基于形态分析的男性户外登山服结构设计

周幸子, 王朝晖, 张龙琳, 李 琴

(1.东华大学 服装与艺术设计学院,上海 210051;2.西南大学 纺织服装学院,重庆 400715)

户外登山服装的运动舒适性要求较高,而结构设计是研发登山服的关键[1]。由于人体是复杂曲面体,附着体表的服装,除弹性面料,大多服装面料的伸展性不如皮肤优异。适用于相对静止状态的服装结构,通常不能满足在运动状态下的松量需求。因此,一些学者基于静、动态人体尺寸,根据体表皮肤形变率对服装进行结构设计[2-8]。常用的皮肤形变测量方法有三维扫描捕捉[3]、网格法[4-5]、体表描线法[6-8]和石膏法等,而动态姿势是皮肤形变测量的关键,其根据服用场景来确定。王永进等[4]利用17种网球运动姿态下的网格线变化,确定网球服的功能分割线。李秀青等[6]利用体表画线法测得6个骑行动作下的右腿体表变化。冯洋等[7]归纳了4个足球技术动作下的皮肤伸缩变化,设定足球裤松量。刘鹏林等[8]通过11个户外运动下的上半身体表网格线变化分析其对软壳冲锋衣结构设计影响。

为了实现服装合体性与运动舒适性的和谐统一,明确不同形变方向上形变量对设计至关重要[9]。本文首先确定20种实验姿势,再利用网格法进行人体静、动态体表尺寸变化实验,得到关键部位体表形变特点。随后对形变率进行数据处理和分析,探讨如何进行登山服的松量、款式及面料设计。

1 实验方案设计

1.1 测量样本选择

实验共招募10位20～30岁正常体态男性(在校大学生)作为被测者,身高173～177 cm、胸围90～98 cm、腰围79～85 cm。

1.2 实验过程

实验在室温(20±2) ℃,湿度50%±5%的环境条件下进行。实验服为绘有2 cm×2 cm网格线的合体套装,面料含黏胶67.4%、锦纶29.6%和氨纶3.0%混纺(温州辛吉斯服饰有限公司)。先由3名被测者穿着,完成20种实验姿势,随后3名同学对实验服的网格变化程度进行预估,最后在预估分析中选取实验服网格变化幅度较大的人体部位作为待测关键部位。待测关键部位包含:肘围、臂根围、肘长、手臂外长(前腋点经肘围外中点至后腕点)、手臂内长(后腋点经肘外中点至前腕点)、肩宽、后背宽、腋下肋长(腋点到腰线长度)、胸围、腰围、腹围、背长及臀围;总裆围(前腰中点经裆底部至后腰中点)、大腿根围、膝围、前大腿长(大转子到膝盖前中点)、前小腿长(膝盖前中点到踝骨)、后大腿长(大转子到腘窝)及后小腿长(经腘窝到踝骨)。在正式实验中,3名同学分别对10位受试者的关键部位进行具体测量,为控制测量误差,3组数据差值在0.10 cm内,取其平均值记录。静、动态长度形变率α的计算公式为:

式中:正值表示伸长,负值表示收缩。

1.3 实验姿势确定

人体有8组连接点,其中肘关节、肩关节、腰关节、髋关节和膝关节的运动幅度较大,服装的应变表现为滑移、褶皱、延展或限制人体运动等。而颈部、腕关节和踝关节的活动对服装结构设计影响较小,在此不做研究。本文根据人体五大关节的运动特点和范围[9],得到人体在登山运动中会出现的幅度最大动作,以此确定20种实验姿势,包括19种动态实验姿势和自然站立的静态实验姿势,如图1及表1所示。

图1 实验姿势Fig.1 Experimental gestures

表1 字母代号与实验姿势对照Tab.1 The comparison between letter code and experimental gestures

2 实验数据采集

图1(a)中标注的箭头反映了肘关节运动对上装结构设计的影响,以肘突为基准中心,手臂外侧皮肤明显拉伸,肘弯部位明显收缩。由实验测得肘部、手臂根部、手臂内侧和外侧的皮肤伸长率如表2所示。图1(b)中b、c、d、e、f、g、h线表明肩关节运动以后腋点为中心,肩关节的后伸和内收使腋下肋长、胸围和背宽发生明显拉伸。实验测得肩部、后背和腋下体侧的皮肤伸长率如表3所示。人体扭动后,图1(c)中h、i、j、k和l反映了腰关节运动对上装结构设计的影响,使皮肤在腋下肋长、背部和腹部产生拉伸。实验测得胸部、腰节、腹部、后背和体侧的皮肤伸长率如表4所示,其中K和L动作下,腋下肋长存在两组数据,前者表示左侧腋下肋长,后者表示右侧腋下肋长。图1(d)中i、j、k、l、m、n、o和p反映髋关节运动对下装结构设计的影响,臀部及裆部周围皮肤的变化明显。实验测得臀部、腹部和裆部的皮肤水平、垂直伸长率如表5所示。被测者完成膝关节活动时也伴随着髋关节活动,图1(e)中m、n、o、p、q、r、s和t线反映了膝关节运动对下装结构设计的影响。实验测得大腿根部、膝部、大腿和小腿的皮肤水平、垂直伸长率如表6所示。

