我国建筑外露钢结构的应用和技术规范制订探讨
时间：2023-02-16 08:20:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
鲍丰 崔莎莎
1970年代，高科技建筑运动在英国和欧洲部分地区兴起，主张将高科技工业和技术元素融合到建筑中，同时期许多建筑采用了精心设计的像外骨骼一样显露的组装式钢结构系统[1]。在20世纪80年代中后期美国芝加哥奥黑尔国际机场（O" Hare International Airport）航站楼建造时，建筑师对外露钢结构系统进一步按照建筑美学原则进行了工艺化处理，效果较佳，钢结构首次可以展示细节，像建筑细部一样品评观赏。这样的钢结构在欧美国家称为AESS（Architecturally Exposed Structural Steel），即建筑外露钢结构，兼具建筑和结构的双重属性，在室内外装饰工程完成后，仍然显露于公共空间中。建筑外露钢结构具有金属的质感，同时展现出制造的工艺和力学之美，给以玻璃、薄膜和钢材为主要材料构建的“透明性”建筑空间提供了完美的结构解决方案。建筑外露钢结构是高质量的钢结构产品，近年来我国新建的交通枢纽、体育场馆等大型综合性公共建筑已有初步的应用。
1.1 我国建筑外露钢结构的应用现状
建筑外露钢结构是建筑师主动改进和显示钢结构系统的结果，因此应在建筑设计文件中进行专项设计，清楚地说明应用目的、范围、做法和技术要求。这样的工程在国内非常少，基本带有外资或港资背景，项目建筑师和现场工程师管理团队熟悉AESS的理念，也具有一定的工程经验，如上海迪士尼乐园项目，其明日世界主题区中包括308CANOPY在内的3个钢结构子分部按设计要求确定为AESS，参照美国的AESS相关规范进行制造、安装和验收。
目前我国还没有建筑外露钢结构的专业技术规范，甚至行业内对这一术语也没有统一的定义，但国内许多建筑中公共区域的钢结构已经处于建筑外露钢结构的应用场景中，带有建筑外露钢结构的基本特征。这样的情况可分为两种，一是钢结构显露在室内（透明空间），如上海浦东国际机场航站楼（如图1所示），结构张弦钢梁从明亮的采光天窗和屋顶装饰中凸显出来；
二是钢结构显露在室外，如丽水市体育中心体育馆（如图2所示），结构钢网格直接暴露在建筑外表面。
图1 浦东国际机场航站楼
图2 丽水市体育中心体育馆
上面举例的两个项目都获得了“中国钢结构金奖”，质量已是优中选优，但这仅是相对标准钢结构而言，与典型的欧美AESS相比，在公共区域显露出来的钢结构表观质量一般，建筑艺术表现力尚有一定差距，国内其他类似项目的钢结构情况也基本如此。近年来，国内的钢结构公司承接了很多全面执行AESS规范的海外钢结构工程，有的做构件加工，也有的包含现场安装，这些钢结构企业已经积累了丰富的经验，对于前述和其他类似项目中公共区域显露的钢结构，完全能够按照建筑外露钢结构的技术标准高质量地完成施工。因此，尽快制订我国建筑外露钢结构技术规范，用以指导建筑外露钢结构应用，是必要的、可行的。
1.2 国外AESS规范内容简介
国外AESS以美国规范为代表，美国ANSI/AISC 303-16《钢建筑和桥梁标准应用规范》[2]中前面各章对标准钢结构的应用进行规定，最后一章为AESS（以下简称美标AESS），重点内容包括：（1）按照钢结构外观处理的精细程度和观看距离分为AESS1～AESS4和AESSC共5类，其中AESSC用以约定用户的特殊需求；
