我國建筑外露鋼結構的應用和技術規范制訂探討

鮑豐 崔莎莎

0 引言

1970年代，高科技建筑運動在英國和歐洲部分地區興起，主張將高科技工業和技術元素融合到建筑中，同時期許多建筑采用了精心設計的像外骨骼一樣顯露的組裝式鋼結構系統[1]。在20世紀80年代中后期美國芝加哥奧黑爾國際機場（O' Hare International Airport）航站樓建造時，建筑師對外露鋼結構系統進一步按照建筑美學原則進行了工藝化處理，效果較佳，鋼結構首次可以展示細節，像建筑細部一樣品評觀賞。這樣的鋼結構在歐美國家稱為AESS（Architecturally Exposed Structural Steel），即建筑外露鋼結構，兼具建筑和結構的雙重屬性，在室內外裝飾工程完成后，仍然顯露于公共空間中。建筑外露鋼結構具有金屬的質感，同時展現出制造的工藝和力學之美，給以玻璃、薄膜和鋼材為主要材料構建的“透明性”建筑空間提供了完美的結構解決方案。建筑外露鋼結構是高質量的鋼結構產品，近年來我國新建的交通樞紐、體育場館等大型綜合性公共建筑已有初步的應用。

1 我國建筑外露鋼結構的應用現狀和國外規范簡介

1.1 我國建筑外露鋼結構的應用現狀

建筑外露鋼結構是建筑師主動改進和顯示鋼結構系統的結果，因此應在建筑設計文件中進行專項設計，清楚地說明應用目的、范圍、做法和技術要求。這樣的工程在國內非常少，基本帶有外資或港資背景，項目建筑師和現場工程師管理團隊熟悉AESS的理念，也具有一定的工程經驗，如上海迪士尼樂園項目，其明日世界主題區中包括308CANOPY在內的3個鋼結構子分部按設計要求確定為AESS，參照美國的AESS相關規范進行制造、安裝和驗收。

目前我國還沒有建筑外露鋼結構的專業技術規范，甚至行業內對這一術語也沒有統一的定義，但國內許多建筑中公共區域的鋼結構已經處于建筑外露鋼結構的應用場景中，帶有建筑外露鋼結構的基本特征。這樣的情況可分為兩種，一是鋼結構顯露在室內（透明空間），如上海浦東國際機場航站樓（如圖1所示），結構張弦鋼梁從明亮的采光天窗和屋頂裝飾中凸顯出來；二是鋼結構顯露在室外，如麗水市體育中心體育館（如圖2所示），結構鋼網格直接暴露在建筑外表面。

圖1 浦東國際機場航站樓

圖2 麗水市體育中心體育館

上面舉例的兩個項目都獲得了“中國鋼結構金獎”，質量已是優中選優，但這僅是相對標準鋼結構而言，與典型的歐美AESS相比，在公共區域顯露出來的鋼結構表觀質量一般，建筑藝術表現力尚有一定差距，國內其他類似項目的鋼結構情況也基本如此。近年來，國內的鋼結構公司承接了很多全面執行AESS規范的海外鋼結構工程，有的做構件加工，也有的包含現場安裝，這些鋼結構企業已經積累了豐富的經驗，對于前述和其他類似項目中公共區域顯露的鋼結構，完全能夠按照建筑外露鋼結構的技術標準高質量地完成施工。因此，盡快制訂我國建筑外露鋼結構技術規范，用以指導建筑外露鋼結構應用，是必要的、可行的。

1.2 國外AESS規范內容簡介

國外AESS以美國規范為代表，美國ANSI/AISC 303-16《鋼建筑和橋梁標準應用規范》[2]中前面各章對標準鋼結構的應用進行規定，最后一章為AESS（以下簡稱美標AESS），重點內容包括：（1）按照鋼結構外觀處理的精細程度和觀看距離分為AESS1～AESS4和AESSC共5類，其中AESSC用以約定用戶的特殊需求；（2）重視工廠的制造經驗和工藝技術，構件的焊縫表觀質量和單元外形尺寸的允許偏差比標準鋼結構更嚴格；（3）強調建筑師、業主和制造廠家之間對于鋼結構表觀質量水平認識的協調，建議預先制造實體節點/連接樣品作為質量評定參照物；（4）根據工程預算來確定AESS的應用類別、具體的做法和細節等。

