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    精制鋼型材幕墻系統設計與生產

    來源:2022年會論文集  作者:羅永增  日期:2022-10-24
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      隨著城市的發展,建筑越來越向高處發展,鋼材也扮演了越來越重要的角色,從混凝土中的鋼筋,到主體鋼結構。作為“工業之母”的鋼材,因為其杰出的結構性能和易加工性,是現代建筑最不可取代的材料之一。

      本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

      關鍵詞:冷彎型鋼,精制鋼,鋼結構幕墻

      1. 前言

      隨著城市的發展,建筑越來越向高處發展,鋼材也扮演了越來越重要的角色,從混凝土(詞條“混凝土”由行業大百科提供)中的鋼筋,到主體鋼結構。作為“工業之母”的鋼材,因為其杰出的結構性能和易加工性,是現代建筑最不可取代的材料之一。

      作為建筑的外維護結構的幕墻,鋁型材因為其幾乎可以擠壓成任意希望的形狀,以及重量輕,防腐性能好,易于切割加工等優異的性能,成了建筑幕墻(詞條“建筑幕墻”由行業大百科提供)最重要的框架結構材料。鋼材基本上是屬于輔助的角色,用在埋件,連接碼件,以及不可視部位的結構構件,或者是結構上沒法做到的部位,比如說雨篷,采光頂的結構部位。

      這些年來,由于建筑表現的要求,以及建筑功能性的要求,越來越多的建筑師希望展示鋼材的陽剛性,將作為結構的鋼材外露,這也推動了鋼型材越來越來越往“精致”方向發展。鋼材的加工精度得到了極大的提升,很多鋼材的外觀效果已經不亞于鋁型材,“精制鋼”被越來越多的項目所采用。

      2. 鋼幕墻系統的需求

      鋼幕墻是根據建筑設計的要求或者結構及功能需求來決定是否使用的,雖然它不能完全取代率結構,但它在某些方面的性能,遠超鋁結構,可以在鋁結構不能滿足的方面做到很好的補。分析下來,主要上有以下幾個原因:

      a. 結構的需求

      普通的幕墻結構是采用鋁型材作為支撐骨架的,但是在層高較高,或者跨層沒有主體結構的位置,比如說首層大堂,或者一些場館等對空間要求比較高的建筑上,鋁作為幕墻的支撐結構就可能無法滿足結構的要求。在這些部位,主要控制的一般不是強度,而是結構的撓度,而鋼的彈性模量達到206000 Mpa,是鋁的三倍(鋁的彈性模量是70000 Mpa),可以很好的降低結構變形程度。這樣可以讓立柱(詞條“立柱”由行業大百科提供)橫梁框架構件更加纖細,達到更好的建筑效果。

      b. 防火(詞條“防火”由行業大百科提供)的要求

      在建筑設計上,由于一些建筑間距,防火空間的需求,經常要求某些部位的幕墻需要采用防火幕墻,來達到防火隔斷的要求。在這些部位,鋁型材的幕墻就達不到建筑防火時效要求,因為鋁的熔點僅為660℃,燃燒到一定程度就結構失效了。而鋼的熔點達到1500℃,遠遠超過鋁的熔點;诹己玫姆阑鹦阅,基本上所有具有防火要求的幕墻,基本采用鋼框架加防火玻璃及具備防火性能的輔助材料構成。

      c. 建筑外觀的要求

      鋼作為建筑中最重要的材料之一,作為主要的受力構件,越來越多的建筑師希望能直接展示鋼材的“陽剛之美”。將鋼材直接外露,對鋼材的加工精度表面處理有了更多的要求,這也直接促進了鋼材的加工廠家開始學習國外的先進經驗,對加工工藝、精度和表面處理的提高,達到了更高的標準。

      d. 環境的要求

      鋁在電解過程中,不僅需要消耗大量的能源,而且還會產生大量的廢棄物,這些廢棄物如果處理不好,對環境會造成極大的影響。而鋼的冶煉過程產生的主要為鐵礦渣,有害物質極少。同樣在鋁的擠壓成型所消耗的電量也遠遠大于精密鋼型材制作所消耗的能量。所以,在國家“碳達峰,碳中和”的政策引領下,鋼幕墻的運用趨勢也會進一步擴大。

      除了以上一些原因,鋼結構幕墻相對與鋁還有兩方面的優勢:一方面是鋼的線膨脹系數(詞條“線膨脹系數”由行業大百科提供)僅為1.2*10-5l/℃,幾乎只是鋁的一半,這樣就能降低溫度變形對幕墻系統的影響,可以做的更長,減少接縫;另外一方面是鋼的傳熱系數比鋁低很多,鋁的傳熱系數是200W/(mk),而鋼的傳熱系數僅為50W/(mk),鋼幕墻可以比鋁幕墻有更好熱工表現。

