【土木工程】在设计世界上最高的结构挑战

在设计世界上最高的结构挑战迪拜塔大楼作者威廉F贝克，PE，SE，SKIDMORE，OWINGS美林律师事务所的合伙人，芝加哥邮箱ILWILLIAMBAKERSOMCOM詹姆斯JPAWLIKOWSKI，SESKIDMORE，OWINGS美林律师事务所的主任，伊利诺伊州芝加哥邮箱JAMESPAWLIKOWSKISOMCOM布拉德利杨，PE，SE，SKIDMORE，OWINGS美林律师事务所的副研究员，芝加哥，ILBRADLEYYOUNGSOMCOM摘要对超高层建筑物的设计通常是受侧风和它们与重力荷载的相互作用的影响。建筑结构体系的形成和选择可以极大地影响了结构承受风和重力的作用的能力。下面的案例研究将展示设计过程和哲学在超高层建筑物的设计中使用的情况，以突出设计团队所面临的具体挑战，以及解释如何采用最新材料，施工和分析技术来成功地克服这些挑战的。简介迪拜塔的目标不是简单地成为世界上最高的建筑，而是体现了世界的最高愿望（图1）。这样一个必要的项目目标，需要推动目前的分析，材料和施工技术，达到字面上所说的新的高度。然而，由于这样的建筑物高度以前是从未尝试过的，因此它也必须确保所有的技术和方法的利用是有良好的发展和实践的。因此，为实现这一崇高目标，设计师力求能够使用传统的系统，材料和施工方法，通过改良和利用来获得新的能力。上层建筑正在建设中，在2008年6月的时候建筑已达到160多层，已经获得了最高的人造结构的冠军称号，打破了628米的建筑在在北达科他州的KVLY电视天线桅杆所保持的记录。此外，大楼的最终高度会是一个“保守良好的秘密。”但是即便如此该多用摩天大楼的高度也将“轻松”超过了当前建筑纪录保持者，509米（一六七一英尺）高的台北101。迪拜塔是外在的迪拜市中心的200亿美元发展计划的核心。该项目由塔本身，以及相邻的平台结构，以及独立的6层办公楼附件和2层泳池附件组成。该二十八万平方米（3,000,000平方英尺）钢筋混凝土多用塔主要是一个住宅和办公室的建造所使用，还包含零售和阿玛尼酒店。塔及平台结构（联合465000平方米）目前正在建设，该项目预计于2009年完成。世界第一高楼从一开始，迪拜塔就被定义为世界第一高楼。对高层建筑与城市人居的官方的高度仲裁机构（CTBUH）成立于伯利恒的利哈伊地区的宾夕法尼亚大学，芝加哥伊利诺理工学院以及伊利诺伊州安置委员会。CTBUH将建筑物的高度按四种类别评定。这些类别和他们目前的纪录保持者如下（图2）最高的结构台北101509米最高的屋顶上海环球金融中心487米最高占有面积上海环球金融中心474米最高的建筑屋顶点也就是桅杆位置天线西尔斯大厦527米虽然大楼的最终高度是一个保守很好的秘密，但是迪拜塔将是一个在所有四类中都最高的。建筑设计塔的主要设计概念是一个土著沙漠里的花朵造型，具有三轴螺旋式增长的几何形状，在最终的设计的有机形式中这将很容易地看到。此外，传统的伊斯兰形式的利用也丰富了大楼的设计，并将文化和周边地区历史纳入到大楼的视觉参考之中。因此，在塔的平面布置图由一个三轴“Y”型方案，通过连接到一个核心（图3）形成了三个独立的翅膀。随着塔的上升，每一层设置一个翅膀来螺旋上升，进一提高强其高度（图4）。Y型计划为住宅及酒店的设计所使用，因为它除了达到允许的最高理想的外，还没有遮挡到邻近单位。机翼部分包含的住宅单位，与中央核心住房酒店的客房，卫生间公用机械设备。此外，该塔由遍布建筑物的高度约30层外区的五个独立的机械来提供服务的。上述被使用的的钢筋混凝土建筑物的部分结构钢是位于塔尖，通信和机械楼层房屋，完成了塔的建筑形式。建筑师和工程师密切合作，从项目开始确定塔的形状，以便提供一个结构体系，使其在能响应风荷载方面的效率的同时，还仍然能够保持了最初设计的完整概念。结构体系说明除了它的美学和功能方面的优势外，不断上升的“Y”型方案还利用于塑造迪拜塔混凝土结构，以减少对塔作用的风的力量，以及使建筑物结构简单，保持和促进施工。结构系统可以被描述为“支撑”的核心和高性能混凝土墙施工的组成。每个支撑的翅膀通过六面中央核心，或六方枢纽等。这个中心的核心提供了扭转性的结构，类似于一个封闭的管道或轴。走廊墙壁一直延伸至中央核心附近的每个机翼底，墙壁到加厚锤头位置终止。这些走廊的墙壁和锤头的作用类似于墙壁和梁腹板，用来抵抗风剪力和弯矩作用。