首页 > 交流 > 论文 > 正文

不锈钢板幕墙设计、施工要点

[发布日期:2015-04-23 12:04:51]

  1 序言

  本文主要讨论不锈钢板作为面板的幕墙相关技术。不锈钢板作为幕墙面板:①能为建筑师立面表达提供理想选择。随着大气污染的加重,特别是随着我国城市化进程的推进,具有高耐腐蚀性、高强度、低维护特性的不锈钢面板材料在建筑幕墙领域的应用越来越受到重视和推广。因为采用不锈钢板,建筑立面能长期保持初始质感,能降低维护和更换成本,同时能为建筑师提供特殊质感。例如不锈钢特有的“坚硬”和“纯净”感,为建筑增添高档质感和现代感。 经过1930年的美国纽约Chrysler大厦、1968年意大利CSM,Castel Romano大厦(现在板质感依如初新)、1992年西班牙巴塞罗那Mapfre Tower(43层,153m)、1996年马来西亚吉隆坡石油双塔等项目上80多年的实践,奥氏体不锈钢06Cr19Ni10(SUS 304)和06Cr17Ni7Mo2(SUS 316)已经得到充分的认可,而SUS316的耐腐蚀性更胜一筹。[图1]为东昌财富的1.5mm轧花不锈钢板幕墙,于2004年完工并使用至今,历经十年多的风雨,外观效果依然亮新依旧;②不锈钢板的性价比正在提高之中,特别是随着国内专业制造商工艺水平提高,市场价格处于下降趋势[1]。③不锈钢板加工、组装和安装涉及不锈钢材料特有的加工硬化、应力残余等需要认真对待的技术问题,甚至涉及特殊制作工艺。例如,芝加哥云门(CLOUD GATE)雕塑,花几年时间采用168块用Octomill 八面铣刀精准加工的双曲面厚不锈板,无缝焊接而成[图2];上海盛大中心“不锈钢城堡”,则采用针对性很强的短周期(2.5月)、低成本冷弯施作工艺完成[图3];所以研究和总结不锈钢幕墙有很强的现实意义和价值。

  

\

 

  目前建筑外墙领域,采用大面积不锈钢板幕墙案例不多,即使大面积采用,也往往不追求其高平整度,只表达其强烈质感[图4]:如洛杉矶WALT DISNEY 音乐厅和Zollhof 大厦。Zollhof 大厦,做到了以明亮的不锈钢质感,既从周围“古老”色调脱颖而出,又以反射周围建筑而融入环境。而国内大面积使用不锈钢板的幕墙案例也是不多,[图5]深圳平安金融中心,采用的是2mm厚316材质的布纹不锈钢板,幕墙面积超过7万平米,虽正在施工当中,但已经明显体现了不锈钢板所独有的强烈质感和现代气息。不锈钢大致可分为平面钢板和凹凸钢板。而平面钢板又分为三类:板面光反射率在90%以上者,为镜面钢饭。板面反射率90%--70%者,为有光钢板,反射率小于50%为亚光钢板。凹凸钢板也分为浮雕板、浅浮雕花纹板和网纹板等。平面钢板通常是经研磨、抛光工序而制成的。凹凸钢板通常是正常的研磨与抛光之后.再经辊压、腐蚀、雕刻等加工,最后再经特殊研磨而创成的。可见不锈钢板反射率高,对板面非平整度敏感,随着不锈钢板大面积使用于建筑立面,对其平整度提出更高要求,将追求采用更薄、更平整的幕墙。

  

\

 

  2 不锈钢板应用于幕墙及相关技术

  2.1不锈钢板品种及特性

  幕墙常用不锈钢板按构造分,一般有三大类:单板(盒型、扣接型和切板)、复合板和蜂窝板。表1中对这三类不锈钢板性能的优缺点进行对比说明:

  表1 (常用不锈钢板性能对比说明)

  单板 复合板 蜂窝板

  优点强度高,韧性高,金属质感选择多,耐腐蚀性强加工简易、平整度较高平整度高,具有很好的隔声、保温性能。

  缺点平整度(弓形)控制难度大:①切板,适合于低层低风压工程;②盒板,适用面广,需无应力组装安装折弯处强度低,适用于制作低风压区域小分格幕墙寿命短,表面波筋大,点击强度低

  不锈钢复合板在保留了不锈钢材料良好的装饰效果和经久耐用的特性基础上,克服了不锈钢金属板加工难、加工平整度差的缺点,具有良好的隔声、隔热效果,可方便的进行剪切、弯弧、刨槽折边、钻孔等加工。使用不锈钢复合板另外还要考虑几个因素:不锈钢的耐蚀性、强度、耐性和物理功能、加工成形功能等。[图6]为越南VTB大厦(工商银行)不锈钢复合板幕墙,不锈钢为两层0.3mm厚316材质。[图7]为上海某工程不锈钢复合板墙体,从外观上可以感受到很强的机理性和金属质感。

