耐候鋼板幕墻的更新應用研究

陸 俊，李 倩

（1.上海申城建筑設計有限公司，上海 201107；2.中建研科技股份有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著我國城市建筑及土地的更迭，城市不斷地在擴大和發展，同時也產生了一些有時代烙印的建筑和區域，需要對一些與現代化城市發展不太匹配的地區進行必要且有計劃的改造。因此，從廣義上說，城市更新又超越了舊改的主要范疇，是在綜合考慮經濟、社會、環境等多重發展目標之后，對老舊城區的進一步改善和提升。我國發展至今，一直都是在大力發展經濟，擴大城市規模，很少有大規模城市更新和改造的經驗，因此，城市更新和改造是一個全新的學科，需要我們建筑人去開拓和創新，爭取給我們既有的城市帶來新的改觀和完全不同的體驗。

1 概述

1.1 研究背景

盧森堡館是一個非常有特色的建筑，是屬于 2010 年上海世博會期間的明星場館，因此，以“恢復世博記憶、展現世博風貌”為目標的世博文化公園保留該場館的改造，具有非常的重要意義。該場館表皮的耐候鋼板，屬于低合金高強度結構鋼。高耐候性結構用鋼由于其耐大氣腐蝕性能比焊接結構用耐候鋼要好，因此，耐候鋼板擁有特殊的年輪色彩和強烈的金屬質感，讓許多現代建筑人的選擇越來越多。

1.2 研究意義

近 30 年來，隨著我國經濟的高速發展，外裝飾幕墻建筑大量出現。在國家戰略大力發展內需的情況下，全國的各種建筑高樓如雨后春筍一般全面鋪開。在國家提倡發展綠色節能建筑的同時，原先大量老式幕墻在節能、安全等方面達不到現行規范要求。2022 年底，對上海市 3 500 棟幕墻建筑進行了全面排查梳理，結果發現其中 700 棟屬于高耗能的幕墻建筑，需要進行節能改造的比例高達 20 %。既有建筑外裝飾幕墻結構中有 13 000 萬 m2的高耗能建筑急需改造。相對于目前建筑幕墻的節能和安全規范，需要改造的存量甚至可達 3 億 m2。

在市場前景一片藍海的情況下，為盡快掌握城市更新與改造中幕墻板塊的技術更新、新材料應用以及質量控制和整體改造運營經驗，結合筆者的實際工作經驗，就上海世博盧森堡館外裝飾工程之耐候鋼板幕墻的改造與大家交流和分享。

1.3 研究思路

世博文化公園系上海市政府投資的大型城市公園，世博文化公園主體工程（不含大歌劇院以及相關配套設施用地）總用地面積約 15.3 萬 m2，涉及 38-01a、C01-01、C02-02、C03-02、C04-01、C05-02、C06-01、X02-01、X02-06、C04-03、C05-01 地塊及 Z000101 單元內部道路。基地東側為世博會展商務區，南側為耀華北側商務休閑居住片區，與徐匯濱江商務區隔江相望。世博文化公園是上海市政府在黃浦江畔核心區域為全市人民打造的一個世界級的開放式城市公園，其規格之高實屬罕見，建成后將成為國內最頂級的城市公園，同時也媲美美國的紐約中央公園、對標英國倫敦的海德堡公園。世博文化公園的保留場館項目，地處雪野二路以北，世博大道以東，位于公園內部東北側，北至世博大道（見圖 1）。

圖1 世博文化公園平面布置圖

其中盧森堡館系 2010 年世博會期間的世博場館之一，地上 2 層，地上建筑面積 2 519.0 m2，總建筑面積 2 519.0 m2，建筑高度 21.35 m。改造后的塔樓主要功能為 live house，裙房主要功能是主題餐飲和創意零售。

1.4 總體改造思路

1）在確保結構安全、程序合法的前提下，維持建筑原樣，以改造為主、局部修繕為輔；以“恢復世博記憶、展現世博風貌”為目標，如圖 2 所示。

2）臨時建筑改永久建筑，以滿足現行規范并通過安評、審圖、竣工驗收等政府審批流程為大原則（局部超規）。

為此，作為上海市重大工程，本項目業主上海地產集團特聘請了曾擔任 2010 上海世博園區總建筑師，全國勘察設計大師、原華建集團首席總建筑師沈迪，作為本項目的改造顧問。

2 工程概況

2.1 盧森堡館世博期間的概況（見圖 3）

圖3 世博文化公園盧森堡館世博期間實景圖

盧森堡館是全國單體最大的耐候鋼板項目——7 500 m2；盧森堡館主題：“亦小亦美”造型亮點：“袖珍”的森林和堡壘；盧森堡展館的建筑結構就像一座壁壘，并把中世紀的塔樓包圍其中。而整個盧森堡展館也被比喻成一個周圍綠樹環繞的開放式森林（見圖 4）。

