膜结构的裁剪设计与加工制作

膜结构加工制作阶段的工作内容，包括裁剪设计的原则、裁剪方法、膜材的连接、裁剪下料图及加工图、膜面加工制作的工序与质量要求等。
除找形外，膜结构设计的另一大特点是需要进行裁剪设计，即在完成找形、荷载分析和构件设计（含膜材、索、支承钢结构的设计等）并获批准后，要购买膜材料，进行裁剪设计，加工制作膜面。本文将就膜结构加工制作阶段的工作内容，如裁剪设计的原则、裁剪方法、膜材连接方法与接缝设计、裁剪加工图、膜面制作工序与质量要求等，展开论述。
一、 膜结构裁剪设计的目的及一般原则
1. 裁剪设计的目的
膜结构建成后的膜面是预应力作用下的空间曲面。裁剪设计（或者称裁剪分析）的目的是用无应力、平面状态并有幅宽限制的膜材（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，且膜面接缝布置美观，膜材用料节省。
2. 裁剪设计的内容与步骤
膜结构裁剪设计的内容与步骤如下：（1）在找形得到的空间膜面上布置裁剪线，将空间膜面划分成若干个空间膜条；（2）将空间膜条展开为平面膜片；（3）释放预应力，对平面膜片进行应变补偿（即考虑预应力释放后膜材的弹性回缩）；（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. 裁剪线的布置原则
裁剪线是指空间膜曲面上膜条与膜条之间的连接线，也就是裁剪片与裁剪片拼接时的接缝。裁剪线的布置应遵循以下原则：（1）美观，有良好的视觉效果；（2）受力性能良好，通常将裁剪线布置成与膜材的经向一致，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。
通常，裁剪线的方向就是膜材的经向，即膜材的长度方向。习惯上，圆锥形（伞形）膜面的裁剪线按经向布置，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布置；刚性边界的膜结构，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。适度地改变习惯做法，有时会收到意想不到的新奇效果，参见图2。
4. 裁剪的应变补偿
膜材裁剪时的应变补偿值（预缩量）受许多因素影响，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、结构尺度及支承方式、膜面热合时的收缩情况、成型时的张拉难易程度等等。应变补偿常以补偿率的形式实施。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，结合上述诸因素综合确定应变补偿率。
需要注意的是，膜材经、纬向的应变补偿率通常是不同的，且不同的应力分区也应采用不同的补偿率。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
膜结构的裁剪分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结构曲面模型，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，经反复修改，直到完
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全覆盖整个模型。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。
对于简单、规则的可展曲面，可直接利用几何方法将其展开并得到下料图。而对于复杂曲面，需通过计算机方法确定。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，现分别介绍如下。
1.   测地线裁剪法
测地线原是个大地测量学中的概念，又称短程线，其通常被理解为：经过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接近直线。测地线裁剪法，就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。
用测地线概念作膜结构裁剪分析的问题之所以复杂，是因为膜结构几何外形的新奇多变。通过找形分析，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。通常采用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若干点，再用线性插值的方法求中间点，从而求得测地线。
对于一些呈球面特征的曲面或曲面区域，两端点（极点）间的测地线有无数条，即测地线并不
唯一，这样就很难控制膜条的最大宽度。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 ）方法并已经用于膜结构设计软件 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。实际应用中，在将由两条测地线及边界围成的空间膜条展开成平面时，需指定其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（通常用竖向平面）去截找形所得到的曲面，将膜面分成一个个的 “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齐、美观。
3. 膜材的连接方法
1.膜材的连接方法膜材的连接方法有机械连接、缝纫连接、热合连接等。机械连接简称夹接，是在两个膜片的边缘埋绳，并在其重叠位置用机械夹板将膜片连接在一起，见图3。机
械连接常用于大中型结构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。采用缝纫连接时，需要注意选择缝纫用线的强度和耐久性。缝纫连接通
常用于无防水要求的网状膜材结构中，或者是与热合连接同时应用在PVC 涂覆聚酯织物的边角处理上。
热合连接又称焊接，是通过让膜材接触加热物体、或通过高频电磁波、或向膜材吹热空气等手法，使膜材获得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) 膜材则采用接触加热物体的高温热合方法。接缝可以是搭接，也可以是采用“背贴条”的拼接，PTFE 膜材焊接时，需要在两层PTFE 膜材间放置氟化乙丙烯(FEP)薄膜条。有关的热合设备，
4. 裁剪加工图及特殊部位的经验处理
1、 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；膜面加工图就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方式和放量、接缝方向、补强位置及范围、膜材型号及规格、接缝检测要求、包装时折叠的顺序及方向标识要求等等，参见图1如采用自动放样及自动下料，膜片下料图以数据文件形式提供。

图1 裁剪片的平面坐标

2、特殊部位的经验处理
（1）边角处理放量在膜片与膜片的连接处，因接缝需要放量；在柔性边界的膜结构中，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结构的边界处，常采用“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 是典型的边角处理方式及放量情况。挖弧及补强层在膜角点，一般用膜节点板并通过连接配件连接膜面与支承结构。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) 特殊部位应变补偿率的调整
如前所述，尽管影响膜材裁剪应变补偿值的因素很多，但实用上大多采用百分率补偿法；计算程序一般也用输入的具体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整。
对于外形为圆锥形的膜结构，在帽圈处常用圆钢板或圆环与膜面相连，安装时通常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几乎为零。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整。在刚性边界的膜结构中，中间部位的膜比较容易张拉，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整。
(3) 方便安装及考虑防水或美观的一些构造
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。出于防水或美观的考虑，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            用于防水或美观的覆盖膜片

通常，膜面的加工制作包含以下工序：（1）准备工作，包括技术准备、场地及设备准备、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）清洗、包装。

2. 膜面加工的技术准备及场地要求膜面加工的技术准备工作，主要是阅读、领会设计图纸（包括结构外形图及膜面下料、加工
图），查看相关数据文件；如为人工下料，需对制作人员进行技术交底。加工场地需平整、无尘，温度、湿度适宜；加工设备保养良好
膜材的进场检测主要包括外观检查和物理性能检测两方面。外观检查主要是检查膜面色泽是否一致、有无斑点、小孔等，一般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一致，并为同一批号（不同批号的膜材色泽会有差异）；要求无直径2 mm 以上的油污、瑕疵，无直径1 mm 以上的针孔，色泽均匀一致。
物理性能检测主要是检测厚度、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术指标进行抽检，并检查膜材出厂时的材料检测报告和质量保证书。当抽检数据与出厂检测报告出入较大时，应通知膜材供应商并取样送权威检测机构检测、鉴定。

图3 膜材进场时的外观检查                   图4 灯箱检测
3、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况。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控制的切割机将膜布裁剪成片。当采用手工放样时，通常要先做出1:1 的纸样，再将纸样放置在膜布上排版，最后划线、下料，参见图5至图8。手工放样、下料的精度应控制在+/-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
4、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提供参数依据。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、湿度的变化及加工部位的不同，随时修正相关技术参数。
正式加工时，先将膜片在接缝处对齐，检查膜材的正反面及接缝顺序是否正确；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。最后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。
热合时宜采用张拉焊接（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收缩、改善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
5、包装
设计者需根据施工现场及安装设备等情况，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清洗后，按指定要求进行折叠包装。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。
6、附件的设计与加工
与裁剪关系密切的附件设计主要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。
膜节点板的设计主要涉及形式、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
连接方式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，并由此计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。