【土建圈】解密世界第一高楼的建造施工方法

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楼主 2020-06-29 13:37:15
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哈利法塔(阿拉伯文:برج خليفة‎,拉丁化:burj khalifah‎,英文:Khalīfa tower),原名迪拜塔,又称迪拜大厦或比斯迪拜塔,是世界第一高楼与人工构造物。哈利法塔高828m,楼层总数162层,造价15亿美元。


哈利法塔总共使用33万m3混凝土、6.2万t强化钢筋,14.2万m2玻璃。为了修建哈利法塔,共调用了大约4000名工人和100台起重机,把混凝土垂直泵上逾606m的地方,打破上海环球金融中心大厦建造时的492米纪录。


大厦内设有56部升降机,速度最高达17.4m/s,另外还有双层的观光升降机,每次最多可载42人。


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建筑历程



2004年9月21日,伊玛尔开始兴建。

2007年2月,超越了西尔斯大厦并成为最多楼层数的大楼。

2007年5月13日,以452m(1483 英尺)超越了台北101的449.2 m(1474 英尺)的最高混凝土建筑。

2007年7月21日,超越了509.2m(1671 英尺)的台北101成为地表上最高的大楼。

2007年8月12日,超越了西尔斯大楼527.3 m(1730 英尺)的天线高度。

2007年9月3日,成为世界第二高的自立建筑结构,超越了在俄罗斯莫斯科高540米(1772 英尺)的莫斯科电视塔。

2007年9月12日,以555.3m(1822 英尺)的高度超越加拿大多伦多的加拿大国家电视塔成为世界最高的自立建筑。

2007年12月10日,开始使用钢骨结构,之后的建设将不再用到混凝土。

2008年4月8日,阿联酋迪拜艾马尔房地产公司宣布,塔的高度已达629m,超过高度为628.8m的美国KVLY电视塔,成为世界最高建筑。

2008年6月17日,阿联酋迪拜艾马尔房地产公司宣布塔的高度已超越636m。

2008年9月1日,艾马尔房地产公司宣布再创新纪录,兴建高度达到688m,并计划在2009年9月完工,不过最终高度仍未公布。

2008年9月26日,艾马尔房地产公司宣布塔达到707 m(2320 英尺)。

2009年1月17日,艾马尔房地产公司宣布塔达到828m(2716.53英尺)的最终高度。

2010年1月4日,哈利法塔正式竣工。


建造过程


1庞大的基础



高度为800m(1,827 英尺)的“迪拜塔”需要一个坚实的基础,以支持重量可能超过500,000t的地面以上建筑。“迪拜塔”将建造在一个3.7m厚的三角形结构的基座上,这个三角形基座由192根直径为1.5m的钢管桩或支柱缸体支持。这些钢管桩或支柱缸体深入地下50m(164 英尺)。


2抗震设计



为了保持这幢超高层建筑物的稳定性,采用了高强度的混凝土。“迪拜塔”的设计标准是能够经受里氏6级地震(当地属于地球上少地震的地区)。它还能在每秒55m的大风中保持稳定(在高楼中办公的人完全感觉不到大风的影响)。


3建筑过程的监测



为了保证“迪拜塔”在建设过程中的稳定,它的垂直方向和水平方向的动态,都由一个全球卫星定位系统进行跟踪。在建设期间,建筑物的重力变化情况,由设置在建筑物中的700多个传感器进行实时监测。


4工程进度



“迪拜塔” 47个月的建设时间表,基本上以3d为一个生产周期,包括安装钢结构件,浇灌混凝土等工作。钢结构件预先在地面制作,按照建设的进度,用起重机吊到高空进行安装。


