剛性折紙在天幕帳篷中的設計研究

林璐 林張怡

關鍵詞：新篷布設計 剛性折紙 不同表面處理 回彈性能 Tyvek

引言

天幕帳篷是面積較大的半開放型帳篷，適合多人露營的戶外用品。近幾年來，隨著全民健身風潮的興起，參加群體戶外露營的人群越來越多，與之防曬相關的天幕帳篷也逐漸興起。與傳統(tǒng)帳篷相比，天幕帳蓬的篷布面積較大，所需的固定件與支撐件較少，能夠搭建營造出更加開放的空間。但現(xiàn)有的天幕帳篷功能還是較為單一，還無法滿足消費者的各種需求。新型的天幕帳篷應該考慮消費者的體驗感受，本文綜合消費者在使用中遇到的收納問題、使用感受、使用場所等問題，對現(xiàn)有的天幕帳篷進行改良設計。

剛性折紙是一種特殊的折紙結構，通過相同的單元結構能夠快速將較大面積折疊成較小的體積。與傳統(tǒng)的折紙結構相比，剛性折紙可伸展、可收縮、易操作等性能在工程領域、航天領域等領域被廣泛應用。近幾年來，剛性折紙逐漸應用于日常生活的設計領域中，例如：家具領域、服裝領域、建筑領域等，都受到眾多消費者的青睞。因此，本文以天幕帳篷的篷布為研究重點，嘗試將剛性折紙引入到篷布設計中來解決篷布的收納問題，從而讓使用者輕松地收納篷布，同時也能為天幕帳蓬帶來新的結構支持。

一、剛性折紙與天幕帳篷的關系

（一）天幕帳蓬的發(fā)展現(xiàn)狀

天幕帳篷是由篷布、固定件、支撐件、防風繩三個部件組成，如圖1。其核心部分是面積較大的篷布，起到防護作用。但市面上的篷布設計大多關注材料性能、防曬面積等方面，對篷布的使用體驗上缺乏深入思考。例如：篷布在展開的過程中需要兩到三人合作完成，且耗時較長，是一個巨大的工程。另外，篷布在收納過程中也需要多人合理才能將其收納。因此，如何將較大的面積收縮到較小的面積便于操作成為了當下所要解決的問題。筆者提出了折疊式篷布，通過折疊方法將篷布收納至最小，大大提高了天幕帳篷的使用率。

（二）剛性折紙的發(fā)展現(xiàn)狀

剛性折紙由山折、谷折、面體三個元素構成，如圖2。折展運動時通過山折與谷折的相互作用完成不同形態(tài)的折展運動?！癕iura”是剛性折紙中最具代表性的折紙之一，由日本折紙大師吉澤章發(fā)明。“Miura”展開面積與折疊后面積為1：9的面積比，具有良好的收縮性能。因此，“Miura”被應用于紙質(zhì)地圖、航空建設等多個設計領域當中。

隨后，“Miura”折疊結構被工程師、設計師等專業(yè)人士所熟知，根據(jù)折疊原理結合所需的折疊狀態(tài)對山折、谷折進行重新設計，形成不同的折展狀態(tài)。例如：美國折紙大師羅伯特·朗以“Miura”為原理發(fā)明了應用于航空領域的太陽能板中，該太陽能板能夠接收更大面積的電能，也可折疊成較小面積存放。除此之外，剛性折紙涉及的領域越來越廣泛，設計者們不僅應用其功能，美觀性也隨之受到大家的喜愛。Studio Samira Boon工作室在嘉興迪元畫廊的禮堂設計了一款紡織遮陽棚。該設計采用了剛性折紙的結構，既能大面積遮陽又能起到裝飾作用，還能給人帶來強烈的視覺沖擊力?？傊瑒傂哉奂埖膽迷絹碓缴罨?，能夠幫助新篷布設計提供多種折疊形態(tài)，也為新篷布設計提供更多的結構參考，如圖3。

