建筑结构丨揭秘!哈利法塔身处沙漠,从头到脚该如何满足各种高难度设计要求?

08-21 16:20 首页 建筑结构

哈利法塔(Burj dubai tower)坐落于土豪遍地的迪拜,建筑高度829.8米。

先来提个神,看看哈利法塔的真容:

知道吗?

你的手指刚刚划过了

829.8米!

哈利法塔——这个矗立在土豪之城阿联酋迪拜的巨型建筑物,2004年开始动工,到2010年建成开放,高度达到了令人发指的829.8米!!!在已经建成的高楼中,是头一名的大高个。据说我们的土豪朋友们是想用这么一个全球无敌的高楼,来告诉大家:

俺再也不是一手沙子一手石油的土豪了!

俺是要成为海贼王……

哦不对……

是要成为世界金融中心的男人!!!

但八百多米高,只是这么一说的话,可能大家没有比较直观的概念,那我们来打个比方:要是把哈利法塔躺倒平放在地上,你从塔底走着去塔尖,正常速度的话,大概得花10-11分钟!如果你还是没概念,那还记得体育课上的男生一千米,女生八百米测试不?这下有感觉了吧?

下图是迪拜的卫星图,大家可以随意感受一下。


哈利法塔是目前世界上最高的建筑及人造构筑物,建筑理念是“沙漠之花”以及伊斯兰螺旋尖塔。

下面首先通过一组数字了解一下我们今天的主角。

10

哈利法塔共有57部电梯,这个世界上最高的电梯系统可以承重5500公斤,速度达10米/秒。

15

哈利法塔总造价15亿美元。

95

在95公里外你任然能看到高高耸立的哈利法塔。所以在迪拜,你不会迷路,哈利法塔就是你寻找方向的最好参照物。

124

哈利法塔是全球最高建筑,从第124层开始到最顶端,相当于埃菲尔铁塔的高度。而从底端到124层的高度,则相当于马来西亚的双子塔高度。

828

哈利法塔总高828米,共160层,台阶总数2909级(泰山约6000级)。

4000

哈利法塔由SOM设计,设计图纸达到4000张,深化图纸的数量要比设计图纸多出10倍。

10万

哈利法塔的总重量达到50万吨,相当于10万头大象。

30万

哈利法塔塔楼建筑面积约30.9万平,最多能容纳3.5万名参观者,相当于一个小镇的人口。

下面小编将以结构工程师的视角,为大家介绍这一超级工程!


结构体系

上世纪70年代,Fazlur Khan提出并完善了框架筒体、框架-核心筒、桁架筒体、束筒结构体系,使人类建筑能够以合理的造价突破400米的高度。而后多年,人类新修建了很多的摩天大楼,基本上都是在Khan体系上的优化。

而针对高达828米的人类有史以来的最高建筑,结构工程师提出了新的结构体系——buttressed core(扶壁核心)。

塔楼平面呈三叉形,居中的是由电梯井和楼梯井所组成的核心筒,三支翼由核心筒伸出,任何一翼都以另两支为扶壁。居中的核心筒用于抗扭,三支翼用来抗剪与抗弯。

哈利法塔结构平面示意

扶壁核心最早被SOM用于位于首尔的高层住宅楼Tower Palace Ⅲ,建筑共90层,平面呈Y字形,三支翼夹角均为120°,为每个房间提供绝佳的视角的同时,也保证了每个房间的私密性。

Tower Palace Ⅲ建筑平面示意

在首尔Tower Palace Ⅲ项目中,四个核心筒居中布置,外围布有框架柱,并在避难层设伸臂桁架与核心筒相连。除了建筑体型和核心筒形状外,结构体系与我们熟知的框架核心筒体系极为相似。在设计中,Y字形体型对于抗风极为有利,且Y字形核心筒刚度很大,整个结构的抗侧刚度及抗扭刚度,几乎都可以由核心筒承担。这些设计经验,很快被用于哈利法塔的设计。

Tower Palace Ⅲ结构平面示意

从哈利法塔的平面图中可以看出,一个六边形的核心筒居中,用于布置竖向交通。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。整个建筑就像一根刚度极大的悬臂梁,抵抗风和地震产生的剪力和弯矩。


整个建筑竖向形状自下而上逐步退台,剪力墙在退台楼层处切断,端部柱向内移。横墙与外框柱均采用9m模数,这样逐步退台时,外框柱可直接落在下部横墙上,全楼无转换,避免了荷载的突变,及墙、柱截面突然变化给施工带来的困难。

在2009年,SOM设计高达1000m的Kingdom Tower时,继续优化了扶壁核心的布置。从平面布置图中可以看出,外框柱已全部取消,竖向结构仅为居中的核心筒,三支扶壁剪力墙延伸到每支翼的端头,楼面结构均由核心筒上悬挑而出。

