快来瞧瞧世界最高建筑哈利法塔的混凝土细节，比比谁更厉害？

　　一、引言
　　具有良好施工性能的水泥混凝土催生了现代建筑技术，而混凝土技术的进步为建筑的高度竞争和结构的创新提供了更多可能。在过去的几十年中，世界建筑的最高高度不断攀升（如表1）。
　　表1 世界上最高的建筑
　　这种飞跃源于水泥混凝土工作性能和力学性能的提升以及混凝土施工技术和设备的进步。迪拜大厦是最高的人造结构，楼高828m，有162层地上建筑和3层地下建筑。该建筑从2004年9月24日开始施工，2009年10月1日完工，2010年1月4日正式开放，建筑由芝加哥的一家名为斯基德摩尔·奥斯因梅林建筑工程公司设计，首席建筑设计师为艾德里安·史密斯，首席结构工程师为比尔·贝克，大厦由韩国三星公司营造。建筑设计采用了一种具有挑战性的单式结构，由连为一体的管状多塔组成，具有太空时代风格的外形，基座周围采用了富有伊斯兰尖塔建筑风格，设计灵感源于六瓣的沙漠之花蜘蛛兰。其独特的结构和先进的施工技术是当之无愧的建筑奇迹。
　　当前全球87%以上的摩天大厦工地都在中国，深入研究该建筑的设计、材料与施工技术与装备对我国摩天大厦的建设具有重要借鉴意义。
　　二、哈利法塔的外观设计
　　哈利法塔的建筑设计历经多次修改完善（如图1）。最初的设计方案是在2003年初由澳大利亚的一家设计公司提出的高560m的墨尔本葛洛罗塔的复制品。之后SOM重新设计了哈利法塔，其高度变为650m，经多次修改设计方案后最终确定了828m的设计高度。哈利法塔的建筑和结构设计是由艾德里安·史密斯和他的90名设计师在斯基德莫尔、Owings和美林（SOM）的芝加哥工作室完成的。SOM还设计了位于伊利诺伊州芝加哥市的威利斯大厦（原名西尔斯大厦）和纽约市的世贸中心一号大楼。哈利法塔类似于威利斯大厦的束筒结构，但它不是一个管状结构，而是由连为一体的管状多塔组成，设计借鉴了韩国首尔的一个名为TowerPalaceThree的73层高的全住宅建筑。
　　图1 哈利法塔设计方案变化
　　承袭了伊斯兰建筑特有风格的设计使哈利法塔屡获设计殊荣，蜘蛛兰形设计最大限度保证了结构的整体性，提供了尽情欣赏阿拉伯海湾的迷人风景的视角。沙漠之花蜘蛛兰（Hymenocallis）的花瓣、花茎结构是设计哈利法塔的支翼与中心核心筒之间的组织结构的灵感来源。整座塔楼的混凝土结构塑造了Y形平面，三个支翼由花瓣演化而成，每个支翼均受到混凝土核心筒和核环绕核心筒的支撑；大楼中心是钢筋混凝土六边形＂扶壁核心＂的中央核心筒，由花茎演化而来，使得三个支翼互相联结支撑，这四组结构体自立而又互相支持，拥有严谨缜密的几何形态，增强了哈利法塔的抗扭性，大大减小了风力的影响，螺旋状排列以抵御肆虐的沙漠风暴，同时又保持了结构的简洁。楼面为＂Y＂字形，并由三个建筑部分逐渐连贯成一个核心体，从沙漠以螺旋上升的形式减少大楼的剖面直至顶层，中央核心逐渐转化为尖塔，使得哈利法塔具有最佳的视觉感受（如图2）。
　　图2 哈利法塔的外观及Y形平面设计
　　三、结构设计与风洞试验
　　3.1哈利法塔的建筑结构设计哈利法塔采用了创新性的多种结构复合构建的全新结构体系，其下部为混凝土结构，上部采用钢结构。从-30~601m为钢筋混凝土结构，从601~768m为钢结构，768~828m为钢桅杆。哈利法塔地基的表层，全由细小石块经过长时间的自然作用黏合而成，地基相对较为疏松。为了打稳地基，工程师采用194根直径为1.5m深入地下43m的混凝土桩柱，来支撑由12500m3C50自密实混凝土制作的厚3.7m、大小足以容纳建筑整个8000m2基座的混凝土筏板（如图3）。
