一、引言
具有良好施工效能的水泥混凝土催生了現代建築技術，而混凝土技術的進步為建築的高度競爭和結構的創新提供了更多可能。在過去的幾十年中，世界建築的最高高度不斷攀升（如表1）。
表1世界上最高的建築
這種飛躍源於水泥混凝土工作效能和力學效能的提升以及混凝土施工技術和裝置的進步。迪拜大廈是最高的人造結構，樓高828m，有162層地上建築和3層地下建築。該建築從2004年9月24日開始施工，2009年10月1日完工，2010年1月4日正式開放，建築由芝加哥的一家名為斯基德摩爾·奧斯因梅林建築工程公司設計，首席建築設計師為艾德里安·史密斯，首席結構工程師為比爾·貝克，大廈由韓國三星公司營造。建築設計採用了一種具有挑戰性的單式結構，由連為一體的管狀多塔組成，具有太空時代風格的外形，基座周圍採用了富有伊斯蘭尖塔建築風格，設計靈感源於六瓣的沙漠之花蜘蛛蘭。其獨特的結構和先進的施工技術是當之無愧的建築奇蹟。
當前全球87%以上的摩天大廈工地都在中國，深入研究該建築的設計、材料與施工技術與裝備對我國摩天大廈的建設具有重要借鑑意義。
二、哈利法塔的外觀設計
哈利法塔的建築設計歷經多次修改完善（如圖1）。最初的設計方案是在2003年初由澳大利亞的一家設計公司提出的高560m的墨爾本葛洛羅塔的複製品。之後SOM重新設計了哈利法塔，其高度變為650m，經多次修改設計方案後最終確定了828m的設計高度。哈利法塔的建築和結構設計是由艾德里安·史密斯和他的90名設計師在斯基德莫爾、Owings和美林（SOM）的芝加哥工作室完成的。SOM還設計了位於伊利諾伊州芝加哥市的威利斯大廈（原名西爾斯大廈）和紐約市的世貿中心一號大樓。哈利法塔類似於威利斯大廈的束筒結構，但它不是一個管狀結構，而是由連為一體的管狀多塔組成，設計借鑑了韓國首爾的一個名為TowerPalaceThree的73層高的全住宅建築。
圖1哈利法塔設計方案變化
承襲了伊斯蘭建築特有風格的設計使哈利法塔屢獲設計殊榮，蜘蛛蘭形設計最大限度保證了結構的整體性，提供了盡情欣賞阿拉伯海灣的迷人風景的視角。沙漠之花蜘蛛蘭（Hymenocallis）的花瓣、花莖結構是設計哈利法塔的支翼與中心核心筒之間的組織結構的靈感來源。整座塔樓的混凝土結構塑造了Y形平面，三個支翼由花瓣演化而成，每個支翼均受到混凝土核心筒和核環繞核心筒的支撐；大樓中心是鋼筋混凝土六邊形“扶壁核心”的中央核心筒，由花莖演化而來，使得三個支翼互相聯結支撐，這四組結構體自立而又互相支援，擁有嚴謹縝密的幾何形態，增強了哈利法塔的抗扭性，大大減小了風力的影響，螺旋狀排列以抵禦肆虐的沙漠風暴，同時又保持了結構的簡潔。樓面為“Y”字形，並由三個建築部分逐漸連貫成一個核心體，從沙漠以螺旋上升的形式減少大樓的剖面直至頂層，中央核心逐漸轉化為尖塔，使得哈利法塔具有最佳的視覺感受（如圖2）。
圖2哈利法塔的外觀及Y形平面設計
三、結構設計與風洞試驗
3。1哈利法塔的建築結構設計哈利法塔採用了創新性的多種結構複合構建的全新結構體系，其下部為混凝土結構，上部採用鋼結構。從-30~601m為鋼筋混凝土結構，從601~768m為鋼結構，768~828m為鋼桅杆。哈利法塔地基的表層，全由細小石塊經過長時間的自然作用黏合而成，地基相對較為疏鬆。為了打穩地基，工程師採用194根直徑為1。5m深入地下43m的混凝土樁柱，來支撐由12500m3C50自密實混凝土製作的厚3。7m、大小足以容納建築整個8000m2基座的混凝土筏板（如圖3）。