  另外,由于不锈钢复合板是两种材料的复合材料,使用时要考虑其热胀冷缩时产生的温度应力,可能会出现应力收缩,裂纹,界面复合破坏等问题,以确保温度应力产生弯曲时的材料完整性,不会导致开裂。不锈钢316的线膨胀系数:当温度0~100℃时为1.73×10-5/℃,约为碳素钢的1.5倍,略小于铝合金。而聚乙烯芯板的膨胀系数:当温度为0~100℃时,约为1.50×10-4/℃。

  

\

 

  不锈钢蜂窝板,表板采用拉丝不锈钢板或者镜面不锈钢板等,背板采用镀锌钢板,芯材采用铝蜂窝芯,经过专用粘合剂复合而成。不锈钢蜂窝板的主要特点:轻便、安装负荷低;每块面积大,平整度极高、不易变形,安全系数高;具有很好的隔音,保温性能。成本低,质量好,比2毫米不锈钢单板价格低,但是平整度与3毫米不锈钢单板接近。不锈钢蜂窝板具有很强的耐蚀性。图8显示为不锈钢蜂窝板幕墙,分格较大,表面平整度高,且兼顾保温性能。

  

\

 

  不锈钢单板由于本身强度高,可用于高层超高层建筑;韧性大,可做折弯或弯弧加工,可实现较多建筑外观效果;耐腐蚀性强,后期维护方便成本低。鉴于诸多的性能优势,深受建筑师的青睐。[图9]显示了不锈钢单板幕墙外观金属质感强,使用广泛。[图10]展示了上海东昌财富楼不锈钢面板弯弧处理效果。韧性大,易于弯弧加工,这是不锈钢复合板和不锈钢蜂窝板不容易实现的。另外不锈钢单板幕墙一般采用开缝加背衬板的防水方式,这是因为不锈钢板表面有一层油膜,施打密封胶之前,必须先对不锈钢板表面清除油污处理,然后涂专用底漆,否则难于保证耐候密封胶与不锈钢的黏接性能。

  不锈钢单板作为金属构件除了能够适应切割、刨槽、折弯等加工处理,而焊接加工使不锈钢板能够实现更多的造型成为现实。而一般焊接变形的控制主要有减少焊缝数量和间断焊接、采用逆向回焊法施焊、刚性固定焊接、反变形技术、合理安排焊接顺序、采用热处理去除焊后收缩力、减少焊接时间以及冷却法等等。而对于薄板失稳变形的控制是控制工艺参数、反变形法和控制温度场等措施。而在生产实践中,反变形法是最常用的方法之一,其具体方法是预先在焊接变形的相反方向,人为地施加一定的变形量,以此与焊接变形相抵消,使焊接结构达到技术要求。通过完全刚性约束和反变形法可以实现采用1.5mm厚不锈钢板激光焊接最大弯曲挠度的控制小于0.16mm[3]。

  

\

 

  图11、图12是东财财富不锈钢筒体幕墙及节点,外观平整。依靠专用模具,不锈钢板切板弯弧成锥体,并与平板焊接,先均匀点焊控制整体尺寸及外形,再采用反变形法进行焊接变形控制,实施刚性固定焊接,保证平板与弯弧板周边焊后的平整度和紧密贴合,形成自然过渡,然后经过打磨亮化处理,形成棱角分明的锥筒造型。

  2.2不锈钢板表面平整度的保证和提高

  由于不锈钢板材(特别是单板)韧性大,因此通过采用合理的安装构造及加工组装工艺来消除内部不均匀的残余应力,是应对不锈钢材料固有的对光的反射率高、对表面不平整的敏感度高的关键措施。

  

\

 

  [图13]所示为厚度1mm表面镜光处理的316不锈钢单板(反射率高于90%)做成的装饰条,影像变形扭曲严重。[图14]所示为厚度2mm表面亚光处理的316不锈钢单板做成的金属板幕墙。板分格宽度超过1.2米,表面波浪凹凸感强烈。单板厚度过薄、横向分格过大,且由于镜面不锈钢的反射率大于90%,亚光不锈钢其反射率也达到50%,受其对光反射率高的特点影响,不锈钢板对表面不平整度的灵敏度很高,板自身变形(0.1%以内)和外力力的作用下和轻微的挠度变形,特别是温度梯度的变化都会对外观效果产生较大影响。因此不锈钢板的安装构造和面板的强度和挠度控制成为不锈钢板幕墙设计的重要考量因素。