表2 肘关节动作影响下关键部位的体表皮肤形变率Tab.2 The body surface skin deformation rate of the key parts affected by the elbow joint movement %

表3 肩关节动作影响下关键部位的体表皮肤形变率Tab.3 The body surface skin deformation rate of the key parts affected by the shoulder joint movement %

表4 腰关节动作影响下关键部位的体表皮肤形变率Tab.4 The body surface skin deformation rate of the key parts affected by the waist joint movement %

表5 髋关节动作影响下关键部位的体表皮肤形变率Tab.5 The body surface skin deformation rate of the key parts affected by the hip joint movement %

表6 膝关节动作影响下关键部位的体表皮肤形变率Tab.6 The body surface skin deformation rate of the key parts affected by the knee joint movement %

3.1 动态姿势下的体表形变分析

3.1.1 动态姿势权重分析

登山过程中,人体会做出许多大幅度动作,若所穿登山服的松量过小,则会产生阻碍。由于在整个过程中人体动作并非持续处于较大幅度,为使登山服松量充分满足较大幅度、甚至最大幅度的动作,将导致服装结构失去平衡,且过于宽松会对处在其他动作状态下的人体产生负面影响。本文结合登山过程,考虑多个部位、多个动作,分析不同动作可能出现的频率,频率越高,可在一定程度上代表该动作对关键部位体表皮肤形变的影响越大。

通常情况下,权重值凭主观经验给出,有时不能客观反映实际情况[10]。在此类经验判断法中,可加权多个估值以减少误差。本文采用专家估测法,将某户外登山俱乐部的20名专业级成员视为“专家”,让其在互不影响的情况下,分别给出在整个登山运动中,在各关节运动影响下的19种动态实验姿势出现的频率,其意见有效性相同,最后加权得到19种姿势的权重值(姿势A在不同关节影响下的权重不同)。设因素集U={u1,u2,…,u20},表示实验姿势出现频率(表7),k=20,n=19。

表7 专家估测法权重Tab.7 The weighting factor chart of expert estimation mehtod

表8 各关节运动影响下不同动作的权重Tab.8 The weighting factor chart of different movementsof five joins

3.1.2 体表形变值

本文定义了各关键部位的加权体表形变率,为表7中的运动方式权重与该运动引起的对应关键部位体表形变率的乘积之和,考虑多个实验姿势对同一关键部位的共同作用,而非最大的体表形变率。表9中关键部位的数据源于GB/T 1335.1—2008《服装号型(男子)》人体静态数据,该部位的体表形变值等于该部位尺寸数据与其加权体表皮肤形变率的乘积。

3.2 体表形变对登山服设计的影响

3.2.1 对松量设置及制版参数的影响

本文的体表变化实验主要针对形态变化松量,即为使人体在登山时,体表变化不受服装牵制而需增加的松量。且宽松量应设置在皮肤延展性大的部位,适应动作的伸展方向需求[9]。

表9 登山服关键部位体表形变值Tab.9 The body surface deformation values of the key parts of mountaineer garment

基于文献[11]115-120中男装标准基本纸样的制版方法及纸样放缩的设计原则,以身高175 cm、胸围95 cm、背长42.5 cm、腰围82 cm、臀围94 cm、裤口围43 cm为例,分析体表变化值对形态变化松量及制版参数的影响(表10),其中制版参数列中的各部位结构参数已加入了形态变化松量。

登山服在各部位的制版参数推到如下:

1)考虑胸围、腰围和臀围的围度形变值,根据变形放量方法,将后侧缝、前侧缝、后中缝、前中缝的追加放量配比设置为2.5︰2.5︰1︰1,相关研究表明该配置比更适用于户外服的放量设计[11]127-129,即将胸围形变值9.52 cm按1︰5︰1分配给前胸宽、袖窿宽和后背宽,分别是1.36、3.40 cm和1.36 cm。为适应躯体向前弯曲,将衣长在背长加后领高的基础上增加背长形变值5.57 cm。为适应动态肩部小幅拉伸,将前、后肩线增长1.79 cm,对应样板的后肩宽增加1.30 cm。

2)袖窿开深量为侧缝放量减去肩升高量的1/2,再加上后肩加宽量,其中侧缝放量为3.40 cm,肩升高量是以前、后中缝放量为参数,此时前、后中缝放量为1.36 cm,前、后肩的分配比例为0.5︰1.5,分别为0.34 cm和1.02 cm,肩升高量为1.36 cm,后肩加宽量为前后中缝放量的一半加1.00 cm,为1.68 cm,故袖窿开深量为4.40 cm,袖窿深线向下平移4.40 cm,新袖窿弧线略微向前偏转。袖长取臂长加上手臂外侧形变值8.73 cm,袖肥取手臂根围加上手臂根部形变值2.88 cm,以满足手臂运动;袖山高根据变形放量设计方法,从基本袖山高减去袖窿开深量而剩余部分[11]127-129。

