幕墻鋼橫梁和鋼立柱的焊接問(wèn)題

趙西安

（中國建筑科學(xué)研究院  北京 100013）

提   要  《金屬及石材幕墻工程技術(shù)規范》JGJ 133-2001 是90年代針對鋁合金型材而編制的，第5.6.6條的規定不適用于鋼結構。幕墻鋼結構采用焊接已有十多年歷史，并經(jīng)歷了2006年汶川大地震的考驗。目前許多大型公共建筑和高層建筑的幕墻都在采用焊接鋼結構。實(shí)踐表明幕墻鋼結構采用焊接是沒(méi)有問(wèn)題的。新修訂的幕墻規范已經(jīng)對幕墻鋼結構焊接問(wèn)題作出相應規定。

關(guān)鍵詞     幕墻規范   鋼結構   焊接

1  問(wèn)題的提出

進(jìn)入二十一世紀，鋼結構在幕墻工程中大量應用，這是2000年以前根本沒(méi)估計到的。隨之而來(lái)就產(chǎn)生了幕墻工程中鋼橫梁和鋼立柱可否采用焊接的現實(shí)問(wèn)題。因為現行《金屬及石材幕墻工程技術(shù)規范》 JGJ 133-2001 第5.6.6條規定“橫梁應通過(guò)角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”，由此而來(lái)在許多工程中引發(fā)爭議，被迫停工的事件也時(shí)有發(fā)生。

如何理解JGJ 133-2001 規范中第5.6.6條規定的實(shí)際含義，如何在幕墻鋼結構中合理應用焊接連接，已經(jīng)成為不可回避的問(wèn)題。

2             2  JGJ 133 規范編制的時(shí)代背景

《金屬及石材幕墻工程技術(shù)規范》 JGJ 133-2001 頒布于 2001 年，編制于1996~1997年，是上一個(gè)世紀九十年代的產(chǎn)物，距離今天已經(jīng)有十四五年的歷史了。理解和應用 JGJ 133 規范，不能離開(kāi)當時(shí)的歷史背景和技術(shù)水平。

我國從上個(gè)世紀八十年代開(kāi)始出現幕墻，九十年代初形成幕墻行業(yè)。但是最初進(jìn)入這一行業(yè)的并不是建筑公司，而是飛機制造公司。當時(shí)幕墻公司幾乎全是軍轉民的飛機制造廠(chǎng)，它們熟悉鋁合金材料，但對鋼結構比較陌生。當時(shí)幕墻主要應用于辦公樓和酒店，層高一般3m~4m，采用鋁合金型材完全可以滿(mǎn)足受力要求。因此幕墻行業(yè)的共識是幕墻只用鋁合金結構，不采用鋼結構。當時(shí)幕墻的普遍稱(chēng)呼是“鋁合金建筑幕墻”、“鋁合金玻璃幕墻”。

     1993~1995年編制《玻璃幕墻工程技術(shù)規范》 102-96 期間，經(jīng)過(guò)努力，終于去掉了“鋁合金”三個(gè)字，但是在幕墻中采用鋼結構并沒(méi)有被行業(yè)的大多數人接受。因此 JGJ 102-96 和 JGJ 133-2001 兩本規范就是針對鋁合金結構編制的，僅僅因為連接件不能不涉及鋼材，所以才列入一些有關(guān)鋼材的內容。正因為如此，規范許多條文的規定不適用于鋼結構。

     十五年前的技術(shù)條件下，鋁合金結構現場(chǎng)焊接還很難實(shí)現；而螺栓和螺釘連接對飛機制造廠(chǎng)來(lái)說(shuō)輕車(chē)熟路，非常習慣。所以 JGJ 102-96、JGJ 133-2001 兩本規范很自然規定“橫梁應通過(guò)角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”。這對當時(shí)的鋁合金結構是萬(wàn)無(wú)一失的可靠作法，自然得到幕墻廠(chǎng)家的肯定。

      十五年前編制 JGJ 133規范時(shí)，并沒(méi)有幕墻設計審查制度，對黑體字條文的理解是“強調、提醒、著(zhù)重”，提醒幕墻廠(chǎng)家“無(wú)特殊理由不要違反”。那時(shí)候誰(shuí)也沒(méi)有預料到后來(lái)會(huì )出現審查單位，會(huì )演變成今天的按條審查，“一條否決”。所以黑體字的強制性條文列得比較多，為了引起重視，甚至連一些并非唯一的具體做法也寫(xiě)成黑體字，產(chǎn)生了后來(lái)強制性條文管得過(guò)寬的結果。

