建筑外露钢结构施工技术.docx

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建筑外露钢结构施工技术

建筑外露钢结构施工技术

摘要：

针对国内关于建筑外露钢结构施工技术领域研究资料的匮乏，通过工程实践，并结合国内相关施工质量标准与规范要求，对建筑外露钢结构施工进行总结。

通过加工制作与安装过程中的不断改进，形成了一系列控制和提高建筑外露钢结构整体表观质量的做法,包括材料选择、焊缝优化、焊缝打磨、安装及保护等，该类做法有效保证了外方创意团队的一次验收通过率，对建筑外露钢结构的整体观感提供了可靠保证。

同时，旨在供其他类似建筑外露钢结构的施工借鉴，以满足建筑外露钢结构的普遍需求。

关键词：

建筑外露钢结构；焊缝；打磨；构件

建筑外露钢结构，系指在建筑物完成内、外装修后，依然裸露于建筑物外表面或对外开放的建筑物内部钢结构，国外称为AESS（Architecturally Exposed Structural Steel）,,其最早是由设计大师HelmutJahn在芝加哥联合航空公司航站楼中应用，而后被广泛推广。

近几年，国内钢结构发展迅速，建筑外露钢结构已经逐渐应用于国内多个机场、车站、展览馆（厅）和游乐基础设施等。

建筑外露钢结构是在满足结构可靠性的基础上，在施工过程中综合考虑钢结构从钢材下料到安装后投入使用各阶段，从钢结构原材料、焊接、焊缝打磨、涂装、成品保护等多方面对建筑工程的钢结构表观质量进行改进，从而满足设计师们对建筑钢结构“透明度”的要求。

1工程概况

上海某大型主题乐园项目，位于上海市浦东新区川沙新镇，该主题乐园是中国大陆第一个主题公园，总占地面积390公顷，总投资约245亿元人民币。

该主题乐园共包括中国园林、幻想世界、明日世界、探险世界、宝藏湾，五个核心区域，预计年客流量超过千万人次。

园区内建筑物以多而密、小而精为特点，大量的钢结构防腐处理后直接裸露于游客视线当中。

项目预计于2015年底或2016年初对外营业，届时大量造型优美的外露钢结构将一览无余。

2外露钢结构分布

根据本工程特点，建筑外露钢结构定义为所有未被包裹的室外钢结构区域以及所有未被包裹的室内游客可见的钢结构区域（图1）。

例如，售票厅内裸露的钢结构雨棚梁、支撑，入口闸机排队检票区内两侧外露的钢柱，多个园区单体建筑物的裸露逃生平台、造型类支架体系，以及多个后期营业单体的室内造型钢结构。

图1局部区域外露钢结构示意

3施工流程

与普通钢结构构件施工流程的不同在于，建筑外露钢结构在构件制作之前的焊缝优化至关重要，同时，焊缝成型后的表观验收和安装中的成品保护将异于普通钢结构验收规模，其将正式成为建筑师、施工单位验收的重要环节，建筑外露钢结构制作、安装流程见图2。

图2外露钢结构施工制作、安装流程

4控制措施

根据建筑外露钢结构的制作与安装流程，本工程针对其流程的各个环节进行分析研究并加以控制。

4.1材料选择

最为重要的环节在于截面结构形式的确定，由于建筑外露钢结构对焊缝外观要求极其苛刻，因此材料应优先选用热轧或冷弯型钢。

对于封闭类方钢管、圆钢应优先选用无缝钢管。

在钢结构深化与材料采购环节，需要充分考虑到国内型钢材料及截面标准（表1）与国内型钢真实货源，通过设计确认将焊接型钢替换为相同或相近截面的热轧、冷弯型钢，以提高建筑外露钢结构构件表观质量，并减少施工过程中的焊缝打磨工作量。

表1国内型钢材料及截面标准

截面类型标准编号标准名称工字钢、槽钢、角钢GB706—2008热轧型钢热轧H型钢、T型钢GBT11263—2010热轧H型钢和剖分T型钢冷弯方钢管、圆管GB6728—2002结构用冷弯空心型钢尺寸、外形、偏差无缝钢管GB17395—2008无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差

