膜結構加工制作階段的工作內(nèi)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(zhì)量要求等。

    膜結構、裁剪、應 變補償、連接、加工除找形外，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(nèi)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(zhì)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(tài)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(jié)省。

    2. 裁剪設計的內(nèi)容與步驟

    膜結構裁剪設計的內(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(jù)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(jīng)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(jié)省，即節(jié)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(jīng)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(jīng)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(guī)。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(jīng)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(jù)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(jīng)、緯向的應變補償率通常是不同的，且不同的應力分區(qū)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(jīng)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(jīng)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(guī)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(xiàn)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(jīng)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(qū)域，兩端點（極點）間的測地線有無數(shù)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(jīng)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(jīng)、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

    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(xiàn)場拼接�？p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(wǎng)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(jīng)驗處理

    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(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、補強位置及范圍、膜材型號及規(guī)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(shù)據(jù)文件形式提供。

    特殊部位的經(jīng)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(jié)點板并通過連接配件連接膜面與支承結構。節(jié)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(diào)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(jīng)緯向進行預縮。由于膜面上 可能存在不同的應力分區(qū)，且各分區(qū)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(diào)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(huán)與膜面相連，安裝時通常也是先將膜面固定在鋼板或圓環(huán)上再頂升，因而帽圈處膜的環(huán)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(diào)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?shù)恼{(diào)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(xù)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。

    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(shù)據(jù)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(yǎng)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，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(zhì)量保證書。當抽檢數(shù)據(jù)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。

    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(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(nèi)。

    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(shù)依據(jù)。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(huán)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(shù)。

    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(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；根據(jù)熱合試驗所得到的參數(shù)進行加工。最后根據(jù)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(qū)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(tài)。圖9 及圖10 為一些常用的熱合設備。

    設計者需根據(jù)施工現(xiàn)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(zhì)包裝袋上應標識好展開方向，再加木箱包裝以方便運輸。

    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(jié)點板設計、連接件選用及邊索長度的確定等等。膜節(jié)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(jié)點板的連接方式以及邊索與結節(jié)板的連接設計等內(nèi)容。設計時，根據(jù)膜面形狀及膜角處的應力大小確定其基本幾何參數(shù)，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(jié)點板應簡潔、角度準確、傳力順暢。膜節(jié)點板常用鋼板制作、熱鍍鋅處理或以不銹鋼材料制成。