基于重力平衡的袖子結構設計“2A”原理

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(涿州高紅服飾設計工作室，河北 涿州 072750)

袖子結構與人體體型、動作及制作材料和審美等多種因素有關，對其結構的研究方法也有很多，其中幾何學和人體解剖學為常用的方法。如國外研究者在解剖手臂皮膚后繪制出袖子的基本輪廓[1-2]，國內基本據此成果進行袖子制板[3]。但皮膚是有彈性的有機組織，是服裝材料無法比擬的，同時服裝與人體的關系也無法達到皮膚與皮下組織緊密貼合的狀態，因此，用現行方法給不同體型的人制作袖子，穿著效果并不理想。

有研究者試圖通過制作不同參數的袖子，對比在人模上的效果，確定最優結構參數，得到回歸公式[4]。由于與袖子相關的人體部位有肩部、手臂和胸部，每個部位有6種形態，如肩部前后方向有厚、薄、中，上下方向有溜、平、中，由此得出相關靜態體型729種。如果用實驗的方法進行研究，不僅工作量大、周期長，而且偶然因素多，很難找到造成袖子差異化效果的理論依據。因此，文中通過觀察現實生活中不同體型人的袖子缺陷，從人體工學角度分析袖子的運動功能，以重力平衡的視角探究袖子幾何形態的結構力學原理，并用該原理進行袖子結構設計，使袖子更加貼合人體。

1 袖子的結構重力平衡

1.1 袖子的結構

以結構特征分類的袖子有中式袖、裝袖、插肩袖[4]；以幾何形態分類的袖子有長袖、花瓣袖、緊身袖，不論何類袖子都是圍繞手臂構建，并通過袖根與衣身相連。

袖子的結構如圖1所示。由圖1可知，袖根位置與臂根對應，位于肩頭到腋窩的截面，中式袖只有袖根位置，沒有實質的袖根結構；裝袖的袖根與衣身袖窿有縫合線，其輪廓線包括袖山弧線和袖底弧線，袖根結構完整，故文中以裝袖為例進行分析。

1.2 袖子的重力平衡

袖子在手臂上的受力分析如圖2所示。由圖2可知，當人體自然站立時，手臂重力平衡狀態是大臂稍向后偏轉，肘部在肱骨頭后側，小臂向前偏轉(前偏角因人而異)，重心線在肱骨頭和腕骨連線上，其重力平衡原理是手部力矩等于肘部力矩。

袖子是圍繞手臂的柔性體，無法獲得手臂一樣的平衡力矩，自然懸垂是其重力平衡狀態，袖根連在袖窿上(人體的承重區)，是袖子承重段；袖身位于手臂下垂部分，是懸垂段。袖子的重力通過材料傳導到承重段，當人體承載力和袖子材料強度能夠抵抗袖子重力，即G1=T2，G2=T5，袖子處于重力平衡狀態時，袖子平順、飽滿[5]，反之，袖子易打綹、堆褶。

1.3 袖子結構重力平衡機制

袖子結構重力平衡就是建立在重力平衡基礎上的結構平衡，表現為承重段均衡包覆在袖窿部位，懸垂段自然下垂。袖子要實現結構重力平衡，代表拉力作用方向的袖子中心線應該鉛垂向下，分別從正面和側面對其進行分析：

1)袖子正面的結構重力平衡與绱袖角有關。袖子正面形態如圖3所示。圖3中左側手臂下垂，袖子內側受到身體約束(擠壓)，袖子正面變癟；外側自然下垂，處于重力平衡狀態。

右側手臂舉到绱袖角(袖子中心線與鉛垂線的夾角)位置，袖身正面變寬，側面較癟，因為袖子內部有手臂支撐，且處于運動中，可以不考慮其重力平衡問題。

2)袖子側面的結構重力平衡取決于袖子的重心與袖窿的關系，如果袖子重心線和袖窿承載中心線重合，袖子會自然下垂；如果袖子重心線和袖窿承載中心線有夾角，袖子會扯綹。

小臂對應的袖段(俗稱小袖)前端超出袖窿水平投影范圍小，其局部重力可以忽略，不會引起袖子結構失衡，因此，小袖前偏角對袖子的結構重力平衡影響很小。

袖窿是袖子對應人體的承重區，袖子受到袖窿向上拉力，袖窿的承載中心線是大臂的重心線，大臂重心線與肩線(肩脊線)的夾角是臂肩角，因此袖子的結構重力平衡與臂肩角有關。

可見，袖子側面的結構重力平衡機制就是通過袖身重心線和袖窿承載中心線重合，實現承重段(袖山段)均衡承載和懸垂段自然平衡下垂，外在表現為袖子的中心線與鉛垂線的夾角等于臂肩角。

