刚性折纸在天幕帐篷中的设计研究

林璐 林张怡

关键词：新篷布设计 刚性折纸 不同表面处理 回弹性能 Tyvek

引言

天幕帐篷是面积较大的半开放型帐篷，适合多人露营的户外用品。近几年来，随着全民健身风潮的兴起，参加群体户外露营的人群越来越多，与之防晒相关的天幕帐篷也逐渐兴起。与传统帐篷相比，天幕帐蓬的篷布面积较大，所需的固定件与支撑件较少，能够搭建营造出更加开放的空间。但现有的天幕帐篷功能还是较为单一，还无法满足消费者的各种需求。新型的天幕帐篷应该考虑消费者的体验感受，本文综合消费者在使用中遇到的收纳问题、使用感受、使用场所等问题，对现有的天幕帐篷进行改良设计。

刚性折纸是一种特殊的折纸结构，通过相同的单元结构能够快速将较大面积折叠成较小的体积。与传统的折纸结构相比，刚性折纸可伸展、可收缩、易操作等性能在工程领域、航天领域等领域被广泛应用。近几年来，刚性折纸逐渐应用于日常生活的设计领域中，例如：家具领域、服装领域、建筑领域等，都受到众多消费者的青睐。因此，本文以天幕帐篷的篷布为研究重点，尝试将刚性折纸引入到篷布設计中来解决篷布的收纳问题，从而让使用者轻松地收纳篷布，同时也能为天幕帐蓬带来新的结构支持。

一、刚性折纸与天幕帐篷的关系

（一）天幕帐蓬的发展现状

天幕帐篷是由篷布、固定件、支撑件、防风绳三个部件组成，如图1。其核心部分是面积较大的篷布，起到防护作用。但市面上的篷布设计大多关注材料性能、防晒面积等方面，对篷布的使用体验上缺乏深入思考。例如：篷布在展开的过程中需要两到三人合作完成，且耗时较长，是一个巨大的工程。另外，篷布在收纳过程中也需要多人合理才能将其收纳。因此，如何将较大的面积收缩到较小的面积便于操作成为了当下所要解决的问题。笔者提出了折叠式篷布，通过折叠方法将篷布收纳至最小，大大提高了天幕帐篷的使用率。

（二）刚性折纸的发展现状

刚性折纸由山折、谷折、面体三个元素构成，如图2。折展运动时通过山折与谷折的相互作用完成不同形态的折展运动。“Miura”是刚性折纸中最具代表性的折纸之一，由日本折纸大师吉泽章发明。“Miura”展开面积与折叠后面积为1：9的面积比，具有良好的收缩性能。因此，“Miura”被应用于纸质地图、航空建设等多个设计领域当中。

随后，“Miura”折叠结构被工程师、设计师等专业人士所熟知，根据折叠原理结合所需的折叠状态对山折、谷折进行重新设计，形成不同的折展状态。例如：美国折纸大师罗伯特·朗以“Miura”为原理发明了应用于航空领域的太阳能板中，该太阳能板能够接收更大面积的电能，也可折叠成较小面积存放。除此之外，刚性折纸涉及的领域越来越广泛，设计者们不仅应用其功能，美观性也随之受到大家的喜爱。Studio Samira Boon工作室在嘉兴迪元画廊的礼堂设计了一款纺织遮阳棚。该设计采用了刚性折纸的结构，既能大面积遮阳又能起到装饰作用，还能给人带来强烈的视觉冲击力。总之，刚性折纸的应用越来越生活化，能够帮助新篷布设计提供多种折叠形态，也为新篷布设计提供更多的结构参考，如图3。

（三）刚性折纸引入到新篷布设计中的可能性

对于篷布设计来说，刚性折纸的收缩比能够更好地解决篷布较大面积难以收纳和撑开的问题。篷布设计中尝试刚性折纸的应用，能够为刚性折纸带来更多的应用领域。刚性折纸的折展运动受到多种因素的影响。例如：材料性能、受力大小、体积等各种因素的影响。同时，篷布也会对材料性能、体积、外部环境有一定的要求。例如：篷布材料需要防水、防风的材料来抵抗外界天气，适应户外露营的使用场合。因此，结合刚性折纸的影响因素和篷布设计的相关要求，新篷布设计提出三个设计要点：1.轻便性材料的轻薄是设计师在户外用品设计中较为重视的一点。对于篷布设计而言，轻薄的材料能够大大减轻旅行者携带行李的重量，节省组装和收纳的人力。另外，对于刚性折纸而言，篷布材料的厚度越小，折叠角度越大，能够使折叠完的体积更小，便于存放。

