jù)文件形式提供。 裁剪加工圖 4. 裁剪加工圖及特殊部位的經(jīng)驗(yàn)處理 熱合連接又稱焊接，是通過(guò)讓膜材接觸加熱物體、或通過(guò)高頻電磁波、或向膜材吹熱空氣等手法，使膜材獲得相應(yīng)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(jié)

10、合在一起。熱合連接是最常用的膜材連接方法。對(duì)PVC 膜材料，多用高頻焊接，局部修補(bǔ)可用熱風(fēng)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?zé)岷戏椒ā＝涌p可以是搭接，也可以是采用“背貼條”的拼接，PTFE 膜材焊接時(shí)，需要在兩層PTFE 膜材間放置氟化乙丙烯(FEP)薄膜條。有關(guān)的熱合設(shè)備。 膜材的連接方法膜材的連接方法有機(jī)械連接、縫紉連接、熱合連接等。機(jī)械連接簡(jiǎn)稱夾接，是在兩個(gè)膜片的邊沿埋繩，并在其重疊位置用機(jī)械夾板將膜片連接在一 起，見(jiàn)圖3。機(jī)械連接常用于大中型結(jié)構(gòu)膜面與膜面的現(xiàn)場(chǎng)拼接?？p紉連接是用縫紉機(jī)將膜片縫在一起。采用縫紉連接時(shí)，需要留意選擇縫紉用線的強(qiáng)

11、度和耐久性。 縫紉連接通常用于無(wú)防水要求的網(wǎng)狀膜材結(jié)構(gòu)中，或者是與熱合連接同時(shí)應(yīng)用在PVC 涂覆聚酯織物的邊角處理上。 3. 膜材的 連接方法 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(gè)個(gè)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(duì)稱膜面的裁剪，所得到的裁剪線比較整潔、美觀。 測(cè)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(jīng)、緯方向的考慮不易掌握。實(shí)際應(yīng)用中，在將由兩條測(cè)地線及邊界圍成的空間膜條展開(kāi)成平面 時(shí)，需指定其中的一條測(cè)地線為直線。 對(duì)于一些呈球面特征的曲面或曲面區(qū)域，兩端點(diǎn)（極

12、點(diǎn)）間的測(cè)地線有無(wú)數(shù)條，即測(cè)地線并不獨(dú)一，這樣就很難控制膜條的最大寬度。文獻(xiàn)1 提出了在兩端點(diǎn)間再指定一個(gè)中間點(diǎn)的準(zhǔn)測(cè)地線（Semi-Geodesic Line ）方法并已經(jīng)用于膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件 EASY 中。 用測(cè)地線概念作膜結(jié)構(gòu)裁剪分析的題目之所以復(fù)雜，是由于膜結(jié)構(gòu)幾何形狀的新穎多變。通過(guò)找形分析，所得到的是膜面上一些離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)，而不是空間曲面 的方程，因而也就無(wú)法得到曲面上兩點(diǎn)間曲線長(zhǎng)度的泛函的顯式。通常采用分段線性化的方法來(lái)處理這一題目，即用求極值確定測(cè)地線上的若干點(diǎn)，再用線性插值的 方法求中間點(diǎn)，從而求得測(cè)地線。 測(cè)地線原是個(gè)大地丈量學(xué)中的概念，又稱短程線，其通常被理解為：經(jīng)由曲

13、面上兩點(diǎn)并存在于曲面上的最短的曲線?？烧骨嫔系臏y(cè)地線在曲面展開(kāi)成平面后為直 線；不可展曲面上的測(cè)地線在展開(kāi)后接近直線。測(cè)地線裁剪法，就是以測(cè)地線來(lái)剖分空間膜面。求曲面上的測(cè)地線的題目，實(shí)際上是一個(gè)求曲面上兩點(diǎn)間曲線長(zhǎng)度之 泛函極值的題目。 1. 測(cè)地線裁剪法 對(duì)于簡(jiǎn)樸、規(guī)則的可展曲面，可直接利用幾何方法將其展開(kāi)并得到下料圖。而對(duì)于復(fù)雜曲面，需通過(guò)計(jì)算機(jī)方法確定。目前常用的裁剪方法有測(cè)地線裁剪法 （Geodesic Line Method ）及平面相交裁剪法等，現(xiàn)分別先容如下。 全籠蓋整個(gè)模型。將每個(gè)粘貼條揭下按比例放大后，再考慮應(yīng)變補(bǔ)償，即可得膜材的下料圖。 膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專題講座 膜結(jié)構(gòu)的裁剪