      十五年過(guò)去了，客觀(guān)現實(shí)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，完全不同于上一個(gè)世紀的情況。但是規范一直沒(méi)有修訂，已經(jīng)遠遠滯后于當前的技術(shù)水平，也不適應當前的技術(shù)管理制度。這就是問(wèn)題和矛盾產(chǎn)生的歷史原因。

3 《鋼結構設計規范》是幕墻鋼結構設計的基本依據

    既然JGJ 102 、JGJ 133 規范是針對鋁合金結構編制的，不完全適用于鋼結構，那么在規范的新修訂版本頒布之前，幕墻鋼結構設計的基本依據就應該是現行國家標準《鋼結構設計規范》 GB 50017-2003。

   《鋼結構設計規范》GB 50017 適用于主體鋼結構和圍護鋼結構。幕墻鋼結構是鋼結構的一部分，是處于《鋼結構設計規范》的適用范圍。       

     GB 50017規范對普遍適用的鋼結構焊接作出了詳細明確的規定，幕墻鋼結構是鋼結構的一部分，當然可以采用焊接。

    時(shí)代在發(fā)展，技術(shù)在進(jìn)步。十五年前鋁合金結構現場(chǎng)難以焊接的問(wèn)題現在已經(jīng)不再是不可解決的困難。新頒布的《鋁合金結構設計規范》 GB 50429 對鋁合金結構的焊接作出了明確的規定?，F在，即使是鋁合金型材也不是非要螺栓連接不可，也可以采用焊接了。

4  幕墻鋼結構采用焊接已經(jīng)有十多年歷史

     規范 JGJ 133 是在1996 年開(kāi)始編制的，由于它是針對鋁合金型材編制，所以沒(méi)有涉及鋼結構如何設計的問(wèn)題。于是九十年代有一些工程不接受規范JGJ 133的約束，直接按照《鋼結構設計規范》 JGJ 17-87的規定，設計和建造了鋼結構支承的幕墻，而且是采用焊接。      

    1996~1998年間，筆者參與了廣州的廣東省公安廳、廣東省交通大廈、廣東省建設銀行大廈幕墻工程，其石材幕墻部分均采用了焊接鋼結構。至今已經(jīng)十多年過(guò)去，中間還經(jīng)歷了多次強臺風(fēng)的考驗，使用情況一直良好。

    最令人難忘的是發(fā)生在1998年的關(guān)于幕墻采用焊接鋼結構的大辯論。四川成都地區在九十年代初期已經(jīng)采用焊接鋼結構建造了大批鋁板和石材幕墻，1998年《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規范》 JGJ 133 進(jìn)入送審階段，送審稿傳到四川后，根據第5.6.6條關(guān)于應采用螺栓連接的規定，省里有關(guān)部門(mén)下令全部拆除鋼橫梁立柱焊接的已建幕墻，這引起成都市有關(guān)部門(mén)的激烈反對，雙方展開(kāi)了長(cháng)時(shí)間的爭論。鋼橫梁與鋼立柱能不能焊接，現有大批幕墻要不要拆除成為針?shù)h相對的焦點(diǎn)問(wèn)題。最后吵到了北京，會(huì )議上雙方都拍了桌子。在從事鋼結構的技術(shù)人員的勸和下，這批幕墻幸存了下來(lái)，靜靜地度過(guò)了整整十年。誰(shuí)也沒(méi)有想到，1998年雙方都不服的“技術(shù)訴訟”，終于在十年后由2008年汶川大地震給出了判決。

5  實(shí)踐證明幕墻完全可以采用焊接鋼結構

    幕墻鋼結構采用焊接不僅符合《鋼結構設計規范》的規定，而更重要的是，十多年的科學(xué)試驗和工程經(jīng)驗都表明：幕墻鋼結構不許采用焊接是毫無(wú)道理的。