美標AESS著重于構件單元的制造和節點連接的表面處理，但對鋼結構安裝技術和安裝后的整體效果重視不足，如長彎結構件主軸線的流暢性、拼接接頭過渡的圓順性等。另外，新鋼結構類型如網格結構、索承結構等已大量應用于大跨度建筑空間中，這些新時代的工業成就可以結合建筑外露鋼結構在適合的場景中有所表現，美標AESS對此沒有涉及。

1.3 我國推行建筑外露鋼結構的比較優勢

相較歐美，我國當今推行建筑外露鋼結構有著明顯的優勢：（1）鋼鐵產能高，新型管型材（圓管、方管）質量穩定、規格齊全，市場供貨充足；（2）建筑焊工人數多，技術精湛，人工成本低；（3）生產設備先進，制造經驗豐富，專業彎管、鑄鋼件制造等細分市場完善；（4）新技術研發強勁，BIM+、仿真預拼裝等數字技術加速推廣應用。

2 我國制訂建筑外露鋼結構技術規范的核心內容探討

我國制訂建筑外露鋼結構技術規范應基于當前國情與美標AESS相協調，宜在外觀質量水平上保持基本相當，在智能制造和BIM+、仿真預拼裝等數字新科技應用上適度領先。

限于篇幅，本文主要對建筑外露鋼結構的概念和直接影響實體質量的核心內容進行探討。

2.1 術語

建筑外露鋼結構是指既滿足建筑的結構支撐作用又同時表達建筑藝術語言的外露的鋼結構，簡稱建筑鋼結構。

2.2 分級

人眼在日光環境中能夠清晰分辨出兩個光點的極限分辨角為1'（角度），即在距離6m處能夠看清大約尺寸為1.74mm的物體細節。通常情況下，考慮到觀察的背景條件，大多數人只能看清4m左右以外的物體細節，所以并非所有的建筑外露鋼結構都要做得一樣精細。進行分級時考慮的主要因素包括：連接采用焊接或栓接、制造和安裝要求的間隙限制、型鋼的類型和尺寸、室內或室外環境、防火和防腐要求等。建議分為4級（與美標AESS基本對應）：

A1：基本處理，需采取加強的制造工藝措施；

A2：特性處理，距離觀看者﹥6m，可以看到金屬制造的工藝表現；對焊縫、連接和制造細節采取加強處理，謹慎控制構件組裝間隙寬度；

A3：特性處理，距離觀看者≤6m，清楚顯示金屬制造的工藝水平；能看到連接的表面細節，焊縫應打磨平滑，構件組裝間隙更加緊湊，間隙寬度統一，表面涂層外觀一致；

A4：展品處理，對于鋼結構的表面和邊緣進行超出拼裝連接的特別處理，感覺焊縫本身是其中的一部分，從外觀看起來像一個整體；外形尺寸偏差限制更加嚴格，所有的表面非常平滑。

A1～A4級進行外觀處理的內容（項目）應在具體的規范條文中詳細列出，其中部分主要控制參數見本文第2.4節。

2.3 設計

2.3.1 建筑設計

建筑外露鋼結構制造、安裝費工耗時，成本較高，建筑師和業主應充分協商，根據場景的需要仔細選定等級，考慮的主要因素包括：建筑物的用途、觀看距離、涂裝方式、環境亮度、藝術風格和預算等，不同的建筑部位可以采用不同的等級（如圖3所示）。建筑師還要深入地參與結構細節的設計，比如節點的形狀、連接的方式（螺栓連接或焊接）等。管型材（方管、圓管）外形充實，相互之間可以直接相貫焊接，節點構造簡潔，連接過渡自然，并且我國的管型材產品規格齊全，市場供應充足，所以在較低位置時宜優先考慮采用；相對地，H型鋼斷面開放，易受腐蝕，雖然螺栓連接的節點安裝方便、成本低廉，但用作建筑外露鋼結構顯得有些低端。處于室外的鋼結構如開敞中庭、檐廊、車站雨棚等，通常情況下涂裝應以防腐為主、防火次之，建議建筑師依據防火規范仔細把握耐火極限時間，采用薄型/超薄型防火涂料，以便能夠顯示出連接的制造工藝。結構細節設計成就建筑之美[3]（如圖4所示）。