（2）重视工厂的制造经验和工艺技术，构件的焊缝表观质量和单元外形尺寸的允许偏差比标准钢结构更严格；
（3）强调建筑师、业主和制造厂家之间对于钢结构表观质量水平认识的协调，建议预先制造实体节点/连接样品作为质量评定参照物；
（4）根据工程预算来确定AESS的应用类别、具体的做法和细节等。
美标AESS着重于构件单元的制造和节点连接的表面处理，但对钢结构安装技术和安装后的整体效果重视不足，如长弯结构件主轴线的流畅性、拼接接头过渡的圆顺性等。另外，新钢结构类型如网格结构、索承结构等已大量应用于大跨度建筑空间中，这些新时代的工业成就可以结合建筑外露钢结构在适合的场景中有所表现，美标AESS对此没有涉及。
1.3 我国推行建筑外露钢结构的比较优势
相较欧美，我国当今推行建筑外露钢结构有着明显的优势：（1）钢铁产能高，新型管型材（圆管、方管）质量稳定、规格齐全，市场供货充足；
（2）建筑焊工人数多，技术精湛，人工成本低；
（3）生产设备先进，制造经验丰富，专业弯管、铸钢件制造等细分市场完善；
（4）新技术研发强劲，BIM+、仿真预拼装等数字技术加速推广应用。
我国制订建筑外露钢结构技术规范应基于当前国情与美标AESS相协调，宜在外观质量水平上保持基本相当，在智能制造和BIM+、仿真预拼装等数字新科技应用上适度领先。
限于篇幅，本文主要对建筑外露钢结构的概念和直接影响实体质量的核心内容进行探讨。
2.1 术语
建筑外露钢结构是指既满足建筑的结构支撑作用又同时表达建筑艺术语言的外露的钢结构，简称建筑钢结构。
2.2 分级
人眼在日光环境中能够清晰分辨出两个光点的极限分辨角为1"（角度），即在距离6m处能够看清大约尺寸为1.74mm的物体细节。通常情况下，考虑到观察的背景条件，大多数人只能看清4m左右以外的物体细节，所以并非所有的建筑外露钢结构都要做得一样精细。进行分级时考虑的主要因素包括：连接采用焊接或栓接、制造和安装要求的间隙限制、型钢的类型和尺寸、室内或室外环境、防火和防腐要求等。建议分为4级（与美标AESS基本对应）：
A1：基本处理，需采取加强的制造工艺措施；
A2：特性处理，距离观看者﹥6m，可以看到金属制造的工艺表现；
对焊缝、连接和制造细节采取加强处理，谨慎控制构件组装间隙宽度；
A3：特性处理，距离观看者≤6m，清楚显示金属制造的工艺水平；
能看到连接的表面细节，焊缝应打磨平滑，构件组装间隙更加紧凑，间隙宽度统一，表面涂层外观一致；
A4：展品处理，对于钢结构的表面和边缘进行超出拼装连接的特别处理，感觉焊缝本身是其中的一部分，从外观看起来像一个整体；
外形尺寸偏差限制更加严格，所有的表面非常平滑。
A1～A4级进行外观处理的内容（项目）应在具体的规范条文中详细列出，其中部分主要控制参数见本文第2.4节。
2.3 设计
2.3.1 建筑设计
建筑外露钢结构制造、安装费工耗时，成本较高，建筑师和业主应充分协商，根据场景的需要仔细选定等级，考虑的主要因素包括：建筑物的用途、观看距离、涂装方式、环境亮度、艺术风格和预算等，不同的建筑部位可以采用不同的等级（如图3所示）。建筑师还要深入地参与结构细节的设计，比如节点的形状、连接的方式（螺栓连接或焊接）等。管型材（方管、圆管）外形充实，相互之间可以直接相贯焊接，节点构造简洁，连接过渡自然，并且我国的管型材产品规格齐全，市场供应充足，所以在较低位置时宜优先考虑采用；