圖3哈利法塔樁筏基礎效果圖及施工照片
哈利法塔作為超高層建築，其需要前所未有的抗風設計。哈利法塔的整個抗側力體系是一個豎向帶扶壁的六邊形核心筒。核心筒共有六道扶壁，分別由每一翼的縱向走廊牆構成，中心筒的抗扭作用可以看成一個封閉的空心軸。中心軸透過三個翼上的6道縱牆扶壁來提高他的穩定性。同時，走廊縱牆又透過翼牆和錘頭牆來進一步支撐和穩固。並且，每翼的端部還有四根獨立的端柱。透過建築結構各部位的協同作用，整個建築在結構上形成了一個互相支撐的整體，使得建築結構形成空間整體受力，能夠有效抵抗風和地震產生的剪力和彎矩，具有優異的側向和抗扭剛度。構成結構單元的牆厚和柱的大小都經過了計算調整，以減少因混凝土結構徐變和收縮產生的影響。在設計時，為使各構件有相近的收縮速度，從而減少收縮形變，應儘量使各構件的體積與表面積的比值相近。由於混凝土在細的柱或薄的牆具有更快的收縮速度，因此哈利法塔採用相同厚度（600mm）的端柱和走廊牆，來確保端柱和走廊牆具有相同的混凝土收縮。
3。2哈利法塔的風洞試驗對於作為超高建築的哈利法塔來說，研究風荷載對其結構穩定性的影響是十分重要的。因此在加拿大安大略的RowanWilliamsDaviesandIrwinInc（RWDI）2。4m×1。9m和4。9m×2。4m的邊界層風洞進行了40多次風洞試驗和其他實驗研究（如圖4）。
a邊界層風洞試驗模型（1∶500）b行人風環境研究模型（1∶250）
圖4在RWDI進行風洞試驗使用的模型
圖5高雷諾數測試採用的模型（1∶50）
風洞試驗專案包括：剛性模型力平衡試驗、多自由度空氣彈性模型研究、區域性壓力測量、行人風環境研究和風氣候研究。其中剛性模型力平衡試驗和多自由度空氣彈性模型研究使用的模型比例是1∶500，行人風環境研究則使用了1∶250的模型。由於在氣動彈性模型和力平衡試驗結構中發現了雷諾數效應（尺寸效應），因此還在加拿大國家研究中心的9m×9m的風洞中進行了高雷諾數測試，測試所用的模型尺寸為1∶50，風速可達55m/s（如圖5）。在設計初期，採用高頻天平測力技術進行風洞試驗，以確定作用在哈利法塔主結構上的風荷載。採用風洞試驗的資料與塔樓的動態特性相結合的方式，來計算哈利法塔的動態響應和整個建築尺寸上的總的有效風力分佈。最終以測力天平試驗的結果用作哈利法塔早期結構設計時的輸入引數，並且還用來進行哈利法塔剛度和質量分佈變化時的引數研究。哈利法塔有六個主要的風向。其中三個風向正對著翼尖。風吹向翼尖時，每個翼部具有分流效果（見圖6的翼A、翼B和翼C）；另外三個方向是吹在兩翼之間，稱為尾向。可以發現：不同方向的風荷載譜顯示，在重要的頻率範圍內，風對翼尖或鼻端的激振，比風對與之對應方向（尾向）的激振要小。在選擇大樓方向與迪拜高頻強風向和弱風向的相對關係時，設計時應格外注意。為比較大樓的幾何形狀與有關建築結構方而改進的關係，進行幾次天平試驗。三個翼順時針方向縮排，A翼首先縮排。在每一次風洞試驗後，對資料進行分析，重新設計塔樓的形狀以儘量降低風的影響。一般來說，縮排的次數和縮排的間距隨著翼部形狀的變化而改變。該調整過程是以“擾亂”風向的方式，使施加在塔樓上的風力大大減少。
圖6哈利法塔平面與風向的關係
四、哈利法塔的混凝土材料設計
