基于重力平衡的定制褲子“2A”原理

高 光， 高 暢， 張佳昊

(涿州高紅服飾設(shè)計(jì)工作室，河北 涿州072750)

大量國(guó)內(nèi)外服裝設(shè)計(jì)制板書(shū)籍[1-2]從各自的角度闡述了褲子相關(guān)技術(shù)和理論，在此不作具體引用和分析。但對(duì)褲子與人體之間關(guān)系的理論研究還有疏漏，現(xiàn)有的褲子制板技術(shù)對(duì)人體工學(xué)重視程度不夠，非標(biāo)準(zhǔn)體形人士很難找到穿著既美觀又舒適的褲子，甚至定制褲子經(jīng)過(guò)多次試穿修改還是不方便坐行。文中從重力平衡的視角，剖析褲子和人體關(guān)系，研究定制褲子的關(guān)鍵技術(shù)，從而使褲子穿著更加合體、美觀。

1 褲子在人體上的重力平衡狀態(tài)

1.1 褲子“2A”原理

從人體工學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)人體股骨頭、髂嵴和腰臀斜面形態(tài)構(gòu)造進(jìn)行褲子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使褲子在穿著時(shí)可以自然懸垂。通過(guò)分析褲子在人體表面的受力情況，可知褲子在以髂嵴和腰臀斜面為承重面，以?xún)蓚€(gè)股骨頭為承重中心的重力平衡狀態(tài)下，褲子才可自然懸垂。髂嵴是股骨頭上方的突起部分，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以與股骨頭一并考慮。

褲子包裹的腰部、腹部、臀部、陰部和腿部區(qū)域構(gòu)造和表面形態(tài)比較復(fù)雜，男女之間有差異，同性個(gè)體也會(huì)有所不同，文中以女性為例進(jìn)行分析。女性中有人骨盆寬度大于前后徑，雙腿間隙大；有人骨盆渾圓，雙腿緊靠；有人骨盆前傾，腰凹臀翹；有人骨盆后傾，腰弓臀平；有人細(xì)腰平腹仙鶴腿；有人粗腰凸腹O型腿。

另外，由于女性骨盆和雙腿之間的特殊構(gòu)造，即使同一個(gè)人在不同年齡段也會(huì)出現(xiàn)不同狀態(tài)：從少女到老婦，腹部變大且松垮，臀部變平且低垂，上身重心前移，骨盆被迫后傾，這是一個(gè)基于人體重力平衡的系統(tǒng)化變化過(guò)程。在這個(gè)緩慢的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，腰臀之間的結(jié)構(gòu)特征變化會(huì)影響褲子的重力平衡狀態(tài)，因此需要特別注意[3-5]。腰臀面和鉛垂線的夾角，稱(chēng)為腰臀傾角(Angle)，當(dāng)腰臀傾角≥20°時(shí)，身姿挺拔，表現(xiàn)為活力態(tài)；腰臀傾角在10～20°時(shí)，身姿中正，表現(xiàn)為平常態(tài)；腰臀傾角<10°時(shí)，身姿頹頓，表現(xiàn)為無(wú)力態(tài)；有老年人腰臀后傾，傾角<0°。

由此可知，身姿形態(tài)的差異不是號(hào)型能完全解決的[6]。標(biāo)準(zhǔn)號(hào)型的褲子經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后確定檔差，從理論上說(shuō)，大多數(shù)人穿著不是特別合身；相反，有的立體制板定制的褲子雖然合體，但有時(shí)被差評(píng)，究其原因不是理論問(wèn)題，而是技術(shù)錯(cuò)誤。因此，解決定制褲子設(shè)計(jì)制板問(wèn)題的關(guān)鍵在于，必須在科學(xué)分類(lèi)的基礎(chǔ)上，把代表不同形體特征關(guān)鍵點(diǎn)的三維測(cè)量數(shù)據(jù)[7]，科學(xué)合理地落實(shí)到平展的布料上，這樣縫制好的褲子穿著才會(huì)美觀、舒適和挺拔。