圖4 世博文化公園盧森堡館局部實景圖

2.2 改造前的現狀描述

由于本場館是屬于臨時性建筑，故對于裙房屋面，沒有做結構防水功能，整個裙房漏水非常嚴重，室內龍骨已經全部銹蝕；主樓耐候鋼板之間采用密封膠固定，日曬雨淋之下，在膠縫處形成了很多污染物的流痕；并且還有板塊缺少、非耐候鋼板板塊，以及表面有贅加物，如圖 5～圖 9 所示。

2.3 改造考慮的技術難點和必要性

因為本項目是臨時建筑，故既要考慮臨時建筑更改為永久性建筑所必須考慮的結構安全、又要考慮建筑幕墻的節能要求，還需要綜合考慮世博保留場館的改造原則：“恢復世博記憶、展現世博風貌”。技術難點有以下幾個方面。

圖5 改造前的現狀

圖6 改造前板塊嚴重銹蝕

圖7 改造前表面污染物流痕嚴重

圖8 改造前板塊缺失

圖9 改造前非耐候鋼板及表面贅加物

2.3.1 面板更新

原有耐候鋼板表面銹蝕、有各種各樣的污染物、贅加物、板塊缺少等；并且周邊密封膠老化嚴重，導致受密封膠老化的影響，縫隙處積水嚴重，邊緣銹蝕與正面的腐蝕程度不一樣，邊部銹蝕更嚴重。并且耐候鋼板自帶特有的年輪特性，它表面的顏色會隨著時間年數的發展展現不同的色系，從嫩黃逐漸變黑，然后趨于穩定。考慮本項目的改造原則，這里由于已經有部分耐候鋼板已經損換，故對盧森堡館主樓的耐候鋼板全部采用修復保留的方案，對盧森堡館的裙房整體用新板來更新，對于裙房整體更換下來的面板，由于和主樓耐候鋼板擁有同齡的特性，故可以利用裙房原有耐候鋼板作為修復更新主樓的備板之用，如圖 10 所示。

圖10 耐候鋼板年輪顏色對比表

2.3.2 面板連接方式

原有耐候鋼板背面的插接式子母連接件和加強肋是通過焊接的方式進行固定的，考慮角鋼和插接式子母連接件已經生銹（見圖 11、圖 12），拆除后如考慮焊接會對面板局部產生高溫，耐候鋼板在高溫下，正面的耐候鋼板顏色就會發生氧化而變色；因此，必須考慮其他連接方案，才能確保面板的修復和整體顏色的統一。

圖11 加強肋現狀

圖12 非耐候鋼銹蝕嚴重

2.3.3 面板原拆原建、龍骨全部更新

考慮世博保留場館的改造原則：“恢復世博記憶、展現世博風貌”，原板經過上海建科院的實際檢測，原有 4 mm 厚的耐候鋼板，在經過十年的風雨后，還能保持 3.85 mm，滿足永久性建筑外墻使用耐候鋼板的規范要求，因此主樓原有每塊面板均需修復利用，并在原位復原，難度非常之大。筆者公司采用數字化犀牛的應用，對原有盧森堡館進行整體無人機激光掃描，以點成面，通過犀牛成型，多次校核后再進行現場校核；然后根據校核最終成型的表皮，對耐候鋼板的龍骨進行實際建模（見圖 13）；并根據成型的龍骨按面拆分，利用激光切割設備進行切割加工；現場的龍骨安裝完全按照犀牛模型中鉆石面的轉角龍骨進行拼裝和吊裝。

圖13 耐候鋼板面板和龍骨數字化犀牛模型

2.3.4 更新改造的總體方案

本次改造方案是保留和利用所有外立面耐候鋼板，更換所有龍骨防水系統；確保“恢復世博記憶、展現世博風貌”，先把原有盧森堡館外立面作整體激光掃描，轉換成空間模型，并進行修復，復核所有板塊尺寸，所有鋼板全部編號并保護性拆除，根據拆除前的表皮模型進行返尺，建立龍骨模型，抽出主框架龍骨模型并轉換成三維激光切割所需要的加工圖，工廠全自動化激光切割，現場拼接成模塊化的異形框架，復核無誤后，安裝框架內的主次龍骨，做防水層，安裝修復和編號的面板，最終完美成型原有建筑。

這個項目是典型的城市更新和改造項目，也是既有建筑改造和數字化表皮應用的案例。

3 更新和改造的主要方法及應用

3.1 耐候鋼板幕墻更新改造新體系

更新方案采用開放式的做法，由于原有耐候鋼板板塊邊口銹蝕嚴重，并且板塊之間的連接因密封膠的老化，導致污染物流淌嚴重，因此更新考慮了開放式的做法，采用插接式子母連接的方式，安裝時從下到上進行安裝，下口耐候鋼板固定后，上口的耐候鋼板通過插入的方式固定。并且在 60×120×5 鍍鋅鋼龍骨上增加了 2 mm 鋁板的防水層和 100 mm 厚的保溫層（容重 120 kg），同時在室內部分增加了 1.5 mm 的鍍鋅鋼板。此結構既保證了耐候鋼板的外觀效果，又達到了建筑防水和保溫的要求，并且便于后續拆裝以及完成面的整潔。國內有很多幕墻公司對耐候鋼板的做法沒有細致研究，導致施工時考慮不周，大多以焊接收口，使得耐候鋼板項目未能展示應有的風貌。

