導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第六十期，我們邀請(qǐng)到來(lái)自美國(guó)科羅拉多大學(xué)丹佛分校，土木工程系的王圣哲助理教授為大家?guī)?lái)“面向未來(lái)韌性城市發(fā)展的結(jié)構(gòu)藝術(shù)與適應(yīng)性水中建筑”的報(bào)告。本期講座錄播鏈接見文末或點(diǎn)擊閱讀原文。

01

講座最開始，王老師提到由颶風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮漫灘（storm surge flooding）是導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)在21世紀(jì)前的200年中，有260多萬(wàn)人因此喪生。2005年颶風(fēng)“卡特里娜”引發(fā)的風(fēng)暴潮是美國(guó)歷史上損失最慘重的自然災(zāi)害，1900年颶風(fēng)“加爾維斯頓”引發(fā)的風(fēng)暴潮是美國(guó)歷史上致死人數(shù)最多的自然災(zāi)害。傳統(tǒng)方式常采用風(fēng)暴潮屏障和防洪堤等來(lái)應(yīng)對(duì)這一災(zāi)害，但這些防洪障礙物只在極端事件中才能發(fā)揮作用，有著昂貴的造價(jià)與維護(hù)成本，且存在污染海洋環(huán)境、限制視野、不能用于開放的海岸線等缺點(diǎn)。

王老師團(tuán)隊(duì)受建筑大師費(fèi)利克斯·坎德拉的作品Hypar屋頂啟發(fā)，開發(fā)了一種“動(dòng)能傘”來(lái)抵御風(fēng)暴潮，這種可動(dòng)建筑傘不僅具有環(huán)境適應(yīng)性的特點(diǎn)，同時(shí)還保有建筑的優(yōu)雅，幾何結(jié)構(gòu)的高效，以及社會(huì)適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。與依靠絕對(duì)質(zhì)量的傳統(tǒng)防洪墻或堤壩不同，動(dòng)能傘的外殼非常薄，它利用雙曲拋物面（Hypar）的雙曲率來(lái)抵抗潮水，Hypar曲面是具有負(fù)高斯曲率的雙曲面，遍布于自然界中，能夠完全用直線構(gòu)造，具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。動(dòng)能傘在日常情況下可以作為遮陽(yáng)裝置，而在風(fēng)暴潮來(lái)臨時(shí)用于抵抗洪水。

02

之后，王老師對(duì)動(dòng)能傘在靜水荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了介紹。他主要探討了Hypar幾何如何提升薄殼結(jié)構(gòu)在靜水淹沒下的力學(xué)性能，包括動(dòng)能傘的設(shè)計(jì)參數(shù)影響，結(jié)構(gòu)響應(yīng)的潛在機(jī)制與工程應(yīng)用的影響因素。在設(shè)計(jì)參數(shù)方面，王老師通過(guò)有限元模擬研究了海水淹沒高度，Hypar幾何曲率，柱的側(cè)向剛度對(duì)動(dòng)能傘結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，Hypar殼比平殼具有較小的最大彎矩與最大剪切力，相比于平板結(jié)構(gòu)，使用殼體可以有效降低結(jié)構(gòu)的最大彎矩和平均變形。當(dāng)r/A=0.030 m-1時(shí)，動(dòng)能傘具有最佳的性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終采用厚度為100mm的Hypar薄殼，幾何曲率0.030m-1，采用M16玻璃鋼條和65MPa的高強(qiáng)度混凝土，此時(shí)所設(shè)計(jì)的100毫米厚、64平方米大的混凝土動(dòng)能傘可以成功抵抗超過(guò)7米的靜水淹沒，這比美國(guó)東海岸所有先前觀測(cè)到的風(fēng)暴潮高度都要大。

03

接下來(lái)，王老師介紹了采用SPH-FEM模擬方法進(jìn)一步分析潮汐等動(dòng)力作用對(duì)動(dòng)能傘結(jié)構(gòu)影響的過(guò)程。在動(dòng)力分析時(shí)，他們首先使用SPH仿真來(lái)模擬動(dòng)能傘表面流體力的時(shí)空分布，然后通過(guò)有限元計(jì)算傘內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。同時(shí)，為了探究SPH-FEM方案是否可以準(zhǔn)確再現(xiàn)動(dòng)能傘上的荷載分布，其團(tuán)隊(duì)對(duì)采用3D打印建造的動(dòng)能傘模型進(jìn)行了潰壩實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的有效性，對(duì)比結(jié)果表明該方法可以較好地模擬這一過(guò)程。

之后，王老師通過(guò)一個(gè)案例研究，對(duì)動(dòng)能傘在由2012年颶風(fēng)“桑迪”在新澤西蒙茅斯海灘引起的浪涌下的表現(xiàn)進(jìn)行了介紹。分別對(duì)不同表面形狀的動(dòng)能傘在四種方位下的海浪沖擊表現(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明前述靜力分析中所設(shè)計(jì)的動(dòng)能傘可以抵御這一自然災(zāi)害的沖擊。

最后，王老師表示：薄殼結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用在建構(gòu)化材料的設(shè)計(jì)中，相比于傳統(tǒng)的蜂窩三明治板，使用薄殼結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)夾心層可以提供更好的力學(xué)性能和表現(xiàn)。他希望可以激發(fā)人們?cè)诮ㄖ凸こ虒W(xué)科中采用薄殼結(jié)構(gòu)的興趣，以滿足更高的設(shè)計(jì)需求。

總結(jié)

王老師團(tuán)隊(duì)提出的Hypar雙曲面動(dòng)能傘抵御颶風(fēng)浪潮的概念，以優(yōu)雅的建筑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防洪墻與堤壩，達(dá)到結(jié)構(gòu)與藝術(shù)融為一體的效果，并且提出一種SPH-FEM水動(dòng)力分析方法，用于颶風(fēng)波浪對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力分析。希望在未來(lái)有越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)藝術(shù)品的出現(xiàn)，滿足于當(dāng)代社會(huì)需求，為應(yīng)對(duì)復(fù)雜氣候變化提供新的結(jié)構(gòu)解決方案。

END

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https://www.caselab.dev/

講座錄播鏈接：https://b23.tv/UpdJbdN

來(lái)源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