北京
在风洞测试中，带有更深波浪图案的3D打印建筑模型将峰值风压降低了多达60%。
佛罗里达州立大学的研究人员发现，在建筑墙壁和屋顶上添加波浪形表面可以将低层建筑承受的风荷载降低多达60%。这种方法有助于使建筑更加坚固，抵御飓风级强风。
该团队使用带有波浪形外表面的3D打印模型，并在佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院的风洞中进行了测试。波浪的高度为建筑高度的5%至10%。他们将这些模型与表面平整的标准建筑进行了对比。
研究人员测量了空气从不同方向吹来时模型表面的风压。结果显示，更深的波浪图案降低了建筑最脆弱部位承受的强压。
更深的波浪降低压力峰值
无论风从哪个方向吹来，波浪最深的模型都将屋顶和墙壁拐角附近的峰值风压降低了40%至60%。这些位置尤其危险，因为强气流会在建筑边缘周围形成，并产生强大的吸力。
“改变建筑形状可以显著降低其必须承受的风力强度，”该研究的合著者之一、佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院土木工程助理教授佩德罗·费尔南德斯-卡万表示。“这些非常规建筑形状可以减少最恶劣天气情景下的破坏。这是工程师和设计师抵御风害的又一件工具。”
当气流经过建筑围护结构时，曲面会扰乱气流。气流的变化可以打破通常在平整墙面和屋顶边缘周围形成的集中压力区。
抗风设计的新选择
风压仍然是结构工程师关注的主要问题，尤其是在易受飓风和其他强风暴影响的地区。现有方法包括圆角、倾斜墙面和建筑退台。工程师还可以通过使用更厚或更坚固的材料来加固结构。
这些解决方案可能会增加建筑成本，或与场地和设计要求相冲突。对现有建筑进行改造以加入其中一些特征也可能很困难。
佛罗里达州立大学的这项研究表明，改变建筑外部的几何形状可以提供另一种途径。在传统防风措施难以适用的情况下，波浪形立面和屋顶系统可以被纳入设计之中。
研究可能扩展到建筑之外
研究人员表示，这些发现对其他研究湍流流动的领域也有意义。理解气流如何与曲面相互作用，可以为航空学、环境科学和基础物理学的研究提供参考。
“我们研究的是空气，其他工程师和科学家可能研究的是波浪和水，但对流体动力学的理解可以为各领域的设计和工程提供参考，”费尔南德斯-卡万指出。“空气动力学优化需要多学科方法，在结构安全、韧性、材料效率和性能之间取得平衡。”
该团队目前正在研究空气如何围绕波浪形建筑围护结构流动。这些实验可能会在直接压力测量之外，提供更多关于表面几何形状如何改变气流的信息。
利用计算模型优化设计
未来的工作将包括计算流体动力学模拟，以优化波浪图案。研究人员还计划研究初始风洞测试中未包含的表面几何形状。
目标是确定不同波浪尺寸和形状如何影响气流和风压。此类测试可以帮助工程师识别出既能提供更强抗风能力、又符合实际建筑要求的设计。
该研究的合著者包括副教授张倩、博士生阿雷祖·巴赫希扎德以及校友彼得·楚鲁基迪西安。
该研究发表在《工程结构》期刊上。
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