另外，针对建筑外露钢结构自身特点，施工中所使用钢材原材料质量应严格控制。

除了需要钢材质量保证书与原材料复试证明外，所有外露钢结构使用钢材到厂后应从外形尺寸与表面平整度方面逐一复核后入库。

对于整根使用的型钢或角钢在下料之前安排专人对钢材中的钢厂标识进行磨平去除，打磨过程不得伤害母材，打磨完成后钢材表面应平整无凹凸情况。

4.2焊缝优化

焊缝优化作为建筑外露钢结构施工流程中的辅助工序，该工序至关重要，焊缝优化主要包含3个方面：

焊缝位置优化、焊缝形式优化、焊缝尺寸优化。

1）焊缝位置优化：

通过满足结构设计要求情况下，将原外露处焊缝变更至隐蔽位置。

例如将原雨棚梁与檩条连接位置的仰焊缝优化至檩条与雨棚梁的上表面，将仰焊变更为横焊，通过计算保证焊接强度未受削弱，同时焊缝背对下方游客视线，优化建筑外露整体观感。

2）焊缝形式优化：

钢构件加工制作与后期安装过程中，需要处理的焊缝形式主要包括角焊缝、对接焊缝。

根据建筑外露钢构件焊缝的实际打磨要求，角焊缝打磨难度远远高于对接焊缝。

对接焊缝打磨标准允许偏差要求为（+1mm，-0mm）。

角焊缝打磨标准要求各角焊缝横断面均保证圆弧过渡，打磨后的焊缝光滑，指摸无突起。

因此施工下料之前根据实际条件将外露处钢构件的角焊缝变更为对接焊缝，在满足焊缝强度的同时减少角焊缝打磨工作。

3）焊缝尺寸优化：

对于必须采用角焊缝的部位，由于角焊缝的打磨对焊缝强度损失较大，特别是角焊缝的计算高度he，所以此时的焊缝尺寸优化实际是为了保证焊缝计算高度而定义加大焊脚高度的焊接方法。

如图3所示，he为焊缝的计算高度；hf为焊脚高度；b为间隙。

图3角焊缝计算图例

搭接与直角角焊缝计算式：

但实际焊缝打磨后计算高度

远小于通过焊脚高度hf换算得到的he（图4）。

根据本工程特点，最大角焊缝焊脚尺寸hf=10mm，此时计算长度he最大为7m。

参考焊脚高度10mm进行放样，实际计算长度损失约2mm即达到建筑外露钢结构的平滑过渡要求，且根据本工程最大焊脚高度确定最大计算长度损失为2mm。

因此假定

=7mm，则he=7+2=9mm，反推hf=13mm。

1—打磨前焊缝外边线；2—打磨后焊缝外边线。

图4角焊缝打磨前后分析

当然，对于采用埋弧焊等方式焊接所直接形成的凹面型角焊缝，本工程提前制作试验焊件，取横断面尺寸以确定实际需求焊脚高度。

对于斜角角焊缝，工程按照两面角实际大小，根据GB50661—2011《钢结构焊接规范》中关于斜角角焊缝计算的焊脚高度hf计算式或要求进行反推来确定实际焊脚高度。

4.3下料与组立

建筑外露钢结构对构件加工制作精度较高，本工程80%以上材料为型材。

型材及钢板下料切割前均采用矫平机进行矫平，型材切割设备主要采用数控等离子切割机下料，零件板切割均采用自动或半自动切割机、剪板机进行，严禁手工切割。

对于管材相贯位置的切割，切割之前由技术人员进行相贯线编程，编程时认真核对管径、厚度、管中心距等参数，管材端口处根据管径大小预留焊接间隙，还应根据接管直径适当放大槽口，以满足实际装配与焊接要求。

切割控制执行标准见表2。

表2切割控制执行标准

下料控制项允许偏差长度、宽度±3mm切割缺棱≤1mm端面垂直度不大于板厚的5%,≤1.5mm坡口角度±5°板边直线度≤3mm

焊接过程中，将加劲板过焊孔进行填焊并打磨，建筑外露构件禁止出现过焊孔影响整体美观。

4.4焊缝打磨

钢构件焊接完成后打磨质量是建筑外露钢结构能否实现的重要条件。

除了施工之前的焊缝优化外，焊缝打磨之前深化设计图中应标明焊缝打磨要求，原则上针对建筑外露构件，对于装修完成后游客等仍能清晰可见的焊缝部位则必须进行焊缝打磨处理，因此准确识别焊缝的外露情况是打磨工作的基础。

