1.JGJ 133-2001制定背景
《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ 133-2001于2001年颁布,编纂于1996-1997年,是20世纪90年代的产物,至今已有16年的历史。理解和运用JGJ 133规范,不能脱离JGJ 133-2001编纂时的历史背景和技术水平。
幕墙在我国于上世纪80年代开始出现,90年代初形成幕墙行业。但最早进入这一行业的并不是建筑企业,而是飞机制造企业。当时从事幕墙行业的几乎都是军转民的飞机制造企业,对铝合金材料比较熟悉,但对钢结构比较陌生。当时幕墙主要应用于写字楼、酒店等,层高一般为3m~4m,采用铝合金型材完全可以满足受力要求。因此,幕墙行业的共识是幕墙只采用铝合金结构西安钢结构设计公司,不采用钢结构。当时一般称幕墙为“铝合金建筑幕墙”、“铝合金玻璃幕墙”。
在1993年至1995年编制《玻璃幕墙工程技术规范》102-96期间,经过多方努力,终于将“铝合金”二字去掉。但幕墙采用钢结构的做法,在当时业内并不被大多数人接受,因此,JGJ 102-96、JGJ 133-2001两个规范都是针对铝合金结构编制的,只是因为连接件不能不涉及钢材,所以才加入了一些与钢材有关的内容。因此,规范中很多条款并不适用于钢结构。
在16年前的技术条件下,铝合金结构很难实现现场焊接,而螺栓、螺钉连接对于飞机制造厂来说却是再熟悉不过的了,因此JGJ 102-96和JGJ 133-2001理所当然地规定了“横梁应采用角钢、螺钉或螺栓与立柱连接”,这在当时对于铝合金结构来说是万无一失的可靠做法,自然也得到了幕墙制造厂的认可。
十六年过去了,客观现实已发生巨大变化,与上个世纪的情况已截然不同。但JGJ 133规范却长期未作修订,远远不适应目前的技术水平,也不适应目前幕墙工程中钢结构大规模应用的现实。
2.《钢结构设计规范》是幕墙钢结构设计的基本依据
由于JGJ 102-96、JGJ 133-2001版是针对铝合金结构设计的,并不完全适用于钢结构。由于幕墙钢结构属于钢结构的一种,因此其设计的基本依据应为现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017-2003。
GB 50017《钢结构设计规范》适用于主体钢结构和围护钢结构。幕墙钢结构属于钢结构的一部分,属于GB 50017《钢结构设计规范》的适用范围。
GB 50017对钢结构的焊接做出了详细而明确的规定,具有普遍适用性。幕墙钢结构是钢结构的一部分,因此可以采用焊接。时代在发展,技术在进步,十五年前铝合金结构难以现场焊接的难题,已不再是无法解决的难题。新颁布的《铝合金结构设计规范》GB 50429对铝合金结构的焊接做出了明确的规定。现在,即使是铝合金型材也不必用螺栓连接,也可以焊接。
3.幕墙钢结构焊接已有十余年历史
JGJ 133-2001规范制定于1996年,由于是针对铝合金型材制定的,并未涉及钢结构设计,因此在20世纪90年代有些工程没有接受JGJ 133-2001规范的约束,直接按照《钢结构设计规范》JGJ 17-87的规定来设计和建造由钢结构支撑的幕墙,并采用了焊接。
1996年至1998年,我曾参与广州市广东省公安厅、广东省交通大厦、广东建设银行大厦幕墙工程,石材幕墙部分全部采用焊接钢结构(图1),至今已十余年,经历多次强台风的考验西安钢结构设计公司,服役状况良好。
最令人难忘的,是1998年关于幕墙是否采用焊接钢结构的大辩论。20世纪90年代初,四川成都市已采用焊接钢结构建造了大量的铝板、石材幕墙。1998年,《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ 133进入审查阶段。审查稿送交四川后,省有关部门责令按第5.6.6条关于采用螺栓连接的规定,将现有用钢梁、柱焊接的幕墙全部拆除。这引起成都市有关部门的激烈反对,双方展开了长时间的争论。钢梁、钢柱能否焊接、是否要拆除大量既有幕墙成为针锋相对的焦点。最终,这场争论闹到了北京,会议上双方都无法说服对方。在从事钢结构技术人员的劝说下,这批幕墙才得以幸存,并悄无声息地度过了整整十年。谁也没有想到,这场1998年双方就已不满的“技术官司”,最终竟然在十年后的2008年汶川地震中得以决断。
