通过详细结构分析确定对史密斯菲尔德家禽市场屋顶采取“维持现状”策略以实现可持续保护

项目中使用的软件

项目概述

史密斯菲尔德家禽市场屋顶项目荣获2024年结构工程大奖“卓越分析工作奖”，彰显了结构工程师在现有建筑改造中的关键作用。该屋顶始建于1960年代，采用76毫米薄混凝土壳体构筑的双曲椭圆抛物面结构，跨度达70米×40米。其厚度仅为跨度长度的1/13，相当于蛋壳厚度的十三分之一。这种壳体结构在当时处于工程技术前沿，至今仍是同类结构中跨度最大、厚度最薄的代表作之一。六十载后，工程师们肩负着在改造下方空间为新伦敦博物馆的同时，论证屋顶结构持续使用的任务。通过运用Oasys GSA与Oasys AdSec结构分析软件进行精细测算，奥雅纳工程顾问公司得出结论：采取“维持现状”策略最为理想，既能最大化可持续性，又可产生积极的环境效益。

由于该建筑即将成为伦敦博物馆的一部分，其改造挑战在于将其从原有的肉类市场功能重新定位。设计团队需确保屋顶符合现代性能标准以满足持续使用需求。经过多项分析方案的考量，仅凭建筑的年代和现状来推断其能承载与现有类似的新饰面是不够的——这意味着默认接受现有风险。工程师必须识别并量化这些风险。此外，拆除原有饰面与施加新饰面的过程需精心规划，以避免影响敏感结构。这要求进行详细的结构评估，包括混凝土材料测试及屋顶实际形状的勘察调查。为重焕这座独特建筑的生机，工程师采用现代可靠性方法结合先进的数字化工作流程，对屋顶进行了精细的技术分析。

点云测绘显示，屋顶厚度与形状偏离了设计要求。此外，材料测试表明混凝土强度与刚度均低于预期。为评估竣工屋顶与设计方案的偏差，通过Rhino与Grasshopper软件进行了对比分析。

屋顶存在显著不对称偏差，包括倾斜与凹陷现象，尤其左侧区域更为明显。这些偏差影响了屋顶的结构性能，而该性能依赖于其设计形状。测绘数据表明屋顶厚度低于设计规范，部分区域明显更薄。结合混凝土强度与刚度降低的因素，这些问题显著削弱了屋顶承载能力，表明“不低于现有水平”的处理方案存在不足。

相对于设计意图的实际偏差（按测量值）以毫米为单位

Oasys如何证明其无可替代的价值

基于测量结果，在Oasys GSA软件中创建了分析模型以反映实际屋顶状况，包括点云测量几何形状、厚度及材料特性。该测量还实现了对找平层荷载的精确评估，相关数据随后应用于详细模型中。找平层厚度随屋顶厚度变化而变化，荷载计算亦据此调整。为评估结构行为，依据现代欧洲规范标准对新建结构进行了详细常规分析。该分析虽能证明结构强度合理，但因开裂导致的刚度损失，导致穿透式屈曲验证失败。为此设计团队采用新方法：通过确定最小可接受安全系数，并开发创新分析方法优化结构评估承载力，最终成功论证结构合理性。

分析模型中的贯穿失稳破坏

工程师确定可靠性指标目标后，需进行更深入的分析以验证结构在贯穿失稳破坏条件下的整体稳定性。屋顶的刚度与形状对贯穿失稳分析至关重要，必须予以精确考量。有限元分析（FEA）模型采用点云测绘的竣工形状，精确呈现几何形态与厚度。由于结构已承受自重及后张力作用，通过迭代Python工作流确定了调整后的“初始形状”。该初始形状随每组部分安全系数的变化而变化。

准确评估因施加载荷导致的开裂刚度损失至关重要。分析评估了拉伸引起的平面内刚度损失、弯曲引起的平面外刚度损失以及扭转力矩的影响。为体现钢筋混凝土的各向异性行为，平面内与平面外刚度均沿两个方向进行评估。当屋顶壳体单元的刚度发生变化时，荷载作用下的开裂模式随之改变，导致有限元单元的刚度值更新。为此建立数字迭代工作流程，通过每次迭代更新刚度值，以获取能准确反映屋顶行为的兼容刚度组合。该迭代过程采用数值迭代而非时间迭代方式，旨在获得整个屋顶区域刚度兼容的解决方案。

本项目采用的创新方法证明，该结构无需任何加固工程即可满足现代性能要求——这是最可持续的解决方案。通过综合分析支持“无为而治”的理念，该项目重新定义了可持续结构工程。这意味着这座独特建筑无需改造即可延续其历史价值，最大限度地减少了环境影响。

谨此感谢奥雅纳结构工程师Guusje Ubachs、Balduino Del Principe、Chris Noble与Richard Lawson与我们分享这项研究成果。