上海中心大廈塔冠外露鋼結構防腐涂裝體系的研究與實踐

宋偉寧

(上海中心大廈建設發展有限公司，上海，200120)

1 引言

上海中心大廈從118層以上部分被定義為塔冠建筑，是塔樓的第九分區。其中，外露鋼結構從121層一直到建筑的頂端，建筑標高區間為562 m～632 m。在國內樓宇建筑中，上海中心大廈塔冠首次達到了600 m以上這樣的高度。就自然條件而言，上海歷史上極端最低氣溫根據資料顯示為－12．1℃。塔樓施工期間，未涂裝部分鋼結構曝露在夏天太陽直曬的情況下，表面實測到的最高溫度約為74℃;有涂裝部分因反射效應溫度稍低一些，但也在60℃以上。由于塔冠高度超高，受太陽紫外線輻射會更強烈，同時，在惡劣氣象條件下，受大風、暴雨、冰刨和冰粒襲擊的機率較之常規高層建筑要來得高。從施工條件來看，地處陸家嘴中心區的上海中心大廈，除了比鄰已有的金茂大廈和環球金融中心兩座超高層建筑，周邊高層辦公樓和公寓林立，施工環境制約度高;另外，在600 m以上高空進行施工，施工難度前所未有。因而，對于上海中心大廈塔冠外露鋼結構防腐涂裝體系的選取，需要綜合考慮多方面因素并進行細致的研究。

2 外露鋼結構防腐體系初步設計方案與評估

上海中心大廈工程塔冠鋼結構防腐處理不僅涉及鋼結構防腐年限和質量，還關系到建筑效果、幕墻、機電設備安裝、施工可實施性、環境影響、產品保護和造價控制等多方面因素。塔冠外露鋼結構基于其客觀的使用條件，重防腐措施必然是考慮的方向。在初步設計和施工圖設計中，設計師采用了熱浸鋅方式作為塔冠外露鋼結構的防腐體系。但是，當設計進入到深化階段時，許多當時尚未細究的問題逐漸浮現出來。

從一般意義上來講，熱浸鋅鋼結構比油漆涂裝鋼結構防腐年限要長，因而防腐可靠度也更高。但上海中心大廈塔冠基本上是一個設備塔冠，鑒于結構主體的施工進度，塔冠多種設備與鋼結構連接部件在鋼構件廠家實施鍍鋅之前全部完成加工安裝是不可能的，也是不現實的，因此現場焊接的工作無法避免。鍍鋅構件一旦實施燒焊，鋅層便被破壞，需要現場后期修補，而高空現場補鋅的質量難以控制和保證，這往往導致補鋅處先于其他部位產生腐蝕，熱浸鋅整體耐腐年限就會大打折扣。除此之外，上海中心大廈塔冠鋼結構如果采用熱浸鋅涂裝將在以下幾個方面產生負面影響:

(1)建筑效果方面。因鍍鋅槽尺寸限制，鋼構件必須大量分段，由此產生數量較多的法蘭連接節點，影響建筑觀感，尤其是在多桿交匯部位。另外，鋅層長期暴露在空氣中也會慢慢氧化，形成不同程度的氧化色斑，因而早在抗腐能力失效之前，建筑美觀已經無法令人滿意;若要修復，工作量和難度遠超過油漆復涂。

(2)幕墻和機電管線安裝方面。外幕墻與環梁及鰭狀桁架之間空間狹小，泛光照明大量布線，風力發電裝置、長距離的馬道，冷卻塔和消防水箱與結構桿件之間尺度也十分局促。施工總包表示:大量法蘭板的存在，對深化設計和安裝尤其是數量眾多的多桿交匯節點的安裝帶來了很大的困難。

(3)環境影響和產品保護方面。熱浸鋅工藝產生的廢水對環境污染度高、能耗大。現場采用補鋅，高熱鋅粉會隨風漂散，影響周邊環境。同時，難以對已完成安裝的幕墻和機電設備進行保護。對此，各相關分包商認為，產品保護無法控制。

