世界最高建筑迪拜哈利法塔结构设计和施工

世界最高建筑迪拜哈利法塔结构设计和施工

第 4卷第 7期 2 1 1 0 0年 7月

Ar h t cu e T c n lz c i t r e h oo v e

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世界最高建筑迪拜哈利法塔结构设计和施工赵西安(国建筑科学研究院， 0 0 3北京 )中 101,

摘

要：拜哈利法塔高度达 8 8是目前世界最高的建筑。这个高度已超越了纯钢结构高层建筑的使用迪 2 m,

范围，又不同于内部混凝土外围钢结构的传统模式，但在体系上有所突破。由于超高，计上着重解决抗风设计设和竖向压缩、变收缩等竖向变形问题。施工上将 C 0徐 8混凝土一次泵送到6 l的高度，造了一个新的奇迹。 0 m创 关键词：高层建筑；合结构体系；超混风洞试验；间过程分析；高强度混凝土时超中图分类号：U 9 3 T 7 文献标识码： B文章编号：0 0 4 2 (0 0)7 0 2— 5 10— 7 62 1 0— 65 0

S TRUCTURAL DES GN I AND CoNS TRUCTI oN oF DUBAI KHALⅡ ToW ER.THE A W oRLD TALLEST BUI LDI NGZHAO - Xian (ntueo uligSrcue hn a e fB i igR sac,10 1,B in,C ia Istt fB i n t trsC iaAcdmyo ul n eerh 0 0 3 e ig hn ) i d u d j

Ab t a t D b i a i o r 2 h g,i t e wo l a ls u l i g a r s n .S c e g t sr c: u a ' Kh l a T we,8 8m ih s h rd t l t b i n t p e e t u h h ih s f e d h s e c e e h e v c c p f p r t e t c u e h g— ie u h t cu e i i e e t f m h a x e d d t e s r ie s o e o u e se l sr t r i h r .b t t e sr tr s d f r n r u s u f o te ta i o a sr c u e r d t n l t t r wi i n r o c ee a d o tr s e sr cu e b e k n t r u h t e r d t n l i u t n e c n r t n u e t l t t r, r a i g

h o g h ta i o a h e u i s c u a y t m.Kh l a T w r i u e - i h b i i g O i e ms o e i n t e e h ss i t t r l s se u r ai o e s f a s p r h g u l n,S n t r f d s h mp a i s d g ma e d o wi d r ssa c d sg a d o e c mi g t e ln i d n l d fr t n, s c a l n i d n l n n e it n e e i n n v r o n h o g t i a e o mai s u o uh s o g t i a uc mpa to o c in,s rn g a d r e e fc,e c n e ms f o tu to h i ka e n c e p fe t t .I tr o c nsr c in,C8 c n r t i p mp d p o 0 o c ee s u e u t a

h ih 01 o c,c e t g a n w w rd mia l . eg t 6 n e r a i e o l r ce m nKe wor: s p r i h—rs; mi e sr cu a s se y ds u e h g—ie x d t t r l y t m; wi d un e t s; t c u s a l ss u n t n l e t i me o r e nay i; s e—sr n t c n r t up r—te g h o c e e

1工程概况迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，由美国 S M公司设计，程总承包单位为韩国三星，国江苏 O工我南通六建集团公司承包土建施工，幕墙分别由香港远

朗；5层是世界最高的清真寺；6层以上为传播、 18 12 电信、备用楼层，直到2 6;￣ 7 m是钢桅杆设一 0层顶]0 5( 1。图 )

东、上海力进、陕西恒远三家公司承包。 0 4月至自2 0年9 2 1年 1。工期为 1 2, 00月总 5d用工2 0万工时，造价 3 20总为 l亿美元。 5 建筑总高度为8 8混凝土结构高度为6 1基 2 m; 0 m;础底面埋深为3 桩尖深度为7 全部混凝土用量 0 m; 0 m;

为3000总用钢量为14 0 t( 3 0m; 0 0 0高强钢筋为6 00 5 0t型钢为 3 0 0 ), 9 0 t。总建筑面积为 5 6 0 m;楼建筑 2 7 0塔