這一技術(shù)操作過(guò)程的理論前提，就是以人體的兩個(gè)股骨頭為人體“兩心”和兩個(gè)褲腿為褲子“兩心”相結(jié)合決定褲腿造型，用人體腰臀傾角決定褲子重力平衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。因?yàn)椤皟尚摹笔寝D(zhuǎn)動(dòng)軸(Axes)，與腰臀傾角一起，簡(jiǎn)稱(chēng)為褲子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“轉(zhuǎn)角”原理或褲子“2A”原理。

1.2 下體的“兩心”

人體的兩個(gè)股骨頭對(duì)上支撐上半身的質(zhì)量，對(duì)下構(gòu)成人體平衡及腿部活動(dòng)的軸心，其在人體下半身骨骼結(jié)構(gòu)中起到核心作用，故稱(chēng)其為下體的“兩心”。當(dāng)人體骨盆定型后，股骨頭的位置就固定了，但身體豐滿或挺拔程度的變化，會(huì)引起股骨頭和體表空間位置關(guān)系的變化。因此，在褲子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮股骨頭的活動(dòng)性質(zhì)和活動(dòng)范圍，才能滿足褲子的功能性。

利用人體工學(xué)分析腿部動(dòng)作與褲子的形態(tài)關(guān)系，可使褲子設(shè)計(jì)更加舒適。人體跨步時(shí)股骨轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)褲子的影響如圖1所示。由圖1可知，人體側(cè)面直立時(shí)，呈重力平衡狀態(tài)，兩腿的重心線通過(guò)股骨頭，與腰臀傾斜面的夾角等于腰臀傾角。人跨步時(shí)，大腿以股骨頭為中心，前后移動(dòng)，方便人活動(dòng)的褲腿一定和大腿同軸，且褲腿側(cè)面的中心線通過(guò)股骨頭所在位置。

用多媒體展示3組資料： ①全球各國(guó)艾滋病人數(shù)比率排行資料；②關(guān)于近10年來(lái)中國(guó)國(guó)家衛(wèi)計(jì)委關(guān)于艾滋病的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(包括每年艾滋病的發(fā)病案例、發(fā)病率及死亡人數(shù))；③2017年最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2017年10月艾滋病發(fā)病4485例，死亡1350人)。根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)說(shuō)自己的看法以及如何看待防治艾滋病的緊迫性，自己能為這個(gè)社會(huì)做點(diǎn)什么？學(xué)生交流討論，教師總結(jié)并提醒學(xué)生日常與艾滋病人握手、擁抱、進(jìn)餐、蚊蟲(chóng)叮咬等不會(huì)感染艾滋病，艾滋病患者在社會(huì)上本來(lái)就屬于弱勢(shì)群體，在生活上應(yīng)該拿出自己最大的努力關(guān)愛(ài)艾滋病病人；強(qiáng)調(diào)HIV的傳播途徑，鼓勵(lì)學(xué)生向他人宣傳如何預(yù)防艾滋病，同時(shí)自身要注意健康的生活方式。

圖1 人體跨步時(shí)股骨轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)褲子的影響Fig.1 Effect of femur rotation on pants during stride

人體跨步時(shí)腿部的前后運(yùn)動(dòng)軸線如圖2所示。由圖2可知，人體正面跨步時(shí)，股骨向前抬起，膝蓋提高，褲腿的受力點(diǎn)在股骨前方，因此受力均衡的褲腿，其正面中心線一定要通過(guò)股骨頭位置。

圖2 人體跨步時(shí)腿部前后運(yùn)動(dòng)軸線Fig.2 Forward and backward movement axes of legs during stride

由此可知，理想的褲腿，其中心線要通過(guò)股骨頭；抬腿角度取決于褲子后襠可下落(伸展)長(zhǎng)度(L1=L2)；大腿以同樣角度移動(dòng)，褲子襠部越貼身，襠底的位移越小，越方便活動(dòng)[8]。

1.3 褲子的“兩心”

當(dāng)人體直立時(shí)，褲腿的幾何中心線如果豎直，說(shuō)明褲子處于重力平衡狀態(tài)，此時(shí)幾何中心線就是重心線，重心線與承重面的交點(diǎn)就是重心點(diǎn)，即褲子的“兩心”。

理想的褲子是其兩個(gè)重心點(diǎn)與下體“兩心”重合，如果不重合，褲子上會(huì)出現(xiàn)堆褶、打綹、起吊、歪斜、行動(dòng)受限等問(wèn)題。