（三）剛性折紙引入到新篷布設計中的可能性

對于篷布設計來說，剛性折紙的收縮比能夠更好地解決篷布較大面積難以收納和撐開的問題。篷布設計中嘗試剛性折紙的應用，能夠為剛性折紙帶來更多的應用領域。剛性折紙的折展運動受到多種因素的影響。例如：材料性能、受力大小、體積等各種因素的影響。同時，篷布也會對材料性能、體積、外部環(huán)境有一定的要求。例如：篷布材料需要防水、防風的材料來抵抗外界天氣，適應戶外露營的使用場合。因此，結合剛性折紙的影響因素和篷布設計的相關要求，新篷布設計提出三個設計要點：1.輕便性材料的輕薄是設計師在戶外用品設計中較為重視的一點。對于篷布設計而言，輕薄的材料能夠大大減輕旅行者攜帶行李的重量，節(jié)省組裝和收納的人力。另外，對于剛性折紙而言，篷布材料的厚度越小，折疊角度越大，能夠使折疊完的體積更小，便于存放。

2.規(guī)律性篷布中具有一定的規(guī)律結構，引導使用者通過預設結構進行有次序地收納，有效整理篷布。其次，規(guī)律的折疊結構可以將篷布恢復到原始形狀，不影響下次使用。另外，規(guī)律的結構能夠加快篷布的收納速度，從而縮短收納時間。剛性折紙能夠為新篷布設計提供規(guī)律性結構，幫助新篷布有次序地折疊成預設狀態(tài)，從而整齊存放或攜帶。

3.穩(wěn)定性良好的支撐結構能使篷布抵抗惡劣的天氣，也能使重量較輕的材料有被應用的可能。其次，通過結構在材料中的應用，能夠減少支撐件與固定件的使用，又能起到支撐作用。另外，剛性折紙中山折與谷折的運動方向屬于平衡狀態(tài)，不易發(fā)生扭曲、變形等情況，能抵擋惡劣的戶外環(huán)境。

通過上述對天幕帳篷和結構、材料等要素的具體分析，剛性折紙為新篷布設計提供了巧妙的結構支撐，新篷布設計的探索也為剛性折紙帶來了多種運用的可能。

二、剛性折紙引入到新篷布設計的實踐研究

在剛性折紙的折展運動中，折展快慢直接影響著篷布的收納效率。結構的折展快慢與材料的回彈性能有關，而回彈性能往往取決于材料的厚度、材料的重量以及材料的硬挺程度等。因此，本文從常見的折紙材料中，選擇符合剛性折紙材料和篷布材料進行測試，通過硬挺度測試和結構回彈性能測試得出適合的材料。

（一）實驗設計

首先，從折紙材料中選擇Tyvek材料和牛皮紙，Tyvek材料是一種可回收的環(huán)保材料，具有“硬”和“軟”兩種結構材料。它以防水、抗撕拉、可降解和防紫外線等多種性能在防護領域、服裝領域及包裝領域等被廣泛應用。牛皮紙是一種堅韌耐水的包裝材料，多數(shù)應用于包袋類產(chǎn)品、文創(chuàng)類產(chǎn)品和模型制作等產(chǎn)品。選用兩種材料為實驗試樣，來深入探索剛性折紙引入到新篷布設計中的可行性。