2.规律性篷布中具有一定的规律结构，引导使用者通过预设结构进行有次序地收纳，有效整理篷布。其次，规律的折叠结构可以将篷布恢复到原始形状，不影响下次使用。另外，规律的结构能够加快篷布的收纳速度，从而缩短收纳时间。刚性折纸能够为新篷布设计提供规律性结构，帮助新篷布有次序地折叠成预设状态，从而整齐存放或携带。

3.稳定性良好的支撑结构能使篷布抵抗恶劣的天气，也能使重量较轻的材料有被应用的可能。其次，通过结构在材料中的应用，能够减少支撑件与固定件的使用，又能起到支撑作用。另外，刚性折纸中山折与谷折的运动方向属于平衡状态，不易发生扭曲、变形等情况，能抵挡恶劣的户外环境。

通过上述对天幕帐篷和结构、材料等要素的具体分析，刚性折纸为新篷布设计提供了巧妙的结构支撑，新篷布设计的探索也为刚性折纸带来了多种运用的可能。

二、刚性折纸引入到新篷布设计的实践研究

在刚性折纸的折展运动中，折展快慢直接影响着篷布的收纳效率。结构的折展快慢与材料的回弹性能有关，而回弹性能往往取决于材料的厚度、材料的重量以及材料的硬挺程度等。因此，本文从常见的折纸材料中，选择符合刚性折纸材料和篷布材料进行测试，通过硬挺度测试和结构回弹性能测试得出适合的材料。

（一）实验设计

首先，从折纸材料中选择Tyvek材料和牛皮纸，Tyvek材料是一种可回收的环保材料，具有“硬”和“软”两种结构材料。它以防水、抗撕拉、可降解和防紫外线等多种性能在防护领域、服装领域及包装领域等被广泛应用。牛皮纸是一种坚韧耐水的包装材料，多数应用于包袋类产品、文创类产品和模型制作等产品。选用两种材料为实验试样，来深入探索刚性折纸引入到新篷布设计中的可行性。

其次，实验主要有硬挺度测验和结构回弹性能实验两个部分组成，如表1。第一，硬挺度测试作为本文预实验。实验目的是通过43。斜面法的硬挺度测试，记录不同试样在相同环境下的抗弯曲能力，并结合试样厚度、弯曲长度等影响弯曲变形的相关参数，从中确定试样硬挺度的具体数值从来对比分析得出合适的基层。第二，结构回弹性能实验是在硬挺度测试的基础上，对适合的试样进行不同表面处理。通过拍摄记录被试在受到拉伸力-松弛的回弹变化，分析试样确定试样的回弹变化。实验中选取了三个试样均以Tyvek为基材，通过不同表面处理的手法，分别为Tyvek材料、1433RTyvek+复合Pu、超声波+Tyvek材料。预实验记录了不同试样的硬挺度变化，正式实验记录了三种不同表面处理的试样从原始形状-临时形状-原始形状的折展过程，并对三个试样急弹与缓弹的时间和位移进行具体数据的记录，选择了1433R Tyvek+复合Pu。最终，通过硬挺度测试再次验证1433RTyvek+复合Pu能够良好地提高回弹性能。实验过程中，由于Tyvek材料熔点为135°，开始发生形变，须将温度设置为100 ℃。其次，刚性折纸给Tyvek材料带来了双向变化，无法通过折皱仪器进行测量。因此采用了视频记录时间和标注位置记录试样的变化。另外，部分试样回弹速度较快，以两秒为一个节点记录试样的急弹状态，以四秒为一个节点记录试样的缓弹状态进行对比分析。为了保持数值的准确性，采用相同大小的杜邦纸面积、相同的基层、平整度等。

