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，對鋼結構細節和完美性要求已經遠遠超出常規外露鋼結構的處理方法。

1 工程概況

某群體商業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，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 業主要求

結合AESS標準，業主又提出一些要求。如圖1中（a）為圓柱與牛腿的貼角焊縫的常規氣保焊做法，從圖中可以看出焊縫非常飽滿。業主希望做到如圖（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，不難發現，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，發現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，上油漆后焊縫呈現魚尾狀，雖然美觀度些許提高，但是遠遠不能滿足業主要求。

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，置備多種不同規格型號的磨頭。部分規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，休息15 min；連續工作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；國內大多數鋼結構工廠的機械化加工水平與美國、加拿大、新西蘭等發達國家相比，仍然有很大差距，尤其體現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，可以適當減少加工過程對細節的苛刻要求。