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El diseño del Burj Khalifa fue desarrollado por los diseñadores de la Torre Willis (Antes Torre Sears) y otros edificios. El diseño de esta torre cuenta con dos fuentes de inspiración principales:
La base del edificio cuenta con un núcleo y tres secciones laterales que sobresalen de éste. Estas alas o secciones laterales ascienden cada una a distinta altura y van haciendo que la estructura del edificio vaya siendo más estrecha. La localización de las alas forma una escalera en caracol con dirección a la izquierda, que rodea el edificio y sirve para contrarrestar los fuertes vientos y las numerosas tormentas de arena en Dubái.
El Burj Khalifa cuenta con seis niveles mecánicos en donde se sitúa la maquinaria que regirá los sistemas del edificio. Cinco de estos pisos pueden distinguirse en la fachada del edificio, ya que son más grandes que las otras plantas y presentan un diseño de vidrio distinto. El sexto piso mecánico se encuentra en las primeras plantas del edificio.
A partir del último nivel mecánico del Burj Khalifa, localizado a más de 500 metros de altura, terminan las alas y solo queda el núcleo del edificio, el cual se subdivide hasta que termina en una punta, que es la antena.
El edificio, hasta los 586 metros, está hecho de hormigón reforzado. A partir del piso 156 (586 metros) y en adelante, las plantas están hechas de acero, lo cual las hace más ligeras.
La cimentación de este edificio es la más grande jamás construida, ya que tiene un sistema de pilotes de 1,5 metros de diámetro en su base y más de 50 metros de profundidad.
La fachada del edificio está completamente tapizada por paneles de vidrio, que ocupan un área de 142.000 m2. Cada panel está hecho de vidrio reflectivo y cuenta con secciones de aluminio y acero. Los paneles están cerrados herméticamente y no dejan que la temperatura en el interior del edificio se incremente.

