上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

AESS（Architecturally Exposed Structural Steel，建筑外露結(jié)構(gòu)鋼）是指在滿(mǎn)足建筑中鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求前提下，保持鋼結(jié)構(gòu)及其連接處等細(xì)節(jié)部位外露可視的結(jié)構(gòu)形式[1]。這種新型設(shè)計(jì)理念，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和完美性要求已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)外露鋼結(jié)構(gòu)的處理方法。

1 工程概況

某群體商業(yè)建筑其中一棟商場(chǎng)由大小同心圓的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)圈小圓半徑為6 m，柱高為10 m；外圈大圓半徑為12 m，柱高為5.8 m。每根圓柱上均焊有多個(gè)牛腿，圓柱間通過(guò)擱置在牛腿上的桁架連接并組成整體。整個(gè)建筑的鋼結(jié)構(gòu)圓柱與牛腿通過(guò)焊接連接、桁架自身也由鋼結(jié)構(gòu)焊接組合而成，對(duì)于暴露在游客視線(xiàn)范圍及某些特殊要求的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均需符合AESS標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)美國(guó)SPECIFICATION（技術(shù)規(guī)格書(shū)）里相關(guān)AESS生產(chǎn)要求大致如下[2]：

（a）當(dāng)特征鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可視距離大于6 m時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程要求有基本的相關(guān)制造經(jīng)驗(yàn)，能重點(diǎn)處理焊縫、連接等制造細(xì)節(jié)，合理處理間隙的容許偏差；

（b） 當(dāng)特征鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可視距離小于或等于6 m時(shí)，表示設(shè)計(jì)師愿意讓游客看到這些金屬藝術(shù)品，因此要求焊縫表面平整光滑，但適量打磨的痕跡也是允許的；

（c）對(duì)于有特別要求的構(gòu)件，尤其是設(shè)計(jì)師那些特意展示給游客的鋼結(jié)構(gòu)部位，所有的焊縫經(jīng)打磨、填充等處理后，必須非常光滑平整，讓游客感覺(jué)焊縫本身就是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體的一部分，因此生產(chǎn)時(shí)的容許偏差值將更加苛刻和嚴(yán)格（通常容許誤差為常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)公差的一半）。所有表面要用手指摸起來(lái)感到非常的平滑

2 業(yè)主要求

結(jié)合AESS標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)主又提出一些要求。如圖1中（a）為圓柱與牛腿的貼角焊縫的常規(guī)氣保焊做法，從圖中可以看出焊縫非常飽滿(mǎn)。業(yè)主希望做到如圖（b）中焊縫表面與構(gòu)件成45°平面或者如圖（c）中的凹圓的效果。圖（b）中貼角焊縫焊接時(shí)，可適當(dāng)考慮開(kāi)剖口，圖（c）中貼角焊縫考慮到后期需進(jìn)行打磨美化，因此應(yīng)該采用開(kāi)坡口全熔透或半熔透焊接工藝，以確保打磨后不影響焊縫質(zhì)量和強(qiáng)度。

圖1 焊縫類(lèi)型

3 摸索與改進(jìn)[3-8]

3.1 前期摸索

本工程難點(diǎn)在于對(duì)焊縫的工藝化處理，且由于大多數(shù)是由圓柱和牛腿焊接造成的焊縫及大量的貼角焊縫，給施工造成極大的困難。最初工廠按照傳統(tǒng)的氣保焊焊接圓柱和牛腿的模型，此時(shí)焊縫效果達(dá)到圖1（a），在此基礎(chǔ)上，綜合考慮國(guó)內(nèi)目前欠缺有針對(duì)性的、大型打磨機(jī)械，因而前期先采用角向磨光機(jī)。

為方便比較，實(shí)驗(yàn)時(shí)取2 組焊縫進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)打磨和油漆處理，可提高外露鋼結(jié)構(gòu)的美觀程度，且因打磨造成的些許瑕疵，并不會(huì)嚴(yán)重影響后期的美觀度。

通過(guò)2 組樣品打磨前后的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)打磨的樣品經(jīng)過(guò)上油漆后表面非常粗糙、不美觀。經(jīng)少許打磨后再上油漆的樣品，由于手工打磨，不均勻，上油漆后焊縫呈現(xiàn)魚(yú)尾狀，雖然美觀度些許提高，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足業(yè)主要求。

3.2 改進(jìn)措施

改進(jìn)施工工藝：焊接圓柱與牛腿時(shí)，借住支架焊接2 條比較筆直的焊縫，由于是氣保焊，焊縫之間會(huì)自然留出一定凹槽，在不影響焊縫質(zhì)量的前提下又便于后期打磨；直接采用坡口熔透焊，然后再通過(guò)后期器具打磨焊縫表面，這樣可以最小限度減小對(duì)焊縫強(qiáng)度的損傷。

