PLAXIS 和 RAM 助力确定更有效的结构设计并大幅降低施工成本

总部和周边区域

桑坦德银行位于英国的新总部将现有的四个英国办事处合并到米尔顿凯恩斯的一个中心枢纽，位于伦敦以北 50 英里。 Unity Place 将作为桑坦德银行约 5,000 名员工的办公场所。该项目总投资 1.5 亿英镑，原为一个停车场，新建的四栋建筑中，其中三个中庭最大限度地利用了综合大楼的自然采光。该项目还在地下两层增设了汽车和自行车停车位，以及全新景观区，带有绿化带和休息区。桑坦德银行选择 WSP 作为设计方。

桑坦德银行对 Unity Place愿景是不局限于将其作为银行运营总部。乘客从米尔顿凯恩斯火车站出来后首先看到的就是Unity Place，因此桑坦德银行希望它还能作为一个中心枢纽，为在该社区工作、旅游和生活的人们提供便利。因此，该建筑群还将设有市场、零售商店、问询处、礼堂以及健身房和瑜伽室等运动场所。屋顶将设有露台和跑道，可供公众使用。 WSP 需要同时满足桑坦德银行对该建筑的期待以及稳定的结构需求。

审美和环保需求

桑坦德银行对大楼的美观有特殊的要求，因此设计上更要别出心裁。虽然变形缝可以补偿建筑物中因混凝土收缩和开裂而产生的热位移，但本项目并未使用变形缝。 WSP 结构工程师 Billy Kelham 表示：“我们面临的挑战是设计一座没有任何变形缝的建筑，因为变形缝通常会需要设置双柱，严重影响内部布局的美观。” 考虑到施工过程中的热位移，WSP 必须确定如何设计临时移动接缝，以应对混凝土的移动，然后在施工团队完成混凝土养护后，建造相邻的构件，填充临时接缝。

即使设计复杂，WSP 也必须满足严格的环保标准。为了实现英国到 2050 年新增建筑零碳排放的目标，英国政府成立了伦敦能源转型倡议协会，该组织由 1,000 多名专业环保人士组成，他们为所有新增建筑制定了新的准则和措施，以实现这一目标。这些措施包括，到 2020 年，所有新增非住宅建筑的总含碳量必须低于每平方米 600 千克，到 2030 年，必须低于 350 千克。这是针对整个建筑而言，包括结构、机械、电气和管道设备、建筑外立面及其装饰。Unity Place 必须达到这些标准，但由于传统的钢建筑构件会产生高能耗，因为钢框架支撑金属复合楼板的传统办公室设计会产生过多的碳排放。面对这些挑战，WSP 需要优良的结构设计能力来推进混凝土框架解决方案。

借助结构分析解决问题

WSP 发现， Bentley 软件的结构工程应用程序可以满足所有项目需求。设计团队首先确定，混凝土上层建筑比钢架建筑更可取，因为混凝土构造产生的碳排放更少。在设计阶段前期，设计团队利用 RAM Concept对八个上部结构层的后张混凝土楼板进行了优化，详细确定了如何创建安全、高效的楼板。

另一个例子展现了设计团队如何利用Bentley软件在筏形基础设计中提高设计效率并减少含碳量。楼板的深度在 0.8 米到 1 米之间，位于地下 10 米处的黏土层之上，以此为地基建成了两层地下室。在开挖过程中黏土荷载被移除时，黏土会膨胀，从而产生一种向上的力，这种力被称为“隆起”。设计团队通过岩土力学研究计算出，隆起力相当于 60 千帕斯卡，但在 12 毫米之外就会完全消失。

设计团队使用 Bentley 的 RAM Concept 创建了筏板的隆起模型，其中包括 60 千帕向上的隆起力，但允许楼板向上偏转至 12 毫米或更大距离。按研究结果，此时隆起力已经完全消散。设计团队通过建造一个挠性板而非刚性结构来减小筏板的深度，抵消隆起力。

项目团队利用Bentley  旗下的地质公司Seequent 开发的 PLAXIS软件进行岩土工程分析，评估地表移动对邻近历史古迹的影响。

此外，WSP 利用RAM Concept确定如何避免在施工期间为四座塔吊的每一座塔吊使用临时八桩基础。在最后的楼板施工期间拆除临时结构将增加时间、成本和能源消耗。设计团队反复迭代设计，最终确定了安全放置基础的位置和大小，能够支撑起重机，保证土体足以承载起重机的重量和工作荷载。然后，这些地坪与筏板的其他部分连接起来，成为筏板基础的一部分。据估计，这种方法总共省去了 32 根桩（约 700 吨混凝土），并节省了施工时间。设计团队还使用 RAM Concept 设计了地面层和下部结构板。该应用程序还在 WSP 的设计团队和印度的详细设计团队之间建立了无缝数字链接，将有支护设计要求的平面图标注过程从一两天缩短到近乎实时。

低碳低成本的强大设计

设计团队利用 RAM Concept 设计更佳的混凝土结构并以更少的材料补偿向上的隆起，他们成功用更少的材料补偿了筏板上的隆起力。 RAM Concept 的后张法设计功能用于分析典型的楼板，将混凝土板的深度减少了 25 毫米。在超过53,000 平方米的面积上，减少的混凝土用量总计达 3,000 吨，碳排放量减少了200 吨。利用后张法设计功能，设计团队创造了稳定的流速，进一步将楼板深度减少到 275 毫米。因此，设计团队将所需混凝土用量减少了 16,000 吨，节省了大量材料成本，并大幅减少了施工过程的碳排放。WSP 利用这些应用程序设计了一个直接嵌入黏土层的筏板，用于支撑两层地下室。这样的设计大大减轻了建筑物的重量，省去了支撑桩的使用，将设计时间缩短了 50%，并额外节省了 2,000 吨混凝土。将临时塔吊支撑嵌入楼板后，可减少使用 32 根临时托盘基础，进一步节省了成本。

通过尽量减少混凝土用量，WSP 在施工期间减少了 3,000 吨碳排放，而将塔吊基础嵌入楼板又减少了 50 千克的碳排放。尽可能高效地集中精力设计筏板和上层结构楼板等核心元素，有助于将建筑结构的总碳排放量限制在每平方米 219 千克，远低于 2030 年的每平方米 228 千克的目标，虽然目前只需要达到 2020 年的目标。 Kelham 表示：“这是一个我们引以为傲的数字，是所有项目参与者共同努力所取得的成就。”