围墙一样的柱和平板地板施工完成系统。在机械地板，墙壁支腿提供连接周边内墙系统，使围墙般的柱子参结构的抗侧力性能，因此，具体的垂直全部用于支持重力和横向载荷。其结果是塔身将承受极为严酷的横向作用和扭转。这也是一个非常有效的结构，即抗重力负荷系统已利用，从而最大限度地发挥其在抗侧向荷载中的作用。由于建筑物的高度盘旋，机翼设置回提供了许多宽度对于不同楼层板。对于塔的电网做了有组织的倒退，这样的建筑是由步进对准墙壁上面下面提供一个平滑负载路径完成。因此，该塔不包含任何结构性的改变。这些挫折也有不同的宽度，用来提供一个或每个不同的楼层板塔来发挥优势。这些台阶和塔的形状塑造具有“减轻风的荷载”的效果风的荷载作用从来没有在建筑物的高度上被有效的发挥，因为在每一个新的层中的风都遇到不同的建筑造型来分解它的作用力。上部结构分析与设计钢筋混凝土结构设计符合要求的公会31802建筑法规所要求的混凝土结构的要求。墙与柱混凝土立方体抗压强度的范围从C80到C60，并利用硅酸盐水泥，粉煤灰和当地聚集的一些建筑材料。C80的混凝土已指定为90天杨氏弹性模量43800N/MM2的最大值。墙和柱尺寸进行了优化，使用虚功/拉格朗日乘数法，在一个非常有效的结构造成的。壁厚和柱的尺寸也微调，以减少对结构的蠕变和收缩的影响。为了减少影响，缩短差距列因蠕变对边界柱内墙和外墙柱尺寸的影响，这样对周边列自重自重应力是相等的走廊墙壁上的内部压力。外伸支架在五个楼层配合机械的垂直承载所有元素组合在一起，从而进一步保证了基本的结构重新分布在五个沿着建筑物的高度位置的重力负荷，从而降低差分自重应力蠕变运动对结构的影响。关于混凝土的收缩，廊柱和走廊墙壁上给予增厚600毫米，其中他们表面厚度在一个平面上。这项措施使柱和墙的混凝土的收缩率得到普遍缩短。塔的大部分是钢筋混凝土结构。然而，塔顶由一个结构钢利用一个横向的对角斜撑系统作为尖顶。尖顶房子设置有几种机械和通信层，开放出空隙以便在顶峰达到最高点。结构钢塔尖是专门针对重力，风力，地震作用并考虑钢的负荷及阻力系数要求，按照钢结构建筑设计规范（1999年）的要求进行设置的。整个建筑结构，分析了重力（包括P分析），风和地震荷载利用ETABS版本84（图5）。三维分析模型，包括钢筋混凝土墙，连接梁，板，排筏，桩和尖顶结构钢系统。完整的分析模型包括超过73,50075,000壳体和节点。在横向风荷载，建筑挠度均远低于通常使用的标准。动态分析表明，第一种模式是用113秒的时间横向侧移。第二种模式是一种垂直与102秒的时间横向侧移的模式。扭转是用了43秒内的第五模式。图5三维分析模型和动态模式形状迪拜市（马克）指定为UBC97区甲迪拜地震区（带地震带因子Z015，土壤剖面钪）。地震的分析包括具体的网站反应谱分析。地震荷载通常没有管的钢筋混凝土塔结构设计。然而，地震荷载没有依照的钢筋混凝土平台建筑和结构钢塔的尖顶来设计。特定地震报告制定了包括地震危险性分析的项目。我们在液化潜能的基础上研究了几种广为接受的方法，它是确定液化并不是由于有深层次的杆塔基础的结构性问题。一个全面建设序列分析结合蠕变和收缩的影响进行研究的结构（图6）随时间变化的行为。由于垂直的具体内容往往是相似的压缩应力，所以在建设中有良好表现的蠕变和收缩的影响。这项分析的结果，可利用的水平和垂直来确定赔偿方案。对于水平的补偿，建筑物被“进行调整”中心的核心，每个连续的跳跃，重力的影响而引起的侧移发生直至每个误差得到纠正。对于垂直补偿，添加额外的高度增加地板至地面的高度，抵消了预计的柱和墙单元的垂直缩短。杆塔基础和立地条件塔桩基础由一系列筏板组成（图7）。坚实的钢筋混凝土筏板为37米厚，并利用了12500立方米的C50的（立方体强度）的自充填混凝土（SCC）浇注。木筏建于四（4）单独盆满钵满（三翼和中心的核心）。每筏板的浇注至少要在24小时内完成。在筏板中钢筋间距一般为300毫米，并做了特殊安排，使每一个在每个方向第十条被省略，导致了一系列“倒增强带”整个筏，其中有的带的交汇设置了600毫米X600毫米定期开口，便利和混凝土浇筑。图7建筑塔的筏板由于塔的筏板厚度以及水化热是决定筏混凝土配合比设计和布局方法的重要考虑因素，因此结构顶端的高度以及不同的温度被限制限制。50兆帕的筏包括40粉煤灰，水灰比为034。