面积为

3 4 0 m: 4 0 0塔楼建筑重量为5万t可容纳居住 0;和工作人数为 1 0 0; 2 0人有效租售楼层为1 2。 6层 哈利法塔是一座综合性建筑，7以下是阿玛尼 3层高级酒店；5 0层是高级公寓， 0套，8是世界 4 18共7 0 7层1哈利法塔立面

为保持世界最高建筑的地位，钢结构顶部设置了直径为 1 0 m的可活动的中心钢桅杆，可由底部不 0m 2

最高楼层的游泳池：0~ 6层为写字楼；2层为世界 18 1 2 14最高的观光层，透过幕墙的玻璃可看 N 8 m外的伊 o k

断加长，油压设备不断顶升，用其预留高度为2 0图 0 m(2。此哈利法塔始终不宣布建筑高度。￣2 0年底， )为 09

确认5内世界各国都不可能建成更高的建筑，年才最后收稿日期：0 0 0— 5 2 1— 5 1

作者简介：西安 (9 0 )男，东新会人，国建筑科学研究院，究赵 14一，广中研员。

确定8 8 2 m的最终高度。2 1年 1 0 0月4日，哈利法塔举行了开幕式，正式宣布建成 ( )图3。

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为 18, 0层最大位移为40m办公最高层为 12, 5 m, 6层最大位移为 1 5 m 0 m。 2

3风洞试验为了给主体结构设计和幕墙设计提供技术依据， 进行了4次以上的风洞试验。风洞试验在加拿大安大 0略 R I界层风洞进行。风洞尺寸为24 1 m和 WD边 .m￣ . 9 49￣ .m。分别进行了刚性模型的力平衡试验和弹 .m 24 性模型的多自由度试验。 0按5年一遇的风力，了风压做分布、环境 ( )风气候等方面的研究。风图5、模型测点为图 2顶部可升高的钢桅杆

I4个。 0 1

图5风环境试验

图3开幕式的灯光

刚性和气弹性整体模型为 1 0,部风力研究的/ 0局 5

2建筑设计

模型为 1 5及 115/ 0/2。取用了6主风向：个翼尖方向 2个 3

个试 哈利法塔的建筑理念是“漠之花—— D sr沙 eet和3凹入方向，验表明主控制方向是翼尖风向。 5年一遇风力按5/考虑。最大风力在退台附 0 5 ls H Fo e”平面是三瓣对称盛开

的花朵 ( )立面通过 l r, w图4; 55 P最大正风压为+ .k a 35 P。 2个逐渐升高的退台形成螺旋线，整个建筑物像含苞近。最大负风压为一 .k a, 1待放的鲜花。朵鲜花在沙漠耀眼的阳光下，这幕墙与蓝 4结构体系和结构布置天一色，出熠熠光辉。发 41结构体系 .

“全钢结构优于混凝土结构，适合于超高层建筑”,这是2世纪六七十年代的普遍共识。这个时期大量建 O造了3 0 l上的钢结构高层建筑， 1 7年建成的纽 0 n以如 91

约世界贸易中心双塔 ( 1 m) 17年建成的芝加哥西 4 2、9 4尔斯大厦 (4 m) 4 2。到了2世纪八九十年代， 0人们发现纯钢结构已不能满足建筑高度进一步升高的要求，其原因在于钢结构的侧向刚度提高难以跟上高度的迅速图4 三瓣盛开的沙溟之花

增长。从此以后，筋混凝土核心筒加外围钢结构就成钢为超高层建筑的基本形式。国如上海金茂大厦 ( 9 7我 19

哈利法塔的建筑幕墙总面积为 1.万 m,其中塔 35

楼部分为 1万 m。幕墙总造价约为人民币8元 .为 2 亿约60 0, 0元 m。

年，2 4 0m)台北 1 1 1 9年， 8m)香港国际金融、 0 (9 8 4 、(0 0,2 m)广州西塔 ( 0 0,6 m)广州电视 2 1年 4 0、 2 1年 4 0、

