约克路 176-178 号项目是位于伦敦国王十字车站北侧的一项大型开发工程。该项目近期已获规划许可,将拆除现有建筑,新建一座带地下室的建筑(E 类用途)。项目将包含一处创客空间(特殊类别)及灵活的综合用途空间(E 类 / 特殊类别)。此外,开发内容还涵盖道路工程、景观绿化、公共领域改造,以及所有相关配套工程与构筑物。该地块为历史遗留棕地,因场地内不规则分布着三条浅埋旧式砌体铁路隧道与两条深埋地铁隧道,且自北向南贯穿场地,三十余年来一直难以开发,而本项目将为这片土地注入新的活力。本项目由投资方德兰西房地产公司、建筑设计团队 KPF 与奥雅纳公司紧密合作完成。设计团队从项目初期便明确,隧道存在所带来的荷载限制是影响设计的关键场地约束条件。奥雅纳工程师运用 Oasys GSA 软件及 GSA-Grasshopper 插件开展计算设计,大幅优化了结构设计方案,使整体设计水平得到显著提升。
初步研究排除了跨越隧道、同时最大化建筑高度的大型桥梁式方案,原因是这类方案碳排放量高、可打桩区域有限,会带来显著风险。设计团队转而采用轻型建筑方案,建筑依托浅基础坐落,其荷载可由隧道结构承担。




初步分析显示,地表以下仅 4.5 米处的英国铁路网浅埋砌体隧道是最主要的限制因素。相比之下,更深层的铸铁材质皮卡迪利线隧道承载能力更强。此前在这些隧道上方建造的相邻建筑均仅限一至两层的低矮体量,远低于本项目的开发目标,且采用了截然不同的基础形式。为最大限度降低对砌体隧道的影响,设计团队力求使隧道处于纯受压状态,减少由此产生的拉应力、曲率变化及竖向位移。
为保障建筑未来使用的灵活性,设计在南北方向采用了大跨结构。为避免初步分析中发现的过度曲率变化,设计团队在基础中增设了后张预应力钢绞线。这些钢绞线的受力方式与常规楼板相反,可将柱集中荷载转化为均匀分布荷载。

确定隧道横向的最优荷载分布则更为复杂。这种复杂性源于:荷载扩散效应与隧道的承载抗力均取决于土体刚度和隧道断面形态,因此具有极强的个案针对性,无法套用通用方法。

模型经过校准与验证后,设计团队运用了 GSA-Grasshopper 插件的功能,该插件可在 Grasshopper 环境中直接运行 GSA。团队将有限元模型(FEM)与多变量遗传算法优化求解器 Galapagos 相结合,对每个集中点荷载的数值进行迭代计算。该流程旨在为预设的适应度函数求解最优方案。适应度函数由多项变量加权组合构成,目标是最大限度减小隧道内产生的拉应力,确保隧道处于纯受压状态,同时尽可能控制位移并最大化施加荷载。

通过在 Galapagos 中调整各项参数,并结合简化建模与 GSA-Grasshopper 的高效运算能力,团队得以快速迭代多种方案与布置形式,最终找到最优解。结果表明,采用在隧道之间逐级施加荷载的布置形式,可使拱顶拉应力降低至原来的 1/8,施加荷载提升 25%,同时位移水平保持不变。

在确定理想的最优受力形态后,设计团队将其优化整合为一系列与隧道走向对齐的后张预应力带,每条带宽 4.35 米,间距 12.5 米。经校核,最终方案与理论最优荷载分布高度吻合,实现了性能的显著提升。

在确定最优基础体系后,最优基础网格(蓝色)与最优上部结构网格(红色)之间出现了明显的错位。产生这一差异的原因在于:基础网格需与隧道走向对齐,而上部结构网格则需顺应场地几何形态与使用体验要求。

为解决这一问题,设计团队从相邻的莱斯利・格林老约克路地铁站拱形入口以及罗伯特・马亚尔的经典桥梁设计中汲取灵感,提出采用一系列加劲桥面拱作为低碳高效结构体系,实现两类网格的对齐,在兼顾场地历史风貌的同时提供了理想解决方案。


GSA 的其他应用还包括:评估加劲桥面拱与刚度相关的受力响应,以及对大跨度组合楼盖进行人行激励振动验算,确保其满足实验室使用要求。
加劲桥面拱结构充分利用了场地限制条件与基础设计方案,成为该建筑极具标志性的核心特征。这一设计实现了结构解决方案与建筑设计理念的完美融合。项目获得了规划官员的高度评价:“这不仅是一次成功的建筑创作,更是一项卓越的工程成就 —— 建筑跨越了此前严重制约开发的大规模地下铁路相关基础设施。”
设计团队还进一步运用 GSA-Grasshopper 搭建了建筑整体有限元模型,在方案调整时大幅节省了时间,简化了模型操作。GSA-Grasshopper 优化得出的良好成果,后续也通过高端 LS-Dyna 模型得到了验证。
在此感谢奥雅纳首席结构工程师米格尔・马丁内斯 - 帕内达与我们分享此项成果。
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