    實(shí)踐是檢驗真理的唯一標準。

    十多年來(lái)，我國已建的采用焊接鋼結構支承的鋁板和石材幕墻，從未因采用焊接鋼結構而發(fā)生過(guò)安全事故；廣州、深圳等地的這類(lèi)工程甚至經(jīng)歷了多次12級到14級強臺風(fēng)的吹襲而完好無(wú)損。

    十年來(lái)，國內進(jìn)行過(guò)多次石材幕墻的振動(dòng)臺試驗，僅筆者參與的實(shí)驗就有五個(gè)。為了挑戰極限，支承結構都采用了柔性的焊接鋼結構 ，試驗地震加速度大大超過(guò)設防烈度7、8度，達到相當于9度，甚至10度。幕墻試件的位移達到1/70~1/50。在這樣的位移下，實(shí)際房屋的主體結構早已倒塌；而而幕墻試件的焊接鋼結構和面板都保持完好。這些振動(dòng)臺試驗結果表明：幕墻采用焊接鋼結構完全可以滿(mǎn)足抗震要求。

    2008年5月12日發(fā)生了汶川大地震，成都地區的幕墻經(jīng)歷了空前的大考驗。1998年備受爭議、但幸運地得以保存達十年之久的焊接鋼結構幕墻，如同那些螺接鋼結構幕墻一樣，在7度區的成都、8度區的德陽(yáng)、9度區的都江堰、綿陽(yáng)都保持完好。震害調查表明：采用焊接鋼結構的金屬和石材幕墻具有優(yōu)良的抗震性能。

    我們可以列舉大量例子證明幕墻采用焊接鋼結構是安全的，但是誰(shuí)又能舉出例子，說(shuō)明僅僅是因為支承鋼結構采用了焊接就發(fā)生安全事故，哪怕舉出一個(gè)工程也行！

           經(jīng)歷了如此大范圍、如此嚴酷的考驗，在實(shí)踐這個(gè)真理的標準面前，還有什么理由不許幕墻采用焊接鋼結構呢？

6  現在大量幕墻工程采用焊接鋼結構

    進(jìn)入二十一世紀，鋼結構大量應用于幕墻骨架，焊接自然成為許多工程支承鋼結構的連接方式。盡管有人反對，但是“青山擋不住，畢竟東流去”，幕墻鋼結構采用焊接是不可能阻擋的。

2009年建成的青島大劇院石材幕墻4萬(wàn)平方米，外形復雜多變，裝飾線(xiàn)腳和造型非常多，全部鋼骨架采用焊接。2008年建成的廣州新白云機場(chǎng)，候機樓的點(diǎn)支玻璃幕墻由方鋼管梁柱支承，不但梁柱本身焊接，而且幕墻整個(gè)骨架直接焊在主結構上。

     2007年建成的北京首都機場(chǎng)T3航站樓，玻璃幕墻雙夾膠中空，板塊尺寸3.6mX1.8m，由跨度為10.8m的鋼鋁組合梁支承。鋼梁通過(guò)焊接牛腿連接到幕墻的豎向鋼桁架。同樣寧夏銀川機場(chǎng)候機樓的玻璃幕墻由方鋼管橫梁和立柱組成的焊接結構支承。

     不僅大型公共建筑，而且許多高層建筑的幕墻也采用焊接鋼結構。天津地鐵大廈洞石幕墻高達175m，采用了焊接鋼骨架（圖6）。中國建筑科學(xué)研究院辦公樓的觀(guān)光電梯高90m，處于室外環(huán)境，方鋼管一通到頂，不分段；梁柱全部焊接；與主體結構也是焊接，整個(gè)結構沒(méi)有一個(gè)螺栓。

           廣州銀行大廈花崗巖幕墻高度260.9m，是目前國內第二高的石材幕墻，采用方鋼管立柱和角鋼橫梁 ，橫梁與立柱焊接（圖8、圖9）。

          2011年新建的廣東圖書(shū)館采用花崗巖石板凹凸不平墻面，形成這非平面幕墻骨架的鋼結構，采用焊接（圖10、圖11）。

   2010年上海世博會(huì )的世博軸上有6個(gè)玻璃的陽(yáng)光谷，為高度41.5m、直徑90m~97m的大喇叭花，玻璃幕墻和采光頂總面積達31500m2（圖12）。采用全焊接方鋼管單層網(wǎng)殼結構。三向布置的方鋼管桿件30738根，長(cháng)度1.0m~3.5m，截面高度180mm~550mm；大部分采用焊接箱形6牛腿節點(diǎn)，少量采用實(shí)心鑄鋼6牛腿節點(diǎn)；桿件與節點(diǎn)構件采用全熔透一級焊縫連接。

