鋼結構AESS（建筑外露結構鋼）標準在國內的應用初探

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

AESS（Architecturally Exposed Structural Steel，建筑外露結構鋼）是指在滿足建筑中鋼結構質量要求前提下，保持鋼結構及其連接處等細節(jié)部位外露可視的結構形式[1]。這種新型設計理念，對鋼結構細節(jié)和完美性要求已經遠遠超出常規(guī)外露鋼結構的處理方法。

1 工程概況

某群體商業(yè)建筑其中一棟商場由大小同心圓的鋼結構構成，內圈小圓半徑為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牛腿，圓柱間通過擱置在牛腿上的桁架連接并組成整體。整個建筑的鋼結構圓柱與牛腿通過焊接連接、桁架自身也由鋼結構焊接組合而成，對于暴露在游客視線范圍及某些特殊要求的鋼結構構件均需符合AESS標準。

根據美國SPECIFICATION（技術規(guī)格書）里相關AESS生產要求大致如下[2]：

（a）當特征鋼結構構件的可視距離大于6 m時，生產過程要求有基本的相關制造經驗，能重點處理焊縫、連接等制造細節(jié)，合理處理間隙的容許偏差；

（b） 當特征鋼結構構件的可視距離小于或等于6 m時，表示設計師愿意讓游客看到這些金屬藝術品，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）對于有特別要求的構件，尤其是設計師那些特意展示給游客的鋼結構部位，所有的焊縫經打磨、填充等處理后，必須非常光滑平整，讓游客感覺焊縫本身就是鋼結構構件整體的一部分，因此生產時的容許偏差值將更加苛刻和嚴格（通常容許誤差為常規(guī)的標準公差的一半）。所有表面要用手指摸起來感到非常的平滑

2 業(yè)主要求

結合AESS標準，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。業(yè)主希望做到如圖（b）中焊縫表面與構件成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，可適當考慮開剖口，圖（c）中貼角焊縫考慮到后期需進行打磨美化，因此應該采用開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量和強度。

圖1 焊縫類型

3 摸索與改進[3-8]

3.1 前期摸索

本工程難點在于對焊縫的工藝化處理，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，此時焊縫效果達到圖1（a），在此基礎上，綜合考慮國內目前欠缺有針對性的、大型打磨機械，因而前期先采用角向磨光機。

為方便比較，實驗時取2 組焊縫進行對比。通過對比，不難發(fā)現(xiàn)，通過打磨和油漆處理，可提高外露鋼結構的美觀程度，且因打磨造成的些許瑕疵，并不會嚴重影響后期的美觀度。

通過2 組樣品打磨前后的對比，發(fā)現(xiàn)未經打磨的樣品經過上油漆后表面非常粗糙、不美觀。經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)魚尾狀，雖然美觀度些許提高，但是遠遠不能滿足業(yè)主要求。

3.2 改進措施

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

與最初的焊接工藝相比，打磨后的焊縫和上過底漆的焊縫都有較明顯的進步。

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

通過進一步打磨后，如圖2所示，焊縫外觀有很大的改觀。對于超過6 m可視距離的焊縫打磨，雖然仍有些許瑕疵，但是再通過進一步打磨，以及對殘留的細微瑕疵稍微用油漆彌補，這樣的成果基本滿足AESS第一部分的要求。

圖2 進一步打磨的焊縫

但是對于可視距離小于等于6 m的構件，這樣的成果顯然還不能滿足。通過進一步探討研究，綜合考慮人工的疲勞值隨打磨時間顯著增長，經過研討，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，打磨性能明顯下降，此時也需要及時更換新的磨頭。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 簡易樣品

圖3為制作完成的部分簡易樣品，從圖中可以清楚地看出，外露的鋼結構形式美觀，焊縫平滑。經過焊縫處理后，幾乎難以看出原先的焊接痕跡，證明基本達到AESS標準。為最大限度還原建筑的鋼結構構件原樣，另又制作縮放比例的圓柱與桁架連接的實體小樣。

圖4 小樣模型

經過不斷改善焊接工藝和精細化打磨，圖4為完成防火涂料后的小樣模型，業(yè)主對實體小樣的評價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標準的成本遠遠高于常規(guī)加工構件，如果沒有前期充分的認識和準備，用于AESS的費用將會超出預算很多。不是所有AESS鋼結構構件都需要被平等對待，可根據不同可視距離及構件功能絕對AESS標準的落實程度。對所有需要考慮AESS標準的鋼結構采用同一種打磨加工標準不僅增加巨額的支出費用，同時浪費大量的人力物力。需符合AESS標準的鋼結構的成本相較于常規(guī)鋼結構構件成本多會增加10%～60%。

5 反思與討論

反觀加工AESS構件過程遇到的困難，有很多是由于前期準備不夠充分造成。例如：業(yè)主并未在合同中明確提出AESS要求及未結合我國鋼結構加工國情提供相關AESS的指導做法；結構設計師由于不清楚AESS鋼結構的加工及施工難度，沒能采用易于加工的鋼結構連接形式；國內大多數(shù)鋼結構工廠的機械化加工水平與美國、加拿大、新西蘭等發(fā)達國家相比，仍然有很大差距，尤其體現(xiàn)在對鋼結構桿件的切割、端部加工的精度控制不夠。

6 總結及建議

（a）工程準備前期，建筑師、結構工程師和制造商應該參加面對面會議。設計師們以討論的形式，給出制造商對鋼結構精加工的期望。制造商及時反饋回應設計師們的設計要求；

（b）設計師需和制造商明確可以接受替代設計內容的文件，以及參考AESS簡化鋼結構的組合形式，避免復雜的連接設計，減少或修改附近有圓形、錐形或弧形邊緣的連接元素；

（c）設計師應盡量減少構件間的厚度差距，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，允許制造商使用簡單的方法處理外露鋼結構，可以降低成本；

（e）考慮到最終的涂層，如果鋼結構涂有厚厚的防火或者防腐保護系統(tǒng)，可以適當減少加工過程對細節(jié)的苛刻要求。