5浇灌混凝土程序



在3d建设周期的第二天,在一个特定楼面的内部结构外壳安装到位,同时通道打开,并安装钢支持梁。下一天,混凝土灌入外壳,然后,又进行下一个楼层的建设。


6液压千斤顶提升



在某个楼层完工之前,建筑工程师用一个起重能力达2,300t的液压千斤顶提升浇注混凝土的外壳和建筑材料。


7超级起重机




在“迪拜塔”已完工的楼层上,安新装了3台巨大的塔式起重机来起吊大量的建筑材料。


8混凝土制作设备




在“迪拜塔”工地上,有4台巨大的混凝土搅拌机,能够快速地制作混凝土。


9混凝土高压泵



在“迪拜塔”工地上,有3台高压泵,将混凝土输送到工人操作的高处。一个挑战是,将高强度的混凝土输到570m以上的高度,并且不影响混凝土的基本性能。


10附着式升降机



“迪拜塔”工地的另一种起重设备是附着式升降机,用来运送建筑材料和工人。这个工地有14台附着式升降机在运行。


11预防建筑网下沉



由于“迪拜塔”建成之后的重量达到500,000t,会出现下沉的趋势。所以在建设过程中,每一层的实际高度比设计高度高出4mm。


12确保世界第一高度



为了使“迪拜塔”保持世界最高建筑物的称号,从700m的高度开始,它设计了一种螺旋管钢结构体,从建筑物内部一直延伸到顶端,这个螺旋管可以用液压千斤顶提升,作为增加建筑物高度的支柱。


13完备的安全措施



“迪拜塔”设计了4个隐蔽所,每30层一个,用于对付火灾和恐怖袭击等紧急情况。另外,除了54部高速电梯,还安装有专门的应急电梯,可以从高处迅速而安全地疏散人员。


结构设计创新


结构体系


1)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,并建造了大量300m以上的钢结构高层建筑。到八九十年代,纯钢结构已经不能满足建筑高度进一步升高的要求,其原因在于钢结构侧向刚度的提升难以跟上高度的迅速增长,此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。而哈利法塔做了前所未有的重大突破,采用了下部混凝土结构、上部钢结构的全新结构体系。即-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。


2)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。


3)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6道;横向分户墙作为纵墙的加劲肋;此外,每翼的端部还有4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(见图1)。



▲ 图1 抗侧力结构布置



4)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(见图2)。由于加强层的协调,端部柱子也参加抗侧力工作。



▲ 图2 整座建筑如同一根竖向梁


5)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。


6)建筑设计在竖向布置了7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5个设备层做成结构加强层(见图3)。加强层设置全高的外伸剪力墙作为刚性大梁,使得端部柱的轴力形成大力矩抵抗侧向力的倾覆力矩,同时刚性大梁调整了各墙、柱的竖向变形,使得其轴向应力更均匀,降低了各构件徐变变形差。



▲ 图3 结构的5个加强层


混凝土结构设计


1)按美国规范 ACI 318-02 进行。127层以下混凝土强度等级C80,127层以上C60。C80混凝土90d弹性模量E=43 800N/mm2。采用硅酸盐水泥,加粉煤灰。


2)调整构件截面尺寸,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。由于柱子和薄剪力墙的收缩较大,所以端柱的厚度取与内墙相同,即600mm。设计时尽量考虑构件的体积与表面积的比值接近,使各构件的收缩速度接近,减少收缩变形差。


3)在立面内收处,钢筋混凝土连梁要传递竖向荷载(包括徐变和收缩的效应),并联系剪力墙肢以承受侧向荷载。连梁按ACI 318-02附录A设计,计算图形为交叉斜杆,这种设计方法可使连梁高度降低。


4)楼层数量多,压低层高意义大,标准层层高3.2m,采用无梁楼板,板厚300mm。


钢结构设计


按美国钢结构协会AISC《建筑钢结构荷载抗力分项系数设计规范》进行设计。601m以上是带交叉斜撑的钢框架,以承受重力、风力和地震作用。钢框架逐步退台,从第18级的核心筒六边形到第29级的小三角形,最后只剩直径为1200mm的桅杆。这根桅杆是为了保持建筑高度世界第一专门设计的,可以从下面接长,不断顶升,预留了200m的上升高度。所有外露的钢结构都包铝板作为装饰。


结构分析


1)采用ETABS 8.4版,考虑了重力荷载(包括P-D 二阶效应)、风、地震因素。建立三维分析模型,包括钢筋混凝土墙、连梁、板、柱、顶部钢结构、筏板和桩。


2)分析模型共73500个壳元、75000个节点。分析参数为:风力50年一遇,55m/s,风压按风洞试验取值;地震:按美国标准UBC 97 的2a 区,地震系数 z=0.15,相当于我国8度设防;温度:气温变化范围 2~54℃。分析结果表明,50年一遇的风力,828m的顶部结构水平位移为1450 mm,办公层顶部(162层)为1250mm,公寓层顶部(108层)为450mm,位移值低于通用标准,符合设计要求。内力分析表明,钢筋混凝土塔楼部分地震力不起控制作用,但裙房和顶部钢结构处,地震内力对设计有作用。