(4)安裝精度控制方面。熱浸鋅桿件會產生一定的變形，這對鋼構件加工和現場安裝精度帶來實施和控制方面的困難。

(2015年徐州市中考數學卷第26題)如圖1，在矩形OABC中，OA=3，OC=5，分別以OA、OC所在直線為x軸、y軸，建立平面直角坐標系，D是邊CB上的一個動點(不與C、B重合)，反比例函數的圖象經過點D且與邊BA交于點E，連接DE．

(5)造價因素。熱浸鋅會產生大量的法蘭連接板和高強螺栓，且螺栓要經酸洗處理，避免“氫脆”等潛在的結構隱患。因此，造價增加較多。

綜合考慮上述因素，塔冠工程技術聯席會議否定了原有的施工圖設計方案，結合國內外露鋼結構防腐體系工程應用進展［1-3］，初步提出利用高品質油漆方案代替原有設計方案。雖然高品質油漆方案整體耐久性理論上不如鍍鋅方案，但基本上可以歸避上述不利因素，只要做到維護全覆蓋，在大廈塔冠鋼結構防腐方面，有其相對的綜合優勢。

3 外露鋼結構防腐體系的深化研究

3．1 高品質油漆方案評估與工程案例研究

在初步考慮將高品質油漆方案替代熱浸鋅方案的同時，建設單位組織設計師對國內采用高品質油漆方案的既有建筑物進行了考查，圖1為采用高品質油漆方案的上海某超高層頂部鋼支撐結構。從實際使用情況來看，盡管采用進口高性能防腐油漆的耐久性會好一些。但是，焊縫尤其是現場焊縫和易積水部位是防銹蝕的薄弱環節，需要謹慎應對。

圖1 某高層建筑防腐實況Fig．1 Statues of anti-corrosion for top structure of a high rise building

考慮到上海中心大廈工程的特殊性，項目團隊對于國內先進的工程防腐體系進行了調查研究，主要調研對象包括以下工程項目:①三峽水利樞紐鋼結構涂裝試驗;②上海崇隧大橋鋼結構防腐體系設計;③廣州新電視塔鋼結構涂裝方案;④上海五角場立交環島裝飾鋼外罩防腐;⑤北京T-3航站樓外露鋼結構防腐;⑥中國商飛制造中心總裝車間涂裝等工程。

各工程采用的防腐體系及現狀分別如下所述:

(1)三峽工程鋼結構涂裝試驗的結果表明，在噴稀土鋁、酶酸鉗、鋅鋁合金、鋅 、鋁等5種長效防護體系的熱噴金屬材料中，噴鋅腐蝕速度最大，噴鋁最小，噴鋅鋁合金的腐蝕速度與噴鋁接近。熱噴金屬材料加上封閉涂料體系，其防護壽命預計可達20年以上。涂料應配套使用，底漆、中間漆和面漆宜采用同一廠家產品。三峽二期工程大部分鋼構件采用熱噴金屬和涂料聯合防腐體系，總干膜厚度為 300 ～340 μm［4］。

(2)上海崇隧大橋防腐設計。大橋鋼梁外表面采用了電弧噴鋁底涂+環氧封閉漆+環氧云鐵中間漆兩道+聚氨酯面漆(或氟碳面漆)兩道，總干膜厚度為380(360)μm。

(3)廣州新電視塔鋼結構防腐方案。外筒鋼結構鋼管外表面其防腐配套體系設計方案為電弧噴鋁底涂+環氧封閉漆+環氧云鐵中間漆+高性能環保型面漆，總干膜厚度≥320 μm。鋼構件現場焊縫處其防腐配套體系設計方案為氧乙炔火焰噴涂鎳包鋁+氧乙炔火焰噴鋁+環氧封閉漆+環氧云鐵中間漆+聚硅氧烷面漆，總干膜厚度≥370 μm(圖2)。2004年工程完工以來整體包括焊縫部位尚未出現明顯銹蝕問題，但現場噴鋁的不利因素會導致鋁粉末顆粒隨風飄散形成較大范圍的粘染，對此實施單位也做了相應的改進。

圖2 廣州新電視塔防腐實景Fig．2 Statues of anti-corrosion for Guangzhou New TV Tower

(4)上海五角場中環“彩蛋”裝飾工程。鋼構件外表面其防腐配套體系為鋅50 μm+環氧云鐵中間漆100 μm+可復涂聚氨酯面漆60 μm，總干膜厚度≥210 μm(見圖3)。該工程于2005年投入使用后，整體包括焊縫部位尚未出現明顯銹蝕問題，施工時也未對周邊環境造成污染。