1.4 褲子的重力平衡表現(xiàn)

以上分析褲腿中心線，是幾何意義的，并不嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)槠つw是有機(jī)體，受重力影響的變形很小，而褲子只是附著物，褲腰太松褲子會(huì)掉，原因是再輕的褲子也有質(zhì)量，且受到地心引力的影響，重力豎直向下。一般褲子的重力平衡需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：一是褲子各部位的圍度要有合適的放松量；二是褲子表面每個(gè)點(diǎn)受到的垂直拉力應(yīng)大于水平拉力，最好沒(méi)有水平拉力。

當(dāng)人體直立時(shí)，褲子臀圍線以上部分附著在人體上既不緊繃，也不落下，臀圍線以下部分自然懸垂，襠部和褲腿都不擰巴，不起綹，表明其處于重力平衡狀態(tài)，這樣的褲子穿著舒適，看著美觀、挺拔。

1.5 褲子表面的應(yīng)力分析

圖3 臀圍線上下褲子受力分析Fig.3 Stress analysis of pants on upper and lower hip circumference line

當(dāng)褲子處于自然懸垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，褲子臀圍線以下任意點(diǎn)面料沒(méi)有向上的支撐力，只受向上的拉力和水平張力影響時(shí)，處于重力平衡狀態(tài)；跨步時(shí)大腿和膝蓋對(duì)褲腿施加垂直于褲腿幾何中心線的支撐力，褲子雖然處于受力平衡狀態(tài)，但打破了褲腿原有的重力平衡，形態(tài)不美觀、不自然；粗腿的大腿前側(cè)方、X型腿和O型腿的膝蓋位置在正常狀態(tài)下也可能對(duì)細(xì)腿的褲子施加垂直于褲腿中心線的支撐力，造成褲子重力不平衡。因此，褲腿的最佳平衡狀態(tài)是自然懸垂?fàn)顟B(tài)，褲腿不受垂直于中心線方向的作用力(人直立時(shí)，這是水平作用力)。考慮到服裝材料力學(xué)性能，當(dāng)面料的纖維破斷力大于其受到的支撐力時(shí)，褲子穩(wěn)定；如果面料的纖維破斷力小于其受到的支撐力(例如褲腿受到大的拉力)，褲子破裂下落。

2 人體與褲子的重力平衡機(jī)理

2.1 人體的重力平衡機(jī)理

方方等[9]選取18～25歲學(xué)生樣本進(jìn)行腰臀部體形分類(lèi)實(shí)驗(yàn)，但由于樣本年齡跨度小，職業(yè)分布不夠廣泛，對(duì)體形分類(lèi)也不夠全面。因此，筆者根據(jù)長(zhǎng)期定制實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重新將女性人體體形分為9種類(lèi)型，并對(duì)不同形體女人穿著直筒褲的重力平衡機(jī)理進(jìn)行分析，具體如圖4所示。在樣本中有部分老婦和孕婦的腰圍大于臀圍，但這個(gè)例外不影響整體分析。

圖4 不同形體及直筒褲的重力平衡機(jī)理Fig.4 Gravity balance mechanism of different body shapes and straight-leg pants

由圖4可知，不同形體臀部以上體表形態(tài)各異。腿部重心線始于股骨頭，一般是豎直向下通過(guò)膝關(guān)節(jié)，指向腳踝；而第3種和第8種人體體形，直立時(shí)也是屈膝狀態(tài)，腿部重心線在膝關(guān)節(jié)后方，指向腳面。當(dāng)人體直立時(shí)，上身重心線與腿部重心線在一個(gè)平面上，如骨盆前傾的，為避免上身重心前移，胸部必須后倒，才能保持重力平衡，故腿部重心線及其延長(zhǎng)線與腰臀斜面夾角(等于腰臀傾角)決定了人體側(cè)面形態(tài)，從而影響了人體平衡狀態(tài)。