  2.2.1不锈钢板支撑体系的设计

  不锈钢面板附着的支撑体系必须是稳固的、平整的,且为了保证不锈钢面板的易于更换和安装,设计成小单元形式的挂板结构体系或者通过扣接的形式,通过型材咬合或者不锈钢板材直接扣接的方式来实现与整体框架的连接与固定。

  幕墙用不锈钢单板的常用的支撑体系分为:切板结构、扣接结构以及盒型结构。切板结构外观上突出了板材的棱角,但不锈钢板材柔韧性大,适用于低层建筑或低风压区域;扣接结构适合于薄型不锈钢单板,平整度要求不高,对质感和肌理感建筑效果要求强烈时采用。盒型结构突出板框支撑体系的稳固性,适用于高层建筑,抵抗风压能力强,另外还能体现不锈钢独特的建筑效果,因此被广泛采用。

  

\

 

  图15]所示为世博主题馆不锈钢装饰效果、幕墙节点,该幕墙系统通过上下插接和左右连接方式,1.5mm轧花并磨凸出肌理不锈钢板通过结构胶与铝合金副框粘接,共同形成一个单元整体,不锈钢板处于无应力自然状态,并通过小单元型材插接咬合结构形成面板支撑体系,来保证不锈钢面板的整体高平整度。中间铝合金加强筋的作用依然只是对铝合金副框进行补强,在正负风压的反复施加过程中,加强筋是不直接参与面板堆风荷载的抵抗。

  

\

 

  [图16]是不锈钢板平锁扣式扣接安装固定的早期典型案例,幕墙主框架采用竖向龙骨和横向龙骨都为60*3mm的镀锌钢管,上下0.7mm厚拉丝316不锈钢板通过上下折边咬合扣接在一起,不锈钢面板整体依靠0.7mmV125镀锌压型钢板支撑,连接位置通过0.7mm厚镀锌钢板找平,并形成顺水结构[4]。安装简易,人工成本和材料成本低,经济效益好。该幕墙表面平整度低,但是本工程合理的密封结构体系,错落有致的鱼鳞效果及弯弧效果。也能为建筑师创造独特的构思提供空间,对一些特别建筑有其推广价值。

  [图17]为平安金融中心工程T8系统横剖节点,2mm厚布纹不锈钢板,材质为奥氏体SUS316不锈钢,分格多为500*4500,面板通过自攻钉固定在铝合金副框上,然后通过铝合金副框又与单元竖框咬合组装,共同形成不锈钢单元系统。面板支撑体系计算按大变形理论进行分

  析考虑到风荷载对板面交变影响,横向铝合金方管加强筋只是对副框进行补强,与不锈钢板之间保留3~5mm间隙,不发生直接接触。整个不锈钢面板向张拉膜一样紧绷在铝合金框组成的框架上。

  

\

 

  因此在确立面板支撑体系之前,首先要对不锈钢面板的强度和挠曲进行计算。根据《不锈钢棒》GB/T1220-2007表6采用S31608,屈服强度标准值δ0.2,屈服强度为205Mpa;根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003。5.2.4规定:不锈钢的抗拉、抗压强度设计值fs应按其屈服强度标准值δ0.2除以1.15采用,其抗剪强度设计值可按其抗拉强度设计值的0.58倍采用。因此,不锈钢板的抗弯强度设计值为205/1.15=178.3Mpa,抗剪强度设计值为178.3*0.58=103.4Mpa。且根据金属面板的挠曲位移量不得超过跨距的1/90或者19mm,以较小值为依据,跨度取水平或者垂直支撑构件中的跨度最小值。

  

\

 

  [图18]为平安金融中心T1系统不锈钢三角柱系统,进行了两种固定方式的理论计算和测试。一是通过实验验证计算不锈钢板强度计算理论的正确性,二是对比加强筋在有结构胶连接时与没有结构胶连接是否对不锈钢板平整度情况有影响。从试验观察的结果来看,用结构胶连接加强筋在正负荷载作用下,没有明显使不锈钢板出现褶皱现象。但在荷载作用过程中,有结构胶连接侧起鼓波浪变形比较明显,而不打胶一侧不明显,变形比较同步。因此考虑采用加强筋不打胶形式。

  2.2.2 不锈钢面板加工、组装工艺的控制

  为保证面板的平整度,有必要针对不锈钢加工环节进行相应技术标准的控制。不锈钢面板整体加工流程,一般经过开料-刨槽-折弯-组框-安装这几道工序,而每一道工序的加工和过程都要严格加以控制,避免面板的磕碰、划伤,尽量减少面板的弯曲和残余应力的产生。