為了使哈利法塔的樓板和承重牆的尺寸儘可能的小，並且具有足夠的能力來承受隨高度的增加而上升的荷載，在哈利法塔的建設過程中使用了具有低滲透係數和高耐久性的高效能自密實混凝土。製備混凝土採用的原材料均來自迪拜周邊地區，膠凝材料採用水泥、粉煤灰或礦粉、矽灰複合使用，透過摻加粉煤灰或礦粉利用其火山灰效應及微珠效應，減少水泥用量降低水化熱從而減少溫度裂縫，提高新拌混凝土的工作性。採用20mm、14mm和10mm三種不同粒徑的碎石，根據建築的不同澆築部位搭配使用。採用RAK和Alain兩個地區的砂搭配使用。並且在混凝土中摻加了粘度改性劑，以提高其工作效能。具體配合比見表2和表3。
表2塔身混凝土配合比
表3地基墩座混凝土配合比
B2-L40樓層的牆採用C80（56d）自密實混凝土，粗骨料最大粒徑為20mm，其90d彈性模量為43800N/mm2。L41-L108的牆和柱採用粗骨料最大粒徑為14mm的C80自密實混凝土，其56d彈性模量為41000N/mm2，而L109-L126的牆和柱採用粗骨料最大粒徑為10mm的C80自密實混凝土。由於L127-L154層結構需求相對較低，因此127層以上的牆和柱採用粗骨料最大粒徑為10mm的C60自密實混凝土，其28d彈性模量為37600N/mm2。在不同混凝土應用高度選用不同粒徑的碎石不僅可以降低混凝土泵送至300m以上的難度，還能夠降低混凝土材料成本。因為相對於最大粒徑為14mm的混凝土來說，最大粒徑為20mm的混凝土需要的水泥和細沙要少的多。哈利法塔的樓板混凝土均採用C50自密實混凝土，為了降低泵送難度，在108層以上的樓板混凝土所用的最大碎石粒徑14mm，並且採用相對低樓層樓板混凝土更大的坍落擴充套件度。哈利法塔的地基基礎採用樁筏結構。由於迪拜地下水有一定的腐蝕性，氯離子濃度4。5%，硫化物為0。6%，因此其地下樁採用具有高抗滲性和高抗鹽漬的C60混凝土，並且在基層底板鋪設了一層由鈦絲編制的陰極保護網。筏板基礎採用C50自密實混凝土。
五、哈利法塔的混凝土施工工藝
5。1混凝土質量的控制
在混凝土的生產過程中都有監控並且做了記錄。在混凝土運輸和泵送之前，都進行混凝土的溫度和工作性檢測（坍落度擴充套件度、L型箱、V型漏斗）（如圖7），並且製作了混凝土強度試件檢查混凝土強度。在現場工作人員為了確定和控制混凝土凝固和收縮指標，進行了取芯留樣。為了研究澆灌工藝和控制溫升的措施，在現場製作了邊長為3。75m的立方體（如圖8）。
圖7坍落度試驗
圖8試驗製備的3。75m立方體
為確保194根灌注樁承載力足以達到設計要求的3000t，工作人員在現場進行了壓樁試驗，測得最大承載力為6000t（如圖9）。由於迪拜環境溫度較高，混凝土一般在晚上澆築。為了控制混凝土正常的澆注溫度（35℃），首先進行骨料的冷卻，其次一部分拌和水被換成碎片冰（如圖10）。
圖9現場壓樁試驗（6000t）
圖10部分拌和水為碎片冰
5。2泵送裝置及測試
