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作者：沉阳远大铝业工程有限公司王双军、孟根宝力高、王晓明
摘要：深圳平安金融中心（规划高度660m），大面积（展开面积超过10万m2）采用SUS 316压花不锈钢板，表达钻石般坚硬、挺拔的建筑形象。不锈钢板作为立面装饰材料历史悠久，品种繁多，但由于其一次性成本高、加工工艺要求高、光反射率高，因此在超高层建筑立面上大面积使用并不广泛，一般作为点缀在建筑下部。随着幕墙应用技术的进步和不锈钢性价比的提高，在建筑外立面中已成为可循环利用的材料。本文结合深圳平安金融中心不锈钢幕墙的实际应用案例以及不锈钢板材的基础研究，比较不同形式不锈钢的应用特点，并探讨常用不锈钢幕墙设计、施工相关的关键技术要点，力图为不锈钢幕墙及类似幕墙的设计提供启发性思路，激发进一步的探讨。
关键词：不锈钢板、残余应力、平整度、幕墙设计
1 前言
深圳平安金融中心【图1】是正在建设中的“中国第一高楼”，即将落户深圳CBD中心。本项目为118层写字楼，建筑高度660.0米，地下五层，塔楼屋面588米，115层，高度538米。总用地面积18931.74㎡，总建筑面积458292.0㎡，结构形式为伸臂混合结构。本项目主要采用单元式玻璃幕墙、单元式不锈钢幕墙、单元式石材幕墙、半单元式玻璃幕墙、半单元式不锈钢板幕墙、钢结构雨棚等，幕墙面积174316㎡。
图1 深圳平安金融中心整体效果图
深圳平安金融中心共分14个幕墙系统[图2]，大部分系统整体或局部采用SUS 316压花不锈钢板，总部署面积超过10万平方米。
深圳平安金融中心作为深圳地标性高层建筑，在项目规划、设计、施工、交付及运营全过程中应用BIM系统，一致的数据平台将大大提高设计方与施工方之间的协同性，降低实施过程中出现的错误、遗漏、碰撞等风险，对整个项目的优化建设起到很大的促进作用，对我国建筑业具有很大的引领作用。
本文主要以深圳平安金融中心不锈钢幕墙为例，探讨采用不锈钢板作为面板的幕墙相关技术。不锈钢板作为幕墙面板可以为建筑师表达立面提供理想的选择，随着空气污染的日益恶化，特别是随着我国城镇化进程的推进，高耐腐蚀、高强度、低维护的不锈钢面板材料在建筑幕墙领域的应用越来越受到重视和推广。“纯净”的感觉可以使建筑立面呈现出特殊的质感，并能长时间保持原有的质感，为建筑增添高端质感和现代感，同时减少维护和更换成本。经过80多年的实践，奥氏体不锈钢06Cr19Ni10（SUS 304）和06Cr17Ni12Mo2（SUS 316）已经得到充分认可，SUS 316具有更好的耐腐蚀性能。在成本方面，不锈钢板的性价比在提升，特别是随着国内专业厂家工艺水平的提高，市场价格呈下降趋势。在加工方面，不锈钢板加工、装配、安装涉及到加工硬化、残余应力等技术问题需要认真对待，甚至需要特殊的生产工艺。不锈钢板的反射率高，对板面的不平整度比较敏感，不锈钢板在建筑立面上应用广泛，对其平整度提出了更高的要求，我们会追求使用更薄、更平整的幕墙。【图3】正在建设中的深圳平安金融中心，采用2mm厚的316材质，布纹不锈钢板，幕墙面积达17万余平方米，虽然还在建设中，但已经清晰地展现出不锈钢板特有的强烈质感和现代气息。
图2 深圳平安金融中心幕墙系统分布
图3：在建的深圳平安金融中心
2 幕墙用不锈钢板及相关技术
2.1 不锈钢板种类及特点
不锈钢板大致可分为平板和凹凸板，平板又分为三类：表面反射率大于90%的为镜面板；表面反射率为70%~90%的为光面钢板；反射率小于50%的为哑光钢板。凹凸钢板又分为压花板、浅浮雕花纹板、花纹板。平板钢板一般采用磨砂、抛光工艺制成，凹凸钢板一般在磨砂、抛光后再经过滚压、蚀刻、雕刻等加工，最后经过特殊研磨制作而成。
