关键词：冷弯型钢，精制钢，钢结构幕墙

1. 前言

城市在发展，建筑逐渐向高处延伸。钢材在其中扮演着愈发重要的角色，涵盖了从混凝土里的钢筋到主体钢结构等方面。钢材作为“工业之母”，凭借其卓越的结构性能以及易加工的特点，成为现代建筑中最不可替代的材料之一。

幕墙作为建筑的外维护结构，铝型材因其能挤压成任意希望的形状，且具有重量轻、防腐性能好、易于切割加工等优异性能，所以成为建筑幕墙最重要的框架结构材料。钢材主要起辅助作用，用于埋件、连接码件以及不可视部位的结构构件，或者是在结构上铝无法做到的部位，像雨篷、采光顶的结构部位。

这些年，一方面因为建筑表现的需求，另一方面由于建筑功能性的需求，越来越多的建筑师期望展现钢材的阳刚特质，于是将作为结构的钢材暴露在外，这促使钢型材朝着“精致”的方向不断发展。钢材的加工精度有了极大的提高，许多钢材的外观效果已然不逊色于铝型材，“精制钢”被越来越多的项目所选用。

2. 钢幕墙系统的需求

钢幕墙的使用与否取决于建筑设计要求或结构及功能需求。它虽不能完全替代结构，但在某些方面的性能远超铝结构，能在铝结构无法满足的方面进行良好补充。分析后主要有以下几个原因：

a. 结构的需求

普通幕墙结构以铝型材作支撑骨架。在层高较高的情况下，以及跨层没有主体结构的位置，像首层大堂或一些对空间要求高的场馆建筑等，铝作为幕墙的支撑结构可能无法满足结构需求。在这些部位，一般控制的不是强度，而是结构的挠度。钢的弹性模量为 206000 Mpa，铝的弹性模量是 70000 Mpa，钢的弹性模量是铝的三倍。因为钢的弹性模量高，所以可以很好地降低结构变形程度。这样一来，立柱横梁等框架构件就能更加纤细，从而达到更好的建筑效果。

b. 防火的要求

在建筑设计方面，因为一些建筑间距以及防火空间的需求，常常会要求某些部位的幕墙使用防火幕墙，以此来满足防火隔断的要求。在这些部位，铝型材的幕墙无法满足建筑防火时效的要求，原因是铝的熔点仅仅是 660℃，一旦燃烧到一定程度就会出现结构失效的情况。而钢的熔点达到了 1500℃，远远高于铝的熔点。因为防火性能良好，所以大部分具有防火要求的幕墙，都是采用钢框架加上防火玻璃以及具备防火性能的辅助材料来构成的。

c. 建筑外观的要求

钢是建筑中最重要的材料之一，也是主要的受力构件。越来越多的建筑师希望能直接展现钢材的“阳刚之美”。将钢材直接外露，就对钢材的加工精度和表面处理提出了更多要求。这直接促使钢材的加工厂家开始学习国外的先进经验，以提高加工工艺、精度和表面处理，达到更高的标准。

d. 环境的要求

铝在电解时，一方面需要消耗大量能源，另一方面还会产生大量废弃物。若这些废弃物处理不当，就会对环境造成极大影响。而钢的冶炼过程主要产生铁矿渣，所含有害物质极少。并且，铝在挤压成型时消耗的电量远远大于精密钢型材制作所消耗的能量。在国家“碳达峰，碳中和”的政策引领之下，钢幕墙的运用趋势将会进一步得到扩大。

钢结构幕墙相对铝有两方面优势。一方面，钢的线膨胀系数为 1.2×10⁻⁵l/℃，几乎只是铝的一半，能降低温度变形对幕墙系统的影响，可做得更长，减少接缝；另一方面，钢的传热系数比铝低很多，铝的传热系数是 200W/(mk)，而钢的传热系数仅为 50W/(mk)，所以钢幕墙能有更好热工表现。