其次，實驗主要有硬挺度測驗和結構回彈性能實驗兩個部分組成，如表1。第一，硬挺度測試作為本文預實驗。實驗目的是通過43。斜面法的硬挺度測試，記錄不同試樣在相同環(huán)境下的抗彎曲能力，并結合試樣厚度、彎曲長度等影響彎曲變形的相關參數(shù)，從中確定試樣硬挺度的具體數(shù)值從來對比分析得出合適的基層。第二，結構回彈性能實驗是在硬挺度測試的基礎上，對適合的試樣進行不同表面處理。通過拍攝記錄被試在受到拉伸力-松弛的回彈變化，分析試樣確定試樣的回彈變化。實驗中選取了三個試樣均以Tyvek為基材，通過不同表面處理的手法，分別為Tyvek材料、1433RTyvek+復合Pu、超聲波+Tyvek材料。預實驗記錄了不同試樣的硬挺度變化，正式實驗記錄了三種不同表面處理的試樣從原始形狀-臨時形狀-原始形狀的折展過程，并對三個試樣急彈與緩彈的時間和位移進行具體數(shù)據(jù)的記錄，選擇了1433R Tyvek+復合Pu。最終，通過硬挺度測試再次驗證1433RTyvek+復合Pu能夠良好地提高回彈性能。實驗過程中，由于Tyvek材料熔點為135°，開始發(fā)生形變，須將溫度設置為100 ℃。其次，剛性折紙給Tyvek材料帶來了雙向變化，無法通過折皺儀器進行測量。因此采用了視頻記錄時間和標注位置記錄試樣的變化。另外，部分試樣回彈速度較快，以兩秒為一個節(jié)點記錄試樣的急彈狀態(tài)，以四秒為一個節(jié)點記錄試樣的緩彈狀態(tài)進行對比分析。為了保持數(shù)值的準確性，采用相同大小的杜邦紙面積、相同的基層、平整度等。

（二）實驗流程

首先，為了避免因篷布的橫縱紋理不同造成數(shù)據(jù)不準確，準備每個試樣縱向、橫向各一張，在標準的環(huán)境中測試非織物橫縱方向43°斜向的彎曲性能，讀取硬挺度測驗的具體數(shù)據(jù)，選擇適合結構回彈性能的試樣。硬挺度實驗的基本步驟為：校正——閱讀注意事項——熟悉實驗操作——正式實驗（確定樣品位置——按“進”鍵推動樣品進行彎曲——43°紅外線檢測到彎曲度——夾板回退——讀取彎曲長度——重復以上步驟直至樣品測試完畢）。其次，在正式實驗之前，準備好1433R Tyvek、1433R Tyvek+壓褶、1433R Tyvek+復合Pu三個試樣，先試驗一個不在正式實驗中的試樣，熟練實驗流程減少無效試樣。為了加強剛性折紙的回彈力，壓褶過程中進行反復加熱-冷卻，讓剛性折紙的回彈性能處于較佳的回彈狀態(tài)。在結構回彈性能驗中，每組實驗步驟為：紙膜—浸泡纖維軟化——高溫定型——冷卻定型——正式實驗（中心位置——拉伸至最大面積/臨時形狀——放手記錄回彈時間，讀取縮回原始形狀的面積——重復上述步驟直至完成三個試樣回彈數(shù)據(jù)的讀?。?，如圖4。

（三）實驗結果

1.材料的硬挺度測試

在材料的硬挺度實驗中發(fā)現(xiàn)，不同型號的Tyvek材料硬挺度從小到大依次是：1433R Tyvek<1056D Tyvek<牛皮紙，說明牛皮紙試樣的剛性較強。但牛皮紙的主要成分為木質(zhì)纖維，在潮濕環(huán)境中材料會受到濕度影響變得較為柔軟。從表2的厚度數(shù)據(jù)中得出，牛皮紙試樣厚度最薄，重量占三個試樣中最重。但牛皮紙重量可能會影響結構不能完全折疊，導致折疊失敗。另外，牛皮紙的重量較大會增加使用者的攜帶負擔，所以將牛皮紙試樣剔除。Tyvek材料在該預實驗中重量較輕，適合剛性折紙的要求。其次，Tyvek材料可通過表面處理來增加材料的功能性或裝飾性能，能夠幫助剛性折紙來完成折展運動。因此，選擇1433R Tyvek作為本文的實驗材料，來探討結構的回彈性能。

2.結構回彈性能測試

在結構回彈性能測試中，以1433R Tyvek作為新篷布設計主要基材，對其表面進行處理熱壓、復合等表面處理，探討不同表面處理方法對于剛性折紙回彈性能的影響，如圖5。