   2010年正在施工的北京鳳凰傳媒中心是一座面包圈形的鋼結構，主要承重結構是梯形截面的鋼箱梁，為長(cháng)達200米的空間雙曲線(xiàn)，幕墻鋼結構為圓鋼管爬梯形雙曲空間骨架。幕墻爬梯形鋼骨架在工廠(chǎng)預先焊在主結構的梯形截面曲梁上，分段運到工地安裝，焊接為整體。

上述如此大型、如此復雜的玻璃幕墻鋼結構都能采用全焊接，還有什么幕墻鋼結構不能焊接呢？應該說(shuō)，幕墻的鋼橫梁和鋼立柱可以采用螺栓或螺釘連接；也可以采用焊縫連接；還可以部分節點(diǎn)用螺栓連接，而另外部分節點(diǎn)用焊接。設計者可以根據工程特點(diǎn)和自己的習慣靈活選用。圖19為天津中船大廈，花崗巖幕墻高148m，其鋼橫梁與鋼立柱一端為焊接，另一端為螺栓連接。

7  幕墻規范修訂條文已經(jīng)修改

     規范是成熟經(jīng)驗的總結，只有在工程中廣泛采用、技術(shù)成熟的內容才能列入規范的條文。因此，總是先有實(shí)踐，后有規范。實(shí)踐已經(jīng)向前推進(jìn)了，規范就必須進(jìn)行修訂。

     正因為老規范的規定不是為鋼結構編制的，許多規定不適用于鋼結構。所以修改老的幕墻規范是大勢所趨?！恫Ａ粔こ碳夹g(shù)規范》 JGJ 102-2003 已經(jīng)將原規定“橫梁應通過(guò)角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”修改為“橫梁可通過(guò)角碼、螺釘或螺栓與立柱連接”，意味著(zhù)鋼橫梁與鋼立柱“可不”用螺栓連接，可以采用焊接?！皯备臑椤翱伞?，一字之差為幕墻鋼結構采用焊接打開(kāi)了口子。

    目前，JGJ 133 規范修訂已進(jìn)入送審報批階段，JGJ 102規范已經(jīng)進(jìn)行新的修訂。修訂后的條文將統一表達為：“鋼結構可以采用焊縫連接、螺栓或螺釘連接，也可以部分節點(diǎn)采用焊縫連接、部分節點(diǎn)采用螺栓或螺釘連接。焊縫連接的設計應符合現行國家標準《鋼結構設計規范》GB 50017 和《冷彎薄壁型鋼結構設計規范》GB 50018 的規定；焊接的施工應符合現行行業(yè)標準《建筑鋼結構焊接技術(shù)規程》JGJ 81 的規定?！?/span>

     在規范修訂正式頒布之前，可以根據已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗和現行國家標準《鋼結構設計規范》GB 50017的規定，在幕墻鋼結構中采用焊接。

8  小結

   1. JGJ 133-2001 第5.6.6 條的規定是針對鋁合金型材編制的，不能直接套用到鋼結構中。

   2. 焊接是鋼結構的基本連接方法，同樣也是幕墻鋼結構的基本連接方法。幕墻鋼結構的設計應遵照《鋼結構設計規范》 GB 50017 規定的精神進(jìn)行。其連接可以采用螺栓、焊縫或者兩者在同一工程中混合使用。

   3. 已建工程的經(jīng)驗和多次振動(dòng)臺試驗結果，以及2008年汶川大地震的考驗，都表明了幕墻采用焊接鋼結構是沒(méi)有問(wèn)題的。

   4．目前，許多大型公共建筑和大量的高層建筑的幕墻工程都在采用焊接鋼結構。

   5．實(shí)踐是檢驗真理的唯一標準，實(shí)踐已經(jīng)走在規范的前面?，F行規范已經(jīng)阻礙實(shí)踐向前發(fā)展，產(chǎn)生了許多麻煩。應該盡快完成規范修訂的程序，盡快頒布施行。