與最初的焊接工藝相比，打磨后的焊縫和上過(guò)底漆的焊縫都有較明顯的進(jìn)步。

貼角焊縫尤其是角落處不容易打磨，普通的角向磨光機(jī)對(duì)角落無(wú)能為力，因此，我們針對(duì)不同焊接角落配置磨頭機(jī)，且根據(jù)不同位置的焊縫，置備多種不同規(guī)格型號(hào)的磨頭。部分規(guī)則的焊縫可采用機(jī)械化一次性打磨，而針對(duì)圓柱上的焊縫，則需采用人工配合打磨。與此同時(shí)，為避免打磨器具對(duì)焊腳邊緣的影響及破壞，另制作出輔助刮片來(lái)保證整條焊縫的平整性。

通過(guò)進(jìn)一步打磨后，如圖2所示，焊縫外觀有很大的改觀。對(duì)于超過(guò)6 m可視距離的焊縫打磨，雖然仍有些許瑕疵，但是再通過(guò)進(jìn)一步打磨，以及對(duì)殘留的細(xì)微瑕疵稍微用油漆彌補(bǔ)，這樣的成果基本滿(mǎn)足AESS第一部分的要求。

圖2 進(jìn)一步打磨的焊縫

但是對(duì)于可視距離小于等于6 m的構(gòu)件，這樣的成果顯然還不能滿(mǎn)足。通過(guò)進(jìn)一步探討研究，綜合考慮人工的疲勞值隨打磨時(shí)間顯著增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)研討，每人工打磨1 h需暫停作業(yè)，休息15 min；連續(xù)工作2 h的磨頭機(jī)，打磨性能明顯下降，此時(shí)也需要及時(shí)更換新的磨頭。在這樣的安排處理下，打磨效率得到顯著提高。

3.3 后期成果

圖3 簡(jiǎn)易樣品

圖3為制作完成的部分簡(jiǎn)易樣品，從圖中可以清楚地看出，外露的鋼結(jié)構(gòu)形式美觀，焊縫平滑。經(jīng)過(guò)焊縫處理后，幾乎難以看出原先的焊接痕跡，證明基本達(dá)到AESS標(biāo)準(zhǔn)。為最大限度還原建筑的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件原樣，另又制作縮放比例的圓柱與桁架連接的實(shí)體小樣。

圖4 小樣模型

經(jīng)過(guò)不斷改善焊接工藝和精細(xì)化打磨，圖4為完成防火涂料后的小樣模型，業(yè)主對(duì)實(shí)體小樣的評(píng)價(jià)是焊縫摸上去非常的平整光滑，可以媲美工藝品。

4 成本控制

AESS標(biāo)準(zhǔn)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)加工構(gòu)件，如果沒(méi)有前期充分的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)備，用于AESS的費(fèi)用將會(huì)超出預(yù)算很多。不是所有AESS鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都需要被平等對(duì)待，可根據(jù)不同可視距離及構(gòu)件功能絕對(duì)AESS標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)程度。對(duì)所有需要考慮AESS標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)采用同一種打磨加工標(biāo)準(zhǔn)不僅增加巨額的支出費(fèi)用，同時(shí)浪費(fèi)大量的人力物力。需符合AESS標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)的成本相較于常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件成本多會(huì)增加10%～60%。

5 反思與討論

反觀加工AESS構(gòu)件過(guò)程遇到的困難，有很多是由于前期準(zhǔn)備不夠充分造成。例如：業(yè)主并未在合同中明確提出AESS要求及未結(jié)合我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)加工國(guó)情提供相關(guān)AESS的指導(dǎo)做法；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師由于不清楚AESS鋼結(jié)構(gòu)的加工及施工難度，沒(méi)能采用易于加工的鋼結(jié)構(gòu)連接形式；國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)工廠的機(jī)械化加工水平與美國(guó)、加拿大、新西蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然有很大差距，尤其體現(xiàn)在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)桿件的切割、端部加工的精度控制不夠。

6 總結(jié)及建議

（a）工程準(zhǔn)備前期，建筑師、結(jié)構(gòu)工程師和制造商應(yīng)該參加面對(duì)面會(huì)議。設(shè)計(jì)師們以討論的形式，給出制造商對(duì)鋼結(jié)構(gòu)精加工的期望。制造商及時(shí)反饋回應(yīng)設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)要求；

（b）設(shè)計(jì)師需和制造商明確可以接受替代設(shè)計(jì)內(nèi)容的文件，以及參考AESS簡(jiǎn)化鋼結(jié)構(gòu)的組合形式，避免復(fù)雜的連接設(shè)計(jì)，減少或修改附近有圓形、錐形或弧形邊緣的連接元素；

（c）設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量減少構(gòu)件間的厚度差距，并確保它們是一致的，避免較大的差距和不一致混亂的外觀；

（d）綜合考慮觀看距離和使用功能的影響，允許制造商使用簡(jiǎn)單的方法處理外露鋼結(jié)構(gòu)，可以降低成本；

（e）考慮到最終的涂層，如果鋼結(jié)構(gòu)涂有厚厚的防火或者防腐保護(hù)系統(tǒng)，可以適當(dāng)減少加工過(guò)程對(duì)細(xì)節(jié)的苛刻要求。