迪拜哈利法塔结构设计和施工-迪拜塔

2特别报道迪拜哈利法塔结构设计与施工撰文赵西安中国建筑科学研究院1工程概况迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，其高度为828m，其中混凝土结构高度为601m。基础底面埋深-30m，桩尖深度达-70m。全部混凝土用量330000m3；总用钢量104000t(高强钢筋65000t；型钢39000t）。有效租售楼层162层，建筑面积526700m2，塔楼建筑面积344000m2。塔楼建筑重量50万t。居住和工作人数12000人，总造价为15亿美元。工期自2004年9月至2010年1月，共1325天，用工2200万工时。哈利法塔是一座综合性建筑，37层以下是阿玛尼高级酒店；45~108层是高级公寓，78层是世界最高楼层的游泳池；108~162层为写字楼；124层为世界最高的观光层，透过幕墙的玻璃可以看到80公里外的伊朗；158层是世界最高的清真寺；162层以上为传播、电信、设备用楼层，一直到206层；顶部70m是钢桅杆（图1，2）。为保持世界最高建筑的地位，钢结构顶部设置了直径为1200mm的可活动的中心钢桅杆，可由底部不断加长，用油压设备不断顶升，其预留高度为200m（图3）。为此哈利法塔始终不宣布建筑高度。到2009年底，确认五年内世界各国都不可能建成更高的建筑，才最后确定828m的最终高度。2010年1月4日，哈利法塔举行了开幕式，正式宣布建成。2建筑设计哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花”，平面是三瓣对称盛开的花朵（图4）；立面通过21个逐渐升高的退台形成螺旋线，整个建筑物像含苞待放的鲜花（图5~8）。这朵鲜花在沙漠耀眼的图2哈利法塔平面图3顶部可升高的钢桅杆图4三瓣盛开的沙漠之花总高度/混凝土结构高度：828m/601m基础底面埋深/桩尖深度：30m/70m全部混凝土用量：330000m3总用钢量：104000t（高强钢筋65000t，型钢39000t）有效租售楼层：162层总建筑面积/塔楼建筑面积：526700m2/344000m2塔楼建筑重量：50万t可容纳居住和工作人数：12000人总造价：15亿美元工期：2004年9月~2010年1月，总计1325天工程总包：韩国三星土建承包：江苏南通六建幕墙承包：香港远东、上海力进、陕西恒远建筑设计、结构设计：SOM图1哈利法塔——世界最高建筑图5用21个退台构成立面的螺旋线图6一朵含苞待放的花图7三叉形平面有利于抵抗风力3特别报道阳光下，幕墙与蓝天一色，21个退台熠熠生辉（图9）。哈利法塔很高，在风力作用下，上部楼层水平位移较大，将酒店和公寓安排在下部楼层，办公楼层放在上层，可以获得更好的舒适性。按现在的布局，公寓最高的108层，最大位移为450mm，办公最高层162层最大位移为1250mm。3建筑幕墙系统哈利法塔的建筑幕墙总面积为13.5万m2，其中塔楼部分为12万m2。在塔楼幕墙中，玻璃10.5万m2，不锈钢板1.5万m2，相当于17个足球场面积。采用单元式幕墙，共有23566个单元板块。幕墙由香港远东公司承建（该公司1998年由航天部收购），转交上海力进和陕西恒远，380余中国技术工人进行幕墙安装。从2007年5月开始，到2009年9月完工，历时30个月。开始一天只能安装20~30个单元，最后最高每天可达175个单元。幕墙总造价约为人民币8亿元，约为6000元/m2。3.1环境条件迪拜位于中东沙漠地带，环境条件恶劣，气温范围为2°C~54°C，材料表面最高温度82°C，气候干燥，多沙尘。3.2设计标准1）风力：50年一遇，55m/s，风压按风洞试验取值；2）地震：按美国标准UBC97的2a区，地震系数z=0.15，相当于我国8度设防；3）结构水平位移：50年一遇风力，828m顶部1450mm，办公层顶部1250mm，公寓层顶部450mm；4）结构竖向压缩：每层平均4mm，整座建筑的顶点650mm。设计前，专门制作了视觉模型（图10）。3.3幕墙试验进行了5个幕墙足尺试件的四性试验和飞机头动风力试验（图11），测试了气渗、水渗、风压变形、平面内变形、温度循环。