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1. 前言

隨著城市的發(fā)展，建筑越來越向高處發(fā)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(jié)構(gòu)。作為“工業(yè)之母”的鋼材，因?yàn)槠浣艹龅慕Y(jié)構(gòu)性能和易加工性，是現(xiàn)代建筑最不可取代的材料之一。

作為建筑的外維護(hù)結(jié)構(gòu)的幕墻，鋁型材因?yàn)槠鋷缀蹩梢詳D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(yōu)異的性能，成了建筑幕墻最重要的框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件，或者是結(jié)構(gòu)上鋁沒法做到的部位，比如說雨篷，采光頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)部位。

這些年來，由于建筑表現(xiàn)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(jié)構(gòu)的鋼材外露，這也推動(dòng)了鋼型材越來越來越往“精致”方向發(fā)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(jīng)不亞于鋁型材，“精制鋼”被越來越多的項(xiàng)目所采用。

2. 鋼幕墻系統(tǒng)的需求

鋼幕墻是根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的要求或者結(jié)構(gòu)及功能需求來決定是否使用的，雖然它不能完全取代鋁結(jié)構(gòu)，但它在某些方面的性能，遠(yuǎn)超鋁結(jié)構(gòu)，可以在鋁結(jié)構(gòu)不能滿足的方面做到很好的補(bǔ)。分析下來，主要上有以下幾個(gè)原因：

a. 結(jié)構(gòu)的需求

普通的幕墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的位置，比如說首層大堂，或者一些場(chǎng)館等對(duì)空間要求比較高的建筑上，鋁作為幕墻的支撐結(jié)構(gòu)就可能無法滿足結(jié)構(gòu)的要求。在這些部位，主要控制的一般不是強(qiáng)度，而是結(jié)構(gòu)的撓度，而鋼的彈性模量達(dá)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(jié)構(gòu)變形程度。這樣可以讓立柱橫梁等框架構(gòu)件更加纖細(xì)，達(dá)到更好的建筑效果。

b. 防火的要求

在建筑設(shè)計(jì)上，由于一些建筑間距，防火空間的需求，經(jīng)常要求某些部位的幕墻需要采用防火幕墻，來達(dá)到防火隔斷的要求。在這些部位，鋁型材的幕墻就達(dá)不到建筑防火時(shí)效要求，因?yàn)殇X的熔點(diǎn)僅為660℃，燃燒到一定程度就結(jié)構(gòu)失效了。而鋼的熔點(diǎn)達(dá)到1500℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁的熔點(diǎn)?；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(gòu)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(gòu)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(duì)鋼材的加工精度和表面處理有了更多的要求，這也直接促進(jìn)了鋼材的加工廠家開始學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加工工藝、精度和表面處理的提高，達(dá)到了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

d. 環(huán)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(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，這些廢棄物如果處理不好，對(duì)環(huán)境會(huì)造成極大的影響。而鋼的冶煉過程產(chǎn)生的主要為鐵礦渣，有害物質(zhì)極少。同樣在鋁的擠壓成型所消耗的電量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于精密鋼型材制作所消耗的能量。所以，在國家“碳達(dá)峰，碳中和”的政策引領(lǐng)下，鋼幕墻的運(yùn)用趨勢(shì)也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

除了以上一些原因，鋼結(jié)構(gòu)幕墻相對(duì)與鋁還有兩方面的優(yōu)勢(shì)：一方面是鋼的線膨脹系數(shù)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(duì)幕墻系統(tǒng)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(shù)比鋁低很多，鋁的傳熱系數(shù)是200W/(mk)，而鋼的傳熱系數(shù)僅為50W/(mk)，鋼幕墻可以比鋁幕墻有更好熱工表現(xiàn)。

3. 早期鋁包鋼幕墻系統(tǒng)及缺陷

在之前的大部分項(xiàng)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(qū)域，在石材，鋁板幕墻上，幾乎是采用鋼作為主要的結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)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(fèi)

