【讲座回顾】面向未来韧性城市发展的结构艺术与适应性水中建筑

导读

华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第六十期，我们邀请到来自美国科罗拉多大学丹佛分校，土木工程系的王圣哲助理教授为大家带来“面向未来韧性城市发展的结构艺术与适应性水中建筑”的报告。本期讲座录播链接见文末或点击阅读原文。

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讲座最开始，王老师提到由飓风引发的风暴潮漫滩（storm surge flooding）是导致人员伤亡和财产损失最为严重的自然灾害之一，据统计在21世纪前的200年中，有260多万人因此丧生。2005年飓风“卡特里娜”引发的风暴潮是美国历史上损失最惨重的自然灾害，1900年飓风“加尔维斯顿”引发的风暴潮是美国历史上致死人数最多的自然灾害。传统方式常采用风暴潮屏障和防洪堤等来应对这一灾害，但这些防洪障碍物只在极端事件中才能发挥作用，有着昂贵的造价与维护成本，且存在污染海洋环境、限制视野、不能用于开放的海岸线等缺点。

王老师团队受建筑大师费利克斯·坎德拉的作品Hypar屋顶启发，开发了一种“动能伞”来抵御风暴潮，这种可动建筑伞不仅具有环境适应性的特点，同时还保有建筑的优雅，几何结构的高效，以及社会适应性等优点。与依靠绝对质量的传统防洪墙或堤坝不同，动能伞的外壳非常薄，它利用双曲抛物面（Hypar）的双曲率来抵抗潮水，Hypar曲面是具有负高斯曲率的双曲面，遍布于自然界中，能够完全用直线构造，具有优越的结构强度和刚度。动能伞在日常情况下可以作为遮阳装置，而在风暴潮来临时用于抵抗洪水。

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之后，王老师对动能伞在静水荷载作用下的结构响应进行了介绍。他主要探讨了Hypar几何如何提升薄壳结构在静水淹没下的力学性能，包括动能伞的设计参数影响，结构响应的潜在机制与工程应用的影响因素。在设计参数方面，王老师通过有限元模拟研究了海水淹没高度，Hypar几何曲率，柱的侧向刚度对动能伞结构的影响。结果表明，Hypar壳比平壳具有较小的最大弯矩与最大剪切力，相比于平板结构，使用壳体可以有效降低结构的最大弯矩和平均变形。当r/A=0.030 m-1时，动能伞具有最佳的性能，结构设计最终采用厚度为100mm的Hypar薄壳，几何曲率0.030m-1，采用M16玻璃钢条和65MPa的高强度混凝土，此时所设计的100毫米厚、64平方米大的混凝土动能伞可以成功抵抗超过7米的静水淹没，这比美国东海岸所有先前观测到的风暴潮高度都要大。

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接下来，王老师介绍了采用SPH-FEM模拟方法进一步分析潮汐等动力作用对动能伞结构影响的过程。在动力分析时，他们首先使用SPH仿真来模拟动能伞表面流体力的时空分布，然后通过有限元计算伞内部的结构应力。同时，为了探究SPH-FEM方案是否可以准确再现动能伞上的荷载分布，其团队对采用3D打印建造的动能伞模型进行了溃坝实验，以验证数值模拟方法的有效性，对比结果表明该方法可以较好地模拟这一过程。

之后，王老师通过一个案例研究，对动能伞在由2012年飓风“桑迪”在新泽西蒙茅斯海滩引起的浪涌下的表现进行了介绍。分别对不同表面形状的动能伞在四种方位下的海浪冲击表现进行分析，结果表明前述静力分析中所设计的动能伞可以抵御这一自然灾害的冲击。

最后，王老师表示：薄壳结构还可以应用在建构化材料的设计中，相比于传统的蜂窝三明治板，使用薄壳结构来设计夹心层可以提供更好的力学性能和表现。他希望可以激发人们在建筑和工程学科中采用薄壳结构的兴趣，以满足更高的设计需求。

总结

王老师团队提出的Hypar双曲面动能伞抵御飓风浪潮的概念，以优雅的建筑代替传统的防洪墙与堤坝，达到结构与艺术融为一体的效果，并且提出一种SPH-FEM水动力分析方法，用于飓风波浪对复杂结构的受力分析。希望在未来有越来越多的结构艺术品的出现，满足于当代社会需求，为应对复杂气候变化提供新的结构解决方案。

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相关论文请到王老师主页下载：

https://www.caselab.dev/

讲座录播链接：https://b23.tv/UpdJbdN

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