1. 前言
城市在发展，建筑往高处发展，钢材的作用愈发重要，从混凝土里的钢筋到主体钢结构都有它的身影。钢材被称为“工业之母”，因其结构性能杰出且易加工，成为现代建筑不可取代的材料之一。
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。钢材通常处于辅助角色，用于埋件、连接码件以及不可视部位的结构构件，或者是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有要求，另一方面由于建筑功能性有要求，越来越多的建筑师期望能展示钢材的阳刚性，于是把作为结构的钢材露在外面，这促使钢型材越来越朝着“精致”的方向发展。钢材的加工精度提升得非常大，很多钢材的外观效果和铝型材相比都不差，“精制钢”被越来越多的项目所运用。
2. 钢幕墙系统的需求
钢幕墙的使用取决于建筑设计要求或结构及功能需求。它虽不能完全替代铝结构，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。分析其原因，主要有以下几点：
a. 结构的需求
普通幕墙结构以铝型材作支撑骨架。在层高较高或跨层无主体结构的位置，像首层大堂、一些场馆等对空间要求高的建筑上，铝作为幕墙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。由于钢的弹性模量高，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℃，当燃烧到一定程度时就会结构失效。然而，钢的熔点达到 1500℃，远远高于铝的熔点。因为具有良好的防火性能，所以基本上所有有防火要求的幕墙，都采用钢框架加防火玻璃以及具备防火性能的辅助材料来构成。
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”。把钢材直接外露，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，另一方面会产生大量废弃物。若这些废弃物处理不当，就会对环境产生极大影响。钢的冶炼过程主要产生铁矿渣，其中有害物质极少。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，钢幕墙的运用趋势会进一步得以扩大。 钢幕墙的运用趋势会随着国家“碳达峰，碳中和”政策的引领而进一步扩大。 国家“碳达峰，碳中和”的政策引领着，钢幕墙的运用趋势会进一步扩大。
钢结构幕墙相对铝有两方面优势。其一，钢的线膨胀系数为 1.2×10⁻⁵l/℃，仅约是铝的一半，能降低温度变形对幕墙系统的影响，可做得更长且减少接缝；其二，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
在之前的大部分项目中，钢材因加工精度和成本的缘故，大多用于不可视的区域。在石材幕墙和铝板幕墙上，几乎是以钢作为主要的结构支撑构件。而在玻璃幕墙部分，几乎都是在其外部包裹铝型材或者铝板，这种做法存在如下缺陷：
a. 成本浪费
钢铝结合的做法通常是让钢作为主要的受力结构，而外包的铝型材或铝板充当装饰材料。这就意味着在钢材的基础之上，还需要加上铝的成本。这种情况会导致成本大幅增加。
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，这会使立柱和横梁的框架看上去比较粗重。而大部分大跨度部位采用钢框架结构，其目的是让幕墙框架显得更纤细。这种粗重的造型在一定程度上影响了感官效果。
c. 结合度差
钢和铝的加工精度存在差异，常规情况下，钢的精度比铝的精度差很多。钢材在加工过程中自身会存在弯曲等现象，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，所以在组装时必须预留足够的空间来吸收这种差异。而这些预留的空间会对它们之间的传力效果产生影响。设计上会考虑通过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
钢与铝之间存在电位差。若其表面未进行特殊处理就直接接触，就会引发电化学腐蚀现象。
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钢结构氟碳喷涂，之后才逐渐拓展到门窗和幕墙行业。真正将精密钢幕墙产品引进中国的时间大约在 2010 年，然而，由于生产设备和模具的缘故，其造价一直处于较高水平。一套生产设备大概需 6000 万人民币，一套模具则需 50 万左右人民币。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，比铝合金幕墙和普通铝包钢幕墙的价格都要高很多。因此钢结构氟碳喷涂，只有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
这些企业在技术上陆续取得了一些突破。2018 年之后，国内精制钢幕墙有了高速发展。在技术方面取得了很大突破。冷弯薄壁方面有发展。焊接直角方钢管方面有发展。异形精制钢方面也有发展。
冷弯薄壁型钢主要用于常规的幕墙系统。一般的横竖料壁厚在 2 到 5 毫米左右。它采用标准化、规模化生产方式，使用冷轧钢板等材料制作，具有特定几何截面，可用作外露的幕墙系统的支撑框架。在成型过程中，材料和冷弯成型工艺是重点。钢板通常通过轧辊工艺成型，不会改变钢铁的成分和特性。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。
在成型过程中，主要控制两个关键点：
一个是关于 R 角的控制。外露的构件通常要求外 R 角越小越好。然而，实现小外 R 角的难度非常大。并且容易导致开裂的情况发生。现在，进口和国产的精密钢型材，其外 R 角一般被控制在 0.5 到 2mm 之间。
另一个控制要点为截面的精度。进口的精密钢型材，其截面尺寸偏差大多能控制在 0.2mm 范围内。国产中最好的，截面尺寸偏差基本可以控制在 0.3 毫米左右。而一般的国产钢型材，截面尺寸偏差大约在 2.5mm 左右。
钢幕墙系统的设计，与铝幕墙系统存在异同。其一，其型材不同于铝型材，铝型材是挤压而成，而钢幕墙系统的型材截面厚度较为统一，不能随意变化，且截面局部形状受工艺影响较大。其次，钢材比较硬，并且其厚度通常较薄，局部厚度难以增厚。正因如此，螺栓连接受到很大限制。重点在于如何设计出一种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以及横梁上做出一个内凹的槽。接着用螺栓把外压条连接到竖梁或者横梁之上。外装饰扣盖分为压条和盖板。压条起到固定玻璃的作用，盖板起到装饰的作用。
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到立柱或者横框上。外侧玻璃面板的接缝一般采用泡沫棒加上密封胶的做法，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到了推广。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。
第二类包括焊接直角方钢管和异形精制钢。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，将其焊接成型，之后进行打磨、校正、消除应力以及喷涂等工艺处理，以此作为大跨度、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，必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所不同；在直线度方面，二者存在差异；在 R 角等加工精度方面，精制钢构件和普通钢结构工程也有以下的区别。
这类精制钢比较适合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或者超过国外产品。然而，从整体来看，还需要进一步提高，具体体现在以下这些方面：
a. 系统设计方面
精制钢幕墙是新型的幕墙体系，它与铝幕墙差异很大。要达到气密、水密、结构、位移、保温、隔声等性能要求，一方面需在设计上着力，设计出合理的构件和连接方式；另一方面则要进行相应的测试，以验证和提升这些性能。现在大部分厂家直接抄袭国外系统，他们对系统的真正破坏模式一无所知，自身又缺乏相应的系统设计能力，所以导致产品的可行性和附加值较低。只有精心设计好相应的面板、构件、辅件和连接，并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已达到或接近国外先进水平，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，在这方面需持续提升工艺，降低缺陷率，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，一部分在室外，室外部分的防腐对钢幕墙的成功至关重要。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，很难保证表面处理能到位。因此，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，大多是直接沿用铝门窗幕墙以及钢结构的标准，这种情况是很不合理的。钢幕墙的构件精度需求肯定比钢结构的精度需求要高，然而完全以铝的精度标准来套用于钢材的加工精度标准也是不合适的。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出台。届时就会有钢幕墙自身的生产标准和验收标准可供实际工程使用。
6. 总结
研发钢幕墙，目的并非取代铝合金幕墙，而是对建筑和功能进行更好的补充。铝合金幕墙发展至今，具有不可取代的优势，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。
