迪拜哈利法塔结构设计与施工

1、 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 总高度/混凝土结构高度:828m/601m 可容纳居住和工作人数:12 000人基础底面埋深/桩尖深度:30m/70m 总造价:15亿美元 3全部混凝土用量:330 000m 工期:2004年9月2010年1月,总计1 325天总用钢量:104 000t(高强钢筋65 000t,型钢39 000t) 工程总包:韩国三星有效租售楼层:162层 土建承包:江苏南通六建2 2总建筑面积/塔楼建筑面积:526 700m /344 000m 幕墙承包:香港远东、上海力进、陕西恒远塔楼建筑重量:50万t 建筑设计、结构设计:SOM

2、162 层 以 上 为 传 播、 电 信、 设 备 用 楼 层, 一 直 到 206 层; 顶 部1 工程概况70m 是钢桅杆(图 1,2)。迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑,其高度为 828m,为 保 持 世 界 最 高 建 筑 的 地 位, 钢 结 构 顶 部 设 置 了 直 径 为其中混凝土结构高度为 601m。基础底面埋深 -30m,桩尖深度31200mm 的可活动的中心钢桅杆,可由底部不断加长,用油压设达 -70m。全部混凝土用量 330000m ;总用钢量 104000t 高强备不断顶升,其预留高度为 200m(图 3)。为此哈利法塔始终不钢筋 65000t;型钢 39000t)

3、。有效租售楼层 162 层,建筑面积2 2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526700m ,塔楼建筑面积 344000m 。塔楼建筑重量 50 万 t。居更高的建筑,才最后确定 828m 的最终高度。住和工作人数 12000 人,总造价为 15 亿美元。工期自 2004 年 92010 年 1 月 4 日,哈利法塔举行了开幕式,正式宣布建成。月至 2010 年 1 月,共 1325 天,用工 2200 万工时。2 建筑设计哈 利 法 塔 是 一 座 综 合 性 建 筑,37 层 以 下 是 阿 玛 尼 高 级 酒店;45108 层 是 高 级 公 寓,78 层

4、是 世 界 最 高 楼 层 的 游 泳 池; 哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花”,平面是三瓣对称盛开108162 层为写字楼;124 层为世界最高的观光层,透过幕墙的 的花朵(图 4);立面通过 21 个逐渐升高的退台形成螺旋线,整玻璃可以看到 80 公里外的伊朗;158 层是世界最高的清真寺; 个建筑物像含苞待放的鲜花(图 58)。这朵鲜花在沙漠耀眼的图1 哈利法塔?世界最高建筑 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 图5 用21个退台构成立面 图6 一朵含苞 图7 三叉形平面有利于抵抗风力的螺旋线 待放的花2特 别 报 道图8 阳光明媚,银塔擎天 图9 蔚蓝天

5、空下21个退台使立面富于变化图10 幕墙的视觉模型图11 四性试验(左)和飞机头吹风试验(右)阳光下,幕墙与蓝天一色,21 个退台熠熠生辉(图 9)。 专门制作了视觉模型(图 10)。哈利法塔很高,在风力作用下,上部楼层水平位移较大,3.3 幕墙试验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(图好的舒适性。按现在的布局,公寓最高的 108 层,最大位移为11),测试了气渗、水渗、风压变形、平面内变形、温度循环。5 个450mm,办公最高层 162 层最大位移为 1250mm。试件的试验结果表明:幕墙满足哈利法塔的要求。对设备层

6、幕墙单独进行了专门的试验。3 建筑幕墙系统23.4 塔楼幕墙哈利法塔的建筑幕墙总面积为 13.5 万 m ,其中塔楼部分为2 2 212 万 m 。在塔楼幕墙中,玻璃 10.5 万 m ,不锈钢板 1.5 万 m ,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。(1)玻璃为中空玻璃,16mm 空气层,两片超白玻璃。外片幕墙由香港远东公司承建(该公司 1998 年由航天部收购),镀银灰反射膜;内片镀 Low-E 膜。两膜均朝向空气层。可见光透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。射率 20%;综合热透射率 16%。山东金晶玻璃公司生产。从 2