20年 4 0、 2 0年 4 2m)上哈利法塔很高，力作用下，风上部楼层水平位移较塔 (0 9,6 m)上海环球金融 (0 9,9 、 2 1年 6 2m)深圳平安保险 (建，8 m),在 60 大，将酒店和公寓安排在下部楼层，办公楼层放在上海中心 (0 4,3

层，可获得更好的舒适性。按现在的布局，公寓最高层

等。均无一例外。

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哈利法塔作了前所未有的重大突破，采用了下部化给施工带来的困难。全高2个退台要形成优美的塔 1混凝土结构、上部钢结构的全新结构体系。一 0 6 1 3 0 m

身宽度变化曲线，且要与风力的变化相适应。 建筑设计在竖向布置了7设备层兼避难层，个每个设备层占二三个标准层。利用其

中的5设备层做成结个

为钢筋混凝土剪力墙体系；0~ 2 m为钢结构，其中 6 18 8 6 17 0 0~6 m采用带斜撑的钢框架。我们可以比较一下：纽约世贸中心纯钢结构， 1的最大侧移为 1 0 4 2m处 0 0 m而哈利法塔混凝土结构，0处的最大侧移仅为 m; 61 m4 0mm。 5

构加强层 ( )加强层设置全高的外伸剪力墙作为刚图7。性大梁，使得端部柱的轴力形成大力矩抵抗侧向力的倾覆力矩。且，而刚性大梁调整了各墙、的竖向变形，柱使得它们的轴向应力更均匀，降低了各构件徐变的变形差

即使从哈利法塔本身来看。到混凝土结构的顶点61 0,最大位移仅4 0 m处 5 mm:到了钢框架顶点7 0 6 m

处，移就迅速增大至 1 5位 0mm;钢桅杆顶点 8 8 2到 2 m处，位移就达到了 1 5 0 4 mm。以哈利法塔把酒店和公所

寓都布置在6 1 0 m以下的混凝土结构部分；而将6 1 0 m

以上的钢结构部分作为办公楼使用。42结构布置 .

采用三叉形平面可取得较大的侧向刚度，降低风荷载，有利于超高层建筑抗风设计。时对称的平面可同

保持平面形状简单。工方便。施 整个抗侧力体系是一个竖向带扶壁的核心筒。六边形的核心筒居中：每一翼的纵向走廊墙形成核心筒的扶壁，道；向分户墙作为纵墙的加劲肋；外，共6横此 每翼的端部还有4独立的端柱。这样一来，侧力结根抗构形成空间整体受力，具有良好的侧向刚度和抗扭刚度 ( )图6。图7结构的5个加强层

5结构设计和结构分析51混凝土结构设计 .

混凝土结构设计按美国规范AC38 0进行。 I1— 2混凝土强度等级：2层以下为 C 0 1 7以上为 17 8;2层 C 0 8混凝土9弹性模量为4 0//采用硅 6。C 0 0 d 3 0Nmm, 8酸盐水泥，粉煤灰。加 进行了构件截面尺寸的仔细调整以减少各构件收

缩和徐变变形差。原则上使端柱和剪力墙在自重作用端

下的应力相近。由于柱和薄的剪力墙收缩较大，所以端柱的厚度与内墙相同， 60 m。设计时尽量考虑构取 0m件的体积与表面积的

比值接近，使各构件的收缩速度图6抗侧力结构布置

接近，少收缩变形差。减在立面内收处，钢筋混凝土连梁要传递竖向荷载

中心筒的抗扭作用可模拟为一个封闭的空心轴，

(包括徐变和收缩的效应 ),并联系剪力墙肢以承受侧向荷载。连梁按A I3 8 0附录A计，算图形为交 C 1— 2设计叉斜杆。这个设计方法可使连梁高度降低。

由3翼上的6纵墙扶壁而大大加强；而走廊纵墙又个道被分户横墙加强。整个建筑就像一根刚度极大的竖向梁，抵抗风和地震产生的剪力和弯矩。由于加强层的协调，使端部柱也参加抗侧力工作。43竖向布置 .

楼层数量多，低层高有很大的意义。压标准层层高为32采用无梁楼板， . m,板厚为3 0 m( ) 0 m图8。52钢结构设计 .

