耐候钢板幕墙的更新应用研究

陆 俊，李 倩

（1.上海申城建筑设计有限公司，上海 201107；2.中建研科技股份有限公司，北京 100013）

0 引言

随着我国城市建筑及土地的更迭，城市不断地在扩大和发展，同时也产生了一些有时代烙印的建筑和区域，需要对一些与现代化城市发展不太匹配的地区进行必要且有计划的改造。因此，从广义上说，城市更新又超越了旧改的主要范畴，是在综合考虑经济、社会、环境等多重发展目标之后，对老旧城区的进一步改善和提升。我国发展至今，一直都是在大力发展经济，扩大城市规模，很少有大规模城市更新和改造的经验，因此，城市更新和改造是一个全新的学科，需要我们建筑人去开拓和创新，争取给我们既有的城市带来新的改观和完全不同的体验。

1 概述

1.1 研究背景

卢森堡馆是一个非常有特色的建筑，是属于 2010 年上海世博会期间的明星场馆，因此，以“恢复世博记忆、展现世博风貌”为目标的世博文化公园保留该场馆的改造，具有非常的重要意义。该场馆表皮的耐候钢板，属于低合金高强度结构钢。高耐候性结构用钢由于其耐大气腐蚀性能比焊接结构用耐候钢要好，因此，耐候钢板拥有特殊的年轮色彩和强烈的金属质感，让许多现代建筑人的选择越来越多。

1.2 研究意义

近 30 年来，随着我国经济的高速发展，外装饰幕墙建筑大量出现。在国家战略大力发展内需的情况下，全国的各种建筑高楼如雨后春笋一般全面铺开。在国家提倡发展绿色节能建筑的同时，原先大量老式幕墙在节能、安全等方面达不到现行规范要求。2022 年底，对上海市 3 500 栋幕墙建筑进行了全面排查梳理，结果发现其中 700 栋属于高耗能的幕墙建筑，需要进行节能改造的比例高达 20 %。既有建筑外装饰幕墙结构中有 13 000 万 m2的高耗能建筑急需改造。相对于目前建筑幕墙的节能和安全规范，需要改造的存量甚至可达 3 亿 m2。

在市场前景一片蓝海的情况下，为尽快掌握城市更新与改造中幕墙板块的技术更新、新材料应用以及质量控制和整体改造运营经验，结合笔者的实际工作经验，就上海世博卢森堡馆外装饰工程之耐候钢板幕墙的改造与大家交流和分享。

1.3 研究思路

世博文化公园系上海市政府投资的大型城市公园，世博文化公园主体工程（不含大歌剧院以及相关配套设施用地）总用地面积约 15.3 万 m2，涉及 38-01a、C01-01、C02-02、C03-02、C04-01、C05-02、C06-01、X02-01、X02-06、C04-03、C05-01 地块及 Z000101 单元内部道路。基地东侧为世博会展商务区，南侧为耀华北侧商务休闲居住片区，与徐汇滨江商务区隔江相望。世博文化公园是上海市政府在黄浦江畔核心区域为全市人民打造的一个世界级的开放式城市公园，其规格之高实属罕见，建成后将成为国内最顶级的城市公园，同时也媲美美国的纽约中央公园、对标英国伦敦的海德堡公园。世博文化公园的保留场馆项目，地处雪野二路以北，世博大道以东，位于公园内部东北侧，北至世博大道（见图 1）。

图1 世博文化公园平面布置图

其中卢森堡馆系 2010 年世博会期间的世博场馆之一，地上 2 层，地上建筑面积 2 519.0 m2，总建筑面积 2 519.0 m2，建筑高度 21.35 m。改造后的塔楼主要功能为 live house，裙房主要功能是主题餐饮和创意零售。

1.4 总体改造思路

1）在确保结构安全、程序合法的前提下，维持建筑原样，以改造为主、局部修缮为辅；以“恢复世博记忆、展现世博风貌”为目标，如图 2 所示。

2）临时建筑改永久建筑，以满足现行规范并通过安评、审图、竣工验收等政府审批流程为大原则（局部超规）。

为此，作为上海市重大工程，本项目业主上海地产集团特聘请了曾担任 2010 上海世博园区总建筑师，全国勘察设计大师、原华建集团首席总建筑师沈迪，作为本项目的改造顾问。

2 工程概况

2.1 卢森堡馆世博期间的概况（见图 3）

图3 世博文化公园卢森堡馆世博期间实景图

卢森堡馆是全国单体最大的耐候钢板项目——7 500 m2；卢森堡馆主题：“亦小亦美”造型亮点：“袖珍”的森林和堡垒；卢森堡展馆的建筑结构就像一座壁垒，并把中世纪的塔楼包围其中。而整个卢森堡展馆也被比喻成一个周围绿树环绕的开放式森林（见图 4）。