7、007 年 5 月开始,到 2009 年 9 月完工,历时 30 个月。开始(2)铝型材主要杆件 6063-T5,6063-T6,连接件 6061-一天只能安装 2030 个单元,最后最高每天可达 175 个单元。T6,最大截面 300mm。可见表面氟碳喷涂,不可见表面阳极氧化。2幕墙总造价约为人民币 8 亿元,约为 6000 元 /m 。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。3.1 环境条件(4)不锈钢材用于竖向装饰条和设备层水平装饰条。迪 拜 位 于 中 东 沙 漠 地 带, 环 境 条 件 恶 劣, 气 温 范 围 为(5)五金件由广东坚朗公司生产。2

8、 C54 C,材料表面最高温度 82 C,气候干燥,多沙尘。3.2 设计标准单元板块有 21 种主要板型, 尺寸由 1.3m3.2m 到 2.25m8m。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 z0.15,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 楼板为 300mm 厚混凝土板,单元板块吊挂件埋在楼板边缘。1450mm,办公层顶部 1250mm,公寓层顶部 450mm;4)结构 标准楼层层高 3.2m,板块直接连接在预埋挂件上。设备层层高较竖向压缩:每层平均 4

9、mm,整座建筑的顶点 650mm。设计前, 高,后面另加铝型材立柱。3特 别 报 道3.5 入口处索网双层幕墙系统 4 风洞试验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 进行了 40 次以上的风洞试验,为主体结构设计和幕墙设计于酒店、公寓、写字楼。建筑要求幕墙极度通透。白天阳光可以照射, 提供技术依据。风洞试验在加拿大安大略 RWDI 边界层风洞进选用索网玻璃幕墙。迪拜温度极高,为做到透光不透热,做双层通 模型的力平衡试验和弹性模型的多自由度试验。按 50 年一遇的风幕墙,内外幕墙均用索网。 风力,做了风压分布、风环境、风气候等方面的研究。模型测两道幕墙均为圆柱形,竖向为直线,水

10、平是圆弧。竖索上端 点 1140 个。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 刚 性 和 气 弹 性 整 体 模 型 为 1/500, 局 部 风 力 研 究 的 模 型 为圆弧梁支承。水平索两端拉在角部刚性竖向钢桁架处,由水平方 1/250 及 1/125(图 1317)。取用了 6 个主风向:3 个翼尖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 向和 3 个凹入方向,试验表明主控制方向是翼尖风向。均采用不锈钢绞线。 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。

11、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。5 结构体系和结构布置采用低铁超白玻璃。玻璃四角由夹板支承,夹板位于不锈钢5.1 结构体系支撑杆的端部。“全钢结构优于混凝土结构,适合于超高层建筑”,这是在两道幕墙之间的热通道中设有电动金属遮阳板,遮阳板的上世纪六七十年代的普遍共识。这个时期大量建造了 300m 以开启、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热被内幕墙阻挡,集中在热通道内,由抽风机排出室外。(412m)、1974 年建成的芝加哥西尔斯大厦(442m)。到了

12、SOM 公司对冷凝问题进行了详细计算,表明一年间出现结露八九十年代,人们发现纯钢结构已经不能满足建筑高度进一步升的时间不多,冷凝水量并不大。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3.6 清洗设备速增长。从此以后,钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成为超高设置了 18 台擦窗机和固定伸臂,其外伸长度可达 1020m, 层建筑的基本形式。我国如上海金茂大厦(1997,420m)、台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 北 101(1998,448m)、香港国际金融(2010,420m)、广州一遍要 23 个月。图 12 为清洗设备。 西塔(2010,460

13、m)、广州电视塔(2009,460m)、上海环球图12 清洗设备 图13 RWDI边界层风洞,1/500模型 图14 1/125 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4特 别 报 道图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25 601m以下的混凝土结构金融(2009,492m)、上海中心(72014,632m),深圳平安保 单,施工方便。险(在建,680m)等,均无一例外。 整个抗侧