3)因大、小腿纵向拉伸,裤长在股上长-3.00 cm+股下长的长度基础上再增加大、小腿的形变值4.35 cm,故将裤口线下移4.35 cm。总裆围不变,立裆长不变,这是因为若裤子立裆小于股上尺寸,在穿着时使裤腰自然向人体实际腰围移动,促使横裆贴合人体臀部。这在运动功能上是合理而有效的,因为立裆超出人体股上尺寸越多,裤子越远离人体,对下肢牵制力就越大[11]190-193。为弥补动态腿部的围度宽松度,横裆线以上的部分与腰围和臀围相关,将前、后片腰围宽增加腰围形变值1.45/4=0.36 cm,前、后片臀围宽增加臀围形变值1.65/4=0.86 cm,大腿根围宽顺势增加;在膝围线和裤口线处直接加大横向放松量从而加大肢体的活动空间,增加肢体舒展的自由度,前、后片中裆围宽增加膝围形变值5.39/2=2.70 cm,裤口宽也增加5.39/4=2.70 cm,可保持裤腿H型造型。

表10 体表形变值对形态变化松量和制版参数的影响Tab.10 The influence of the body surface skin deformation value on themorphologic change margin and structure parameters cm

3.2.2 对款式设计的影响

通过体表实验可得运动状态下体表变化较大的部位为肘部和膝部,可利用设置合理分割线进行“加量”或“减量”实现立体结构,提高穿着者的运动自由度,减少运动时的服装阻碍,优化运动舒适性。肘部可采用分片设计,方案一可在袖肘进行横向切展、纵向加量,以保证肘部前屈的活动量,再纵向分片调整,使袖子整体呈前倾状,符合手臂自然下垂状态，如图2(a)所示;方案二在肘部进行“X”字切展加量,设置省道形成“肘凸”,后袖片分上、中、下三片缝合,再与前袖片缝合,如图2(b)所示;膝部设计可类似肘部,进行“H”字切开,在膝盖前部加量,在腘窝处减量,形成“膝凸”,适应人体膝关节结构的运动状态,如图2(c)所示。

图2 登山服肘部和膝部设计Fig.2 Elbow and knee design of mountaineer garment

3.2.3 对面料选择的影响

可对体表相对变化较大部位结构进行适当尺寸调整,同时选择具有较强拉伸断裂强度和高弹的面料对结构尺寸进行辅助调整。王永进等[4]在排球比赛服的衣身设计中标记拉伸收缩变化大的皮肤部位,为准确确定加入松量或采用弹性面料的部位提供依据。根据前文体表形变实验,横向的背宽线、大腿根围线、膝围线的尺寸变化幅度较大,在设计中可通过调整结构尺寸并合理配置延展性好、复原性好的材料,在保证外观合体前提下,提高穿着者在登山过程中的运动舒适性,满足其皮肤扩展和形态变化。

3.3 登山服设计与试穿

从登山服结构功能性要求出发,采用图2(a)(c)设计登山服的肘部与膝部,根据表10的制版参数,利用CAD绘制出连帽连体登山服纸样,再将其导入CLO 3D进行虚拟试衣,便于局部调整,最后样板如图3灰色区域所示。手肘和膝盖部位设置防撞软垫,在一定程度上能够保护穿着者。内置衣里为涤塔夫T190及网眼面料,使不流通空气层增多,能够在寒冷的户外条件下,保持体温,减少热量散失。外层面料经过“三防整理”(拒水、拒油、防污)带PU涂层的尼龙228T,耐磨耐脏且御寒防风,价格便宜,易于控制成本。用束头装置调节袖口、裤口边,可减少热量散失,并有效减少户外虫类等入侵。前中线设置80.00 cm长的隐形拉链,方便穿脱。图4展示了虚拟试衣和服装的实际穿着效果,试穿者为身高175 cm、胸围95 cm、腰围82 cm的正常体态男性,能顺利完成20种实验姿势,即服装无明显牵制,有较好的运动舒适性和自由度。

图3 登山服左半身样板Fig.3 The left half pattern of mountaineer garment

图4 虚拟试穿和实物试穿Fig.4 Virtual fitting and real fitting

4 结 论

本文通过体表画线实验研究人体关键部位的体表静、动态尺寸变化。利用专家估测法确定实验姿势对关键部位体表形变率的影响权重,加权计算关键部位加权体表形变率和对应的体表形变值,为登山服的形态变化松量设置提供数据支撑。根据纸样放缩的设计原则和方法,分析人体体表变化值与服装形态变化松量之间的关系式,再根据其他服用需求等设计登山服款式,进而绘制体型为175/95A男性H型户外登山服样板,制作服装进行试穿。本文提出的基于人体体表形变的登山服设计思路,可为功能性服装结构设计提供参考。

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