圖3 建筑外露鋼結構的分級采用

圖4 結構細節之美

2.3.2 詳圖設計

應創立建筑信息模型（BIM），在鋼結構整體的3D模型中優化結構構件的分段和節點設計。通常采取的優化方法包括：（1）焊縫位置優化：在滿足結構強度的前提下，將直接外露的焊縫改變至隱蔽位置或朝向非外露面；盡量不在構件上焊接吊耳，如果安裝方案要求必須做，可將吊耳焊接在非外露面，對于開口圓管則可以焊接在管口內部；（2）焊縫型式優化：如將搭接角焊縫改變為對接焊縫，將管型構件端部的封口板角焊縫改為剖口焊縫，打磨后看起來更加自然、順暢；（3）焊縫尺寸優化：根據連接強度需要盡量減小焊縫尺寸；（4）節點形式優化：如將管桁架K型相貫節點的插板取消，改為在主管內增設加勁肋，節點外形簡潔美觀；（5）拼接分段位置優化：在鋼結構BIM的3D整體模型中調整各構件分段的長度，將分段拼接點設置在不易引起注意的位置。

精細施工管理條件下，在詳圖和安裝圖中標明用以顯露的表面能夠盡可能減少建筑外露鋼結構制造的工作量。

2.4 實體制造

2.4.1 原材料

原材料的品種、規格、性能應符合現行國家標準的規定并滿足設計要求。不建議設置更嚴格的原材料外形尺寸偏差，會不必要地推高采購成本。原材料的外形尺寸如型材主軸的平直度、管口橢圓度、鋼板平整度等有偏差的，必要時可在下料前進行矯正。鋼管型材應優先采用無縫鋼管；處于外露環境對耐腐蝕有特殊要求或處于侵蝕性環境中的承重結構宜采用耐候鋼。防腐涂裝材料按照設計要求選用，根據建筑物的重要性、環境腐蝕條件、施工和維修條件等合理確定防腐蝕年限，涂裝材料應環保節能。

2.4.2 加工制作

切割鋼板時應采用等離子切割機，用于相貫連接的鋼管桿件應用三維數控車床或數控相貫線切割機下料，構件的端面銑平應用端銑床加工。

建筑外露鋼結構外觀質量的允許偏差嚴于標準鋼結構，但應適當。以下表中建筑外露鋼結構的允許偏差數值部分參考了美標AESS和團體標準《建筑外露彎曲鋼管構件》（T/ZZB 2342-2021）[4]，并與國標《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB50205-2020）[5]相對比，可以看出建筑外露鋼結構較高的質量水平。

（1）焊接的外觀質量

打磨是提高焊縫表觀形象最有效的修飾手段。角焊縫和對接與角接的組合焊縫宜采用船形焊接工藝施焊，表面打磨光滑；所有的背襯板、引弧板等應去除并將焊縫打磨光滑；安裝吊耳、臨時支架的焊縫和構件表面的鉛印標記等應打磨光滑。打磨現場要求光線充足，陰角等無法打磨位置可以采用內磨頭局部銷弧；對于不影響強度的材料表面缺陷，允許使用原子漆進行適當的補填修飾。連續的焊縫外形尺寸應保持一致，對接焊縫的外形尺寸允許偏差如表1所示，其中A1、A2級對接焊縫余高不超過2.0mm，A3、A4級對接焊縫應保持平滑、圓弧過渡，指摸無凸起。

表1 焊縫的外形尺寸允許偏差

（2）鑄鋼件的外觀質量

近年來新型結構中使用鑄鋼件的情況明顯增多，如索承結構的索頭、樹狀柱支撐的分杈點、管桁結構的雙K型節點等。鑄鋼件的表面比較粗糙，當鑄鋼件用作A2～A4級建筑外露鋼結構時，應將表面打磨光滑。

