结构工程
伦敦主教门 8 号大楼高效结构设计与分析

主教门 8 号项目由斯坦霍普公司与三菱地所联合开发，为伦敦金融城天际线增添了标志性风貌。该项目斩获2024 年 BCO 伦敦最佳商业办公空间奖、2024 年 CTBUH 欧洲最佳高层建筑奖及2024 年 CTBUH 200–299 米级别最佳高层建筑奖，并入围 2023 年新伦敦建筑奖与 2024 年结构工程奖。


项目以精细化设计、全周期可持续理念，以及结构与机电系统深度融合于整体建筑方案为特色。建筑由奥雅纳工程师采用 Oasys GSA 软件完成结构设计与分析，为50 层钢框架结构，楼盖采用组合金属楼承板，支承于组合蜂窝式板梁。建筑设计由威尔金森・艾尔事务所担纲。


设计理念上，该项目突破传统塔楼模式，将体量分解为多个小型体块，使建筑形态适配场地限制，同时赋予建筑人性化尺度。


© Paul Carstairs_Arup

大楼的整体稳定性由两座钢筋混凝土核心筒提供，并在建筑中层增设了周边支撑结构（即 “支撑箱体”），同时在顶部设置了伸臂桁架。


钢结构支撑箱体实现了建筑西立面的悬挑设计，最大悬挑达 9 米，延伸至下方人行道上方，为 6 层至 52 层的西立面提供支撑，且对钢材用量及相关碳排放影响极小。


这一设计使建筑净使用面积增加 15%，并实现了堆叠式体块的建筑设计构想。
建筑采用桩助式筏板基础及两层地下室结构。项目包含多项低碳设计要素，其中包括高度优化的钢框架、开创性的混合筏板基础体系，以及创新型双层密闭空腔幕墙（配备自动百叶），兼顾了能效优化与最大化外部视野。

本项目选用Oasys GSA作为结构分析软件。项目在 GSA 中建立了整体分析模型，并与多款现有及自研脚本联动，完成建筑内所有结构构件的设计与优化。


该整体模型可让工程师考虑与时间相关的性能，如筏板刚度评估、施工分期加载、收缩与徐变等。模型为分析混合稳定体系、多路径竖向传力、组合楼盖及基础位移敏感性提供了统一数据源。


工程师通过自动化流程从 GSA 中提取内力，对钢梁、钢柱及支撑构件在设计使用年限内可能承受的荷载进行优化设计。GSA 内置的钢筋混凝土楼板设计模块也被用于核心筒墙体与办公楼层的设计。


项目团队从基础设计到结构性能，面临多项挑战。


基础方面，场地内既有桩基增加了施工复杂性，部分旧桩需提前拔除。奥雅纳结构与岩土团队协作，依托 GSA 整体模型，在场地大范围采用创新筏板方案，将桩基数量从 89 根减至 28 根，工期缩短六周，减排约 680 吨二氧化碳。


建筑采用核心筒与钢结构共同受力的高效体系。高层建筑中钢结构通常占总隐含碳的 50%，用钢量也直接决定加工成本。团队通过自动化流程，按构件全生命周期实际受力逐一设计，并利用 GSA 高级分析与钢结构设计模块精细化优化，使用钢量降低约 25%，减排约 5000 吨二氧化碳。此外，通过优化上部楼层梁间距，进一步减少钢梁用钢量，额外减排 140 吨二氧化碳。


工程师利用 GSA 阶段性分析模拟施工、收缩与徐变等时间相关效应，并结合二维应变创新应用，精准模拟周边混凝土核心筒在全寿命周期内的收缩徐变效应，评估由此在相连钢结构中产生的力传递，并精确计算核心筒预设值。


Oasys 软件支持搭建高效工作流，用于在设计中优化隐含碳排放。组合楼盖属于轻质薄型楼盖体系，可有效应用于高层建筑，降低各楼层荷载及基础荷载。


Oasys Compos 这款组合梁分析与设计软件，可用于组合钢梁设计，并自带 API 接口与 GSA 对接。


这使您能够搭建自动化工作流，高效完成此类项目中大型组合楼盖体系的设计工作。

核心筒采用 GSA 内置的钢筋混凝土楼板设计模块进行设计。为使混凝土核心筒尽可能收窄，在建筑下半部分的柱间增设了支撑结构 —— 即支撑箱体。


该体系使立柱参与整体稳定工作，并与两座混凝土核心筒刚性连接，以实现最高结构效率。


当提出建筑悬挑方案时，结构团队尝试通过支撑箱体同时承担抗侧稳定与悬挑受力。借助 GSA 进行精细化结构分析，并对支撑构件进行精准布置，最终实现了设计目标，且对钢材用量及相关隐含碳排放量几乎无额外影响。
© Arup – GSA model: steel column and bracing design 
采用 GSA 内置的钢筋混凝土楼板设计模块对楼盖水平 diaphragm进行了分析。
同时利用 GSA 对行走激励振动进行验算，确保楼盖振动满足行业规范要求。
该高层建筑在次钢梁端部采用了创新粘弹性阻尼材料Resotek，以提升楼盖结构阻尼比。
结合 GSA 的振动评估，工程师无需通过加大梁刚度来满足舒适度要求，进一步节省了约 500 吨二氧化碳排放。
© Arup – GSA model Footfall induced vibration – Maximum Response Factor 


主教门8号是英国荣获 BREEAM 杰出级认证的最高建筑，这一成就此前在超高层项目中被认为难以实现。


奥雅纳结构团队表示：“这一突破为低碳建造与全球城市化发展趋势迈出了正确的一步。我们希望业内能以此为基础，持续探索进一步降低高层建筑隐含碳与运营碳排放的途径。”


在此感谢奥雅纳前高级结构工程师卢克・哈里森为我们分享该项目成果。


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