- 波浪形外牆和屋頂可降低颶風風壓高達 60%。
- 傳統結構在颶風期間易受損，波浪設計提供被動解決方案。
- 氣動力學原理在多個工程領域有廣泛應用。
- 研究團隊計劃進一步優化波浪幾何學設計。
具有波浪形外牆和屋頂的建築在抵禦颶風強風方面的表現遠優於傳統結構，峯值風壓可降低高達 40% 至 60%。這一發現為建築師和工程師提供了一種基於幾何學的被動方法，能在不必增加更多材料或加固建築的情況下提高結構的韌性。
風如何損壞建築物當風吹向一個平面結構時，風會在表面上掠過並在銳利邊緣分離，形成渦流，這些渦流在屋頂角落和邊緣集中產生強烈的吸力。這些集中低壓區域會產生強大的向上力，將屋頂面板向上拉起。在颶風期間，典型低層建築中最高的吸力負荷恰好出現在這些角落和邊緣。目前的減輕策略包括圓角、傾斜牆壁、退縮設計，以及單純建造更厚、更強的牆壁。所有這些方法都會增加成本，並且往往不適合對現有結構進行改造。
波浪幾何學的研究方法
波浪幾何學方法由 Pedro Fernandez-Caban 領導的研究團隊，FAMU-FSU 工程學院的土木工程助理教授，製作了波浪形外屋頂和牆壁的低層建築 3D 打印風洞模型，以取代傳統的平面設計。他們測試了波浪幅度範圍從建築高度的 5% 到 10% 的設計，並與標準平面設計進行比較。研究人員在風從多個方向吹來時，測量了模型表面上的風壓數據。波浪深度最大的模型表現最佳。
在波浪幅度達到建築高度的 10% 時，無論風向如何，屋頂和牆角附近的峯值風壓下降了 40% 至 60%。
這一改善的機制是氣動力學的。與其在平坦表面上平滑地掠過並在邊緣處分離成一個大型連貫渦流，空氣在波浪形表面上流動時，會遇到一系列山丘和谷地。氣流越過波動的輪廓，打破成多個較小的分離區，而不是形成一個主導的渦流。這些較小的分散區域在任何單一點上產生的集中吸力遠低於傳統設計。Fernandez-Caban 描述了這一效果：「這些非常規建築形狀減少了最嚴重天氣情況下的損害。
這是工程師和設計師防範風害的另一種工具。」
波浪幾何學的廣泛影響
更廣泛的影響研究團隊指出，波浪幾何學背後的氣動力學原理不僅僅侷限於風工程。流體動力學如何影響空氣與波紋表面的互動，與航空學、環境科學和物理海洋學等其他領域的基本物理學共享相同的原理。Fernandez-Caban 表示：「我們正在處理空氣，其他工程師和科學家可能在處理波浪和水，但流體動力學的理解可以為各領域的設計和工程提供指導。」
研究團隊目前正在進行額外的風洞實驗，以更好地表徵氣流在波浪形包絡系統周圍的行為，而不僅僅是測量表面壓力。他們還計劃利用計算流體動力學建模進一步優化波浪幾何學，並測試初步研究中未涵蓋的表面輪廓。該研究由副教授 Qian Zhang、博士生 Arezoo Bakhshizadeh 和校友 Peter Tsouroukdissian 共同撰寫，並得到了佛羅裏達州立大學和 FAMU-FSU 工程學院的支持。
隨著颶風強度因海洋溫度上升而不斷增強，依賴於被動氣動解決方案而非增加結構質量，代表著朝更具韌性的建築設計邁出了一步。該研究發表於《工程結構》期刊。
波浪形設計對建築安全的重要性
隨著氣候變化導致颶風強度增加，傳統建築設計面臨更大挑戰。波浪形外牆和屋頂的設計不僅能有效減少風壓，還能在不增加材料成本的情況下提高結構韌性。這種基於氣動力學的創新方法，為建築師和工程師提供了新的思路，尤其是在現有結構改造上。未來，這一技術可能在其他工程領域中也會發揮重要作用，推動更廣泛的設計創新。