相对地，H型钢断面开放，易受腐蚀，虽然螺栓连接的节点安装方便、成本低廉，但用作建筑外露钢结构显得有些低端。处于室外的钢结构如开敞中庭、檐廊、车站雨棚等，通常情况下涂装应以防腐为主、防火次之，建议建筑师依据防火规范仔细把握耐火极限时间，采用薄型/超薄型防火涂料，以便能够显示出连接的制造工艺。结构细节设计成就建筑之美[3]（如图4所示）。
图3 建筑外露钢结构的分级采用
图4 结构细节之美
2.3.2 详图设计
应创立建筑信息模型（BIM），在钢结构整体的3D模型中优化结构构件的分段和节点设计。通常采取的优化方法包括：（1）焊缝位置优化：在满足结构强度的前提下，将直接外露的焊缝改变至隐蔽位置或朝向非外露面；
尽量不在构件上焊接吊耳，如果安装方案要求必须做，可将吊耳焊接在非外露面，对于开口圆管则可以焊接在管口内部；
（2）焊缝型式优化：如将搭接角焊缝改变为对接焊缝，将管型构件端部的封口板角焊缝改为剖口焊缝，打磨后看起来更加自然、顺畅；
（3）焊缝尺寸优化：根据连接强度需要尽量减小焊缝尺寸；
（4）节点形式优化：如将管桁架K型相贯节点的插板取消，改为在主管内增设加劲肋，节点外形简洁美观；
（5）拼接分段位置优化：在钢结构BIM的3D整体模型中调整各构件分段的长度，将分段拼接点设置在不易引起注意的位置。
精细施工管理条件下，在详图和安装图中标明用以显露的表面能够尽可能减少建筑外露钢结构制造的工作量。
2.4 实体制造
2.4.1 原材料
原材料的品种、规格、性能应符合现行国家标准的规定并满足设计要求。不建议设置更严格的原材料外形尺寸偏差，会不必要地推高采购成本。原材料的外形尺寸如型材主轴的平直度、管口椭圆度、钢板平整度等有偏差的，必要时可在下料前进行矫正。钢管型材应优先采用无缝钢管；
处于外露环境对耐腐蚀有特殊要求或处于侵蚀性环境中的承重结构宜采用耐候钢。防腐涂装材料按照设计要求选用，根据建筑物的重要性、环境腐蚀条件、施工和维修条件等合理确定防腐蚀年限，涂装材料应环保节能。
2.4.2 加工制作
切割钢板时应采用等离子切割机，用于相贯连接的钢管杆件应用三维数控车床或数控相贯线切割机下料，构件的端面铣平应用端铣床加工。
建筑外露钢结构外观质量的允许偏差严于标准钢结构，但应适当。以下表中建筑外露钢结构的允许偏差数值部分参考了美标AESS和团体标准《建筑外露弯曲钢管构件》（T/ZZB 2342-2021）[4]，并与国标《钢结构工程施工质量验收标准》（GB50205-2020）[5]相对比，可以看出建筑外露钢结构较高的质量水平。
（1）焊接的外观质量
打磨是提高焊缝表观形象最有效的修饰手段。角焊缝和对接与角接的组合焊缝宜采用船形焊接工艺施焊，表面打磨光滑；
所有的背衬板、引弧板等应去除并将焊缝打磨光滑；
安装吊耳、临时支架的焊缝和构件表面的铅印标记等应打磨光滑。打磨现场要求光线充足，阴角等无法打磨位置可以采用内磨头局部销弧；
对于不影响强度的材料表面缺陷，允许使用原子漆进行适当的补填修饰。连续的焊缝外形尺寸应保持一致，对接焊缝的外形尺寸允许偏差如表1所示，其中A1、A2级对接焊缝余高不超过2.0mm，A3、A4级对接焊缝应保持平滑、圆弧过渡，指摸无凸起。
表1 焊缝的外形尺寸允许偏差
（2）铸钢件的外观质量
近年来新型结构中使用铸钢件的情况明显增多，如索承结构的索头、树状柱支撑的分杈点、管桁结构的双K型节点等。铸钢件的表面比较粗糙，当铸钢件用作A2～A4级建筑外露钢结构时，应将表面打磨光滑。
（3）预拼装单元的外观质量