5个试件的试验结果表明：幕墙满足哈利法塔的要求。对设备层幕墙单独进行了专门的试验。3.4塔楼幕墙3.4.1材料（1）玻璃为中空玻璃，16mm空气层，两片超白玻璃。外片镀银灰反射膜；内片镀Low-E膜。两膜均朝向空气层。可见光透射率20%；综合热透射率16%。山东金晶玻璃公司生产。（2）铝型材主要杆件6063-T5，6063-T6，连接件6061-T6，最大截面300mm。可见表面氟碳喷涂，不可见表面阳极氧化。共2600t，由广东兴发铝材厂生产。（3）不锈钢板用于窗下墙的一部分。（4）不锈钢材用于竖向装饰条和设备层水平装饰条。（5）五金件由广东坚朗公司生产。3.4.2板型单元板块有21种主要板型，尺寸由1.3m×3.2m到2.25m×8m。3.4.3安装楼板为300mm厚混凝土板，单元板块吊挂件埋在楼板边缘。标准楼层层高3.2m，板块直接连接在预埋挂件上。设备层层高较高，后面另加铝型材立柱。图10幕墙的视觉模型图11四性试验（左）和飞机头吹风试验（右）图8阳光明媚，银塔擎天图9蔚蓝天空下21个退台使立面富于变化4特别报道3.5入口处索网双层幕墙系统三个入口处设入口大厅，周边均由索网双层幕墙封闭，分别用于酒店、公寓、写字楼。建筑要求幕墙极度通透。白天阳光可以照射，晚上灯光可以透出，因此要求玻璃尽量大，支承结构尽量小，所以选用索网玻璃幕墙。迪拜温度极高，为做到透光不透热，做双层通风幕墙，内外幕墙均用索网。两道幕墙均为圆柱形，竖向为直线，水平是圆弧。竖索上端拉在顶部楼板梁上，下端拉在地梁上，中间由多道水平方向的钢圆弧梁支承。水平索两端拉在角部刚性竖向钢桁架处，由水平方向圆弧梁和圆弧状分布的竖索来保持水平索的圆弧形状。所有索均采用不锈钢绞线。内外两道索网相距1500mm，由水平放置的不锈钢杆支撑来保持这个距离，这个空间便是能通风的热通道。采用低铁超白玻璃。玻璃四角由夹板支承，夹板位于不锈钢支撑杆的端部。在两道幕墙之间的热通道中设有电动金属遮阳板，遮阳板的开启、关闭及开启角度由电脑控制。透过外幕墙进入室内的辐射热被内幕墙阻挡，集中在热通道内，由抽风机排出室外。SOM公司对冷凝问题进行了详细计算，表明一年间出现结露的时间不多，冷凝水量并不大。3.6清洗设备设置了18台擦窗机和固定伸臂，其外伸长度可达10~20m，这些设备不用时可以隐藏起来。18台设备、36个工人，全部清洗一遍要2~3个月。图12为清洗设备。4风洞试验进行了40次以上的风洞试验，为主体结构设计和幕墙设计提供技术依据。风洞试验在加拿大安大略RWDI边界层风洞进行。风洞尺寸为2.4mx1.9m和4.9mx2.4m。分别进行了刚性模型的力平衡试验和弹性模型的多自由度试验。按50年一遇的风力，做了风压分布、风环境、风气候等方面的研究。模型测点1140个。刚性和气弹性整体模型为1/500，局部风力研究的模型为1/250及1/125（图13~17）。取用了6个主风向：3个翼尖方向和3个凹入方向，试验表明主控制方向是翼尖风向。50年一遇风力按55m/s考虑，风压分布见图18。最大风力在退台附近。最大负风压为-5.5kPa，最大正风压为+3.5kPa。5结构体系和结构布置5.1结构体系“全钢结构优于混凝土结构，适合于超高层建筑”，这是上世纪六七十年代的普遍共识。这个时期大量建造了300m以上的钢结构高层建筑，如1971年建成的纽约世界贸易中心双塔（412m）、1974年建成的芝加哥西尔斯大厦（442m）。到了八九十年代，人们发现纯钢结构已经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增长。从此以后，钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成为超高层建筑的基本形式。我国如上海金茂大厦（1997，420m）、台北101（1998，448m）、香港国际金融（2010，420m）、广州西塔（2010，460m）、广州电视塔（2009，460m）、上海环球图12清洗设备图13RWDI边界层风洞，1/500模型图141/125大比例模型图15风环境试验图16测点的导压管图17沿高度的气流分布图18建筑物风压分布5特别报道金融（2009，492m）、上海中心（2014，632m），深圳平安保险（在建，680m）等，均无一例外。