（二）实验流程

首先，为了避免因篷布的横纵纹理不同造成数据不准确，准备每个试样纵向、横向各一张，在标准的环境中测试非织物横纵方向43°斜向的弯曲性能，读取硬挺度测验的具体数据，选择适合结构回弹性能的试样。硬挺度实验的基本步骤为：校正——阅读注意事项——熟悉实验操作——正式实验（确定样品位置——按“进”键推动样品进行弯曲——43°红外线检测到弯曲度——夹板回退——读取弯曲长度——重复以上步骤直至样品测试完毕）。其次，在正式实验之前，准备好1433R Tyvek、1433R Tyvek+压褶、1433R Tyvek+复合Pu三个试样，先试验一个不在正式实验中的试样，熟练实验流程减少无效试样。为了加强刚性折纸的回弹力，压褶过程中进行反复加热-冷却，让刚性折纸的回弹性能处于较佳的回弹状态。在结构回弹性能验中，每组实验步骤为：纸膜—浸泡纤维软化——高温定型——冷却定型——正式实验（中心位置——拉伸至最大面积/临时形状——放手记录回弹时间，读取缩回原始形状的面积——重复上述步骤直至完成三个试样回弹数据的读取），如图4。

（三）实验结果

1.材料的硬挺度测试

在材料的硬挺度实验中发现，不同型号的Tyvek材料硬挺度从小到大依次是：1433R Tyvek<1056D Tyvek<牛皮纸，说明牛皮纸试样的刚性较强。但牛皮纸的主要成分为木质纤维，在潮湿环境中材料会受到湿度影响变得较为柔软。从表2的厚度数据中得出，牛皮纸试样厚度最薄，重量占三个试样中最重。但牛皮纸重量可能会影响结构不能完全折叠，导致折叠失败。另外，牛皮纸的重量较大会增加使用者的携带负担，所以将牛皮纸试样剔除。Tyvek材料在该预实验中重量较轻，适合刚性折纸的要求。其次，Tyvek材料可通过表面处理来增加材料的功能性或装饰性能，能够帮助刚性折纸来完成折展运动。因此，选择1433R Tyvek作为本文的实验材料，来探讨结构的回弹性能。

2.结构回弹性能测试

在结构回弹性能测试中，以1433R Tyvek作为新篷布设计主要基材，对其表面进行处理热压、复合等表面处理，探讨不同表面处理方法对于刚性折纸回弹性能的影响，如图5。

首先，从实验中得出热压处理过的刚性折纸结构能够使Tyvek材料产生回弹性能，但回弹性能远不及Pu复合和超声波压褶表面处理的回弹性能。第二，从回弹速度来说，热压处理过的Tyvek试样处于先快后慢的回弹状态，最终的临时形状是原始形状的二分之一。超声波压褶处理过的Tyvek试样处于快速回弹状态，前期回弹的临时形状接近原始形状，后期回弹速度较为缓慢，形狀与前期回弹形状没有较大的区别。Pu复合处理过的Tyvek试样处于持续回弹状态，回弹时长较短，最终的临时形状是接近原始形状。在实验过程中，笔者发现三个试样的回弹性能均有两个阶段。前半部分速度较快，面积变化也较大。后半部分速度减缓，面积变化较小。因此，笔者根据试样的回弹情况，将刚性折纸的回弹状态分为急弹与缓弹，分阶段进一步探讨在相同拉伸力下三种试样之间的回弹变化，如表3。

在急弹和缓弹的变化状况，三个试样均在急弹状态下回弹面积最大，缓弹状态下速度逐渐减缓。其中，三个试样在急弹状态下回弹面积从大到小依次为：1433R Tyvek+超声波压褶>1433R Tyvek+复合Pu>1433R Tyvek。从缓弹状态的数据得出，1433R Tyvek从4秒到16秒的变化速度较慢，回弹面积较小。其中1433R Tyvek+复合Pu在三个试样中一直处于回弹状态，16秒时面积变化最大，初步确定复合Pu的处理方法能够增强刚性折纸的回弹性能。为了分析刚性折纸回弹性能的影响因素，对三个试样进行硬挺度测试验证，从测试的试样中得出1433R Tyvek+复合Pu在两个情况下回弹性能最佳，可被应用于篷布设计中，如表4。

总而言之，刚性折纸的回弹性能能够通过表面处理、涂层特性、厚度、重量等相关因素来提高回弹速度。其中，本文通过结构回弹性能测试得出1433R Tyvek+复合Pu为最佳方案。1433R Tyvek+复合Pu是以1433R Tyvek材料为基层，在上面做PU复合的涂层。Pu主要是聚氨酯成分，复合在Tyvek材料上形成一层薄膜，既有良好的透气性又有防水性能，能够将本身弹性不足的Tyvek材料通过刚性折纸的结构具有一定的弹性。另外，PU涂层是Tyvek材料的表面处理中常见的涂层工艺，成熟的加工工艺降低了刚性折纸融入到Tyvek材料中的加工难度。因此，在未来的设计研究中，还需要对1433R Tyvek+复合Pu中PU涂层的剂量做一定的定量从而进一步的探讨分析。