　　图3 哈利法塔桩筏基础效果图及施工照片
　　哈利法塔作为超高层建筑，其需要前所未有的抗风设计。哈利法塔的整个抗侧力体系是一个竖向带扶壁的六边形核心筒。核心筒共有六道扶壁，分别由每一翼的纵向走廊墙构成，中心筒的抗扭作用可以看成一个封闭的空心轴。中心轴通过三个翼上的6道纵墙扶壁来提高它的稳定性。同时，走廊纵墙又通过翼墙和锤头墙来进一步支撑和稳固。并且，每翼的端部还有四根独立的端柱。通过建筑结构各部位的协同作用，整个建筑在结构上形成了一个互相支撑的整体，使得建筑结构形成空间整体受力，能够有效抵抗风和地震产生的剪力和弯矩，具有优异的侧向和抗扭刚度。构成结构单元的墙厚和柱的大小都经过了计算调整，以减少因混凝土结构徐变和收缩产生的影响。在设计时，为使各构件有相近的收缩速度，从而减少收缩形变，应尽量使各构件的体积与表面积的比值相近。由于混凝土在细的柱或薄的墙具有更快的收缩速度，因此哈利法塔采用相同厚度（600mm）的端柱和走廊墙，来确保端柱和走廊墙具有相同的混凝土收缩。
　　3.2哈利法塔的风洞试验对于作为超高建筑的哈利法塔来说，研究风荷载对其结构稳定性的影响是十分重要的。因此在加拿大安大略的RowanWilliamsDaviesandIrwinInc(RWDI)2.4m×1.9m和4.9m×2.4m的边界层风洞进行了40多次风洞试验和其他实验研究（如图4）。
　　a边界层风洞试验模型（1∶500）b行人风环境研究模型（1∶250）
　　图4在RWDI进行风洞试验使用的模型
　　图5 高雷诺数测试采用的模型（1∶50）
　　风洞试验项目包括：刚性模型力平衡试验、多自由度空气弹性模型研究、局部压力测量、行人风环境研究和风气候研究。其中刚性模型力平衡试验和多自由度空气弹性模型研究使用的模型比例是1∶500，行人风环境研究则使用了1∶250的模型。由于在气动弹性模型和力平衡试验结构中发现了雷诺数效应（尺寸效应），因此还在加拿大国家研究中心的9m×9m的风洞中进行了高雷诺数测试，测试所用的模型尺寸为1∶50，风速可达55m/s（如图5）。在设计初期，采用高频天平测力技术进行风洞试验，以确定作用在哈利法塔主结构上的风荷载。采用风洞试验的数据与塔楼的动态特性相结合的方式，来计算哈利法塔的动态响应和整个建筑尺寸上的总的有效风力分布。最终以测力天平试验的结果用作哈利法塔早期结构设计时的输入参数，并且还用来进行哈利法塔刚度和质量分布变化时的参数研究。哈利法塔有六个主要的风向。其中三个风向正对着翼尖。风吹向翼尖时，每个翼部具有分流效果（见图6的翼A、翼B和翼C）；另外三个方向是吹在两翼之间，称为尾向。可以发现：不同方向的风荷载谱显示，在重要的频率范围内，风对翼尖或鼻端的激振，比风对与之对应方向(尾向)的激振要小。在选择大楼方向与迪拜高频强风向和弱风向的相对关系时，设计时应格外注意。为比较大楼的几何形状与有关建筑结构方而改进的关系，进行几次天平试验。三个翼顺时针方向缩进，A翼首先缩进。在每一次风洞试验后，对数据进行分析，重新设计塔楼的形状以尽量降低风的影响。一般来说，缩进的次数和缩进的间距随着翼部形状的变化而改变。该调整过程是以＂扰乱＂风向的方式，使施加在塔楼上的风力大大减少。
　　图6 哈利法塔平面与风向的关系
　　四、哈利法塔的混凝土材料设计