Kingdom Tower结构平面示意

小编在项目中也未曾用过扶壁核心,所列内容也来自于SOM相应论文资料,如有做过相应项目的读者,也欢迎文末讨论。


结构设计

哈利法塔601m以下采用混凝土结构,601~828m采用钢框架支撑体系。风荷载作用下,混凝土结构顶点601m处,最大位移450mm。钢桅杆顶点828m处,最大位移1450mm。因此,对舒适度要求较高的酒店和公寓,均布置在601m以下的混凝土结构部分,而601m以上则做办公使用。

混凝土强度等级:127层以下为C80;127层以上为C60。设计时使端柱和剪力墙在自重作用下的应力相近,以减少因为徐变造成的柱与墙的内力重分布。标准层层高为3.2m,楼面体系为厚板,板厚为300mm。

结构分析采用ETABS,考虑P-D效应。风荷载取50年一遇,风速55m/s(按荷载规范附录换算基本风压约1.9KN/m2)。地震作用按美国标准UBC97的2a区,地震系数为0.15,近似相当于我国7度(0.15g)设防。温度变化范围为2~54℃。

结构动力特性:T1=11.3s(X向),T2=10.2s(Y向),T5=4.3s(扭转)。内力分析表明,钢筋混凝土塔楼部分为风控,地震力不起控制作用。


结构抗风

哈利法塔在设计过程中共进行了40余次风洞试验,大部分模型采用1:500,但同时也做了1:250整体模型,及1:50高区模型等大尺度风洞模型。

结构有6个主风向角,分别对应3个翼尖方向 和3个凹入方向,试验表明翼尖方向为风荷载最小风向角,凹入方向为风荷载最大风向角。因此在考虑建筑平面摆放时,将翼尖方向朝向场地主风向,有效地降低结构风荷载。

对于超高层建筑,横向风振作用极为明显。因此,在哈利法塔的设计中,设计师通过控制退台的立面位置,使三支翼的退台在各个标高均不重合,从而扰乱风场的漩涡脱落,使之不能形成对结构一致的激励,从而有效降低横向风振作用。

经过计算分析和试验验证,哈利法塔在风荷载及地震作用下的舒适度均在规范允许范围内,因此未设附加阻尼。


基础设计

哈利法塔采用桩筏基础。194根钻孔灌注桩,长度约43m,直径1500mm,承载力特征值约30000KN。与之相比,上海中心也使用钻孔灌注桩,桩数947根,桩长约56m,桩径1000m,单桩承载力10000KN。

筏板采用C50混凝土,厚度3.75m,筏板混凝土方量12500m3。基础长期沉降80mm,工程完工后,实测沉降为60mm。


幕墙设计

哈利法塔的建筑幕墙总面积为13.5万m2,相当于17个足球场面积。采用单元式幕墙,幕墙总造价约为人民币8亿元,约为6000元/m2。

玻璃为中空玻璃,超白玻璃外片镀银灰反射膜,内片镀Low-E膜。可见光透射率20%,综合热透射率16%。铝型材主要采用6063-T5,6063-T6,表面氟碳喷涂。

塔楼设置了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台设备和36个工人,全部清洗一遍大楼需要2~3个月。考虑到沙漠的骄阳与沙尘,小i估计大楼需要常备几十个工人一年到头擦玻璃(手动滑稽脸)。


项目建造

哈利法塔的施工单位是三星物工建造。对,就是那个韩国造手机的三星,它曾经承建过台北101、马拉西亚双子塔等超高层建筑。

哈利法塔创造了混凝土单级泵送高度的世界记录——601m。达到这个空前高度的最大困难是混凝土的配合比设计。施工单位采用了4种不同的配合比以便能用较小的压力把混凝土送到不同的高度。采用了3台世界上最大的混凝土泵,压力可达35MPa,配套直径为150mm的高压输送管。



小编随想

现今世界上一大半超高层在亚洲,亚洲一大半又在中国。我国超高层设计与建造事业近十年得到了蓬勃发展,而且近两年势头仍然未减。但小i试着查了一下我国原创设计的超高层项目,发现武汉中心高438m(88 层)是迄今为止原创设计的最高建筑,由华东建筑设计研究院设计。与我国庞大的超高层总量相比,仍显相形见绌。

作为结构工程师,每天都在为人民的身命财产安全默默耕耘,可能绝大部分一辈子也接触不到如哈利法塔这样的超级工程。可是内心都着追求高!更高!再高的冲动,因为我们是结构工程师。


参考资料:

1 The challenges in designing the world’s tallest structure: the burj dubai tower. William F. Baker, James J. Pawlikowski, Bradley S. Young.

2 Higher and Higher: the evolution of the buttressed core. William F. Baker, James J. Pawlikowski.

3 Brief on the construction planning of the burj dubai project. Ahmad Abdelrazaq.

4 Burj Khalifa. Carolina berkheimer-lubeck.

5 世界最高建筑“哈利法塔”结构设计和施工. 南辰47347

6 迪拜哈利法塔结构设计及健康监测. 无损检测NDT

7 详解迪拜为什么能建第一高楼,哈利法塔幕墙结构分解. 联合幕墙网

来源:iStructure微信公众号(获授权转载)、建筑PaPaPa,建筑结构综合整理。


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