3)通常采用线性有限元分析竖向荷载下的墙、柱内力和位移,但因哈利法塔高度的原因,这种分析方法会偏离真实情况,最后采用了GL 2000(2004)模型,既考虑了钢筋的影响,也包括施工过程。


施工过程分析


全过程分15个阶段,采用三维模型进行分析,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。分析还延续到施工结束后50年。


1)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。


2)竖向缩短。结构竖向压缩每层平均为 4mm,整座建筑的顶点为 650mm,通过每层标高的调整来补偿。


3)受收缩和徐变的影响,钢筋混凝土竖向构件的内力会在钢筋和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渐减少,钢筋的内力会相应增加。哈利法塔第135层,墙、柱中钢筋与混凝土的内力比会从15%/85%变为30%/70%。


基础设计


1)采用摩擦桩加筏板联合基础(见图4)。该工程地基为胶结的钙质土和含砾石的钙质土。天然地基土与混凝土桩的表面极限摩擦力为250~350kPa。194根现场灌注桩,长度约43m,直径1500mm,设计承载力为3000kN。现场进行压桩试验,最大压力为6000kN,桩尖深度 -70m。迪拜地下水具有腐蚀性,氯离子浓度4.5%,硫0.6%,因此桩采用C60混凝土,加25%粉煤灰,7%硅粉,水灰比0.32,坍落度675mm。



▲ 图4 桩筏联合基础


2)筏板厚度3.75m,采用C50自密实混凝土,加40%粉煤灰,水灰比0.34,现场进行坍落度和流动性试验。钢筋间距双向300mm,但在每一个方向每隔10根钢筋取消1根钢筋,形成600mm×600mm的无钢筋洞口,便于浇筑混凝土。为减轻地下水的腐蚀作用,底板铺设了一层钛丝编织的阴极保护网。


筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析,分析结果为基础长期沉降为80mm,施工到135层时沉降30mm,工程完工后,实测沉降为60mm。


施工技术创新


混凝土配合比


竖向结构混凝土要求10h强度达到10MPa以保证混凝土施工能正常循环,最终强度达到80MPa(127层以下)和60MPa(127层以上),C80混凝土的弹性模量为44000MPa。此外,混凝土还要有好的和易性,有适合于600m泵送高度的坍落度。由于迪拜冬天冷夏天炎热,不同季节要调节混凝土的强度增长率及和易性损失值。


混凝土超高泵送


哈利法塔创造了混凝土单级泵送606m的世界纪录。达到这个空前的高度,最大困难是混凝土的配合比设计,采用了4种不同的配比以便能用较小的压力把混凝土送到不同的高度。泵送混凝土含13%粉煤灰、10%的硅粉,集料最大粒径20mm,自密实,坍落度600mm。采用了3台世界上最大的混凝土泵,压力可达350bar,配套直径150mm的高压输送管(见图5)。



▲ 图5  混凝土泵


模板和混凝土浇筑


1)整个基础筏板混凝土接近45 000m3,按中心部分和3个翼板分成4段浇筑,每段相隔24h。


2)上部结构的墙体用自升式模板系统施工(见图6),端柱则采用钢模施工,无梁楼板用压型钢板作为模板。首先浇筑中心筒及其周边楼板,然后浇筑翼墙及相关楼板,最后是端柱和附近楼板(见图7)。



▲ 图6 自升式模板系统



▲ 图7 墙体混凝土浇筑


施工监测


哈利法塔高达828m,施工测量控制是突出问题,现有测量手段无法满足要求,采用全球卫星定位系统GPS控制施工全过程的精度。


迪拜哈利法塔以828m的超高度、52万m2的巨大建筑面积,给我们提供了 丰富的设计和施工经验。随着国内632m的上海中心、680m的深圳平安保险大厦等一批600m以上建筑的即将竣工,我国的高层建筑技术将会提高到一个新的水平。

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