汶川地震中,钢结构支撑的石幕墙无一受损,无论是焊接钢结构还是螺纹钢结构均经受住了强震的考验。
4、实践证明幕墙完全可以采用焊接钢结构
幕墙钢结构采用焊接不仅符合《钢结构设计规范》的规定,更重要的是,十多年的科学试验和工程经验证明,幕墙钢结构不采用焊接是不合理的,实践才是检验真理的唯一标准。
近十多年来,我国建造了采用焊接钢结构支撑的铝板、石材幕墙,从未发生过一起因使用焊接钢结构而引发的安全事故;广州、深圳等地的此类工程甚至经受住了多次12至14级强台风的考验,依然完好无损。
近十几年来,国内对石材幕墙进行了多次振动台试验,笔者参加了其中的五次。为了挑战极限,支撑结构全部采用柔性焊接钢结构。试验地震加速度大大超过设计烈度7、8度,达到相当于9度甚至10度的程度。幕墙试件的位移角达到1/70~1/50。在这样的位移作用下,实际房屋的主体结构已经倒塌;而幕墙试件的焊接钢结构和面板却保持完好。这些振动台试验的结果表明,幕墙采用焊接钢结构完全满足抗震要求。
2008年5月12日汶川地震发生,成都幕墙经历了前所未有的考验。1998年备受争议却幸存十年的焊接钢幕墙,与螺栓钢幕墙一样,在成都(7度区)、德阳(8度区)、都江堰、绵阳(9度区)等地均保持完好。震害调查显示,焊接钢结构金属、石材幕墙具有优良的抗震性能。
经过如此大规模、如此严峻的考验,在践行这一真理的标准面前,还有什么理由不允许幕墙采用焊接钢结构呢?
5.现在大量的幕墙工程采用焊接钢结构
进入21世纪,钢结构在幕墙框架中的应用十分广泛,焊接自然而然地成为了很多工程配套钢结构的连接方式。
2009年建成的青岛大剧院,石材幕墙达4万平方米,造型复杂多样,装饰线条造型多,钢架全部采用焊接(图2)。2008年建成的广州新白云机场,航站楼采用点支式玻璃幕墙,采用方钢管梁柱支撑,不仅梁柱本身采用焊接,而且整个幕墙框架直接焊接在主体结构上(图3)。
2007年建成的北京首都机场T3航站楼,幕墙为双层夹胶中空玻璃幕墙,幕墙面板尺寸为3.6mX1.8m,采用跨度为10.8m的钢铝组合梁支撑,钢梁通过焊接支架与幕墙竖向钢桁架连接(图4)。同样,宁夏银川机场航站楼玻璃幕墙采用方钢管梁与柱组成的焊接结构支撑(图5)。
不仅大型公共建筑,很多高层建筑的幕墙也采用焊接钢结构。天津地铁大厦的洞石幕墙高175m,采用焊接钢框架(图6)。中国建筑科学研究院办公楼的观光电梯高90m,位于室外环境。采用方形钢管无分段连接顶部;梁、柱全部采用焊接;主体结构也采用焊接,整个结构没有一根螺栓(图7、图8)。
2011年新建的广东图书馆采用凹凸不平的花岗岩板作为墙面,构成这种非平面幕墙骨架的钢结构,经焊接而成(图10、图11)。
2010上海世博会世博轴共设6座玻璃阳光谷,为高41.5m、直径90m~97m的大型喇叭花,玻璃幕墙及天窗合计面积31500m2(图12)。采用全焊接方钢管单层网壳结构。共计30738根方钢管杆件,沿三个方向排列,长度1.0m~3.5m,截面高度180mm~550mm;多数采用焊接箱型6肘节节点,少数采用实心铸钢6肘节节点;杆件与节点构件采用全熔透一级焊缝连接(图13、图14)。
2010年开工建设的北京凤凰传媒中心为环形钢结构(图15),主要承重结构为梯形截面钢箱梁,为200米长的空间双曲线(图12)。幕墙钢结构为圆形钢管爬梯形双曲空间框架(图13)。幕墙爬梯形钢架在工厂内与主体结构梯形截面曲梁预焊,分段运输至施工现场安装,再焊接成整体(图14)。
全球最大铜幕墙的成都博物馆,其造型为不规则聚晶,支撑结构为全焊接方形钢管(图19)。
如此大型、复杂的幕墙钢结构,居然可以全焊接,还有什么幕墙钢结构不能焊接呢?
应该说幕墙的钢梁、钢柱之间可以采用螺栓连接,也可以采用螺钉连接;也可以采用焊缝连接;有的节点采用螺栓连接,有的节点采用焊接连接,设计师可以根据工程特点和自己的习惯灵活选择。