鋼鋁結(jié)合的做法，一般使以鋼作為主要受力結(jié)構(gòu)，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(chǔ)上，還要加上鋁的成本。這會(huì)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(gòu)件寬度比鋼結(jié)構(gòu)的寬度至少要增加50mm左右，這樣就會(huì)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(jié)構(gòu)的目的都是為了讓幕墻框架顯得更加纖細(xì)。這種笨重的造型在一定程度上降低了感官效果。

c. 結(jié)合度差

由于鋼和鋁的加工精度不一樣，常規(guī)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(huì)存在彎曲等現(xiàn)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(huì)影響到他們之間的傳力效果。雖然設(shè)計(jì)上會(huì)考慮通過設(shè)置墊片來使二者結(jié)合緊密，但在實(shí)際施工過程中確很難真正做到，這也導(dǎo)致了二者的結(jié)合度很難達(dá)到設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。

4. 國內(nèi)精制鋼幕墻的發(fā)展

國內(nèi)精制鋼幕墻發(fā)展基本上可以分為以下幾個(gè)階段：

a. 進(jìn)口鋼幕墻系統(tǒng)主導(dǎo)階段

精密成型鋼材技術(shù)在國外發(fā)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(chǎn)品主要是用在汽車方面，后來才逐步運(yùn)用到門窗和幕墻。真正作為精密鋼幕墻產(chǎn)品引進(jìn)中國的時(shí)間大約是2010年左右，但是由于生產(chǎn)設(shè)備和模具的原因，造價(jià)居高不下。一套生產(chǎn)設(shè)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(tǒng)基本上需要將近10個(gè)模具，這樣整體造價(jià)就很貴，每噸的精密鋼型材造價(jià)會(huì)在5-16萬元，遠(yuǎn)超鋁合金幕墻和普通的鋁包鋼幕墻的價(jià)格。所以只有局部特殊要求的部位才會(huì)使用。但這也促進(jìn)了國內(nèi)精密鋼型材的發(fā)展。

b. 國內(nèi)精密鋼型材的發(fā)展

2012年，上海寶鋼集團(tuán)投資數(shù)億元聯(lián)合北京多所知名大學(xué)開展鋼鐵精密復(fù)雜成型技術(shù)的研發(fā)，從德國采購設(shè)備與軟件，引進(jìn)北科大的博士，進(jìn)行精密成型技術(shù)的研發(fā)。隨后幾年，國內(nèi)一些企業(yè)也陸續(xù)開始了精密成型技術(shù)的研發(fā)，而且在技術(shù)上陸續(xù)取得一些突破。2018年之后，國內(nèi)精制鋼幕墻得到高速的發(fā)展，技術(shù)上得到了很大的突破，不管是冷彎薄壁方面，還是焊接直角方鋼管以及異形精制鋼方面都得到了很大的發(fā)展。

第一類是冷彎薄壁型鋼，它主要用于常規(guī)的幕墻系統(tǒng)，一般的橫豎料壁厚在2-5mm左右，采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)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(tǒng)的支撐框架。在這個(gè)成型過程中，材料和冷彎成型工藝是重點(diǎn)。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(chǎn)生變形和應(yīng)力集中，成型后容易開裂。

在成型過程中，主要控制兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一個(gè)是R角的控制，外露的構(gòu)件一般要求外R角越小越好，但是實(shí)現(xiàn)小外R角難度極大，而且容易造成開裂，現(xiàn)在進(jìn)口和國產(chǎn)精密鋼型材的外R角一半控制在0.5-2mm之間。

另外一個(gè)控制要點(diǎn)是截面的精度，進(jìn)口的精密鋼型材的截面尺寸偏差基本可控制在0.2mm，國產(chǎn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)，和鋁幕墻系統(tǒng)既有相通性，也有自己的特點(diǎn)。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(tǒng)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足又安裝方便的系統(tǒng)連接方式是重點(diǎn)。以下為常規(guī)鋼幕墻系統(tǒng)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(gè)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(cè)玻璃面板接縫通常采用泡沫棒加密封膠的做法，來保證氣密，水密和結(jié)構(gòu)變形等功能。

