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1 工程概况迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，其高度为828m，其中混凝土结构高度为601m。
基础底面埋深-30m，桩尖深度达-70m。
全部混凝土用量330000m3；总用钢量104000t(高强钢筋65000t；型钢39000t）。
有效租售楼层162 层，建筑面积526700m2，塔楼建筑面积344000m2。
塔楼建筑重量50万t。
居住和工作人数12000人，总造价为15亿美元。
工期自2004年9月至 2010年1月，共1325天，用工2200万工时。
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；108~162层为写字楼；124层为世界最高的观光层，透过幕墙的玻璃可以看到80公里外的伊朗；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1，2）。
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3）。
为此哈利法塔始终不宣布建筑高度。
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。
2 建筑设计哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花”，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（图5~8）。
这朵鲜花在沙漠耀眼的图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总高度/混凝土结构高度：828m/601m基础底面埋深/桩尖深度：30m/70m全部混凝土用量：330 000m3总用钢量：104 000t（高强钢筋65 000t，型钢39 000t）有效租售楼层：162层总建筑面积/塔楼建筑面积：526 700m2/344 000m2塔楼建筑重量：50万t可容纳居住和工作人数：12 000人总造价：15亿美元工期：2004年9月~2010年1月，总计1 325天工程总包：韩国三星土建承包：江苏南通六建幕墙承包：香港远东、上海力进、陕西恒远建筑设计、结构设计：SOM图1 哈利法塔——世界最高建筑图5 用21个退台构成立面的螺旋线图6 一朵含苞待放的花图7 三叉形平面有利于抵抗风力2阳光下，幕墙与蓝天一色，21个退台熠熠生辉（图9）。
哈利法塔很高，在风力作用下，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，可以获得更好的舒适性。
按现在的布局，公寓最高的108层，最大位移为450mm，办公最高层162层最大位移为1250mm。
3 建筑幕墙系统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。
在塔楼幕墙中，玻璃10.5万m2，不锈钢板1.5万m2，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。
幕墙由香港远东公司承建（该公司1998年由航天部收购），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。
从2007年5月开始，到2009年9月完工，历时30个月。
开始一天只能安装20~30个单元，最后最高每天可达175个单元。
幕墙总造价约为人民币8亿元，约为6000元/m2。
3.1 环境条件迪拜位于中东沙漠地带，环境条件恶劣，气温范围为2°C~54°C，材料表面最高温度82°C，气候干燥，多沙尘。
3.2 设计标准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 z=0.15，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1450mm，办公层顶部1250mm，公寓层顶部450mm；4）结构竖向压缩：每层平均4mm，整座建筑的顶点650mm。
设计前，专门制作了视觉模型（图10）。
3.3 幕墙试验进行了5个幕墙足尺试件的四性试验和飞机头动风力试验（图11），测试了气渗、水渗、风压变形、平面内变形、温度循环。
5个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。
3.4 塔楼幕墙3.4.1 材料（1）玻璃为中空玻璃，16mm空气层，两片超白玻璃。
外片镀银灰反射膜；内片镀Low-E膜。
两膜均朝向空气层。
可见光透射率 20%；综合热透射率16%。
山东金晶玻璃公司生产。
（2）铝型材主要杆件6063-T5，6063-T6，连接件6061-T6，最大截面300mm。
可见表面氟碳喷涂，不可见表面阳极氧化。
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。
（4）不锈钢材用于竖向装饰条和设备层水平装饰条。
（5）五金件由广东坚朗公司生产。
3.4.2 板型单元板块有21种主要板型，尺寸由1.3m×3.2m到2.25m×8m。
3.4.3 安装楼板为300mm厚混凝土板，单元板块吊挂件埋在楼板边缘。
标准楼层层高3.2m，板块直接连接在预埋挂件上。
设备层层高较高，后面另加铝型材立柱。
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）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33.5 入口处索网双层幕墙系统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，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，做双层通风幕墙，内外幕墙均用索网。
两道幕墙均为圆柱形，竖向为直线，水平是圆弧。
竖索上端拉在顶部楼板梁上，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。
所有索均采用不锈钢绞线。
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。
采用低铁超白玻璃。
玻璃四角由夹板支承，夹板位于不锈钢支撑杆的端部。
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热被内幕墙阻挡，集中在热通道内，由抽风机排出室外。
SOM公司对冷凝问题进行了详细计算，表明一年间出现结露的时间不多，冷凝水量并不大。
3.6 清洗设备设置了18台擦窗机和固定伸臂，其外伸长度可达10~20m，这些设备不用时可以隐藏起来。
18台设备、36个工人，全部清洗一遍要2~3个月。
图12为清洗设备。
4 风洞试验进行了40次以上的风洞试验，为主体结构设计和幕墙设计提供技术依据。
风洞试验在加拿大安大略RWDI边界层风洞进行。
风洞尺寸为2.4mx1.9m和4.9mx2.4m。
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、风气候等方面的研究。
模型测点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（图13~17）。
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，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。
5 结构体系和结构布置5.1 结构体系“全钢结构优于混凝土结构，适合于超高层建筑”，这是上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（1997，420m）、台北101（1998，448m）、香港国际金融（2010，420m）、广州西塔（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金融（2009，492m）、上海中心（2014，632m），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1000mm；而哈利法塔混凝土结构，601m处的最大侧移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1450mm了。
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。
5.2 结构布置采用三叉形平面可以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。
同时对称的平面可以保持平面形状简单，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，共六道；横向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。
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19）。
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（图20）。
由于加强层的协调，端部柱子也参加抗侧力工作。
5.3 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。
分段步步切断可以使墙、柱的荷载平顺逐渐变化，同时也避免了墙、柱截面突然变化给施工带来的困难。
退台要形成优美的塔身宽度变化曲线，而且要与风力的变化相适应（图21，22）。
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5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23，24）。
