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不锈钢板幕墙设计、施工要点

来源:沈阳远大铝业工程有限公司  作者:孟根宝力高 王晓明  日期:2015-3-31
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  提要:新技术、新材料和传统材料的新用都为建筑设计多样化、个性化表达提供了新手段。不锈钢板作为外立面装饰材料历史久远,品种也较多。但由于其一次性成本较高、加工工艺要求高、光反射率高(造成对表面平整的敏感度高),超高层建筑外立面大面积使用并不多,一般在建筑低层部分起点缀采用。随着不锈钢性价比的提高以及幕墙应用技术的进步,作为可循环使用材料,在建筑外立面应用处于上升趋势。本文结合不锈钢板材基础研究与世博主题馆、深圳平安大厦等不锈钢幕墙实际应用案例,对比不同形式不锈钢应用特点,探讨常用不锈钢板幕墙设计、施工相关技术要点。试图为不锈钢板幕墙及类似幕墙设计提供启发性思路,以起到抛砖引玉的作用。
  关键词:不锈钢板、残余应力、平整度、幕墙设计

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  [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(词条“铝”由行业大百科提供)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(词条“荷载”由行业大百科提供)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(词条“挠曲”由行业大百科提供)进行计算。根据《不锈钢棒(词条“不锈钢棒”由行业大百科提供)》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(词条“强度设计值”由行业大百科提供)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。

  [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(词条“表面处理”由行业大百科提供)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(词条“氧化”由行业大百科提供)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

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专家介绍

 孟根宝力高

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:沈阳远大铝业工程有限公司

技术职称:*

专业:建筑幕墙设计、施工管理

专长:高层建筑幕墙设计及施工管理

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2015-3-31/38928-1.htm
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