摘要： 转载自 《迪拜哈利法塔结构设计与施工》作者：赵西安 中国建筑科学研究院总高度/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：330 000m3总用钢量：104 000t（高强钢筋65 000t，型...
转载自 《迪拜哈利法塔结构设计与施工》作者：赵西安 中国建筑科学研究院
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：330 000m3
总用钢量：104 000t（高强钢筋65 000t，型钢39 000t）
有效租售楼层：162层
总建筑面积/塔楼建筑面积：526 700m2/344 000m2
塔楼建筑重量：50万t
可容纳居住和工作人数：12 000人
总造价：15亿美元
工期：2004年9月~2010年1月，总计1 325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
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。
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1 哈利法塔——世界最高建筑
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。
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 2 600t，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。
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。
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-5.5 kPa，最大正风压为+3.5 kPa。
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
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）。
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。
6.1 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铝板作为装饰。
钢结构按美国钢结构协会AISC《钢结构建筑荷载和抗力系数设计规范》1999 进行设计。
6.3 结构分析
结构分析采用ETABS8.4 版，考虑了重力荷载（包括P- 二阶效应）、风、地震。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（图31）。分析模型共73500 个壳元，75000 个节点。
分析参数： 风力：50 年一遇，55m/s， 风压按风洞试验取值；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；温度：气温变化范围+2°C~ ＋５４°C。分析结果表明，在风力作用下（50 年一遇风力），结构水平位移（ 图32）：828m 顶部为1450mm， 办公层顶部为1250mm，
公寓层顶部为450mm。这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（图33），T1=11.3s（X 向），T2=10.2s（Y 向），T5=4.3s（扭转）。内力分析表明，钢筋混凝土塔楼部分地震力不起控制作用；但裙房和顶部钢结构处，地震内力对设计有作用。
7.1 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。但随高度增加，这种分析方法会偏离真实情况。因为长期过程，即与时间相关的施工顺序、徐变、收缩都会引起内力重分布，而且竖向荷载还产生水平侧移。这些采用常规分析是不可能的。
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GL2000（2004）模型，考虑了钢筋的影响，也考虑了施工过程。
7.2 施工过程分析
施工全过程分成15 个阶段，采用三维模型进行分析（图34），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，分析还延续到50 年后。
7.3 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；竖向压缩则每层的层高应增加一个补偿值。
中心筒在施工过程中会产生偏心，偏心调整应每层进行，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。
7.4 竖向缩短
结构竖向压缩每层平均为4mm， 整座建筑的顶点为650mm。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135 层，墙、柱中钢筋与混凝土的内力比会从15%/85% 变为30%/70%（图35）。
采用摩擦桩加筏板联合基础（图36）。
8.1 地基
地基为胶结的钙质土和含砾石的钙质土。天然地基土与混凝土桩的表面极限摩擦力为250~350kPa 。
8.2 桩
194 根现场灌注桩，长度约43m，直径1500mm。桩的设计
承载力为3000t。现场进行了压桩试验，最大压力为6000t（图37），桩尖深度-70m。
迪拜地下水有腐蚀性，氯离子浓度4.5%，硫为0. 6%。因此桩采用C60 混凝土， 加25% 粉煤灰，7% 硅粉； 水灰比0.32，塌落度675mm。
8.3 筏板
筏板厚度3.75m， 采用C50 自密实混凝土（SCC）， 加40% 粉煤灰，水灰比0.34。在现场进行了坍落度和流动性试验。
钢筋间距双向300mm，但在每一个方向每隔10 根钢筋取消1 根钢筋，形成600mmx600mm 的无钢筋洞口，便于浇筑混凝土。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3.75m的实大立方体（图38）。
为降低底下水的腐蚀作用，底板铺设了一层钛丝编织的阴极保护网。对筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析。分析指出，基础长期沉降为80mm，施工到135 层时沉降30mm。工程完工后，实测沉降为60mm。
9.1 混凝土配比
竖向结构混凝土要求10 小时强度达到10MPa 以保证混凝土施工能正常循环。最终强度达到80MPa（127 层以下）和60MPa（127 层以上），C80 混凝土的弹性模量为44000MPa。混凝土还要有好的和易性，有适合于600m 泵送高度的坍落度。
迪拜冬天冷，夏天气温则在50°C 以上，所以不同季节要调节混凝土的强度增长率及和易性损失值。
9.2 混凝土的超高度泵送
哈利法塔创造了混凝土单级泵送高度的世界记录——601m。达到这个空前的高度，最大困难是混凝土的配比设计。采用了四种不同的配比以便能用较小的压力把混凝土送到不同的高度。
2005 年4 月进行了一次水平泵送试验， 泵送压力与送到600m 高度的压力相同。试验确认了泵送600m 高度的可行性，并实测了摩擦系数。泵送压力为200bar（图39）。所用的泵送混凝土含13% 粉煤灰、10% 的硅粉。集料最大粒径20mm。自密实，坍落度600mm。采用了3 台世界上最大的混凝土泵，压力可达350bar。配套直径150mm 的高压输送管（图40）。
9.3 模板和混凝土浇筑
整个基础筏板混凝土接近45000m3，按中心部分和三个翼板分成四段浇筑（图41），每段相隔24 小时。
上部结构的墙体用自升式模板系统（图42）施工；端柱则采用钢模施工；无梁楼板用压型钢板作为模板。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（图43）。
9.4 施工监测
本工程高达828m，施工测量控制成为突出的问题。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GPS 控制施工全过程的精度。
迪拜哈利法塔以828m 的超高度、52 万m2 的巨大建筑面积，给我们提供了丰富的设计和施工经验。随着国内632m 的上海中心、648m 的深圳平安保险大厦、636m 的武汉国际金融中心600m 的天津高银117 等一批600m 以上建筑施工，我国的高层建筑技术，将会提高到一个新的水平。
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