三、刚性折纸在新篷布设计的设计实践

通过上述对刚性折纸回弹性能的探究，从材料的角度探索了刚性折纸引入到篷布设计中的可行性。接下来，根据天幕帐篷中篷布的特性采用中心收缩的刚性折纸为折叠结构，以1433R Tyvek+复合Pu为基材，提出了可折叠式篷布设计概念，如图6。

（一）设计理念

可折叠式篷布设计可以通过“一键拉伸”的动作将其完全打开，呈面积较大的遮阳作用，“一键收缩”将其收纳成较小的几何形状，便于携带。刚性折纸的引入并没有使其外观与现有的篷布外观有较多的差别，反而通过刚性折纸的折痕变化使篷布收纳更有规律性且增加了一定的装饰性。另外，篷布可以根据使用需求对折痕进行延伸边长来扩大篷布的整个面积，营造出更多人能够活动的娱乐空间，并不会影响篷布折叠后的面积。其次，Tyvek材料的运用使篷布在选材上多了一种选择。

（二）设计定位和构思

通过对天幕帐篷的前期调研与分析，结合天幕帐篷和刚性折纸的设计要求，提出了新篷布设计定位和构思：1.设计定位：市场上现有的篷布设计主要以材料的性能、材料色彩、产品造型等为卖点。其中，收纳小巧的天幕帐篷设计是近几年来户外产品设计者所要开始关注的设计点。刚性折纸在可折叠的基础上，能够更改折痕布局也可保证折叠的过程具有规律性。通过产品的使用场景、相关人群的调查分析，将使用环境定位山地、草坪、沙滩、主题公园、演唱会;造型定位;在造型上，整体造型以几何形态为主，满足更大面积的遮挡空间;适用人群定位：20-40岁人群，群体以爱好户外露营为主，群体形式以多人为主，如：一家三口、朋友、情侣、同事等，如图7。

2.设计构思：提出刚性折纸与篷布收纳结合。利用篷布的遮光面积作为刚性折纸的基础面，并通过刚性折纸的特性来解决篷布收纳不方便的问题。另外，引入刚性折纸时，对于刚性折纸的影响因素进行了深入探讨，经过折痕的推敲和收纳的速度将产品的细节部分深入优化。

（三）产品说明

通过对刚性折纸的分析和新篷布折展形式的构思，材料采用了Tyvek材料与PU复合的方法，促使刚性折纸能在篷布设计的折展运动中实现快速的伸展和折叠。其次，新篷布设计在结构中选用了收缩比为1：25的刚性折纸结构进行折痕设计，能够使新篷布的收缩面积达到更小，却不影响新篷布的使用面积。图8为新篷布设计，整个造型为多边形，该形状可以较好地适应多种户外空间。当消费者在使用时，展开面积成300cm×300cm，收纳完面积为40cm×40cm，能够帮助使用者更加地携带。其次，在收纳过程中，使用者只需要操作两步，便可完成收纳。第一步，将多边形篷布进行对折，篷布内藏吸铁石可以辅助篷布更好地对折。第二步，选中篷布中心的正方形的角线进行逆时针旋转，旋转至最小面积完成收纳，能够简化市面上的篷布收纳步骤。总之，刚性折纸能使篷布展开更大面积，提供更大的空间，促进了户外露营时人与人之间的互动。

结语

通过上述实验得知，1433R Tyvek+复合Pu可以满足篷布收纳需求。对于刚性折纸来说，大大提高了结构的回弹性能，加快回弹速度，为新篷布设计提供了快速收纳的材料。其次，新篷布设计选用Tyvek材料质地较轻、抗撕拉性强等性能的材料，也满足新篷布设计材料属性的需求。除此之外，刚性折纸具有多种折叠结构，还可以折叠出多种折叠形态。例如：植物形态、钻石切面、海螺型等形态，为后期的新篷布设计提供了多种结构参考，满足消费者多元化的需求。总之，收纳是天幕帐蓬在使用过程中的一种需求，通过收纳问题的再设计能带来多种创新设计。因此，在今后的天幕帐篷设计研究中，还可以从更多的使用需求角度进行探索，例如：组装、携带等方面，来改良天幕帐篷设计，使天幕帐蓬更加贴合消费者的使用，使用过程更多舒适和便携。