14、力体系是一个竖向带扶壁的核心筒。六边形的核心哈利法塔作了前所未有重大突破,采用了下部混凝土结构、 筒居中;每一翼的纵向走廊墙形成核心筒的扶壁,共六道;横向上部钢结构的全新结构体系。-30601m 为钢筋混凝土剪力墙体 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。系;601828m 为钢结构,其中 601760m 采用带斜撑的钢框架。 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 和抗扭刚度(图 19)。1000mm;而哈利法塔混凝土结构,601m 处的最大侧移 450mm。 中心筒的抗扭作用可以模拟为一

15、个封闭的空心轴。这个轴由三即使从哈利法塔本身来看,到混凝土结构的顶点 601m 处, 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。最大位移仅 450mm;到了钢框架顶点 760m 处,位移就迅速增大 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至 1250mm;到钢桅杆顶点 828m 处,位移就达到 1450mm 了。 弯矩(图 20)。由于加强层的协调,端部柱子也参加抗侧力工作。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5.3 竖向布置分;而将 601m 以上的钢结构部分作为办公楼使用。竖向形状按建筑设计逐步退台,剪力墙在退台楼层处切断,

16、端部5.2 结构布置柱向内移。分段步步切断可以使墙、柱的荷载平顺逐渐变化,同时也采用三叉形平面可以取得较大的侧向刚度,降低风荷载,有 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 身宽度变化曲线,而且要与风力的变化相适应(图 21,22)。5特 别 报 道图26 厚度300mm的无梁楼板 图27 核心筒剪力墙配筋 图28 601m以上的钢框架结构 图29 钢结构逐步退台,到30级只剩桅杆图30 可升高的桅杆 图31 整体分析模型(左)和分层模型(右) 图32 风荷载下的侧移建筑设计在竖向布置了七个设备层兼避难层,每个设备层

17、占 采用无梁楼板,板厚为 300mm(图 26)。23 个标准层。利用其中的五个设备层做成结构加强层(图 23, 图 27 为核心筒剪力墙的配筋。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6.2 钢结构设计 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601m 以上是带交叉斜撑的钢框架,它承受重力、风力和地了各墙、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 级构件徐变变形差。的小三角形,最后只剩直径为 1200mm 的桅杆(图 28,29)。6 结构设计和结构分析这根桅杆是为了保持建筑高度世界第一而

18、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)。6.1 混凝土结构设计所有外露的钢结构都包铝板作为装饰。混凝土结构设计按美国规范 ACI318-02 进行。钢结构按美国钢结构协会 AISC钢结构建筑荷载和抗力系数混凝土强度等级:127 层以下 C80;127 层以上 C60。C802设计规范1999 进行设计。混凝土 90d 弹性模量 E43800N/mm 。 采用硅酸盐水泥, 加粉煤灰。6.3 结构分析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 结构分析采用 ETABS8.4 版,考虑了重力荷

19、载(包括 P-D 二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 阶效应)、风、地震。建立三维分析模型,包括钢筋混凝土墙、连梁、600mm。设计时尽量考虑构件的体积与表面积的比值接近,使各 板、柱、顶部钢结构、筏板和桩(图 31)。分析模型共 73500 个构件的收缩速度接近,减少收缩变形差(图 25)。 壳元,75000 个节点。在立面内收处,钢筋混凝土连梁要传递竖向荷载(包括徐 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 z0.15,相变和收缩的效应),并联系剪力墙肢以承受侧向

20、荷载。连梁按当于我国 8 度设防;温度:气温变化范围 +2 C +54 C。分ACI318-02 附录 A 设计,计算图形为交叉斜杆。这个设计方法可析结果表明,在风力作用下(50 年一遇风力),结构水平位移使连梁高度降低。( 图 32):828m 顶 部 为 1450mm, 办 公 层 顶 部 为 1250mm,楼层数量多,压低层高有很大的意义。标准层层高为 3.2m,6特 别 报 道图33 第一振型(X)第二振型(Y)和第五振型(扭转) 图34 施工过程分析的15个阶段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 竖向缩短图35 哈利法塔135层墙柱钢