首先，從實驗中得出熱壓處理過的剛性折紙結構能夠使Tyvek材料產(chǎn)生回彈性能，但回彈性能遠不及Pu復合和超聲波壓褶表面處理的回彈性能。第二，從回彈速度來說，熱壓處理過的Tyvek試樣處于先快后慢的回彈狀態(tài)，最終的臨時形狀是原始形狀的二分之一。超聲波壓褶處理過的Tyvek試樣處于快速回彈狀態(tài)，前期回彈的臨時形狀接近原始形狀，后期回彈速度較為緩慢，形狀與前期回彈形狀沒有較大的區(qū)別。Pu復合處理過的Tyvek試樣處于持續(xù)回彈狀態(tài)，回彈時長較短，最終的臨時形狀是接近原始形狀。在實驗過程中，筆者發(fā)現(xiàn)三個試樣的回彈性能均有兩個階段。前半部分速度較快，面積變化也較大。后半部分速度減緩，面積變化較小。因此，筆者根據(jù)試樣的回彈情況，將剛性折紙的回彈狀態(tài)分為急彈與緩彈，分階段進一步探討在相同拉伸力下三種試樣之間的回彈變化，如表3。

在急彈和緩彈的變化狀況，三個試樣均在急彈狀態(tài)下回彈面積最大，緩彈狀態(tài)下速度逐漸減緩。其中，三個試樣在急彈狀態(tài)下回彈面積從大到小依次為：1433R Tyvek+超聲波壓褶>1433R Tyvek+復合Pu>1433R Tyvek。從緩彈狀態(tài)的數(shù)據(jù)得出，1433R Tyvek從4秒到16秒的變化速度較慢，回彈面積較小。其中1433R Tyvek+復合Pu在三個試樣中一直處于回彈狀態(tài)，16秒時面積變化最大，初步確定復合Pu的處理方法能夠增強剛性折紙的回彈性能。為了分析剛性折紙回彈性能的影響因素，對三個試樣進行硬挺度測試驗證，從測試的試樣中得出1433R Tyvek+復合Pu在兩個情況下回彈性能最佳，可被應用于篷布設計中，如表4。

總而言之，剛性折紙的回彈性能能夠通過表面處理、涂層特性、厚度、重量等相關因素來提高回彈速度。其中，本文通過結構回彈性能測試得出1433R Tyvek+復合Pu為最佳方案。1433R Tyvek+復合Pu是以1433R Tyvek材料為基層，在上面做PU復合的涂層。Pu主要是聚氨酯成分，復合在Tyvek材料上形成一層薄膜，既有良好的透氣性又有防水性能，能夠將本身彈性不足的Tyvek材料通過剛性折紙的結構具有一定的彈性。另外，PU涂層是Tyvek材料的表面處理中常見的涂層工藝，成熟的加工工藝降低了剛性折紙融入到Tyvek材料中的加工難度。因此，在未來的設計研究中，還需要對1433R Tyvek+復合Pu中PU涂層的劑量做一定的定量從而進一步的探討分析。

三、剛性折紙在新篷布設計的設計實踐

通過上述對剛性折紙回彈性能的探究，從材料的角度探索了剛性折紙引入到篷布設計中的可行性。接下來，根據(jù)天幕帳篷中篷布的特性采用中心收縮的剛性折紙為折疊結構，以1433R Tyvek+復合Pu為基材，提出了可折疊式篷布設計概念，如圖6。

（一）設計理念

可折疊式篷布設計可以通過“一鍵拉伸”的動作將其完全打開，呈面積較大的遮陽作用，“一鍵收縮”將其收納成較小的幾何形狀，便于攜帶。剛性折紙的引入并沒有使其外觀與現(xiàn)有的篷布外觀有較多的差別，反而通過剛性折紙的折痕變化使篷布收納更有規(guī)律性且增加了一定的裝飾性。另外，篷布可以根據(jù)使用需求對折痕進行延伸邊長來擴大篷布的整個面積，營造出更多人能夠活動的娛樂空間，并不會影響篷布折疊后的面積。其次，Tyvek材料的運用使篷布在選材上多了一種選擇。