构件组装间隙应符合设计和工艺文件要求，由于制造工序多、制造过程中影响因素多，组装允许偏差应根据成品基本尺寸允许偏差并结合其结构特点、制造工艺等而定[6]。当设计和工艺文件无规定时，组装间隙不应大于2.0mm。直线型柱构件应笔直、挺拔，曲线型构件整体上线形流畅，分段的拼接连接过渡自然、通顺，无明显折角。A2～A4级预拼装单元的允许偏差如表2所示：
表2 预拼装单元的允许偏差
宜采用工业级激光扫描仪生成构件单元的3D实体模型，进行计算机仿真模拟预拼装，必要时在出厂前进行整改，消除拼接接头折角、错边等；
A3、A4级构件对接连接处截面的形状、尺寸应相互匹配。
（4）涂装的外观质量
厚型防火涂料表面可批腻子修饰，表面应平整、顺直，阴阳角方正。A3、A4级构件饰面涂料应涂刷均匀，颜色一致，材料质感符合设计要求。
2.5 运输、现场安装与成品保护
出厂运输时每根构件都要单独包装，相互间留有缝隙，以免碰撞，并用方木等固定。吊装应采用软性吊带，捆绑构件的转角处设置弧形垫板；
临时存放的场地应平整，构件用方木垫起。现场安装应严格控制施工误差，并将实际误差在整体BIM模型上标定；
可利用构件出厂时已扫描的3D实体模型，根据现场实际安装误差再进行计算机仿真模拟拼装，及时整改和调整。构件安装后，后续施工的其他工种均应采取相应的措施，加强对钢结构的成品保护。
2.6 工程资料
设计文件或施工合同中指定的建筑外露钢结构构件，在钢结构设计详图（包括安装图）和现场安装资料应有明确标示和记录。
3.1 完善评优办法以全面评价建筑外露钢结构的质量水平
目前我国建筑工程行业施行的各级优质工程评选办法，均将钢结构统一归入主体结构分部中，按结构子分部进行验收并参加优质结构的评定。对于建筑外露钢结构，如仅仅看重结构安全，就会忽视建筑属性的特殊价值。建议优质工程评选办法增加建筑外露钢结构的相应考评，比如在“中国钢结构金奖”评选办法的“工程施工难度”项目中设置评分点，以全面评价建筑外露钢结构的整体质量，鼓励和引领我国钢结构制造向高端发展。
3.2 工程造价控制
优质优价的原则决定了建筑外露钢结构的工程造价必然较高，即使在我国人工费偏低的情况下，A3、A4级的制造成本也可能达到标准钢结构的1.3～ 1.8倍以上。为此，建筑师和业主要慎重地评估和协调建筑外露钢结构的应用，采取降低造价的措施，如使用非膨胀型（厚型）防火涂料的构件可以不做精细的表面处理，或指定构件的非外露表面以尽可能减少精细处理的工作量等。
观感质量的评价具有一定的主观性，在构件正式生产之前，制作一个包含各种节点/连接类型并经建筑师和业主方认可的实体样品，不仅是“样板引路”的质量保证措施，也是后期完工验收的参照依据。预先在施工合同中约定验收标准和计价、结算方式，可以避免纠纷。
3.3 国标验收规范条文的协调问题
国标《钢结构工程施工质量验收标准》（GB50205-2020）第13.2.9：涂装完成后，构件的标志、标记和编号应清晰完整。对于建筑外露钢结构来说，这些遗留的标记会损害构件表观的一致性，建议允许在构件进场验收后，将这些工厂标记打磨清除，同时在工程资料中详细记录。
建筑外露钢结构具有较强的建筑艺术表现力，适当应用于交通枢纽、体育场馆、城市综合体等公共建筑中，能够较好地提升建筑品质。通过推行建筑外露钢结构，可提升我国高端钢结构的制造水平，增强建筑企业走出去服务“一带一路”国家发展战略的能力，打开更为广阔的海外市场。本文探讨了我国制订建筑外露钢结构技术规范的必要性和规范核心内容，对制造工艺和外观质量的允许偏差数值提出具体规定，为尽快制订技术规范提供了有价值的参考。
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