幕墙常用的不锈钢板按其结构一般分为单板（盒式、扣式和切板）、复合板和蜂窝板三类。表1对比了这三类不锈钢板性能的优缺点：
表1（常见不锈钢板性能对比）
不锈钢复合板保留了不锈钢材料良好的装饰效果和耐用性，同时又克服了不锈钢金属板加工困难、加工平整度差等缺点，具有良好的隔音、隔热效果，可方便地进行切割、弯曲、开槽、折叠、钻孔等加工。在使用不锈钢复合板时，还应考虑其他几个因素：不锈钢的耐腐蚀性，
强度、耐久性及物理机能、加工成型机能等。【图4】为不锈钢复合板，不锈钢为两层0.3mm厚的316材质。【图5】为上海某项目不锈钢复合板墙体。从外观上就能感受到【图6】为我公司为深圳平安金融中心T1幕墙系统制作的1：1实物样品。
另外，由于不锈钢复合板是两种材料复合材料，使用时应考虑其热胀冷缩产生的温度应力，可能出现应力收缩、裂纹、界面复合破坏等问题，要保证温度应力产生弯曲时材料完整性不至于开裂。不锈钢316在0~100℃时的线膨胀系数为1.73×10-5/℃，约为碳钢的1.5倍，略小于铝合金。芯板的膨胀系数：在0~100℃时约为1.50×10-4/℃。
图4 不锈钢复合板部分
图5 不锈钢复合板幕墙
图6 深圳平安金融中心模型
不锈钢蜂窝板，表面板采用拉丝不锈钢板或镜面不锈钢板，背板采用镀锌钢板，芯材采用铝蜂窝芯，用专用胶粘剂复合而成。不锈钢蜂窝板的主要特点：重量轻，安装方便，荷载低；单片面积大，平整度极高，不易变形，安全系数高；具有良好的隔音、保温性能。成本低，质量好，价格比2mm不锈钢单板低，但平整度与3mm不锈钢单板相近。不锈钢蜂窝板耐腐蚀性能强。【图7】为网格大，表面平整度高，保温性能好的不锈钢蜂窝板幕墙。
不锈钢单板强度高，可用于高层、超高层建筑；韧性大，可进行折弯或弧形处理，实现多种多样的建筑外观效果；耐腐蚀性强，维护方便，成本低等优点，深受建筑师青睐。【图8】可见不锈钢单板幕墙金属质感强，应用广泛。【图9】为上海东昌财富大厦不锈钢板的圆弧处理效果，韧性大，易折弯，而圆弧处理是不锈钢复合板、不锈钢蜂窝板不易做到的。另外，不锈钢单板幕墙一般采用开缝加垫板的防水方法，这是因为不锈钢板表面有一层油膜，在涂密封胶前，必须先将不锈钢板表面的油污清除干净，再涂上专用底漆，否则难以保证耐候密封胶与不锈钢的粘结性能。
图7 不锈钢蜂窝板幕墙
图8 不锈钢单板幕墙工程
图9 不锈钢单板弧形幕墙
不锈钢板作为金属构件可以进行切割、开槽、弯曲等加工，而焊接使不锈钢板实现更多的形状成为可能。一般焊接变形的控制主要有减少焊缝数量、间断焊接、采用反向再流焊、刚性固定焊接、防变形技术、合理安排焊接顺序、利用热处理消除焊后收缩力、减少焊接时间和冷却方法等。薄板失稳变形的控制是控制工艺在生产实践中，反向变形法是最常用的方法之一，其具体方法是人为地预先在焊接变形的相反方向上施加一定的变形，从而抵消焊接变形，使焊接结构满足技术要求。通过完全刚性约束和防变形方法，1.5mm厚不锈钢板激光焊接最大弯曲挠度可控制在0.16mm以内。
2.2 保证和提高不锈钢板的表面平整度
由于不锈钢板材（特别是单片）具有很大的韧性，采用合理的安装结构和加工装配工艺，消除内部不均匀的残余应力，是解决不锈钢材料固有的高反射率和其抵抗表面不平整性高灵敏度的关键措施。
由于镜面不锈钢的反射率大于90%，而哑光不锈钢的反射率则高达50%，由于其较高的光反射率，不锈钢板对表面不平整非常敏感，板材本身就会变形（0.1%）。在内外力作用下，特别是温度梯度变化时，微小的挠度和变形都会对外观产生很大的影响。因此，不锈钢板的安装结构和面板的强度和挠度控制已成为不锈钢幕墙设计中重要的考虑因素，特别是当单板厚度过薄、横向网格过大时，要特别注意。
2.2.1不锈钢幕墙挂板设计