冷彎薄壁型鋼幕墻系統(tǒng)在國內(nèi)不少大型場(chǎng)館得到了推廣，例如北京大興國際機(jī)場(chǎng)、北京冬奧會(huì)、蘇州博物館、雄安新區(qū)高鐵站等項(xiàng)目都采用了精密鋼型材系統(tǒng)。
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(dá)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(yīng)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(gòu)件。

作為外露的幕墻鋼結(jié)構(gòu)，和鋼結(jié)構(gòu)工程雖然有很多相似之處，但僅滿足鋼結(jié)構(gòu)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)肯定是不能滿足外露幕墻構(gòu)件的要求。在平整度，直線度，R角等加工精度方面，精制鋼構(gòu)件和普通鋼結(jié)構(gòu)工程有以下的區(qū)別：
這類精制鋼比較適用于各種不同造型幕墻交接的構(gòu)架，在上海圖書館東館，冰雪世界等項(xiàng)目上得到了很好的應(yīng)用。

5. 國內(nèi)精制鋼幕墻需要提高的瓶頸
國內(nèi)雖然通過學(xué)習(xí)，在部分工藝上已經(jīng)趕上或者超過了國外的產(chǎn)品，但是在整體上還需要提高，具體體現(xiàn)在以下方面：
a. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面
精制鋼幕墻作為一個(gè)新型的幕墻體系，和鋁幕墻有著很大的不同。如何達(dá)到氣密，水密，結(jié)構(gòu)，位移，保溫，隔聲等性能要求，除了要在設(shè)計(jì)上下功夫，設(shè)計(jì)合理的構(gòu)件和連接方式，還需要作相應(yīng)的測(cè)試來驗(yàn)證和提高?，F(xiàn)在大部分的廠家都是直接抄襲國外的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的真正破壞模式完全不了解，而自己本身又沒有相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，這樣造成產(chǎn)品的可行性和附加值都比較低。只有做好相應(yīng)的面板，構(gòu)件，輔件和連接的設(shè)計(jì)，并經(jīng)測(cè)試和實(shí)際檢驗(yàn)，才可能真正做好鋼幕墻。
b. 加工生產(chǎn)精度方面
現(xiàn)在國內(nèi)的精制鋼廠家，有少數(shù)的加工精度已經(jīng)達(dá)到或接近國外的先進(jìn)水平，但是大部分的廠家的產(chǎn)品加工精度還比較差。加工生產(chǎn)精度較差不僅會(huì)影響外觀效果，還可能會(huì)嚴(yán)重影響幕墻的氣密，水密等各項(xiàng)性能指標(biāo)。所以，在這方面還是要持續(xù)提升工藝，降低缺陷率，確保構(gòu)件的安全性、實(shí)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(gòu)件有部分在室內(nèi)，但還有部分會(huì)暴露在室外，這部分的防腐會(huì)是鋼幕墻成功與否的關(guān)鍵。雖然構(gòu)件表面可以進(jìn)行粉末噴涂或氟碳烤漆等表面處理，但是在構(gòu)件開孔加工和切口的部位就很難保證表面處理能確實(shí)到位。所以選擇合適的耐候鋼可能是鋼幕墻系統(tǒng)能真正發(fā)揚(yáng)光大的道路。
d. 生產(chǎn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)在鋼幕墻的生產(chǎn)驗(yàn)收沒有自己的標(biāo)準(zhǔn)，幾乎都是照搬鋁門窗幕墻和鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，這是很不合理的。鋼幕墻的構(gòu)件精度要求肯定要比鋼結(jié)構(gòu)的精度要求高，但是完全用鋁的精度標(biāo)準(zhǔn)來套鋼材的加工精度標(biāo)準(zhǔn)也是不合適的。好在現(xiàn)在有關(guān)鋼幕墻的工程和材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也正在編寫中，應(yīng)該很快就能有鋼幕墻自身的生產(chǎn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)供實(shí)際工程使用。
6. 總結(jié)
研發(fā)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(bǔ)充。鋁合金幕墻發(fā)展到現(xiàn)在，有他不可取代的優(yōu)勢(shì)。包括輕質(zhì)，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(fā)展，百花齊放，幕墻行業(yè)才可能發(fā)展的越來越好。