大规模的混凝土配合比，测试立方体浇施工前，站在筏的一边37米的位置，以验证程序和监测混凝土浇筑混凝土的高温性能。塔的筏板被194钻孔灌注桩就地桩所支持。桩柱为15米，直径约43米长，3000公吨（桩负荷测试，以6000吨）的能力。直径和长度表明，规模最大，长度最长的大型桩可以在这一地区使用。此外，6000吨的堆载试验所代表的最大震级桩载重试验区域内进行（图8）的日期。对C60（立方体强度）鳞状细胞癌具体是由震音装置利用聚合物泥浆的方法测定。摩擦桩中支持自然凝成混凝土的形成，发展的最终摩擦桩承载力达到250至350千帕。当钢筋笼安置在桩上，特别注意把钢筋笼安置在筏板的底部，使得筏板底部钢筋可以通过众多的桩钢筋笼不中断，从而大大简化了筏板的建设线程。图8塔的荷载试验从现有的场地条件看该工程有特殊的情况地上水，这是相当地表以下约2米高，有大约三倍海水硫酸盐和氯化物，具有极强的腐蚀性。因此，要遵循严格的反腐蚀措施的程序，以确保该塔的基础系统的长期的完整性。措施包括设立专门的防水系统的实施，提高了混凝土盖钢筋，腐蚀抑制剂除了混凝土配合比，采用严格的裂缝控制筏设计标准，以及一个利用钛网的外加电流阴极保护系统的实施。（图9）。此外，受控渗透性模板衬垫，也是利用它为塔筏提供一个较高的强度/或者较低的透水混凝土保护层。桩的混凝土配合比，也提高了，在施工期间作为一个完全独立密实混凝土，限制可能的设计缺陷。图9筏板下的阴极保护风荷载工程对于这个高度，这个长细比的高层建筑，风势力和上层产生的议案成为结构设计的主导因素。在RWDI的24MX19米，24米和49MX边界层圭尔夫大学，安大略省的风洞中，研究人员针对风洞试验和其他研究中提出了了广泛的方案。风洞测试计划包括刚性模型力平衡测试，一个完整的气弹模型的研究，局部的压力测量和行人的风环境的研究（图10）。在这些研究大多采用1500比例模型，但是，行人的风的研究则在一个规模较大的比例125上进行旨在提出一个合理的方案减少风的速度。由于一些依赖雷诺数（规模效应）是在气弹模型和力量平衡角度来看的，高雷诺数试验亦会以更大的刚性模式，在150规模塔的上部，。风速高达55米/秒，可在9米9米的风洞获得。风统计中发挥了有关反应的预测水平，以回报时期的重要作用。广泛利用了地面的风力数据，气球收集的数据和计算机模拟技术，采用区域大气模拟，以建立在更高层次的风的制度。要确定主结构的风荷载，风洞试验进行了早在使用高频率，力平衡技术设计。风洞数据，然后结合塔的动力特性，以计算塔的动态响应和整体规模以抵抗有效风满力荷载的分布。对于迪拜塔的力量平衡测试的结果被用来作为早期投入的结构设计参数研究，确定在塔的不同刚度和质量分布上的影响。该建筑基本上六个重要风向（图12）。其中的三个方向是风直接吹进翼中风直接吹进大楼的“鼻子”里或着在每个翼形成卡特沃特效应（鼻子，鼻乙和鼻子C）。其他三个方向是当风呼啸在两个翅膀之间时，被当形如“尾巴”的方向（尾巴，尾巴B和尾部三）。人们发现，对于不同的风向力谱的影响表现出了比从相反的方向（尾）的尖锐部位或鼻尖少风的频率范围内的频率的改变。因此在研究人员头脑中，选择了塔相对于迪拜最频繁的强风的方向定位西北，南部和东部。力平衡测试进行了数轮，以确定塔的几何形状，以及塔在建筑学上的精致外观。三个设在一个顺时针顺序回来的翼的后面设置第一翅膀。在每一轮风洞测试的数据进行了分析，该建筑被改造，以减少风的影响，并适应于客户的方案无关的变化。在一般情况下，数量和间隔的变化一样改变翅膀的形状。这个过程导致了风力塔上的大幅削减“混乱”的气流，鼓励混乱涡流随这塔的高度逐渐减弱。图10塔的外形影响下风的行为结论当这一切完成后，迪拜塔大厦将成为世界上最高的建筑物。这是一个结构系统，风力工程，建筑美学和功能之间互相协作以建造成一座高楼的很好例子。此外，迪拜塔运用最新的设计，材料方面取得了重大成就，施工技术和方法得到了提高，迪拜塔提供一个高效，结构合理，上升到前所未见的高度的建筑实例。项目组主管PJSC的艾马尔地产，迪拜项目主管特纳国际建筑建筑师/结构工程师/MEP工程师SKIDMORE，OWINGS美林律师事务所采用建筑师及工程师/现场监督安诚工程顾问有限公司总承包三星/BESIX/ARABTEC基础部分承包商NASA重工参考文献1BAKER,W,F,KORISTA,D,S,NOVAK,L,C,PAWLIKOWSKI,J