考虑到不锈钢幕墙的安全设计，为有效保证整体结构的安全，需经结构计算，采用在不锈钢面板、竖向框架等部位增加挂点的解决方案（图10）。
图 10 带有附加悬挂点的不锈钢面板
2.2.2不锈钢板支撑体系设计
不锈钢面板的支撑体系必须稳定、平整，同时为了保证不锈钢面板的方便更换和安装，设计为小单元挂板结构体系或者通过扣接形式，通过型材咬合或者不锈钢板直接扣接的方式与整体框架实现连接固定。
幕墙用不锈钢单板常用的支撑体系分为：剪板结构、扣板结构、箱体结构，剪板结构突出了板材的棱角，但不锈钢板材的灵活性很强，适用于低层建筑或风力较小的建筑；扣板结构适用于薄型不锈钢单板，对平整度要求不高，对纹理质感的建筑效果要求强烈的场合；箱体结构突出了板架支撑体系的稳定性，适用于高层建筑，抗风压能力强，也能体现不锈钢独特的建筑效果，因此被广泛应用。
【图11】为平安金融中心项目T8体系节点剖面图，为2mm厚布纹不锈钢板，材质为奥氏体SUS 316不锈钢，网格多为500×4500。面板用自攻螺钉固定在铝合金副框上，铝合金副框再与单元竖框组装，组成不锈钢单元体系。面板支撑体系按大变形理论计算，考虑风荷载对面板面的交变作用，横向铝合金方管加强筋仅用于加强副框，与不锈钢板之间预留一定间隙，不发生直接接触。整块不锈钢面板像张拉膜一样紧紧绷在铝合金框架组成的框架上。
图11：平安金融中心不锈钢单元幕墙外观效果及节点图
在建立面板支撑体系之前，必须先对不锈钢面板的强度和挠度进行计算，依据《不锈钢棒材》GB/T1220-2007表6规定，采用S31608，屈服强度标准值为δ0.2，屈服强度为205Mpa；根据《玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003》5.2.4规定：不锈钢的抗拉、抗压强度fs设计值应以其屈服强度标准值δ0.2除以1.15为基准，其剪切强度设计值可以其抗拉强度设计值的0.58倍为基准。因此，不锈钢板的弯曲强度设计值为205/1.15=178.3Mpa，剪切强度设计值为178.3×0.58=103.4Mpa。且根据金属面板的弯曲位移不得超过跨度的1/90或19mm，取较小者，跨度应为水平或垂直支撑构件的最小跨度。
图12 深圳平安金融中心不锈钢板变形情况（ANSYS软件模拟）
【图12】为平安金融中心T1系统的不锈钢三角柱体系，对两种固定方式进行了理论计算与试验，一是通过试验验证不锈钢板强度计算理论的正确性，二是对比有结构胶的加强筋强度，研究有无结构胶连接对不锈钢板平整度是否有影响。从试验观察结果看，在正向荷载作用下，采用结构胶连接加强筋，不锈钢板未出现明显的皱褶。在连接过程中，有结构胶连接的一侧，鼓起、波浪变形较为明显，无胶连接的一侧不明显，变形较为同步。因此，考虑采用无胶加强筋的形式。
2.2.3不锈钢幕墙垂直度控制
对于不锈钢幕墙来说，保证其垂直度是达到装饰效果的措施之一，还应考虑限位设计。装饰柱的垂直度可采用以下方案控制： ①不锈钢销钉固定在单元上板； ②吊挂时，将上板的销钉插入下半部分的销钉孔内。同时，装饰柱的限位设计可采用铝角件来实现。
2.2.4不锈钢幕墙排水设计
对于不锈钢板幕墙，可以采用分层排水设计，避免幕墙底部大量积水深圳钢结构雨篷，有效防止雨水渗漏。
2.2.5 不锈钢防雷注意事项
不锈钢幕墙框架与不锈钢装饰柱组成网格状混合式避雷器，幕墙框架与钢幕墙支撑结构采用金属机械连接，为保证良好的防雷效果，在金属机械连接前应清除接触面上的钝化膜或锈蚀层。
2.2.6不锈钢板加工及装配工序的控制
不锈钢板的加工可以通过Rhino建模、拆解、图形展示；就是把一块板、一张图形交给厂家，厂家直接展开、切割材料进行生产。图形展示-UG展开切割。
