世界最高建筑迪拜哈利法塔结构设计，绝无仅有

　　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SOM公司设计，工程总承包单位为韩国三星，我国江苏南通六建集团公司承包土建施工，幕墙分别由香港远东、上海力进、陕西恒远三家公司承包。自2004年9月至2010年1月，总工期为1325d，用工2200万工时，总造价为15亿美元。
　　建筑总高度为828m；混凝土结构高度为601m；基础底面埋深为30m；桩尖深度为70m；全部混凝土用量为330000m3；总用钢量为104000t(高强钢筋为65000t，型钢为39000t）。总建筑面积为526700m2；塔楼建筑面积为344000m2；塔楼建筑重量为50万t；可容纳居住和工作人数为12000人；有效租售楼层为162层。
　　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，共700套，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，透过幕墙的玻璃可看到80km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）。
　　图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2）。为此哈利法塔始终不宣布建筑高度。到2009年底，确认5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（图3）。
　　图2 顶部可升高的钢桅杆
　　图3 哈利法塔灯光
　　2 建筑设计
　　哈利法塔的建筑理念是＂沙漠之花——DesertFlower＂，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。这朵鲜花在沙漠耀眼的阳光下，幕墙与蓝天一色，发出熠熠光辉。
　　图4 三瓣盛开的沙漠之花
　　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。幕墙总造价约为人民币8亿元，约为6000元/m2。哈利法塔很高，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，可获得更好的舒适性。按现在的布局，公寓最高层为108层，最大位移为450mm，办公最高层为162层，最大位移为1250mm。
　　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40次以上的风洞试验。风洞试验在加拿大安大略RWDI边界层风洞进行。风洞尺寸为2.4m×1.9m和4.9m×2.4m。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（图5）、风气候等方面的研究。模型测点为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。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，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。
　　4 结构体系和结构布置
　　4.1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20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20世纪八九十年代，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年，420m）、台北101（1998年，448m）、香港国际金融（2010年，420m）、广州西塔（2010年，460m）、广州电视塔（2009年，460m）、上海环球金融（2009年，492m）、上海中心（2014年，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的重大突破，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处的最大侧移为1000mm；而哈利法塔混凝土结构，601m处的最大侧移仅为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，位移就达到了1450mm。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。
　　4.2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。同时对称的平面可保持平面形状简单，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6道；横向分户墙作为纵墙的加劲肋；此外，每翼的端部还有4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6）。
　　中心筒的抗扭作用可模拟为一个封闭的空心轴，由3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。由于加强层的协调，使端部柱也参加抗侧力工作。
　　4.3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。分段步步切断可使墙、柱的荷载平顺地逐渐变化，同时也避免了墙、柱截面突然变化给施工带来的困难。全高21个退台要形成优美的塔身宽度变化曲线，且要与风力的变化相适应。
　　建筑设计在竖向布置了7个设备层兼避难层，每个设备层占二三个标准层。利用其中的5个设备层做成结构加强层（图7）。加强层设置全高的外伸剪力墙作为刚性大梁，使得端部柱的轴力形成大力矩抵抗侧向力的倾覆力矩。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，降低了各构件徐变的变形差。
　　图7 五个结构加强层
　　5结构设计和结构分析
　　5.1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层以下为C80；127层以上为C60。C80混凝土90d弹性模量为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。由于柱和薄的剪力墙收缩较大，所以端柱的厚度与内墙相同，取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。
　　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8）。
　　5.2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1200 mm的桅杆。这根桅杆是为保持世界第一建筑高度而专门设计的，它可从下面接长，不断顶升，预留了200m的上升高度（图9）。
　　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》进行设计。
　　5.3结构分析
　　结构分析采用ETABS8.4版，考虑了重力荷载（包括P-D二阶效应）、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。
　　分析模型共73500个壳元、75000个节点。分析参数如下。
　　（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，地震系数为0.15，相当于我国8度设防;
　　（3）温度：气温变化范围为2～54℃。
　　分析结果表明，在50年一遇风力作用下，结构水平位移:828m顶部处为1450mm，办公层顶部处为1250mm，公寓层顶部处为450mm。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：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。
　　6长期荷载分析和施工过程分析
　　6.1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。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。
　　6.2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，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。
　　6.3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。
　　6.4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层的墙、柱中钢筋与混凝土的内力比会从15%，85%变为30%，70%。
　　7地基和基础
　　采用摩擦桩加筏板联合基础（图10）。
　　图10 桩筏联合基础
　　7.1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。
　　7.2桩
　　194根现场灌注桩，长度约43m，直径为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，桩尖深度为70m。
　　迪拜地下水有腐蚀性，氯离子浓度为4.5%，硫为0.6%。因此桩采用C60混凝土，加25%粉煤灰和7%硅粉；水灰比为0.32，坍落度为675mm。
　　7.3筏板
　　筏板厚度为3.75m，采用C50自密实混凝土（SCC），加40%粉煤灰，水灰比为0.34。在现场进行了坍落度和流动性试验。
　　钢筋间距双向为300mm，但在每一个方向每隔10根钢筋取消1根钢筋，形成600mm×600mm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。
　　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。分析指出，基础长期沉降为80mm，施工到135层时沉降为30mm。工程完工后，实测沉降为60mm。
　　8施工
　　8.1混凝土配合比
　　竖向结构混凝土要求10h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℃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。
　　8.2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。达到这个空前高度的最大困难是混凝土的配合比设计。采用了4种不同的配合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20MPa。
　　所用的泵送混凝土含13%粉煤灰和10%的硅粉。集料最大粒径为20mm；自密实，坍落度为600mm。
　　采用了3台世界上最大的混凝土泵，压力可达35MPa。配套直径为150mm的高压输送管。
　　8.3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3个翼板分成4段浇筑，每段相隔24h。
　　上部结构的墙体用自升式模板系统（图11）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12）。
　　图11 自升式模板系统
　　图12 墙体混凝土浇注
　　8.4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、680m的深圳平安保险大厦等一批600m以上建筑即将设计施工，我国的高层建筑技术将会提高到一个新的水平。