圖3 上海五角場立交橋裝飾鋼外罩防腐實景Fig．3 Statues of anti-corrosion for steel cage of Wujiaochang overpass in Shanghai

3．2 面漆比選

通過對以上工程的調研分析，項目團隊基本確定了上海中心大廈塔冠鋼結構防腐體系的調整方向。此外，在防腐工程實踐中，面漆選取也是較為重要的問題。

在面漆選擇方面，目前比較常用的有聚氨酯、氟碳漆和聚硅氧烷三種產品，它們的性能對比見表 1［5］。

表1 面漆性能對比Table 1 Comparison between different paintings

從上述性能和產品使用的比較中，可以看出，聚硅氧烷的綜合性能較好。這一產品的優越性能尤其是出色的環保性能(低VOC含量)受到歐美國家的重視。國內重大工程使用的案例有北京T3航站樓(圖4)、中國商飛總裝車間(圖5)、深圳大運中心主體育場等，且實際效果滿足設計長效防腐的要求。

圖4 北京T-3航站樓Fig．4 Statues of anti-corrosion for Beijing T-3 Airport

圖5 中國商飛總裝車間Fig．5 Statues of anti-corrosion for assembling workshop of COMAC

4 防腐體系的試驗驗證與實施

4．1 防腐體系試驗驗證

經歷了大量的調研與分析，項目團隊初步形成了采用一種組合型配套防護體系的方案思路，即:工廠加工的部分，底涂采用熱噴鋁+環氧封閉漆，中間漆為環氧云鐵兩道，面漆為聚硅氧烷兩道;現場焊縫的部分，底涂采用富鋅涂層+環氧封閉漆，中間漆和面漆相同。現場以滾涂(涂刷)代替噴涂，避免污染環境和其他成品。面漆采用環保型聚硅氧烷與上海中心大廈綠色建筑的特征相匹配。總的結構防腐配套體學見表2。

表2 塔冠外露鋼結構防腐配套體系Table 2 Anti-corrosion system

為了論證此種防腐體系的可靠性，項目團隊要求實施單位對上述防護體系進行了施工模擬實證檢驗。測試對象覆蓋非焊接區和焊接區，共90塊試板，形成9種對照組，進行5項試驗:①中性鹽霧試驗;②人工氣候老化和人工輻射曝露試驗;③高低溫濕熱交變試驗;④附著力試驗;⑤抗石擊硬度試驗。前三項試驗分別利用實驗室環境模擬中性鹽霧、氣候老化、輻射以及高低溫交變環境，試驗周期結束后，測試涂層附著力;石擊試驗為模擬冰雹沖擊復合涂層后，評估涂層剝損的情況。試驗周期為一個月。

試驗結果表明:擬采用的防護配套體系基本上都通過了嚴格的測試，最小附著力為18 MPa，66%試件附著力測試在20 MPa以上，試驗試件如圖6所示［6］。在焊縫區，鋅加涂膜鍍鋅、冷鍍鋅氣霧劑和環氧富鋅三類產品中，鋅加涂膜鍍鋅的性能最好。在非焊縫區，通過附著力、剝離程度、開裂級等指標比對來選定底涂與中間漆兼容性最好的配套組合;通過變色、失光級和附著力指標來選定面漆與中間漆兼容性最好的配套組合。在熱噴鋁方面，由于測試指標接近，則通過經濟性、施工經驗和現場配合能力來選定廠家。承包商推薦的易操作的670HS環氧補漆材料因其補充對照性試驗結果不理想而未被項目組采納。嚴格的試驗，驗證了新擬定的防腐體系的合理性;嚴格的篩選，明確了性價比最高的產品組合配套體系，為大廈塔冠外露鋼構防腐把好了材料選擇關。