图4 世博文化公园卢森堡馆局部实景图

2.2 改造前的现状描述

由于本场馆是属于临时性建筑，故对于裙房屋面，没有做结构防水功能，整个裙房漏水非常严重，室内龙骨已经全部锈蚀；主楼耐候钢板之间采用密封胶固定，日晒雨淋之下，在胶缝处形成了很多污染物的流痕；并且还有板块缺少、非耐候钢板板块，以及表面有赘加物，如图 5～图 9 所示。

2.3 改造考虑的技术难点和必要性

因为本项目是临时建筑，故既要考虑临时建筑更改为永久性建筑所必须考虑的结构安全、又要考虑建筑幕墙的节能要求，还需要综合考虑世博保留场馆的改造原则：“恢复世博记忆、展现世博风貌”。技术难点有以下几个方面。

图5 改造前的现状

图6 改造前板块严重锈蚀

图7 改造前表面污染物流痕严重

图8 改造前板块缺失

图9 改造前非耐候钢板及表面赘加物

2.3.1 面板更新

原有耐候钢板表面锈蚀、有各种各样的污染物、赘加物、板块缺少等；并且周边密封胶老化严重，导致受密封胶老化的影响，缝隙处积水严重，边缘锈蚀与正面的腐蚀程度不一样，边部锈蚀更严重。并且耐候钢板自带特有的年轮特性，它表面的颜色会随着时间年数的发展展现不同的色系，从嫩黄逐渐变黑，然后趋于稳定。考虑本项目的改造原则，这里由于已经有部分耐候钢板已经损换，故对卢森堡馆主楼的耐候钢板全部采用修复保留的方案，对卢森堡馆的裙房整体用新板来更新，对于裙房整体更换下来的面板，由于和主楼耐候钢板拥有同龄的特性，故可以利用裙房原有耐候钢板作为修复更新主楼的备板之用，如图 10 所示。

图10 耐候钢板年轮颜色对比表

2.3.2 面板连接方式

原有耐候钢板背面的插接式子母连接件和加强肋是通过焊接的方式进行固定的，考虑角钢和插接式子母连接件已经生锈（见图 11、图 12），拆除后如考虑焊接会对面板局部产生高温，耐候钢板在高温下，正面的耐候钢板颜色就会发生氧化而变色；因此，必须考虑其他连接方案，才能确保面板的修复和整体颜色的统一。

图11 加强肋现状

图12 非耐候钢锈蚀严重

2.3.3 面板原拆原建、龙骨全部更新

考虑世博保留场馆的改造原则：“恢复世博记忆、展现世博风貌”，原板经过上海建科院的实际检测，原有 4 mm 厚的耐候钢板，在经过十年的风雨后，还能保持 3.85 mm，满足永久性建筑外墙使用耐候钢板的规范要求，因此主楼原有每块面板均需修复利用，并在原位复原，难度非常之大。笔者公司采用数字化犀牛的应用，对原有卢森堡馆进行整体无人机激光扫描，以点成面，通过犀牛成型，多次校核后再进行现场校核；然后根据校核最终成型的表皮，对耐候钢板的龙骨进行实际建模（见图 13）；并根据成型的龙骨按面拆分，利用激光切割设备进行切割加工；现场的龙骨安装完全按照犀牛模型中钻石面的转角龙骨进行拼装和吊装。

图13 耐候钢板面板和龙骨数字化犀牛模型

2.3.4 更新改造的总体方案

本次改造方案是保留和利用所有外立面耐候钢板，更换所有龙骨防水系统；确保“恢复世博记忆、展现世博风貌”，先把原有卢森堡馆外立面作整体激光扫描，转换成空间模型，并进行修复，复核所有板块尺寸，所有钢板全部编号并保护性拆除，根据拆除前的表皮模型进行返尺，建立龙骨模型，抽出主框架龙骨模型并转换成三维激光切割所需要的加工图，工厂全自动化激光切割，现场拼接成模块化的异形框架，复核无误后，安装框架内的主次龙骨，做防水层，安装修复和编号的面板，最终完美成型原有建筑。

这个项目是典型的城市更新和改造项目，也是既有建筑改造和数字化表皮应用的案例。

3 更新和改造的主要方法及应用

3.1 耐候钢板幕墙更新改造新体系

更新方案采用开放式的做法，由于原有耐候钢板板块边口锈蚀严重，并且板块之间的连接因密封胶的老化，导致污染物流淌严重，因此更新考虑了开放式的做法，采用插接式子母连接的方式，安装时从下到上进行安装，下口耐候钢板固定后，上口的耐候钢板通过插入的方式固定。并且在 60×120×5 镀锌钢龙骨上增加了 2 mm 铝板的防水层和 100 mm 厚的保温层（容重 120 kg），同时在室内部分增加了 1.5 mm 的镀锌钢板。此结构既保证了耐候钢板的外观效果，又达到了建筑防水和保温的要求，并且便于后续拆装以及完成面的整洁。国内有很多幕墙公司对耐候钢板的做法没有细致研究，导致施工时考虑不周，大多以焊接收口，使得耐候钢板项目未能展示应有的风貌。