3. 早期铝包钢幕墙系统及缺陷

大部分之前的项目中，因为加工精度和成本的缘故，钢材大多用在不可视的区域。在石材和铝板幕墙上，通常采用钢作为主要的结构支撑构件。而在玻璃幕墙部分，几乎都是在外面包裹铝型材或者铝板，这种做法存在如下缺陷：

a. 成本浪费

钢铝结合的这种做法，通常是让钢充当主要的受力结构，而外包的铝型材或者铝板则作为装饰材料。这就意味着在钢材的基础之上，还需要额外加上铝的成本。这种情况会导致成本大幅度地增加。

b. 造型笨重

因为安装空间有需求，包的铝制构件宽度比钢结构的宽度至少要增加 50mm 多，这会让立柱和横梁的框架看上去比较粗重，然而大部分大跨度部位采用钢框架结构是为了使幕墙框架显得更纤细。这种较笨重的造型在一定程度上影响了感官效果。

c. 结合度差

钢和铝的加工精度不同，常规情况下，钢的精度比铝差很多。钢材在加工过程中自身几乎会存在弯曲等现象，铝型材在加工过程中自身也几乎会存在弯曲等现象。因为弯曲不是一致的，所以在组装时必须留出足够的空间来吸收这种差异。而这些空间会对它们之间的传力效果产生影响。设计时会考虑设置垫片让二者结合紧密，然而在实际施工过程中，确实很难真正做到这一点，这就使得二者的结合度难以达到设计所期望的效果。

d. 电位差

钢和铝存在电位差，若表面未作特殊处理就直接接触，会致使出现电化学腐蚀现象。

4. 国内精制钢幕墙的发展

国内精制钢幕墙发展基本上可以分为以下几个阶段

a. 进口钢幕墙系统主导阶段

精密成型钢材技术在国外起步较早，其中德国的 WEISER 和瑞士的 JANSEN 较为出名，这两家都有着百年以上的历史。早期它们的产品主要应用于汽车领域，之后才逐渐拓展到门窗和幕墙。真正将精密钢幕墙产品引进中国大约是在 2010 年，然而由于生产设备和模具的因素，导致造价一直处于较高水平。一套生产设备的价格约为 6000 万人民币，一套模具的价格则在 50 万人民币上下。因为一套幕墙系统通常需要近 10 个模具，所以整体造价较高。每吨的精密钢型材造价在 5 至 16 万元，远远超过铝合金幕墙和普通铝包钢幕墙的价格。因此，只有在局部有特殊要求的部位才会使用。不过，这也推动了国内精密钢型材的发展。

b. 国内精密钢型材的发展

2012 年，上海宝钢集团投入数亿元资金。它联合了北京的多所知名大学，一同开展钢铁精密复杂成型技术的研发工作。从德国采购了相关的设备与软件。还引进了北科大的博士，以此进行精密成型技术的研发。在随后的几年里，国内的一些企业也陆续开始了精密成型技术的研发。并且在技术方面陆续取得了一些突破。2018 年以后，国内精制钢幕墙获得了快速的发展。在技术层面，取得了显著的突破。无论是冷弯薄壁领域，还是焊接直角方钢管以及异形精制钢领域，都有了很大的发展。

钢板通常采用轧辊工艺成型，不改变钢铁成分和特性。但是在这过程中，容易产生变形和应力集中，成型后容易开裂。

在成型过程里，主要有两个关键点需要控制。其一为 R 角的控制，对于外露的构件，通常要求外 R 角越小越好。然而，实现小外 R 角的难度是非常大的，并且还容易引发开裂的情况。目前，进口和国产的精密钢型材，其外 R 角一般控制在 0.5 到 2mm 之间。

另外一个控制要点为截面的精度。进口的精密钢型材，其截面尺寸偏差通常可控制在 0.2mm 。国产的最好的那种，截面尺寸偏差基本能够控制在 0.3 毫米。而一般的国产钢型材，其截面尺寸偏差大概在 2.5mm 左右。

钢幕墙系统的设计，与铝幕墙系统存在差异。一方面，两者有相通性；另一方面，钢幕墙系统又有自身特点。首先，钢幕墙系统的型材并非像铝型材那样通过挤压而成，其截面厚度不能随意变化，通常是统一的。并且，钢幕墙系统的截面局部形状受工艺影响较为显著。其次，钢材的特性是较硬且厚度普遍较薄，局部厚度难以增厚，这就使得螺栓连接受到很大限制，重点在于如何设计出既能满足结构要求又便于安装的系统连接方式。以下是常规钢幕墙系统的一些做法，一般分为隐框和明框两种。

明框做法有竖明和横明这两种。通常的做法是，在立柱和横梁上做出一个内凹的槽。接着，使用螺栓把外压条连接到竖料或者横梁上。外装饰扣盖分为压条和盖板，它们分别能够起到固定玻璃以及装饰的作用。