为了保证面板的平整度，需要对不锈钢加工工艺进行相应的技术标准控制。不锈钢面板的整体加工过程一般要经过以下步骤：切割→开槽→折弯→组框→安装。必须严格控制加工和工序，避免面板出现碰伤、划伤，尽量减少面板的弯曲和残余应力。
A. 材料检验与验收
为了保证不锈钢板原材料的质量要求，可以国家标准GB/T3280-2007结合美国标准ASTM A480/A480M、日本标准JIS G 4305作为初始依据和参考，对不锈钢板原材料的组织和力学性能、表面质量等进行全面的检测和验收。
B 控制面板碰撞和划痕
在整个板材加工过程中，人员、设备、材料等任何可能与不锈钢板接触的因素都要做好防护和隔离。首先，车间无尘，工人必须戴手套，设备必须清洁。；手工操作要求轻拿轻放，运输过程中板材必须捆扎牢固，避免晃动和摩擦；板材必须堆放整齐，板材必须避免与设备直接接触，必须用泡沫薄膜保护；运输平台或支架支撑面必须有弹性，保护材料，避免硬接触；过程中注意不锈钢板保护膜的二次检查和更换；开槽过程中及时清理金属屑，注意冷却液的污染；折弯过程中，需要在转角下方放置硅橡胶片，避免面板之间硬接触；加工后，在成型的不锈钢板下面放置木块，排列均匀，保持木块高度一致；框架组装过程中，零件、工具不得与板材接触。使用木块和橡胶锤避免直接撞击。
C 减少面板弯曲和残余应力
不锈钢具有较高的机械强度和韧性，根据行业标准规定，其材料性能：抗拉、抗压强度设计值?s2应以其屈服强度标准值σ0.2除以系数1.15为准，其剪切强度设计值?vs2可按抗拉强度设计值的0.58倍采用，或按表2规定采用。
表2 不锈钢板强度设计值（N/m㎡）
首先，运输过程中应避免板材产生较大的挠度和弯曲。板材出板后应有专门的平台或支架支撑。开槽过程中应增加简易平台，避免板材过大的悬伸。合理的折弯顺序，尽量释放板材在折弯过程中产生的应力。
图13 不锈钢板电动吸盘
图14 手工搬运导致的不锈钢板弯曲
【图13】采用四组电动吸盘，吸盘间距适中，在吊装过程中板子不会发生明显偏斜，且板子存放在专用平台及垫块上，但【图14】搬运方式，导致板子弯曲较大，加工过程中不允许产生残余应力。
由于不锈钢具有很强的粘附性和熔融性，刨削过程中切屑容易粘附在刀具上。为了避免加工硬化和减少切屑在刀具前方的堆积，切削奥氏体不锈钢时应采用比碳钢更大的直径。【图15】表明在刨削和弯曲的应力集中位置，为了避免应力集中和开裂，在此位置开设圆孔以释放残余应力。最后保证外观的光滑。
图15 消除不锈钢板弯角处集中应力的措施
在不锈钢板与铝合金副框组合过程中，还应注意板材上间接应力对板材变形的影响。【图16】可知，为保证W、W1尺寸，板材平面呈凹凸状，因此在框的组装过程中，尽量保证板材所受应力为零。在设计如图所示的加强筋下料尺寸时，需考虑其长度L应小于尺寸W1，首先是为了保证尺寸留有间隙，安装时加强筋不会对两侧铝合金框造成压力。同时，加强筋两端的连接角件也应按顺序安装，先安装一端，在面板上确定位置后再安装另一端。自攻螺钉固定也应按照先副框、后加强筋的顺序进行，目的是达到不锈钢板在放松状态下无应力组装。
图 16 框架施工期间不锈钢板的无应力组装
D.加工过程中的尺寸公差要求
不锈钢板拼装后整体平整度要求为：平整度要求在1.5m范围内不超过1.5mm或0.1%，折边角直线度≤0.5mm/m，总长度≤3mm，具体加工公差要求为：激光切割后长宽方向允许偏差±1.5mm；坡口深度误差±0.1mm，切割边与坡口中心线重合度需≤0.05mm，角度偏差0-0.5度。
3.不锈钢板的表面处理与保养
3.1 表面处理