      3. 早期鋁包鋼(詞條“鋁包鋼”由行業大百科提供)幕墻系統及缺陷

      在之前的大部分項目上,鋼材由于加工精度和成本的原因,幾乎都是用在不可視的區域,在石材,鋁板幕墻上,幾乎是采用鋼作為主要的結構支撐構件。而在玻璃幕墻部分,幾乎都是在外面包鋁型材或者鋁板,這種做法,存在以下缺陷:

      a. 成本浪費

      鋼鋁結合的做法,一般使以鋼作為主要受力結構,外包的鋁型材或鋁板作為裝飾材料,這樣等于在鋼材的基礎上,還要加上鋁的成本。這會造成成本的極大增加。

      b. 造型笨重

      由于安裝的空間需要,包的鋁的構件寬度比鋼結構的寬度至少要增加50mm左右,這樣就會顯的立柱和橫梁的框架比較粗重,而在大部分大跨度部位采用鋼框架結構的目的都是為了讓幕墻框架顯得更加纖細。這種笨重的造型在一定程度上降低了感官效果。

      c. 結合度差

      由于鋼和鋁的加工精度不一樣,常規做法上鋼的精度比鋁差很多,而且鋼材和鋁型材在加工過程中自身幾乎都會存在彎曲等現象。由于彎曲不是一致的,在組裝上必須留有足夠的空間去吸收這種差異。而這些空間也會影響到他們之間的傳力效果。雖然設計上會考慮通過設置墊片來使二者結合緊密,但在實際施工過程中確很難真正做到,這也導致了二者的結合度很難達到設計期望的效果。

      d. 電位差

      鋼和鋁之間存在電位差,如果表面未作特殊處理直接接觸的話,會導致電化學腐蝕現象。

      4. 國內精制鋼幕墻的發展

      國內精制鋼幕墻發展基本上可以分為以下幾個階段

      a. 進口鋼幕墻系統主導階段

      精密成型鋼材技術在國外發展的比較早,比較出名的有德國的WEISER和瑞士的JANSEN等,這兩家都有百年以上的歷史,早期產品主要是用在汽車方面,后來才逐步運用到門窗和幕墻。真正作為精密鋼幕墻產品引進中國的時間大約是2010年左右,但是由于生產設備模具的原因,造價居高不下。一套生產設備大約要6000萬人名幣,而一套模具就要50萬人民幣左右。由于一套幕墻系統基本上需要將近10個模具,這樣整體造價就很貴,每噸的精密鋼型材造價會在5-16萬元,遠超鋁合金幕墻和普通的鋁包鋼幕墻的價格。所以只有局部特殊要求的部位才會使用。但這也促進了國內精密鋼型材的發展。

      b. 國內精密鋼型材的發展

      2012年,上海寶鋼集團投資數億元聯合北京多所知名大學開展鋼鐵精密復雜成型技術的研發,從德國采購設備與軟件,引進北科大的博士,進行精密成型技術的研發。隨后幾年,國內一些企業也陸續開始了精密成型技術的研發,而且在技術上陸續取得一些突破。2018年之后,國內精制鋼幕墻得到高速的發展,技術上得到了很大的突破,不管是冷彎薄壁方面,還是焊接(詞條“焊接”由行業大百科提供)直角方鋼管以及異形精制鋼方面都得到了很大的發展。

      第一類是冷彎薄壁型鋼,它主要用于常規的幕墻系統,一般的橫豎料壁厚在2-5mm左右,采用標準化、規;a方式,使用冷軋鋼板等材料制作,具有特定幾何截面,用作外露的幕墻系統的支撐框架。在這個成型過程中,材料和冷彎成型工藝是重點。鋼板通常采用軋輥工藝成型,不改變鋼鐵成分和特性。但是在這過程中,容易產生變形和應力集中,成型后容易開裂。

      在成型過程中,主要控制兩個關鍵點:一個是R角的控制,外露的構件一般要求外R角越小越好,但是實現小外R角難度極大,而且容易造成開裂,現在進口和國產精密鋼型材的外R角一半控制在0.5-2mm之間。

      另外一個控制要點是截面的精度,進口的精密鋼型材的截面尺寸偏差基本可控制在0.2mm,國產的最好的基本可以控制在0.3毫米,一般的在2.5mm左右。

      鋼幕墻系統的設計,和鋁幕墻系統既有相通性,也有自己的特點。首先,它的型材不是像鋁型材一樣是擠壓出來的,截面厚度可以隨意變化,它的厚度基本上是統一的,而且截面局部形狀受工藝影響較大。其次,由于鋼材較硬,而且厚度普遍較薄,局部厚度不易增厚,所以螺栓連接很受限制,如何設計結構滿足又安裝方便的系統連接方式是重點。以下為常規鋼幕墻系統的一些做法,通常也是分隱框和明框兩種做法。