竖向形状按建筑设计逐步退台，剪力墙在退台楼层处切断，端部柱向内移。分段步步切断可使墙、的柱荷载平顺地逐渐变化，同时也避免了墙、截面突然变柱

61 0 m以上是带交叉斜撑的钢框架，它承受重力、 风力和地震作用。框架逐步退台，第 l级的核心筒钢从 8六边形到第 2级的小三角形 .最后只剩直径为 1 0 9 0 2

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内力分析表明，钢筋混凝土塔楼部分地震力不起控制作用：裙房和顶部钢结构处，震内力对设计有但地作用。

6长期荷载分析和施工过程分析61超高建筑竖向荷载的时间和过程效应 .通常采用线性有限元分析竖向荷载下的墙、柱内

力和位移。随高度增加，这种分析方法会偏离真实情图 8厚度 30mm的无梁楼板 0

况。因为长期过程，即与时间相关的施工顺序、徐变、收

mm的桅杆。根桅杆是为保持世界第一建筑高度而专缩都会引起内力重分布，而且竖向荷载还产生水平侧这这 门设计的，它可从下面接长，不断顶升，留了2 0l预 0 I的移，些采用常规分析是不可能的。 l上升高度 ( )图9。哈利法塔设计中对这些因素进行了详细的分析。分析采用了 G 2 0 (0 4模型，虑了钢筋的影响， L 0 020 )考 也考虑了施工过程。62施工过程分析 .

施工全过程分成 1个阶段，采用三维模型进行分 5

析，同时也考虑了收缩和徐变。每个模型都代表施工过程的一个时间点，施加当时所增加的新荷载。到施工结束，还延续到5年后。分析 063补偿技术 .

施工过程中两个方向的平移应根据计算结果予以补偿、校正；向压缩则每层的层高应增加一个补偿值。竖 中心筒在施工过程中会产生偏心，偏心调整应每9。升高的桅杆]

层进行，可以通过纠正重力荷载产生的侧移 (弹性位移、基础底板沉降差、徐变、收缩 )来补偿。64竖向缩短 .

所有外露的钢结构都包铝板作为装饰。钢结构按美国钢结构协会AIC(结构建筑荷载和抗力系数设 S(钢计规范》行设计。进5 .结构分析 3

结构竖向压缩每层平均为4m整座建筑的顶点 m,

为 60 5 mm。这个缩短通过每层标高的调整来补偿。 由于收缩和徐变，钢筋混凝土竖向构件的内力会在钢筋和混凝土之间重新分配。由于要求两者应变相

结构分析采用E AB .版，虑了重力荷载 ( T S8 4考包括P DZ阶效应 )风荷载和地震效应。建立三维分析 - .、模型，包括钢筋混凝土墙、连梁、、、板柱顶部钢结构、筏板和桩。

同，混凝土分担的内力会逐渐减少，而钢筋的内力会相应增加。哈利法塔第1 5的墙、中钢筋与混凝土的 3层柱内力比会从 1%,5 5 8%变为3%,0 0 7%。

分析模型共7 0个壳元、5 0个节点。分析参 3 0 5 7 0 0

数如下。 ( )力：0一遇，5/,压按风洞试验 7地基和基础 1风 5年 5 ms风

取值；2地震：美国标准 U C 7 a,震系数为 ()按 B 9的2区地 01,当于我国8设防；3温度：温变化范围为 .5相度 ()气2 5℃。~4

采用摩擦桩加筏板联合基础 ( 1 )图 0。

分析结果表明， O一遇风力作用下，在5年结构水平

位移：2顶部处为 1 5 m,办公层顶部处为 1 5 88 m 0 4 m 0 2m公寓层顶部处为4 0 m, 5 mm。这个位移值低于通用的标准，符合设计的要求。

动力分析得到各振型和周期：11 .sX向 )=/= 1 ( 3,1 .s Y )T= . s扭转 ) 0 向，5

43 ( 2( 。图 1桩筏联合基础 0

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MP。配套直径为 1 0 a 5 mm的高压输送管。

.地基为胶结的钙质土和含砾石的钙质土。然地 83模板和混凝土浇筑天

基土与混凝土桩的表面极限摩擦力为2 0 3 0 P。 5~ 5 k a72桩 .