  A 材料的检验和验收

  为保证不锈钢板原材料的质量要求,可以按照国标GB/T3280-2007并结合美标ASTM A480/A480M和日本标准JIS G 4305的规范要求,作为不锈钢板原材料最初出厂依据和参考。对面板的化学成分和力学性能、表面质量等做全面的检测和验收。

  B 面板磕碰、划伤的控制:

  在整个面板加工流程过程中,人、设备、物料等但凡与不锈钢板可能发生接触的几个因素,都要加以保护和隔离。首先,车间加工无粉尘,工人加工需戴手套,设备做到清洁;人工操作需轻拿轻放,运输过程中需捆扎牢固,避免晃动摩擦;板与板堆放、板与设备避免直接接触,需用泡沫膜或隔离垫进行保护;运输平台或托架支撑表面要有柔性材料的保护,避免硬性接触;不锈钢板保护膜注意过程中的二次检查和更换处理;刨槽过程中,及时清理金属刨花,并注意冷却液的污染;折弯过程中折角下面需垫硅橡胶板,避免板硬接触;加工完成后,成型不锈钢板摆放货架上,下面垫木方,均匀布置且木方高度尺寸一致;在框架组装过程中,零件和工具须有专门平台进行放置,不得与面板接触。在对面板进行敲击时,需要加垫木方和使用橡胶锤,避免直接撞击。

  C 减少面板的弯曲和残余应力的产生:

  不锈钢力学强度高,韧性高,按行业标准其材料特性:抗拉、抗压强度设计值ƒs2应按其屈服强度标准值σ0.2除以系数1.15采用,其抗剪强度设计值ƒvs2可按其抗拉强度设计值的0.58倍采用,也可按表2采用。

  表2 不锈钢板的强度设计值(N/mm2)

  统一数字

  编号牌号σ0.2抗拉强度ƒ t s2抗剪强度ƒ v s2端面承压强度ƒ c s2备 注

  旧牌号美标

  S3040806Cr19Ni102051781042460Cr18Ni9304

  S3160806Cr17Ni12Mo22051781042460Cr17Ni12Mo2316

  首先,搬运过程中避免面板的大幅下挠和弯曲,出板后要有专门的平台或托架支撑。在刨槽过程中,增加简易平台,避免板大幅悬垂。 不锈钢板折边过程中要注意合理的折边顺序,目的使折弯过程中产生的应力尽量释放。

  

\

 

  [图19]电动吸盘采用四组,吸盘间隔适中,吊运过程中,板下挠不明显,并且板的存放有专门平台和衬垫;而[图20]所示搬运方式造成板明显弯曲,有残余应力产生,是加工过程中不允许的。

  由于不锈钢的黏附性和熔着性强,刨槽过程中,切屑容易黏附在刀具上,为了避免加工硬化和减少刀具前切屑的堆积,切屑奥氏体不锈钢时,使用比碳钢较大的进刀量以及较慢的切屑速度,一般进刀量控制在0.3mm以下,并逐渐减小至0.1mm。图21所示在刨槽折弯应力集中位置,为避免应力集中形成爆边开裂,特别在该位置开一直径3mm左右圆孔,使残余应力得以释放,折弯后保证了外观平整效果。

  

\

 

  在不锈钢板与铝合金副框组合过程中,也要注意对板间接应力的施加造成板变形影响。[图22]示意为了片面保证W和W1尺寸,造成了板平面的内凹和外凸现象。因此,在组框过程中,尽量保证对板应力的零施加。在如图所示加强筋的下料尺寸设计上,要考虑其长度L小于W1尺寸4mm,首先是为了保证从尺寸上留有间隙,加强筋在安装时不会对两侧的铝合金框造成顶压的状态。同时,加强筋两端的连接角片也要进行顺序安装,先装一端,在面板上确定位置后再安装另一端。自攻钉的固定也要按照先副框后加强筋的顺序,目的就是要使不锈钢板在松弛的状态下实现无应力组装。

  

\

 

  在不锈钢板与铝合金副框组合过程中,也要注意对板间接应力的施加造成板变形影响。[图22]示意为了片面保证W和W1尺寸,造成了板平面的内凹和外凸现象。因此,在组框过程中,尽量保证对板应力的零施加。在如图所示加强筋的下料尺寸设计上,要考虑其长度L小于W1尺寸4mm,首先是为了保证从尺寸上留有间隙,加强筋在安装时不会对两侧的铝合金框造成顶压的状态。同时,加强筋两端的连接角片也要进行顺序安装,先装一端,在面板上确定位置后再安装另一端。自攻钉的固定也要按照先副框后加强筋的顺序,目的就是要使不锈钢板在松弛的状态下实现无应力组装。