为此，本工程使用TeklaStructures进行钢结构实体3D建模，并采用Navisworks软件将其他专业3D模型进行整合，形成整套建筑信息模型（BIM），然后识别3D模型实际外露焊缝并进行编号，根据外露钢构件实际标示的可视性进行焊缝打磨等级划分，从而指导打磨工作。

接下来，根据深化设计的打磨等级要求，对组立焊接完成的外露构件进行全面打磨。

打磨内容包括焊渣清除、板型材边缘线打磨、对接焊缝表面与侧面打磨、对接焊缝衬板去除打磨、角焊缝平滑度打磨、遗漏钢材钢印打磨。

打磨的原则为不伤害母材，不降低焊缝强度，打磨现场要求光线充足。

角焊缝的打磨作为打磨工作的重难点，其主要因为打磨工作量最大，打磨平滑过渡难以定义，打磨过程易造成母材损坏。

实际工程中采用磨光片双面（图5）对称打磨，夹角等无法打磨位置采用内磨头局部削弧焊缝，见图6。

图5磨光片直焊缝打磨

图6内磨头细部削弧

4.5涂装

除焊接与螺栓摩擦面外，其余位置油漆涂装均一次成型。

焊接位置50mm内不刷漆，现场焊接完成并打磨后进行补漆。

为防止摩擦面的锈蚀侵蚀到整个外露构件，螺栓表面在工厂内进行一道底漆处理（厚40～60μm），现场螺栓终拧后补刷二、三道漆。

全部焊接与补漆完成后搭设油漆喷涂操作平台进行现场油漆喷涂施工。

施工前，特别进行了涂装底漆后的抗滑移试验件测试，测试系数均大于0.4，满足Q345B测试抗滑移系数大于0.4，Q235B测试抗滑移系数大于0.35的设计要求。

现场补漆前进行损坏部位的打磨，打磨过程需要注意打磨平滑完好，涂层的边缘呈倾斜坡口。

4.6安装及保护

外露构件加工厂发货进行打包处理，各构件表面预留有1cm间隙防止接触破坏油漆层，每根构件使用塑料薄膜全包裹。

装、卸车，安装时全部使用柔性吊带完成，并且吊带与构件尖角处使用橡胶垫隔离，避免损伤。

外露构件到场后堆放在地势较高位置，需用木方垫高10cm以上，所用场地必须硬化，同时需要注意防雨措施（图7）。

另外，针对钢结构与土建、机电等专业工序衔接时，一定要做好移交前的保护工作，并保持施工过程全程旁站监督，例如钢柱脚混凝土浇筑时的保护（图8）等。

图7构件现场堆放

图8混凝土浇筑前柱脚保护

现场钢梁、桁架等吊装均不使用吊耳，对于倾斜构件吊装，使用倒链调整角度后安装。

现场钢柱、竖向支撑吊耳设置于构件顶部即地面无法看到的部位，安装完成后进行吊耳割除并打磨。

封闭开口截面构件，吊耳设置于构件内部，根据实际情况确定是否打磨。

现场安装定位板优先设置于构件上表面，以减少切割打磨数量和降低打磨表观要求。

外露构件的螺栓施工时，每个立面的螺栓头方向应保持一致，一个单体内的螺栓应保证全部同向或根据结构特点对称分布。

所有高强螺栓终拧后必须露至2～3丝，满足GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》要求。

建筑外露钢结构现场安装核心在于成品保护，成品保护核心在于少焊接、少修改、低损坏，施工过程中采取多项手段来降低损坏率。

5结束语

建筑外露钢结构（AESS）曾经只是少数著名项目的精华部分，而今天的建筑师们在设计中正逐步加大透明元素的运用。

遗憾的是，现有的规范和标准都没能完全规定建筑外露钢结构的设计、深化、制作和安装所需的具体要求。

由于建筑外露钢结构较

之于普通钢结构的制作、安装成本更高。

对于表面处理标准界定不明，易造成施工过程纠纷。

本工程针对建筑外露钢结构的通用性要求，采取切实可行的项目管理措施，例如施工过程中的材料选择措施、焊缝优化措施、下料与组立控制、焊缝打磨措施、涂装措施、安装及保护措施等，保证建筑外露钢结构的整体质量效果，可供类似工程参考借鉴。

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