整个基础筏板混凝土接近4 0 5 0 ,按中心部分 0 m和 3翼板分成4浇筑，个段每段相隔2。 4 h

14现场灌注桩 . 9根长度约4 直径为 1 0 3 m, 0 5 mm。

上部结构的墙体用自升式模板系统 ( 1 )工，图 1施 首先浇筑中心筒及其周边楼板，然后浇筑翼墙及相关楼板，最后是端柱和附近楼板 ( 1 )图 2。

桩的设计承载力为3 0 t 0 0。现场进行了压桩试验，大端柱则采用钢模施工 .最无梁楼板用压型钢板作为模板。

压力为6 0 t桩尖深度为7 00, 0m。迪拜地下水有腐蚀性，离子浓度为 4%,为氯 .硫 506 .%。因此桩采用C 0凝土，加2%粉煤灰和 7 6混 5%硅

粉；水灰比为03,落度为6 5 .2坍 7 mm。73筏板 .

筏板厚度为37 m,用C 0 . 5采 5自密实混凝土 (C, S C) ￣ 4%粉煤灰，灰比为03。在现场进行了坍落度和 H0水 . 4流动性试验。 钢筋间距双向为 3 0 0 mm,但在每一个方向每隔 1 0根钢筋取消 1根钢筋 .成6 0 x 0 m的无钢筋洞形 0 6 0m mm口，于浇筑混凝土。便为了研究浇灌工艺和控制温升的

措施，在现场制作了边长为37 . m的实大立方体。 5 为减弱地下水的腐蚀作用，底板铺设了一层钛丝编织的阴极保护网。 筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析。分

图 1自升式模板系统 1

析指出，础长期沉降为 8 mm,工到 1 5时沉降基 0施 3层为3 m。工程完工后，测沉降为6 m。 0 m实 0 m 8施工81混凝土配合比 .

竖向结构混凝土要求 1强度达到 1 0h 0MP以保证 a

混凝土施工能正常循环。最终强度达到8 a 17 0MP (2层以下 ) 6 MP (2层

以上 )C 0凝土的弹性模量和 0 a 17,8混为4 0 a 4 0MP。混凝土还要有好的和易性，有适合于 0图 l墙体混凝土浇筑 2

60 0 m泵送高度的坍落度。迪拜冬天冷，天气温则在 5 以上，以不同夏 Oc C所季节要调节混凝土的强度增长率及和易性损失值。8 .混凝土的超高度泵送 2

84施工监测 .

本工程高达 8 8施工测量控制成为突出的问题。 2 m. 现有的测量手段无法满足要求。本工程施工采用了全球卫星定位系统 G S制施工全过程的精度。 P控

迪拜哈利法塔以8 8 2 m的超高度，2 5万m的巨大建 61 0 m。达到这个空前高度的最大困难是混凝土的配筑面积，我们提供了丰富的设计和施工经验。给随着国合比设计。用了4采种不同的配合比以便能用较小的压内6 2m的上海中心、8 1的深圳平安保险大厦等一 3 6 0T I一

哈利法塔创造了混凝土单级泵送高度的世界记录

力把混凝土送到不同的高度。2 0年4 0 5月进行了一次水平泵送试验，泵送压力与送到6 0 0 m高度的压力相同。试验确认了泵送 6 0 0 m高

批 6 0n上建筑即将设计施工，国的高层建筑技术 0 I以我将会提高到一个新的水平。参考文献[] A I 1—2 UL IG C E R Q IE N S F R 1 C 3 8 0,B ID N OD E u R ME T OS RUC T TURAL CONCRE TE『 . S]

度的可行性，实测了摩擦系数，送压力为2 MP。并泵 0 a所用的泵送混凝土含 1%粉煤灰和 1%的硅粉。 3 0

集料最大粒径为2 m; 0 m自密实，落度为60m 坍 0 m。采用了 3台世界上最大的混凝土泵，压力可达 3 5

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