哈利法塔作了前所未有重大突破，采用了下部混凝土结构、上部钢结构的全新结构体系。-30~601m为钢筋混凝土剪力墙体系；601~828m为钢结构，其中601~760m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，412m处的最大侧移1000mm；而哈利法塔混凝土结构，601m处的最大侧移450mm。即使从哈利法塔本身来看，到混凝土结构的顶点601m处，最大位移仅450mm；到了钢框架顶点760m处，位移就迅速增大至1250mm；到钢桅杆顶点828m处，位移就达到1450mm了。所以哈利法塔把酒店和公寓都布置在601m以下的混凝土结构部分；而将601m以上的钢结构部分作为办公楼使用。5.2结构布置采用三叉形平面可以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。同时对称的平面可以保持平面形状简单，施工方便。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，共六道；横向分户墙作为纵墙的加劲肋；此外，每翼的端部还有四根独立的端柱。这样一来，抗侧力结构形成空间整体受力，具有良好的侧向刚度和抗扭刚度（图19）。中心筒的抗扭作用可以模拟为一个封闭的空心轴。这个轴由三个翼上的6道纵墙扶壁而大大加强；而走廊纵墙又被分户横墙加强。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（图20）。由于加强层的协调，端部柱子也参加抗侧力工作。5.3竖向布置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。分段步步切断可以使墙、柱的荷载平顺逐渐变化，同时也避免了墙、柱截面突然变化给施工带来的困难。退台要形成优美的塔身宽度变化曲线，而且要与风力的变化相适应（图21，22）。图19抗侧力结构布置图20整座建筑如同一根竖向梁图21全高有21个退台图22各楼层平面图23建筑的七个设备层（左）和结构的五个加强层（中、右）图24加强层的剪力墙外伸臂图25601m以下的混凝土结构6特别报道建筑设计在竖向布置了七个设备层兼避难层，每个设备层占2~3个标准层。利用其中的五个设备层做成结构加强层（图23，24）。加强层设置全高的外伸剪力墙作为刚性大梁，使得周端部柱的轴力形成大力矩抵抗侧向力的倾覆力矩。而且刚性大梁调整了各墙、柱的竖向变形，使得它们的轴向应力更均匀，降低了各构件徐变变形差。6结构设计和结构分析6.1混凝土结构设计混凝土结构设计按美国规范ACI318-02进行。混凝土强度等级：127层以下C80；127层以上C60。C80混凝土90d弹性模量E=43800N/mm2。采用硅酸盐水泥，加粉煤灰。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下的应力相近。由于柱子和薄的剪力墙的收缩较大，所以端柱的厚度取与内墙相同，即600mm。设计时尽量考虑构件的体积与表面积的比值接近，使各构件的收缩速度接近，减少收缩变形差（图25）。在立面内收处，钢筋混凝土连梁要传递竖向荷载（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ACI318-02附录A设计，计算图形为交叉斜杆。这个设计方法可使连梁高度降低。楼层数量多，压低层高有很大的意义。标准层层高为3.2m，采用无梁楼板，板厚为300mm（图26）。图27为核心筒剪力墙的配筋。6.2钢结构设计601m以上是带交叉斜撑的钢框架，它承受重力、风力和地震作用。钢框架逐步退台，从第18级的核心筒六边形到第29级的小三角形，最后只剩直径为1200mm的桅杆（图28，29）。这根桅杆是为了保持建筑高度世界第一而专门设计的，它可以从下面接长，不断顶升，预留了200m的上升高度（图30）。所有外露的钢结构都包