2026 年 10 月 6 日
佛罗里达州立大学（Florida State University）的研究团队通过改变建筑外形，为抵御强风提供了新的工程解决方案。相关成果已发表于《工程结构》（Engineering Structures）期刊。
该研究的核心发现表明，非传统的波形外墙和屋顶设计能显著降低建筑物承受的风力强度。FAMU-FSU 工程学院土木工程助理教授、论文共同作者 Pedro Fernández-Cabán 指出：“改变建筑物的形状可以显著减少它必须承受的风力强度。”这种设计策略旨在通过空气动力学优化，减轻极端天气对结构的破坏，为工程师和设计师提供除传统加固手段之外的另一种防护工具。
研究团队利用 3D 打印技术制造了配备波形外墙和屋顶系统的低层建筑风洞模型，并将其与传统平面设计进行对比。实验中，波幅设定为建筑高度的 5% 到 10%，团队收集并分析了模型表面的风压数据。
较深的海浪降低了风力峰值压力
通过在 FAMU-FSU 工程学院风洞中的测量，研究人员发现，具有最大波深（即波浪起伏幅度最大）的模型在减轻风力负载方面表现最为优异。数据显示，这类设计在多个方向上的屋顶和墙角附近，将峰值风压降低了 40% 至 60%。
曲面结构表面能够有效防止由气流分离形成的破坏性高压或低压口袋。当风吹向平坦的墙壁或屋顶时，气流往往平稳掠过；而遇到由一系列圆形山丘和山谷组成的波形轮廓时，气流受到扰动。Fernández-Cabán 形容这一过程类似于“石头在湖面上反弹”，空气跨越这些波浪表面时，原有的压力区域被打破。
在传统建筑结构中，快速流动的空气会在表面形成低压区，而建筑物内部或下方的较高气压会将表面向外推。最强的破坏力通常集中在屋顶角落和边缘，那里容易聚集旋流，从而威胁结构的完整性。波形设计通过扰乱这种旋流的形成机制，有效缓解了局部应力集中。
超越传统的防风保护
抗风压一直是结构设计面临的持续挑战。传统的外部建筑特征如圆角、斜墙和倒退设计有助于减轻风力负荷，但往往受限于设计和现场条件。另一种常见策略是通过增加墙体厚度或使用更坚固的材料来提升结构强度，但这些方法成本高昂且实施复杂，对于现有建筑的改造尤其不切实际。
这项研究揭示了通过采用非传统形状的建筑外观来防止风力损害的可行性。其空气动力学发现的意义远超结构工程领域。底层流体动力学和旋流行为的研究结果，对航空学、环境科学以及基础物理学等领域均具有广泛的参考价值。
Fernández-Cabán 表示：“我们正在处理空气，其他工程师和科学家可能正在处理波浪和水，但了解流体动力学可以在各个领域提供设计和工程的信息。”他强调，空气动力学优化需要多学科协作，以平衡结构安全、弹性、材料效率和整体性能。
通过进一步测试来完善波纹
尽管当前研究主要聚焦于波形模型表面的风压作用，研究团队计划开展更多实验，以深入理解这些外部系统周围的风流特性。未来工作将包括使用计算流体动力学（CFD）建模进一步优化波浪模式，并在风洞中探索其他尚未测试的表面几何形状。
该研究由副教授 Qian Zhang、博士生 Arezoo Bakhshizadeh 和校友 Peter Tsouroukdissian 共同完成。
参考文献：
Arezoo Bakhshizadeh 等，《风压对大波纹低层建筑外立面的影响：波纹深度的作用》，Engineering Structures（2026）。DOI: 10.1016/j.engstruct.2026.123541