2.2 褲子的重力平衡機(jī)理

合體的褲子既要符合人體表面形態(tài)，也要順應(yīng)人體和褲子的重力平衡狀態(tài)，其中后直襠傾角決定了褲子的重力平衡。圖4中，多數(shù)人骨盆前傾，主要由髂嵴和腰臀斜面承擔(dān)褲子質(zhì)量(第3種和第8種人體體形非骨盆前傾，只由髂嵴承重，但褲子的平衡原理相同)。當(dāng)褲子在臀圍線以上適合體表形態(tài)時(shí)，后直襠傾角等于腰臀傾角，褲子處于重力平衡狀態(tài)。

因?yàn)檠涡泵娴拇嬖冢?dāng)褲腰水平時(shí)，前腰受到腰帶的水平約束力和腹部摩擦力向上的分力影響，再加上人體動(dòng)作和呼吸，導(dǎo)致人體腹部形態(tài)不穩(wěn)定，而當(dāng)摩擦力小于等于重力時(shí)，褲子在腿部運(yùn)動(dòng)牽扯，甚至自然狀態(tài)下，前腰會(huì)往下掉，當(dāng)?shù)舻酱怪庇谘涡泵鏁r(shí)，受到后腰向上的拉力和兩側(cè)髂嵴的支撐力，才能達(dá)到重力平衡狀態(tài)。可見(jiàn)當(dāng)褲子處于重力平衡狀態(tài)時(shí)，前后直襠形成高度差，褲腰并不水平，其與水平面夾角等于腰臀傾角。不同形體的人宜采用的褲腰傾角見(jiàn)圖4中綠色線。例如，一個(gè)大肚腩的人，穿著通用制板技術(shù)做出來(lái)的褲子，都是前腰往下掉，前襠部堆褶，褲腿向后使勁壓腳面，跨步時(shí)有壓腿感，問(wèn)題就在于前后直襠傾角不合身和褲腰接近水平，引起褲子重力失衡。

由此可知，有些量身定制的褲子，各結(jié)構(gòu)量體都合適，但穿著卻不合身，行動(dòng)不舒服的原因，就是褲子“轉(zhuǎn)角”與身體的“轉(zhuǎn)角”不符，褲子在空間上與身體有沖突，受到不當(dāng)約束(或失控)，造成褲子失衡。

3 褲子“2A”原理的應(yīng)用

3.1 用“2A”原理設(shè)計(jì)定制褲子

“2A”原理的核心是重力平衡，因此在應(yīng)用“2A”原理設(shè)計(jì)褲子時(shí)，要先確定褲子的造型風(fēng)格，然后用系統(tǒng)性思維，構(gòu)建立體模型，解決褲子的重力平衡問(wèn)題，最后有目的、有重點(diǎn)地做韻律設(shè)計(jì)。

褲子在臀圍線以上部分的設(shè)計(jì)，首先要滿足包覆身體并承擔(dān)褲腿質(zhì)量的功能，有足夠堅(jiān)牢度、覆蓋度、合體度，通常不要裝飾，避免把外界目光引向自己小腹而尷尬；其次是按照測(cè)得的腰臀傾角，做好褲子的重力平衡。

褲子在臀圍線以下部分只有遮蔽功能，其造型和裝飾設(shè)計(jì)，要有利于修飾人體腿型和身材比例。裝飾的重點(diǎn)應(yīng)該是遠(yuǎn)端，即褲口附近，一是為了避免把目光引向襠部；二是褲口動(dòng)作幅度最大，更能動(dòng)態(tài)展示服裝韻味和律動(dòng)。

褲腿部分的設(shè)計(jì)，必須滿足褲腿的重力平衡狀態(tài)，才能使褲子更加合體。一般褲腿有懸垂、約束、失控3種重力平衡狀態(tài)。

1)懸垂。此時(shí)褲腿自上而下是一個(gè)直筒，在臀圍線(承重面)的水平投影內(nèi)。褲腿表面只有豎直方向拉力，沒(méi)有水平方向拉力，呈懸垂?fàn)顟B(tài)。

2)約束。一種約束形式是褲腿呈上大下小的錐形，褲腿在臀圍線(承重面)的水平投影內(nèi)。褲腿表面有豎直方向拉力，也有水平方向拉力，褲腿呈懸垂態(tài)，但水平運(yùn)動(dòng)生硬。還有一些約束是特殊腿型造成的，如X型腿，如果兩膝蓋內(nèi)拐呈貼近狀態(tài)，就在褲腿內(nèi)側(cè)形成約束點(diǎn)，阻礙褲腿自然下垂；O型腿，兩膝蓋外翻，如果超出臀圍線水平投影范圍，膝蓋處就形成約束點(diǎn)，阻礙褲腿自然下垂。X型腿和O型腿人穿褲子時(shí)的重力平衡狀態(tài)如圖5所示。

