【土建圈】解密世界第一高楼的建造施工方法

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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)。

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。

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。