圖6 試驗試件Fig．6 Experiment specimen

4．2 防腐體系施工質量控制措施

在防腐涂裝方面，好的、適合材料的選定僅僅是第一步，更關鍵的還在于施工工藝的控制、質量的把關和產品的保護。由于上海中心大廈塔冠特殊的高空環境，現場施工質量把控就顯得尤為重要。除了制定嚴格的工藝流程，保證天氣、溫度、濕度、風速、表面預處理、產品檢驗、配制和工序間隔等施工程序符合涂裝條件，在正式施工前，必須對操作人員進行工藝交底;施工過程中，廠家技服人員必須旁站指導和監督;工序交接應有簽字記錄。工序檢驗規定:①自檢由操作工自己檢驗，互檢由作業班長檢驗;②專檢由專職檢驗員檢驗;③專檢合格后報監理工程師檢驗，檢驗合格方可進入下道工序。每次檢驗過程中發現的問題都必須認真處理直到達到質量要求為止。施工質量記錄規定:在施工過程中應按質量保證體系的要求做施工記錄，確保施工質量的可追溯性，記錄內容包括工件名稱、型號、編號、施工環境狀況、施工時間、施工內容、檢驗記錄等。

若噴鋁底涂發生破壞，用鋅加涂膜鍍鋅按照工藝程序進行修復。最后一道面漆和補漆涂裝施工:先用毛刷對邊角等小部位進行面漆預涂，再整體涂刷面漆。要求精心施工，不得有漏涂、流掛、起泡等外觀缺陷，確保外觀的美觀性。最后，涂裝完成的部分應加強成品保護。

5 結論

上海中心大廈塔冠外露鋼結構防腐由于它的獨特性，經歷了從常規經驗到更改設計，從廣泛調研、針對性分析到形成專項方案并經由試驗檢驗而得以明確配套體系的這樣一個過程。在這一研究和實踐的過程中得到了以下結論:

(1)大型工程總有其特殊部分或特殊性，針對這樣的部分和屬性，常規的經驗往往無法適用，在鋼結構防腐方面也同樣如此。上海中心大廈塔冠防腐就是針對其特殊性，在進行大量調查研究并經過試驗驗證的基礎上，找到了適合于這種特殊性的新防護配套體系。

(2)鋼結構長效防腐是基于多環節相互依賴的，首先是合適的材料選擇，其次是正確工藝和工序的操作，第三是質量把關程序的嚴格執行，最后是良好的成品保護及修復措施。設計人員、施工人員和監督人員不具備上述系統的意識將難以達到預期的質量目標。

(3)以目前的技術和材料條件，鋼結構防腐不可能是一項一勞永逸的工作，其總體成本控制往往取決于第一次防腐的工作理念。首次的防腐工作做得認真和恰當，即使開始時稍許增加了投資和時間成本，但長期的成本控制將會是成功的。

［1］ Paints and varnishes corrosion protection of steel structures by protective paint systems part 5:protective paint systems［S］．ISO 12944-5:2007．

［2］ 彭菊芳，莊振宇．鋼結構防腐涂料體系國內外標準現狀［J］．上海涂料，2012，5:25-32．Peng Jufang，Zhuang Zhenyu．The development and application of corrosion protective coatings at home and abroad［J］．Shanghai Painting，2012，5:25-32．(in Chinese)

［3］ 王軍，付強，閆雪峰．我國跨海大橋鋼結構防腐保護與涂裝［J］．現代涂料與涂裝，2008，10:37-41．Wang Jun，Fu Qiang，Yan Xuefeng．The development and application of corrosion protective coatings of the oversea bridges［J］Modern Dainting Finishing，2008，10:37-41．(in Chinese)

［4］ 曾德龍，卜建欣．三峽金屬結構防腐蝕措施研究［J］．中國三峽建設，2003，(2):13-15．Zeng Delong，Bu Jianxin．The study of measures of anti-corrosion for steel structure in Three Gorges Engineering［J］Constructions of Three Gorges in China，2003，(2):13-15．(in Chinese)

［5］ 李榮俊．重防腐涂裝用聚氨酯、氟碳、聚硅氧烷3種面漆比較［J］．上海涂料，2012，5:44-46．Li Rongjun．The comparison between three different paintings［J］Shanghai Painting，2012，5:44-46．(in Chinese)

［6］ 上海中心大廈塔冠鋼結構防腐檢驗報告［R］．2013．The test report of painting work for crown steel structures of Shanghai Tower，［R］．2013．(in Chinese)