（二）設計定位和構思

通過對天幕帳篷的前期調(diào)研與分析，結合天幕帳篷和剛性折紙的設計要求，提出了新篷布設計定位和構思：1.設計定位：市場上現(xiàn)有的篷布設計主要以材料的性能、材料色彩、產(chǎn)品造型等為賣點。其中，收納小巧的天幕帳篷設計是近幾年來戶外產(chǎn)品設計者所要開始關注的設計點。剛性折紙在可折疊的基礎上，能夠更改折痕布局也可保證折疊的過程具有規(guī)律性。通過產(chǎn)品的使用場景、相關人群的調(diào)查分析，將使用環(huán)境定位山地、草坪、沙灘、主題公園、演唱會;造型定位;在造型上，整體造型以幾何形態(tài)為主，滿足更大面積的遮擋空間;適用人群定位：20-40歲人群，群體以愛好戶外露營為主，群體形式以多人為主，如：一家三口、朋友、情侶、同事等，如圖7。

2.設計構思：提出剛性折紙與篷布收納結合。利用篷布的遮光面積作為剛性折紙的基礎面，并通過剛性折紙的特性來解決篷布收納不方便的問題。另外，引入剛性折紙時，對于剛性折紙的影響因素進行了深入探討，經(jīng)過折痕的推敲和收納的速度將產(chǎn)品的細節(jié)部分深入優(yōu)化。

（三）產(chǎn)品說明

通過對剛性折紙的分析和新篷布折展形式的構思，材料采用了Tyvek材料與PU復合的方法，促使剛性折紙能在篷布設計的折展運動中實現(xiàn)快速的伸展和折疊。其次，新篷布設計在結構中選用了收縮比為1：25的剛性折紙結構進行折痕設計，能夠使新篷布的收縮面積達到更小，卻不影響新篷布的使用面積。圖8為新篷布設計，整個造型為多邊形，該形狀可以較好地適應多種戶外空間。當消費者在使用時，展開面積成300cm×300cm，收納完面積為40cm×40cm，能夠幫助使用者更加地攜帶。其次，在收納過程中，使用者只需要操作兩步，便可完成收納。第一步，將多邊形篷布進行對折，篷布內(nèi)藏吸鐵石可以輔助篷布更好地對折。第二步，選中篷布中心的正方形的角線進行逆時針旋轉，旋轉至最小面積完成收納，能夠簡化市面上的篷布收納步驟?？傊?，剛性折紙能使篷布展開更大面積，提供更大的空間，促進了戶外露營時人與人之間的互動。

結語

通過上述實驗得知，1433R Tyvek+復合Pu可以滿足篷布收納需求。對于剛性折紙來說，大大提高了結構的回彈性能，加快回彈速度，為新篷布設計提供了快速收納的材料。其次，新篷布設計選用Tyvek材料質(zhì)地較輕、抗撕拉性強等性能的材料，也滿足新篷布設計材料屬性的需求。除此之外，剛性折紙具有多種折疊結構，還可以折疊出多種折疊形態(tài)。例如：植物形態(tài)、鉆石切面、海螺型等形態(tài)，為后期的新篷布設計提供了多種結構參考，滿足消費者多元化的需求?？傊?，收納是天幕帳蓬在使用過程中的一種需求，通過收納問題的再設計能帶來多種創(chuàng)新設計。因此，在今后的天幕帳篷設計研究中，還可以從更多的使用需求角度進行探索，例如：組裝、攜帶等方面，來改良天幕帳篷設計，使天幕帳蓬更加貼合消費者的使用，使用過程更多舒適和便攜。