哈利法塔的混凝土供應商和泵送服務商Unimix透過對Putzmeister公司定的技術水平和可靠性的考察，最終委託Putzmeister公司供應和安裝拖泵和布料杆系統。Putzmeister根據哈利法塔的施工條件決定採用BSA14000SHP-D超高壓混凝土泵（如圖11），其出口排量為30m3/h，可將混凝土泵送至570m以上的高度。為了使BSA14000SHP-D超高壓混凝土泵能夠承受巨大的壓力，Putzmeister的工程師將框架和料斗等元件都加強，並且還調整了s閥和s閥軸承的預期壓強。BSA14000SHP-D本身既具備特別高效的過濾系統，以避免液壓油和外部灰塵對混凝土的汙染，普茨邁斯特的工程師又改進了混凝土泵的液壓驅動系統，無杆腔執行時混凝土壓強和液壓系統的油壓比小於i=1。此傳動比例使高效能的泵機可實現超過400bar的混凝土壓強。
圖11泵送使用的三臺BSA14000SHP-D混凝土泵
圖10部分拌和水為碎片冰在施工前期，Putzmeister在德國總部和迪拜的施工現場對拖泵和輸送管線進行了一系列的水平泵送測試（如圖12），測試所用的拖泵為BSA14000HP-D超高層建築用拖泵和DN125ZX輸送管線，透過測試確定了泵送至600m以上的高度所需的壓強和混凝土與輸送管之間摩擦。在混凝土泵送過程中，只有最上面的十層安裝了DN125ZX輸送管，這種管道可以承受13MPa的壓強。其他的樓層均使用內徑為150mm的輸送管。與DN125ZX輸送管相比，150mm輸送管具有更大的橫截面積，這使得泵送所需的壓強下降約25%，並且混凝土在泵送過程中對輸送管的磨損也會下降。為了儘量減少輸送管的磨損，Putzmeister採用更加耐用的壁厚為11mm的混凝土輸送管，並且透過超聲測量定期監測輸送管的壁厚。
圖12水平泵送測試鋪設
5。3模板和混凝土澆築
為方便施工，管理人員將整個基礎筏板分為中心和三個翼板四個部分進行澆築，每部分澆築間隔24小時（如圖13）。
圖13基礎筏板澆築
上部結構的牆體採用Doka的SKE100自升式模板系統（如圖14）；端柱採用鋼模板；無樑樓板採用壓型鋼板作為混凝土模板。混凝土澆築首先澆築中心筒和周邊的樓板，然後再澆築牆體和相關樓板，最後進行澆築的是端柱和附近的樓板（如圖15、16）。由於哈利法塔的施工高度高達828m，因此在施工過程中採用了全球衛星定位系統（GPS）來控制施工過程中的精度，以確保施工質量。
圖14SKE100自升式模板系統
圖15牆體混凝土澆築
圖16樓板混凝土澆築
六、結束語
哈利法塔以其828m的超高度創造了世界建築的高度記錄，其設計材料與施工等稱為摩天大廈建築的標杆。本文綜述了該摩天大廈建設技術。
（1）哈利法塔設計承襲了伊斯蘭建築特有風格，蜘蛛蘭形設計最大限度保證了結構的整體性，沙漠之花蜘蛛蘭（Hymenocallis）的花瓣、花莖結構是設計哈利法塔的支翼與中心核心筒之間的組織結構的靈感來源。
（2）為抵抗沙漠的風暴，大廈結構設計者透過嚴密的風洞試驗對大樓的幾何形狀與有關建築結構設計進行調整以儘量降低風的影響，以“擾亂”風向的方式，使施加在塔樓上的風力大大減少。
（3）為了使哈利法塔的樓板和承重牆的尺寸儘可能的小，並且具有足夠的能力來承受隨高度的增加而上升的荷載，在哈利法塔的建設過程中使用了具有低滲透係數和高耐久性的高效能自密實混凝土。
（4）製備混凝土採用的原材料均來自迪拜周邊地區，膠凝材料採用水泥、粉煤灰或礦粉、矽灰複合使用，透過摻加粉煤灰或礦粉利用其火山灰效應及微珠效應，減少水泥用量降低水化熱從而減少溫度裂縫，提高新拌混凝土的工作性。
（5）哈利法塔採用了自密實混凝土泵送施工，模板採用自攀升技術，經過嚴密的施工組織，保證了施工質量與進度的統一，並創下了混凝土泵送的高度記錄611m。