迪拜哈利法塔结构设计与施工

迪拜哈利法塔结构与施工 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 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 3 1200mm 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)。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 9 2010 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;45~108 层 是 高 级 公 寓,78 层 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 108~162 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 5~8)。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。对设备层幕墙单 独进行了专门的试验。 3 建筑幕墙系统 2 3.4 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 2 12 万 m 。在塔楼幕墙中,玻璃 10.5 万 m ,不锈钢板 1.5 万 m , 3.4.1 材料 相当于 17 个足球场面积。 采用式幕墙, 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 2007 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 20~30 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? C~54? C,材料表面最高温度 82? C,气候干燥,多沙尘。 3.4.2 板型 3.2 设计标准 单元板块有 21 种主要板型, 尺寸由 1.3m×3.2m 到 2.25m×8m。 1) 风 力:50 年 一 遇,55m/s, 风 压 按 风 洞 试 验 取 值;2) 3.4.3 安装 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 4mm,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 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 行。风洞尺寸为 2.4mx1.9m 和 4.9mx2.4m。分别进行了刚性 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 13~17)。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。 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 SOM 公司对冷凝问进行了详细计算,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 10~20m, 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 2~3 个月。图 12 为清洗设备。 西塔(2010,460m)、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(7>2014,632m),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。-30~601m 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;601~828m 为钢结构,其中 601~760m 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,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,每个设备层占 采用无梁楼板,板厚为 300mm(图 26)。 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, 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。C80 2 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层墙柱钢筋和混凝土分担的内力随时间的变化 结 构 竖 向 压 缩 每 层 平 均 为 4mm, 整 座 建 筑 的 顶 点 为 公寓层顶部为 450mm。这位移值低于通用的标准,符合设计的要 650mm。这个缩短通过每层标高的调整来补偿。 求。动力分析得到各振型和周期(图 33),T 11.3s(X 向), 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 1 T 10.2s(Y 向),T 4.3s(扭转)。内力分析表明,钢筋混凝 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 2 5 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 渐减少,而钢筋的内力会相应增加。哈利法塔第 135 层,墙、柱中 内力对设计有作用。 钢筋与混凝土的内力比会从 15%/85% 变为 30%/70%(图 35)。 7 长期荷载分析和施工过程分析 8 地基和基础 7.1 超高建筑竖向荷载的时间和过程效应 采用摩擦桩加筏板联合基础(图 36)。 8.1 地基 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, 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 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 土桩的表面极限摩擦力为 250~350kPa 。 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。 8.2 桩 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 194 根现场灌注桩,长度约 43m,直径 1500mm。桩的设计 图36 桩筏联合基础 图37 6000t现场试桩 图38 3.75m立方体施工检验 7