隐框做法分为竖隐和横隐这两种。玻璃面板是用结构胶固定到副框上的，接着把面板与副框通过压块固定在立柱或者横框上。外侧玻璃面板的接缝一般采用泡沫棒加密封胶的做法，以此来确保气密、水密以及结构变形等功能。

冷弯薄壁型钢幕墙系统在国内的不少大型场馆得以推广。比如北京大兴国际机场采用了该系统，北京冬奥会也采用了该系统，苏州博物馆同样采用了该系统，雄安新区高铁站也采用了该系统。国内厂家中做的较好的有湖南省金为新材料科技有限公司等。

第二类包含焊接直角方钢管以及异形精制钢。通常这类材料厚度较大，最大能达到 60mm。一般会选用合适的高精钢板或钢带，先进行焊接成型，接着进行打磨、校正，以消除应力，最后进行喷涂等工艺处理。这些材料常被用作大跨度、异形建筑幕墙造型等的外露支撑构件。

外露的幕墙钢结构与钢结构工程存在诸多相似之处。然而，仅满足钢结构的验收标准，肯定无法满足外露幕墙构件的要求。在平整度方面，精制钢构件与普通钢结构工程有区别；在直线度方面，两者也存在差异；在 R 角等加工精度方面，精制钢构件和普通钢结构工程同样有以下的区别。

这类精制钢比较适合用于各种不同造型幕墙交接的构架。在上海图书馆东馆项目上，它得到了很好的应用。在冰雪世界项目上，它也得到了很好的应用。国内做的比较好的厂家有始博实业集团有限公司等。

5. 国内精制钢幕墙需要提高的瓶颈

国内通过学习，在部分工艺方面已经能够赶上国外产品，甚至有些工艺已经超过了国外产品。然而，从整体来看，国内仍需进一步提高，具体表现在以下这些方面：

a. 系统设计方面

精制钢幕墙是一个新型的幕墙体系钢结构和钢构件的区别，它与铝幕墙有很大差异。要达到气密、水密、结构、位移、保温、隔声等性能要求，一方面要在设计上用心，设计出合理的构件和连接方式；另一方面需要进行相应的测试，以验证和提高这些性能。现在大部分厂家直接抄袭国外系统，他们不了解系统的真正破坏模式，自身也没有相应系统设计能力，所以产品的可行性和附加值较低。只有做好相应的面板、构件、辅件和连接的设计，并且经过测试和实际检验，才有可能真正做好钢幕墙。

b. 加工生产精度方面

国内的精制钢厂家中，有一小部分的加工精度达到或接近国外的先进水平，然而大部分厂家的产品加工精度较为低下。加工生产精度差，一方面会对外观效果产生影响，另一方面可能会对幕墙的气密、水密等各项性能指标造成严重影响。因此，在这方面需要持续提升工艺，降低缺陷率钢结构和钢构件的区别，以确保构件的安全性、实用性和美观性。

c. 抗腐蚀性方面

普通钢材抗腐蚀性较差，钢幕墙的构件一部分在室内，一部分会暴露在室外，这部分的防腐对钢幕墙的成功很关键。构件表面可进行粉末喷涂或氟碳烤漆等表面处理，但在构件开孔加工和切口部位难以保证表面处理到位。所以选择合适的耐候钢或许是钢幕墙系统能真正发扬光大的途径。

d. 生产和验收标准

现在钢幕墙的生产验收没有专属自身的标准，大多是直接采用铝门窗幕墙和钢结构的标准，这是不合理的。钢幕墙的构件精度要求必然比钢结构的精度要求高，然而完全以铝的精度标准来套用钢材的加工精度标准也是不妥的。现在有关钢幕墙的工程和材料行业标准正在编写。这些标准应该很快就能完成。完成后就会有钢幕墙自身的生产标准和验收标准。这些标准可以供实际工程使用。

6. 总结

研发钢幕墙，其目的并非取代铝合金幕墙，而是对建筑和功能进行更优的补充。铝合金幕墙发展至今，具有不可替代的优势，比如在轻质、抗腐蚀以及易加工等方面表现出色，尤其适合超高层幕墙。而钢幕墙则适宜用于大跨、异形以及有防火功能要求的部位。只有二者共同发展、百花齐放，幕墙行业才有可能发展得越来越好。