　　为了使哈利法塔的楼板和承重墙的尺寸尽可能的小，并且具有足够的能力来承受随高度的增加而上升的荷载，在哈利法塔的建设过程中使用了具有低渗透系数和高耐久性的高性能自密实混凝土。制备混凝土采用的原材料均来自迪拜周边地区，胶凝材料采用水泥、粉煤灰或矿粉、硅灰复合使用，通过掺加粉煤灰或矿粉利用其火山灰效应及微珠效应，减少水泥用量降低水化热从而减少温度裂缝，提高新拌混凝土的工作性。采用20mm、14mm和10mm三种不同粒径的碎石，根据建筑的不同浇筑部位搭配使用。采用RAK和Alain两个地区的砂搭配使用。并且在混凝土中掺加了粘度改性剂，以提高其工作性能。具体配合比见表2和表3。
　　表2 塔身混凝土配合比
　　表3 地基墩座混凝土配合比
　　B2-L40楼层的墙采用C80（56d）自密实混凝土，粗骨料最大粒径为20mm，其90d弹性模量为43800N/mm2。L41-L108的墙和柱采用粗骨料最大粒径为14mm的C80自密实混凝土，其56d弹性模量为41000N/mm2，而L109-L126的墙和柱采用粗骨料最大粒径为10mm的C80自密实混凝土。由于L127-L154层结构需求相对较低，因此127层以上的墙和柱采用粗骨料最大粒径为10mm的C60自密实混凝土，其28d弹性模量为37600N/mm2。在不同混凝土应用高度选用不同粒径的碎石不仅可以降低混凝土泵送至300m以上的难度，还能够降低混凝土材料成本。因为相对于最大粒径为14mm的混凝土来说，最大粒径为20mm的混凝土需要的水泥和细沙要少的多。哈利法塔的楼板混凝土均采用C50自密实混凝土，为了降低泵送难度，在108层以上的楼板混凝土所用的最大碎石粒径14mm，并且采用相对低楼层楼板混凝土更大的坍落扩展度。哈利法塔的地基基础采用桩筏结构。由于迪拜地下水有一定的腐蚀性，氯离子浓度4.5%，硫化物为0.6%，因此其地下桩采用具有高抗渗性和高抗盐渍的C60混凝土，并且在基层底板铺设了一层由钛丝编制的阴极保护网。筏板基础采用C50自密实混凝土。
　　五、哈利法塔的混凝土施工工艺
　　5.1混凝土质量的控制
　　在混凝土的生产过程中都有监控并且做了记录。在混凝土运输和泵送之前，都进行混凝土的温度和工作性检测（坍落度扩展度、L型箱、V型漏斗）（如图7），并且制作了混凝土强度试件检查混凝土强度。在现场工作人员为了确定和控制混凝土凝固和收缩指标，进行了取芯留样。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的立方体（如图8）。
　　图7 坍落度试验
　　图8 试验制备的3.75m立方体
　　为确保194根灌注桩承载力足以达到设计要求的3000t，工作人员在现场进行了压桩试验，测得最大承载力为6000t（如图9）。由于迪拜环境温度较高，混凝土一般在晚上浇筑。为了控制混凝土正常的浇注温度（35℃），首先进行骨料的冷却，其次一部分拌和水被换成碎片冰（如图10）。
　　图9 现场压桩试验（6000t）
　　图10 部分拌和水为碎片冰
　　5.2泵送设备及测试