2 袖子結構設計的“2A”原理

袖子結構設計的“2A”原理就是以人體肱骨頭為轉動軸(Axes)，以臂肩角和绱袖角為偏轉角(Angle)構造衣袖，實現袖子結構重力平衡的設計原理，也稱“轉角”原理。

2.1 “2A”原理中肱骨頭的作用

肱骨頭是人體手臂向各個方向活動的旋轉軸，也是 “2A”原理設計袖子的核心結構點。人體大臂向各個方向的動作始終以肱骨頭為軸，袖子隨大臂運動，一側表現為向運動方向擠壓，另一側向反方向拉伸，因此肱骨頭也是袖子結構的轉動軸，由此可知：

1)緊身袖袖子中心線通過肱骨頭,轉動時與手臂同軸，腋下的袖底轉動半徑最小，偏轉的距離(弦長)最小，需要的袖根余量(拉伸量)最少，最便于活動。

2)任何結構體的轉動都需要自由度，手臂轉動的約束點在肱骨頭。因此裝袖的袖根(袖窿)在達到肱骨頭的截面位置極限時，袖根越向肩外側偏移越方便手臂活動。同理，便于手臂向各個方向轉動的袖窿應在垂直于肩線的鉛垂面上[6]，但為了減少袖子內側堆褶，使其造型更加美觀，袖窿截面則應由上至下向內偏斜。

3)當手臂以肱骨頭為軸，向前后方向轉動到自然下垂狀態時，大臂軸線與肩線之間會產生夾角，稱之為臂肩角。當手臂以肱骨頭為軸，向左右方向轉動到袖子平順狀態時，袖子中心線與鉛垂線之間會產生夾角，稱之為绱袖角。

2.2 “2A”原理中臂肩角的作用

臂肩角是袖子側面結構重力平衡的關鍵角。以肱骨頭為軸、臂肩角為偏轉角構造袖子，能夠適應人體前后方向的體型差異，使袖山(承重區)均衡承載，避免應力集中，袖身自然平衡下垂，達到結構重力平衡狀態。

在人體重力平衡調節機制的控制下，手臂的重力平衡狀態取決于腰背部形態，即臂肩角等于腰背傾角。實踐中，一般把人體腰背特征簡化為中正(腰背傾角0～5°)、內傾(挺胸體，腰背傾角>5°)和外傾(駝背體，腰向外拱，腰背傾角<0°)3種類型。

臂肩角與手臂重力平衡如圖4所示。腰背傾角相反的挺胸體和駝背體兩類人手臂重力平衡狀態亦相反，挺胸體的身體重心在手臂重心線前部，肩線在手臂重心線后部，肩線相當于以肱骨頭為軸向后偏轉角度E(即后轉臂肩角為E)。同理，駝背體肩線在前，前轉臂肩角為E＇。

2.3 “2A”原理中绱袖角的作用

绱袖角是袖子中心線與鉛垂線的夾角，在空間上相當于袖子繞肱骨頭向高處轉動的某個角度，用以適應手臂側舉形態。在袖子結構設計中，绱袖角用來確定袖山高，以確保袖子正面結構平衡。

當人的手臂從下垂到上舉轉動180°時可收放自如，且腋下不會堆褶。而袖子如果不使用高彈性面料，其绱袖角超過30°，袖子放下后內側就會堆褶。高彈力面料雖然接近皮膚的彈性，但只適合制作運動類服裝或內衣，因此，為保證袖子的功能性和美觀性(內側少堆褶)，設計時需要應用人體工學原理，根據服裝類型和穿著者需要的袖子活動范圍，確定绱袖角。

3 運用“2A”原理設計袖子結構

在運用“2A”原理設計袖子時，首先要確定袖子造型風格，然后用系統性思維構建立體模型，解決袖子結構重力平衡，最后有目的、有重點地做裝飾設計。

3.1 體型識別

體型識別是通過測量人體數據識別穿著者形體特征，并利用人體體型關鍵點和關鍵角數據，進行袖子結構重力平衡設計。如判斷腰背傾角屬于內傾還是外傾，以此調整臂肩角的角度以達到袖子結構的重力平衡。

另外，可從行為學角度分析人體體型，如通過腰背部形態判斷人體狀態，當腰背內傾>15°是緊張或表演姿態；腰背內傾5～15°是有活力的人，站姿挺拔；腰背內傾0～5°是平常人，站姿中正；腰背傾角<0°(腰背向外弓)是平常人的坐姿，或體弱老年人無力的站姿。以上4種體態透出不同的氣質，不可避免會影響著裝風格，因此，體型識別又是為了在服裝設計時可以根據穿著者身材、氣質選擇適合的袖型結構風格。