14、分析最初是從量測(cè)物理模型開(kāi)始的，即按一定比例制作一個(gè)所期望的結(jié)構(gòu)曲面模型，用一定寬度的 紙、布或其他柔性材料剪成相應(yīng)的外形粘貼到模型上，經(jīng)反復(fù)修改，直到完 二、裁剪設(shè)計(jì)的方法 需要留意的是，膜材經(jīng)、緯向的應(yīng)變補(bǔ)償率通常是不同的，且不同的應(yīng)力分區(qū)也應(yīng)采用不同的補(bǔ)償率。大體上來(lái)說(shuō)，常用聚氯乙烯（PVC ）涂層籠蓋聚酯織物的應(yīng)變補(bǔ)償率在0.5% 至 0.8% ；而常用聚四氟乙烯（PTFE ）涂層籠蓋玻璃纖維膜材的應(yīng)變補(bǔ)償率經(jīng)向?yàn)?.5% 至1.0% ，緯向在1.0% 至3.0%之間。 膜材裁剪時(shí)的應(yīng)變補(bǔ)償值（預(yù)縮量）受很多因素影響，如膜材本身的雙軸拉伸機(jī)能、徐變機(jī)能、膜面應(yīng)力水平、裁剪片的外形及材料

15、經(jīng)緯方向、 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及支承方式、膜面熱合時(shí)的收縮情況、成型時(shí)的張拉難易程度等等。應(yīng)變補(bǔ)償常以補(bǔ)償率的形式實(shí)施。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，需根據(jù)膜材在特定應(yīng)力比及應(yīng)力水平下的 雙軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合上述諸因素綜合確定應(yīng)變補(bǔ)償率。 4. 裁剪的應(yīng)變補(bǔ)償 通常，裁剪線的方向就是膜材的經(jīng)向，即膜材的長(zhǎng)度方向。習(xí)慣上，圓錐形（傘形）膜面的裁剪線按經(jīng)向布置，馬鞍形膜面的裁剪線沿平行于高點(diǎn)對(duì)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(jié)構(gòu)，裁剪線多平行于邊界支承構(gòu)件，如圖1 所示。設(shè)計(jì)實(shí)際工程時(shí)，不要墨守陳規(guī)。適度地改變習(xí)慣做法，有時(shí)會(huì)收到意想不到的新穎效

16、果，參見(jiàn)圖2。 裁剪線的布置應(yīng)遵循以下原則：（1）美觀，有良好的視覺(jué)效果；（2） 受力機(jī)能良好，通常將裁剪線布置成與膜材的經(jīng)向一致，沿膜面主應(yīng)力方向；（3）便于加工，避免裁剪線過(guò)于集中，以利便邊角處理；（4）節(jié)省，即節(jié)省膜材且 使接縫總長(zhǎng)度盡可能地短。 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(shí)的接縫。 3. 裁剪線的布置原則 膜結(jié)構(gòu)裁剪設(shè)計(jì)的內(nèi)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(gè)空間膜條；（2）將空間膜條展開(kāi)為 平面膜片；（3）開(kāi)釋預(yù)應(yīng)力，對(duì)平面膜片進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償（即考慮預(yù)應(yīng)力開(kāi)釋后膜材的彈性回縮）；（4）根據(jù)以上結(jié)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。 2. 裁剪設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟 膜結(jié)構(gòu)建成后的膜面是預(yù)應(yīng)力作用下的空間曲面。裁剪設(shè)計(jì)（或者 稱裁剪分析）的目的是用無(wú)應(yīng)力、平面狀態(tài)并有幅寬限制的膜材（卷材）去制作膜面，使這個(gè)膜面在張拉后符合找形所得的外形和應(yīng)力分布，且膜面接縫布置美觀， 膜材用料節(jié)省。 1. 裁剪設(shè)計(jì)的目的 一、 膜結(jié)構(gòu)裁剪設(shè)計(jì)的目的