不锈钢表面处理方法大致分为五大类，包括滚压表面处理、机械表面处理、化学表面处理、网纹表面处理、彩色表面处理等。所得到的产品常有镜面、拉丝、网纹、蚀刻、电解着色、涂层着色等。随着不锈钢应用领域的多样化和升级，以及其不断向装饰性、艺术性发展，不锈钢彩色氧化以其较高的装饰功能而得到越来越广泛的应用。丝网印刷—图像蚀刻—油墨去除—后处理化学着色等工艺，不锈钢着色不仅赋予不锈钢制品多种色彩，增加了产品颜色的种类[图17]，所得到的图像清晰、立体，具有良好的装饰性。不锈钢表面处理的多样性为建筑外观的美观和耐用性提供了更多的选择，也为幕墙设计向着更高高度、更复杂环境的探索和发展提出了新的要求。
图17 通过丝网印刷、蚀刻、化学着色等工艺完成的不锈钢图文装饰
3.2 不锈钢板的保养
不锈钢虽然耐腐蚀，但并不代表不锈钢不会腐蚀，如果不锈钢使用和保养不当，或使用环境过于恶劣，就会产生局部氧化腐蚀。不锈钢腐蚀的形式主要有三种：化学腐蚀、电腐蚀、化学腐蚀和应力腐蚀。由于不锈钢表面钝化膜的耐腐蚀性能较弱，由于自激反应而产生点蚀反应，形成微小的孔洞，加上氯离子的存在，形成腐蚀性很强的溶液，加速了腐蚀反应的速度。不锈钢内部还存在晶间腐蚀开裂，这些都对不锈钢板表面的钝化膜有破坏作用，因此必须定期对不锈钢板表面进行清洁和保养，以保持其华丽的表面，并延长使用寿命。
4 深圳平安金融中心主幕墙系统介绍
深圳平安金融中心项目按分布位置及幕墙形式分为十二个幕墙系统，主要系统介绍如下：
4.1 幕墙系统T1
位置：标准楼层前部，L11-L115
幕墙形式：开放式单元幕墙
板材规格：玻璃2400×4500mm、不锈钢板600×4500mm
系统特点：采用“雨帘原理”实现等压腔体，设有两道防水排水线，面板采用玻璃、铝板、不锈钢板，横向设有装饰翼，纵向设有900mm（600mm）宽的三角形不锈钢装饰翼。立柱
系统效果：如【图18】
图18 System T1样例渲染
4.2 幕墙系统T2
位置：标准楼层角落，L11-L115
幕墙类型：开放式单元幕墙
板规格：玻璃1500×4500mm，不锈钢板1000×4500mm
系统功能：该单元系统是一个开放的系统，带有两个防水线，面板是由玻璃和铝制成的。
系统效应：如[图19]所示
图19系统T2样品渲染
4.3幕墙系统T8
分销位置：巨型柱，123.8米至570.9米
窗帘墙结构：完全统一的窗帘墙系统
网格尺寸：标准单元面板为2000×4500mm，拐角是一个面板。
表面材料分为500×4500mm，有两种类型的垂直分区接缝，一种是
70mm宽，一个宽度为45mm
系统描述：本机系统是一个开放系统，使用“雨帘原理”实现
盘子由铝制支架制成，带有两条防水线和排水线，等速室
由不锈钢板制成
系统效应：如[图20]所示
图20系统T8样品渲染
4.4窗帘壁系统T9
分配位置：四角矩形柱，L1〜l26
幕墙结构：统一的窗帘墙系统
网格尺寸：标准单位板为1500×4500mm，
表面材料网格1500×750mm
系统描述：单位系统是一个开放的系统，使用“雨帘原理”，以实现两个防水和排水线的同等腔。
图21系统T9样品渲染
综上所述
1。由于其高强度，高刚性，高天气，长寿，维护成本低和现代建筑质地，它的外部使用了不锈钢窗帘壁，随着其成本效益的改善，其在建筑物外部的比例就在上升。
2。三种不锈钢板：单盘，复合板和蜂窝状的特征，可以选择蜂窝状的板块，应注意板的内部温度应力，应置于折叠板的范围； EL处于无压力状态，可以获得非常高的平坦度。
3。由于不锈钢板（尤其是单板）具有很强的韧性，因此改善平坦的关键是通过使用合理的处理，组装和安装过程来消除不均匀的残留压力，例如，使用无压力的悬挂系统用于配置文件深圳钢结构雨篷，无压力的组装，无压力组装，无应力的安装过程可改善平面度。
4。由于不锈钢的耐腐蚀性，抗刮擦性和可回收性，它在可持续的社会发展中起着积极的作用：减少立面污染，提高材料使用寿命并降低替代率。
5。保持不锈钢时，请注意对表面钝化膜的保护。
各种有利的因素表明，不锈钢材料将在未来的建筑物窗帘墙中发挥重要作用。