但體型識別不是找人的缺陷，有人把溜肩歸為體型缺陷并通過墊肩、聳肩造型向標準體型調整[7]，這種把服裝結構設計變成按模板塑造，不顧及穿著者個性特征的做法有待商榷。

3.2 服裝類型與袖子活動量

通過結構力學分析可知，袖窿結構設計會影響袖子重力平衡，當袖窿截面在肩凸點外[8]，就失去了人體直接支撐，只有使用厚硬材料，或加上墊肩挑起袖窿，才能承受住袖子重力；如果用輕薄面料，也沒有墊肩，袖窿和懸吊的袖子會呈塌落狀，通常這種袖子绱袖角接近90°，多用于運動休閑類服裝。

女性禮服和時裝可把袖窿截面設在肩凸點內側，接近袖窿極限位置，顯得肩形柔美，并采用小于30°的绱袖角，用鼓脹的袖子(羊腿袖、泡泡袖類)提供必要的活動余量。

教師和司機經常前伸手臂工作，從人體工學的角度設計袖子的绱袖角應該大于60°，袖窿截面在肩凸點外，并向前偏轉15°左右。

長時間操作電腦(或者服裝縫紉)人群，由于工作性質經常彎曲小臂工作，小袖前偏角要略大，以減少臂彎袖子堆積和肘部拉伸帶來的不適感。

3.3 袖子結構平衡

袖子造型有合體、膨大等多種式樣[9]，厚重的面料，一般用對稱式設計，輕薄面料可采用不對稱設計。對稱的袖子結構平衡，對袖山拉力均衡，袖子能實現結構重力平衡；不對稱的袖子結構不平衡，對袖山的拉力不均衡，袖山局部應力集中，容易扯綹，有的會引起肩線移位。

同理，對于在袖子上的堆疊、懸垂、褶皺設計，或外綴裝飾物設計，也要考慮袖子的重力平衡和結構穩定，以及袖山的承載狀態，避免設計意圖外的結構失衡，重力失控。

3.4 裝袖設計

裝袖設計的目標是把設計結構平衡的袖子按照手臂的重力平衡狀態縫合在袖窿上。按照“2A”原理，袖子結構重力平衡設計的關鍵是識別承重段，確保承重結構平衡，評估面料強度和結構穩定性，保證袖山合體度使其受力均勻，并根據人體臂肩角和設計的绱袖角確定袖子中心線與人體的關系。

腰背傾角5°的偏差與人體呼吸、坐、行中自然搖動幅度接近，不會造成袖子局部應力集中，因此，“中正”體型的臂肩角可以簡化為零，裝袖時袖山頂點對正肩點(或肩線及其延長線上的點)，這是常規肩袖結構形式。

腰背“內傾”和“外傾”體型，在裝袖時可以按照臂肩角調整袖山對應點，也可以按人體臂肩角減5°后調整，使袖子偏向中正體型，這兩種方式都能避免袖山及上臂段堆褶或打綹，保證袖子美觀度。

3.5 系統設計

袖子結構設計是系統工程，需要考慮和平衡很多因素，在用系統思維進行分項、分步設計之后，還要用系統性眼光對袖子制作過程進行審視，在確保袖子美觀協調，結構重力平衡的情況下，做到與服裝風格協調一致[10-11]。

3.6 袖子缺陷識別

袖子結構設計、制板、裁剪和加工環節都可能存在缺陷，因此，需要正確識別袖子缺陷及其誘因，并采取針對性措施消除缺陷，完善設計成果。其中常見的因制板錯誤導致的缺陷，具體如下：

1)臂肩角不正確，導致袖子歪斜，起綹；

2)绱袖角不正確，導致舉臂困難；

3)袖山曲線錯誤，導致袖山局部起綹；

4)袖山高度不夠，導致袖山頂塌陷，外側起吊或者打綹；

5)用胸圍推算袖窿，易導致給胸圍大但大臂細的人做的袖子過于肥大；

6)前袖窿曲率過大(向胸部挖的太深)，導致袖子與胸部銜接不自然，起空；

7)后袖窿曲率過大(向后背挖的太深)，導致袖子前伸困難；

8)高低肩的人，兩側袖窿對稱，但低肩一側用墊肩找平后，腋下易過緊；

9)小袖前偏角不正確，導致小臂彎曲困難。

4 結 語

采用結構力學方法分析袖子在人體上的結構重力平衡狀態，同時用人體工學方法分析袖子與手臂動作的關系，從而發現袖子結構重力平衡機理，找到與袖子結構對應的人體關鍵點和關鍵角，進而提出以人體關鍵點為轉動軸(Axes)，以關鍵角為偏轉角(Angle)的袖子結構設計“2A”原理。

利用 “2A”原理設計袖子結構時，需要獲取穿著者臂肩角和绱袖角的參數，因此不管何種體型或何種款式的袖子，相比利用經驗數據的設計方法，使用“2A”原理都更容易實現袖子設計效果，也更有利于高級定制服裝結構設計和制板。