圖5 兩種腿型的人穿褲子時(shí)重力平衡狀態(tài)Fig.5 Gravity balance state of three kinds of leg type

3)失控。褲腿上小下大，或下邊有一段喇叭形，圍度開(kāi)始變大后，褲腿局部超出承重段的水平投影范圍，缺少向上拉力，只有水平方向的拉力，處于豎向失控狀態(tài)，但失控不是失衡。

通過(guò)分析褲子的表面應(yīng)力，理解不同形體上褲子的重力平衡機(jī)理，即使給特殊體形的人設(shè)計(jì)制作褲子也容易達(dá)到預(yù)想的效果[10]。例如設(shè)計(jì)一款燈籠褲，首先，設(shè)計(jì)師腦海中要有穿著人的形象，并想像穿著人的體形；其次，要設(shè)定穿著效果，明確懸垂度、飄逸度、堆疊度、扭曲度；最后，應(yīng)用“2A”原理，確定造型參數(shù)，選擇材料及數(shù)量，確定加工工藝，由此完成燈籠褲的基礎(chǔ)型設(shè)計(jì)。如果要制作一系列燈籠褲，或者是高級(jí)定制作品，還需要在基礎(chǔ)型上進(jìn)行韻律設(shè)計(jì)。

3.2 用“2A”原理解決褲子制板問(wèn)題

褲子的制作需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制板、裁剪和加工等過(guò)程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都會(huì)造成褲子的質(zhì)量問(wèn)題。相對(duì)而言，制板環(huán)節(jié)技術(shù)要求高，出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性最大。例如，給大肚腩的人所穿著的褲子制板，容易出現(xiàn)褲子前直襠過(guò)長(zhǎng)，穿著時(shí)前腰下滑，前襠部堆褶；褲子前直襠角度不對(duì)，易造成外側(cè)縫彎曲，扯出指向腹部的綹；后直襠短，傾角過(guò)小，造成褲腿向后，堆壓腳面，跨步時(shí)壓腿；后直襠過(guò)長(zhǎng)，引起臀下褲腿堆橫褶；后直襠傾角過(guò)大，引起臀上起空、堆橫褶；襠部曲線不對(duì)，“兩心”不合，襠縫附近出現(xiàn)順向褶或放射狀的綹；“轉(zhuǎn)角”不對(duì)，褲腿中心線不豎直，容易出現(xiàn)外側(cè)起吊等歪斜現(xiàn)象；“轉(zhuǎn)角”不對(duì)，喇叭褲下部起豎向的綹。

以上問(wèn)題是現(xiàn)有制板方法無(wú)法避免的，其原因就是褲子與人體“兩心”不合或“轉(zhuǎn)角”不對(duì)，造成褲子重力不平衡。應(yīng)用“2A”原理，針對(duì)“兩心”不合的情況，可以通過(guò)采集著裝人股骨頭等關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，用以確定褲腿的中心線；而解決“轉(zhuǎn)角”不對(duì)的問(wèn)題，可以通過(guò)采集著裝人腰臀傾角數(shù)據(jù)，用以確定褲子后直襠傾角；最后用“2A”原理把關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵角數(shù)據(jù)科學(xué)地落實(shí)在褲子制作上，使褲子達(dá)到重力平衡狀態(tài)，就可避免以上問(wèn)題的產(chǎn)生。利用“2A”原理制作的褲子更容易實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，而且給任何體形的人的褲子制板，都不需要多次修改。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)物理學(xué)方法分析褲子在人體的受力狀態(tài)，再利用人體工學(xué)方法剖析人體跨步時(shí)褲子的最佳幾何形態(tài)，從而找到褲子和人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，總結(jié)出重力平衡下褲子的“2A”原理，并依據(jù)此原理進(jìn)行褲子制板，使高級(jí)定制的褲子更加美觀、舒適、合體。