耐候鋼板標準節點如圖 14～圖 16 所示。

圖14 耐候鋼板豎向節點（單位：mm）

圖15 耐候鋼板橫向節點（單位：mm）

3.2 面板的更新和改造方式［1-3］

3.2.1 面板修復的施工工藝

對于正面大面積銹蝕部分采用表面除銹工藝（假設可以翻新的話），正常流程需采用大功率激光設備除銹。但由于該項目年限已近十年，板材正、反面銹蝕層均達到了較大的厚度，很難使用激光設備將銹蝕層清除掉，即使能除銹，將花費大量的人力、時間、設備損耗，且除銹過程會把鋼板整體的有效厚度變薄很多，因此只能采取人工打磨方式，對耐候鋼板進行保護性的除銹處理。

圖16 耐候鋼板節點模型

3.2.2 正反面邊緣處理

正面邊緣部分已經腐蝕的凹凸不平（部分板塊邊緣還有點焊點），如需翻新板邊需要切割掉，然后打磨平整，這樣會造成原板塊尺寸縮小。此處理也將花費大量的人工、而且無法確保切割后板塊尺寸均勻，且會導致原建筑膠縫寬度發生變化，原建筑表皮分格效果發生變化（膠縫變大）。因此，考慮開放式的做法，最終對原有板塊僅進行了除銹處理，縫隙過大，對建筑外觀效果的保留產生很大影響，所以原定 14 mm 的開放式膠縫還是保留原先的 6 mm 膠縫。

3.2.3 處理背面加強筋、耳板

如果要翻新，必須要切割掉原板背面的加強筋、鋼耳板，切割后還要打磨平整，然后再次焊接新的加勁肋及耳板，這個工作量也是很大且比較繁瑣。施工時考慮焊接對面板的高溫氧化變色反應，最終選擇了德國“索亞”的焊接設備，對 M8 和 M6 的不銹鋼焊釘進行了多次對比試驗。經過實驗發現，M8 栓釘固定后，對耐候鋼板正面立即會發生變色的情況（見圖 17、圖 18），而 M6 栓釘固定后，沒有立即發生變色情況（見圖 19，圖 20）。

圖17 栓釘 M8 焊接

圖18 焊接后正面效果

圖19 栓釘 M6 焊接

圖20 焊接后正面效果

實際在施工過程中，一次偶然的機會，碰到下雨，耐候鋼板淋到雨了，原本以為 M6 栓釘是不能在正面產生高溫氧化痕跡了，而在雨后卻發現板塊正面同樣發生了橘紅色的銹蝕點。

因此，整個耐候鋼板面板翻新流程如下：保護性拆除原建筑耐候鋼板——拆卸耐候鋼板上的加強肋及組件——手工打磨耐候鋼板正、反面——焊接新的不銹鋼栓釘——內表面防銹處理——安裝子母連接件和加強肋——正面采用專用藥劑進行氧化作銹處理不低于 5 遍，同時通過時效處理——包裝運輸——現場板塊安裝。

3.2.4 耐候鋼板外表顏色修復施工工藝［4-6］

對于耐候鋼板的表面處理，最初，大家對于保留場館的更新和改造原則是“恢復世博記憶、展現世博風貌”，但在實際修復過程中的把控太難了，每個人都有自己的觀點，剛開始時，大家認為該表面就應該像文物一樣保留，連表面的污染物都要保留，才能保持世博記憶，后來發現實在做不到。建筑改造保留的是美，更新的是能夠展示新的功能、新的效果，因此后續決定對外表皮由專業廠家統一進行修復，修復的各種年輪效果經建筑設計和業主定奪，過程極其繁瑣，但最終結果還是完美的（見圖 21～23）。

圖21 過程樣品選定（1）

3.3 數字化的實踐應用

圖22 過程樣品選定（2）

圖23 過程樣品選定（3）

最近十年，數字化的應用越來越廣泛，在建筑工程中也是大顯身手。在新一輪的城市建筑改造和更新中，特別是對異形復雜結構的建筑來說，已經到了非用不可的地步，其不光是能夠給我們的設計帶來空間的準確性，同時也能夠給設計和施工帶來高效率。在現有先進工業體系-3 D 激光切割設備的加持中，讓數字化的設計能夠快速地落地和實現更加成為可能（見圖 24、圖 25）。

圖24 主樓 172 個面，初次成型 170 個不共面

圖25 數字化 3D 激光切割

3.4 改造后的效果

施工期間耐候鋼板安裝如圖 26 所示；盧森堡館完工后效果如圖 27 所示。

圖26 施工期間耐候鋼板安裝效果

圖27 盧森堡館完工安裝效果

4 結 語

世博文化公園中世博保留場館-盧森堡館的更新與改造，整體是成功的，它既滿足了業主開始提出的“恢復世博記憶、展現世博風貌”的改造原則，也給臨時性建筑改造為永久性建筑開創了歷史，同時也給國內大型活動和運動場館的后續利用積累了非常寶貴的豐富經驗，城市建筑改造和更新潛力無窮。Q