（3）預拼裝單元的外觀質量

構件組裝間隙應符合設計和工藝文件要求，由于制造工序多、制造過程中影響因素多，組裝允許偏差應根據成品基本尺寸允許偏差并結合其結構特點、制造工藝等而定[6]。當設計和工藝文件無規定時，組裝間隙不應大于2.0mm。直線型柱構件應筆直、挺拔，曲線型構件整體上線形流暢，分段的拼接連接過渡自然、通順，無明顯折角。A2～A4級預拼裝單元的允許偏差如表2所示：

表2 預拼裝單元的允許偏差

宜采用工業級激光掃描儀生成構件單元的3D實體模型，進行計算機仿真模擬預拼裝，必要時在出廠前進行整改，消除拼接接頭折角、錯邊等；A3、A4級構件對接連接處截面的形狀、尺寸應相互匹配。

（4）涂裝的外觀質量

厚型防火涂料表面可批膩子修飾，表面應平整、順直，陰陽角方正。A3、A4級構件飾面涂料應涂刷均勻，顏色一致，材料質感符合設計要求。

2.5 運輸、現場安裝與成品保護

出廠運輸時每根構件都要單獨包裝，相互間留有縫隙，以免碰撞，并用方木等固定。吊裝應采用軟性吊帶，捆綁構件的轉角處設置弧形墊板；臨時存放的場地應平整，構件用方木墊起。現場安裝應嚴格控制施工誤差，并將實際誤差在整體BIM模型上標定；可利用構件出廠時已掃描的3D實體模型，根據現場實際安裝誤差再進行計算機仿真模擬拼裝，及時整改和調整。構件安裝后，后續施工的其他工種均應采取相應的措施，加強對鋼結構的成品保護。

2.6 工程資料

設計文件或施工合同中指定的建筑外露鋼結構構件，在鋼結構設計詳圖（包括安裝圖）和現場安裝資料應有明確標示和記錄。

3 相關問題探討

3.1 完善評優辦法以全面評價建筑外露鋼結構的質量水平

目前我國建筑工程行業施行的各級優質工程評選辦法，均將鋼結構統一歸入主體結構分部中，按結構子分部進行驗收并參加優質結構的評定。對于建筑外露鋼結構，如僅僅看重結構安全，就會忽視建筑屬性的特殊價值。建議優質工程評選辦法增加建筑外露鋼結構的相應考評，比如在“中國鋼結構金獎”評選辦法的“工程施工難度”項目中設置評分點，以全面評價建筑外露鋼結構的整體質量，鼓勵和引領我國鋼結構制造向高端發展。

3.2 工程造價控制

優質優價的原則決定了建筑外露鋼結構的工程造價必然較高，即使在我國人工費偏低的情況下，A3、A4級的制造成本也可能達到標準鋼結構的1.3～ 1.8倍以上。為此，建筑師和業主要慎重地評估和協調建筑外露鋼結構的應用，采取降低造價的措施，如使用非膨脹型（厚型）防火涂料的構件可以不做精細的表面處理，或指定構件的非外露表面以盡可能減少精細處理的工作量等。

觀感質量的評價具有一定的主觀性，在構件正式生產之前，制作一個包含各種節點/連接類型并經建筑師和業主方認可的實體樣品，不僅是“樣板引路”的質量保證措施，也是后期完工驗收的參照依據。預先在施工合同中約定驗收標準和計價、結算方式，可以避免糾紛。

3.3 國標驗收規范條文的協調問題

國標《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB50205-2020）第13.2.9：涂裝完成后，構件的標志、標記和編號應清晰完整。對于建筑外露鋼結構來說，這些遺留的標記會損害構件表觀的一致性，建議允許在構件進場驗收后，將這些工廠標記打磨清除，同時在工程資料中詳細記錄。

4 結論

建筑外露鋼結構具有較強的建筑藝術表現力，適當應用于交通樞紐、體育場館、城市綜合體等公共建筑中，能夠較好地提升建筑品質。通過推行建筑外露鋼結構，可提升我國高端鋼結構的制造水平，增強建筑企業走出去服務“一帶一路”國家發展戰略的能力，打開更為廣闊的海外市場。本文探討了我國制訂建筑外露鋼結構技術規范的必要性和規范核心內容，對制造工藝和外觀質量的允許偏差數值提出具體規定，為盡快制訂技術規范提供了有價值的參考。