耐候钢板标准节点如图 14～图 16 所示。

图14 耐候钢板竖向节点（单位：mm）

图15 耐候钢板横向节点（单位：mm）

3.2 面板的更新和改造方式［1-3］

3.2.1 面板修复的施工工艺

对于正面大面积锈蚀部分采用表面除锈工艺（假设可以翻新的话），正常流程需采用大功率激光设备除锈。但由于该项目年限已近十年，板材正、反面锈蚀层均达到了较大的厚度，很难使用激光设备将锈蚀层清除掉，即使能除锈，将花费大量的人力、时间、设备损耗，且除锈过程会把钢板整体的有效厚度变薄很多，因此只能采取人工打磨方式，对耐候钢板进行保护性的除锈处理。

图16 耐候钢板节点模型

3.2.2 正反面边缘处理

正面边缘部分已经腐蚀的凹凸不平（部分板块边缘还有点焊点），如需翻新板边需要切割掉，然后打磨平整，这样会造成原板块尺寸缩小。此处理也将花费大量的人工、而且无法确保切割后板块尺寸均匀，且会导致原建筑胶缝宽度发生变化，原建筑表皮分格效果发生变化（胶缝变大）。因此，考虑开放式的做法，最终对原有板块仅进行了除锈处理，缝隙过大，对建筑外观效果的保留产生很大影响，所以原定 14 mm 的开放式胶缝还是保留原先的 6 mm 胶缝。

3.2.3 处理背面加强筋、耳板

如果要翻新，必须要切割掉原板背面的加强筋、钢耳板，切割后还要打磨平整，然后再次焊接新的加劲肋及耳板，这个工作量也是很大且比较繁琐。施工时考虑焊接对面板的高温氧化变色反应，最终选择了德国“索亚”的焊接设备，对 M8 和 M6 的不锈钢焊钉进行了多次对比试验。经过实验发现，M8 栓钉固定后，对耐候钢板正面立即会发生变色的情况（见图 17、图 18），而 M6 栓钉固定后，没有立即发生变色情况（见图 19，图 20）。

图17 栓钉 M8 焊接

图18 焊接后正面效果

图19 栓钉 M6 焊接

图20 焊接后正面效果

实际在施工过程中，一次偶然的机会，碰到下雨，耐候钢板淋到雨了，原本以为 M6 栓钉是不能在正面产生高温氧化痕迹了，而在雨后却发现板块正面同样发生了橘红色的锈蚀点。

因此，整个耐候钢板面板翻新流程如下：保护性拆除原建筑耐候钢板——拆卸耐候钢板上的加强肋及组件——手工打磨耐候钢板正、反面——焊接新的不锈钢栓钉——内表面防锈处理——安装子母连接件和加强肋——正面采用专用药剂进行氧化作锈处理不低于 5 遍，同时通过时效处理——包装运输——现场板块安装。

3.2.4 耐候钢板外表颜色修复施工工艺［4-6］

对于耐候钢板的表面处理，最初，大家对于保留场馆的更新和改造原则是“恢复世博记忆、展现世博风貌”，但在实际修复过程中的把控太难了，每个人都有自己的观点，刚开始时，大家认为该表面就应该像文物一样保留，连表面的污染物都要保留，才能保持世博记忆，后来发现实在做不到。建筑改造保留的是美，更新的是能够展示新的功能、新的效果，因此后续决定对外表皮由专业厂家统一进行修复，修复的各种年轮效果经建筑设计和业主定夺，过程极其繁琐，但最终结果还是完美的（见图 21～23）。

图21 过程样品选定（1）

3.3 数字化的实践应用

图22 过程样品选定（2）

图23 过程样品选定（3）

最近十年，数字化的应用越来越广泛，在建筑工程中也是大显身手。在新一轮的城市建筑改造和更新中，特别是对异形复杂结构的建筑来说，已经到了非用不可的地步，其不光是能够给我们的设计带来空间的准确性，同时也能够给设计和施工带来高效率。在现有先进工业体系-3 D 激光切割设备的加持中，让数字化的设计能够快速地落地和实现更加成为可能（见图 24、图 25）。

图24 主楼 172 个面，初次成型 170 个不共面

图25 数字化 3D 激光切割

3.4 改造后的效果

施工期间耐候钢板安装如图 26 所示；卢森堡馆完工后效果如图 27 所示。

图26 施工期间耐候钢板安装效果

图27 卢森堡馆完工安装效果

4 结 语

世博文化公园中世博保留场馆-卢森堡馆的更新与改造，整体是成功的，它既满足了业主开始提出的“恢复世博记忆、展现世博风貌”的改造原则，也给临时性建筑改造为永久性建筑开创了历史，同时也给国内大型活动和运动场馆的后续利用积累了非常宝贵的丰富经验，城市建筑改造和更新潜力无穷。Q