      明框做法分豎明和橫明兩種,通常做法是再立柱和橫梁做個內凹的槽,然后用螺栓將外壓條連接到豎料或橫梁上。外裝飾扣蓋分壓條和蓋板,分別起到固定玻璃和裝飾的作用。

      隱框做法分豎隱和橫隱兩種,玻璃面板采用結構膠固定到副框上,然后再把面板和副框通過壓塊固定到立柱或者橫框上。外側玻璃面板接縫通常采用泡沫棒密封膠的做法,來保證氣密,水密和結構變形等功能。

      冷彎薄壁型鋼幕墻系統在國內不少大型場館得到了推廣,例如北京大興國際機場、北京冬奧會、蘇州博物館、雄安新區高鐵站等項目都采用了精密鋼型材系統。國內廠家做的較好的有湖南省金為新材料科技有限公司等。

      第二類是焊接直角方鋼管以及異形精制鋼,一般來說厚度更大,最大可以達到60mm。一般是選用適合的高精鋼板或鋼帶,通過焊接成型,再通過打磨,校正,消除應力,噴涂等工藝,作為大跨度,異形建筑幕墻造型等的外露支撐構件。

      作為外露的幕墻鋼結構,和鋼結構工程雖然有很多相似之處,但僅滿足鋼結構的驗收標準肯定是不能滿足外露幕墻構件的要求。在平整度,直線度,R角等加工精度方面,精制鋼構(詞條“鋼構”由行業大百科提供)件和普通鋼結構工程有以下的區別:

      這類精制鋼比較適用于各種不同造型幕墻交接的構架,在上海圖書館東館,冰雪世界等項目上得到了很好的應用。國內做的較好的廠家有始博實業集團有限公司等。

      5. 國內精制鋼幕墻需要提高的瓶頸

      國內雖然通過學習,在部分工藝上已經趕上或者超過了國外的產品,但是在整體上還需要提高,具體體現在以下方面:

      a. 系統設計方面

      精制鋼幕墻作為一個新型的幕墻體系,和鋁幕墻有著很大的不同。如何達到氣密,水密,結構,位移,保溫,隔聲等性能要求,除了要在設計上下功夫,設計合理的構件和連接方式,還需要作相應的測試來驗證和提高,F在大部分的廠家都是直接抄襲國外的系統,對系統的真正破壞模式完全不了解,而自己本身又沒有相應的系統設計能力,這樣造成產品的可行性和附加值都比較低。只有做好相應的面板,構件,輔件和連接的設計,并經測試和實際檢驗,才可能真正做好鋼幕墻。

      b. 加工生產精度方面

      現在國內的精制鋼廠家,有少數的加工精度已經達到或接近國外的先進水平,但是大部分的廠家的產品加工精度還比較差。加工生產精度較差不僅會影響外觀效果,還可能會嚴重影響幕墻的氣密,水密等各項性能指標。所以,在這方面還是要持續提升工藝,降低缺陷率,確保構件的安全性、實用性和美觀性。

      c. 抗腐蝕性方面

      由于普通鋼材抗腐蝕性比較差,而鋼幕墻的構件有部分在室內,但還有部分會暴露在室外,這部分的防腐會是鋼幕墻成功與否的關鍵。雖然構件表面可以進行粉末噴涂或氟碳烤漆等表面處理,但是在構件開孔加工和切口的部位就很難保證表面處理能確實到位。所以選擇合適的耐候鋼可能是鋼幕墻系統能真正發揚光大的道路。

      d. 生產和驗收標準

      現在鋼幕墻的生產驗收沒有自己的標準,幾乎都是照搬鋁幕墻和鋼結構的標準,這是很不合理的。鋼幕墻的構件精度要求肯定要比鋼結構的精度要求高,但是完全用鋁的精度標準來套鋼材的加工精度標準也是不合適的。好在現在有關鋼幕墻的工程和材料行業標準也正在編寫中,應該很快就能有鋼幕墻自身的生產和驗收標準供實際工程使用。

      6. 總結

      研發鋼幕墻,不是為了取代鋁合金幕墻,而是在建筑和功能上做更好的補充。鋁合金幕墻發展到現在,有他不可取代的優勢。包括輕質,抗腐蝕,易加工方面,特別適合超高層幕墻。而鋼幕墻,則適合大跨,異形,以及由防火功能要求的部位。只有共同發展,百花齊放,幕墻行業才可能發展的越來越好。

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