　　哈利法塔的混凝土供应商和泵送服务商Unimix通过对Putzmeister公司定的技术水平和可靠性的考察，最终委托Putzmeister公司供应和安装拖泵和布料杆系统。Putzmeister根据哈利法塔的施工条件决定采用BSA14000SHP-D超高压混凝土泵（如图11），其出口排量为30m3/h，可将混凝土泵送至570m以上的高度。为了使BSA14000SHP-D超高压混凝土泵能够承受巨大的压力，Putzmeister的工程师将框架和料斗等组件都加强，并且还调整了s阀和s阀轴承的预期压强。BSA14000SHP-D本身既具备特别高效的过滤系统，以避免液压油和外部灰尘对混凝土的污染，普茨迈斯特的工程师又改进了混凝土泵的液压驱动系统，无杆腔运行时混凝土压强和液压系统的油压比小于i=1。此传动比例使高性能的泵机可实现超过400bar的混凝土压强。
　　图11 泵送使用的三台BSA14000SHP-D混凝土泵
　　图10部分拌和水为碎片冰在施工前期，Putzmeister在德国总部和迪拜的施工现场对拖泵和输送管线进行了一系列的水平泵送测试（如图12），测试所用的拖泵为BSA14000HP-D超高层建筑用拖泵和DN125ZX输送管线，通过测试确定了泵送至600m以上的高度所需的压强和混凝土与输送管之间摩擦。在混凝土泵送过程中，只有最上面的十层安装了DN125ZX输送管，这种管道可以承受13MPa的压强。其他的楼层均使用内径为150mm的输送管。与DN125ZX输送管相比，150mm输送管具有更大的横截面积，这使得泵送所需的压强下降约25%，并且混凝土在泵送过程中对输送管的磨损也会下降。为了尽量减少输送管的磨损，Putzmeister采用更加耐用的壁厚为11mm的混凝土输送管，并且通过超声测量定期监测输送管的壁厚。
　　图12 水平泵送测试铺设
　　5.3模板和混凝土浇筑
　　为方便施工，管理人员将整个基础筏板分为中心和三个翼板四个部分进行浇筑，每部分浇筑间隔24小时（如图13）。
　　图13 基础筏板浇筑
　　上部结构的墙体采用Doka的SKE100自升式模板系统（如图14）；端柱采用钢模板；无梁楼板采用压型钢板作为混凝土模板。混凝土浇筑首先浇筑中心筒和周边的楼板，然后再浇筑墙体和相关楼板，最后进行浇筑的是端柱和附近的楼板（如图15、16）。由于哈利法塔的施工高度高达828m，因此在施工过程中采用了全球卫星定位系统（GPS）来控制施工过程中的精度，以确保施工质量。
　　图14 SKE100自升式模板系统
　　图15 墙体混凝土浇筑
　　图16 楼板混凝土浇筑
　　六、结束语
　　哈利法塔以其828m的超高度创造了世界建筑的高度记录，其设计材料与施工等称为摩天大厦建筑的标杆。本文综述了该摩天大厦建设技术。
　　（1）哈利法塔设计承袭了伊斯兰建筑特有风格，蜘蛛兰形设计最大限度保证了结构的整体性，沙漠之花蜘蛛兰（Hymenocallis）的花瓣、花茎结构是设计哈利法塔的支翼与中心核心筒之间的组织结构的灵感来源。
　　（2）为抵抗沙漠的风暴，大厦结构设计者通过严密的风洞试验对大楼的几何形状与有关建筑结构设计进行调整以尽量降低风的影响，以＂扰乱＂风向的方式，使施加在塔楼上的风力大大减少。
　　（3）为了使哈利法塔的楼板和承重墙的尺寸尽可能的小，并且具有足够的能力来承受随高度的增加而上升的荷载，在哈利法塔的建设过程中使用了具有低渗透系数和高耐久性的高性能自密实混凝土。（4）制备混凝土采用的原材料均来自迪拜周边地区，胶凝材料采用水泥、粉煤灰或矿粉、硅灰复合使用，通过掺加粉煤灰或矿粉利用其火山灰效应及微珠效应，减少水泥用量降低水化热从而减少温度裂缝，提高新拌混凝土的工作性。（5）哈利法塔采用了自密实混凝土泵送施工，模板采用自攀升技术，经过严密的施工组织，保证了施工质量与进度的统一，并创下了混凝土泵送的高度记录611m。