  D 加工过程中的尺寸公差要求

  不锈钢板组合后整体平整度要求为:平整度要求在1.5m内不得超过1.5mm或0.1%。折边棱角直线度≤0.5mm/m,全长≤3mm。具体加工公差要求为:激光切割后长宽方向允许偏差为±1.5mm;刨槽深度误差为±0.1mm,切边与刨槽中心线需要重合度≤0.05mm,角度偏差为0-0.5度;

  3 不锈钢板表面处理及维护保养

  3.1 表面处理:

  不锈钢表面处理方式大致分为五类,分为轧制表面加工、机械表面加工、化学表面加工、网纹表面加工、彩色表面加工。形成的产品常有镜面、拉丝、网纹、蚀刻、电解着色、涂层着色等。随着不锈钢用途的多样化、高级化,并不断向装饰性和艺术性方向发展,不锈钢彩色氧化由于具有较高的装饰功能,因而得到日益广泛的应用。经过前处理-丝网印刷-图文蚀刻-除墨-后处理化学着色等工艺,不锈钢着色不仅赋予不锈钢制品各种颜色,增加产品的花色品种[图23],所得图文清晰、立体感强、装饰性能好[5]。而且还提高了产品耐磨性和耐腐蚀性。不锈钢表面处理的多样性为建筑外观的亮丽和耐用提供了更多选择。也为幕墙设计向高度更高、环境更复杂领域探索和发展提出了要求。

  

\

 

  3.2不锈钢板的维护保养:

  虽然不锈钢板耐腐蚀,但不等于说不锈钢就不会腐蚀,如果不锈钢板使用和维护不当,或者使用环境太恶劣,就会发生局部氧化腐蚀现象。不锈钢的腐蚀主要有三种形式:化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀。由于不锈钢表面钝化膜之中耐腐蚀能力弱的部位,由于自激反应而形成点蚀反应,生成小孔,再加上有氯离子接近,形成很强的腐蚀性溶液,加速腐蚀反应的速度。还有不锈钢内部的晶间腐蚀开裂,所有这些,对不锈钢板表面的钝化膜都发生破坏作用。因此对不锈钢板表面必须进行定期的清洁保养,以保持其华丽的表面及延长使用寿命。

  结论:

  1. 不锈钢板幕墙以其高强度、高刚度、高耐候、长寿命、低维护成本和建筑现代质感,随着其性价比的提升,在建筑外皮领域处于上升趋势。

  2. 三种不锈钢板:单板、复合板和蜂窝板各具特色,为丰富立面提供选择。蜂窝板要关注板内部温度应力,对寿命和热弯曲的影响;复合板要关注折变处强度薄弱环节;单板要关注加强筋的加法及工艺;低层建筑可选择“切板”构造,因为面板处于无应力状态,能获得很高的平整度。

  2. 由于不锈钢板(特别是单板)韧性强,通过采用合理的加工组装及安装工艺,消除不均残余应力是提高平整度的关键。例如,采用型材无应力挂接体系、无应力组装、定位无应力安装工艺为提高平整度创造条件。

  3. 由于不锈钢材质的耐腐蚀性、耐划性和可循环使用,而恰恰为可持续的社会发展中发挥积极的作用:降低立面污染、提高材料使用寿命和降低更换率。

  4. 不锈钢的维护要注意表面钝化膜的保护,使用过程中要尽量避免局部氧化腐蚀,需要有计划的定期进行清洁保养。

  种种有利因素预示着不锈钢材料在未来的建筑幕墙使用上将大有作为,可以期待装有平整度更高、更加亮丽的不锈钢板幕墙建筑,屹立于城市建筑林中。

  参考文献:

  [1]江来珠、 史国敏,宝钢技术2009年增刊,“宝钢不锈钢板带产品技术开发”

  [2]孟根宝力高,赵立杰,“上海世博主题馆外皮设计新理念、新工艺”,工程质量,2011年02期

  [3]吉沐园,周一届,“薄不锈钢板激光焊接变形分析及控制”,热加工工艺,2010年9期

  [4]周佩杰,“新型幕墙—平锁扣式拉丝不锈钢板幕墙”,门窗,2008年04期

  [5]肖鑫、王文涛、龙有前、钟萍,“不锈钢图文装饰工艺”,表面技术,2001年第4期

  全文摘自2015全国铝门窗幕墙行业年会论文集《不锈钢板幕墙设计、施工要点》,作者孟根宝力高,王晓明。转载请注明出处和作者。