巨型雨伞从方便的雨棚变成了坚固的挡风玻璃

暴风雨逼近海岸，掀起了狂风巨浪。沿着海滨的木板路，一排超大的混凝土伞开始向下倾斜，从一个方便的遮阳篷变成了一个盾牌，抵御即将到来的猛攻。

在一种新的风暴潮防护方法中，普林斯顿大学的一个研究小组初步设计了这种两用动力伞。在3月28日发表在《结构工程杂志》上的一项研究中，研究人员使用计算模型开始评估这种雨伞承受剧烈风暴潮的能力。

在一种新的风暴潮防护方法中，普林斯顿大学的一个研究小组初步设计了一种两用动力伞，它可以在晴朗的天气里提供遮荫，并可以在暴风雨来临之前倾斜，形成一道防洪屏障。研究人员使用计算模型开始评估雨伞承受剧烈风暴潮的能力。这幅艺术效果图展示了如何使用一排雨伞来保护一个沿海社区。

Image by Mauricio Loyola

随着海平面上升和风暴增强，沿海社区正在修建更多的海堤，以帮助人们和财产免受极端洪水的侵袭。这些屏障可能缺乏吸引力，限制人们接近海滩，但普林斯顿大学研究小组的雨伞可以在天气晴朗时提供阴凉，还可以在暴风雨来临前倾斜，形成防洪屏障。

“这不仅仅是典型的海岸防御结构，”土木与环境工程博士生、本研究的主要作者王盛哲说。“这是第一次有人真正尝试把建筑作为沿海对策的固有组成部分。”

提议的雨伞是由大约4英寸厚的钢筋混凝土制成的外壳，形状为双曲抛物面(简称为hypar)，是一种沿一条轴线向内弯曲、沿另一条轴线向外弯曲的鞍状结构。该结构的灵感来自于西班牙裔建筑师Felix Candela的作品，他在20世纪50年代和60年代在墨西哥设计了数百座带有薄壳的hypar屋顶的建筑。

该研究的合著者，土木和环境工程教授Maria Garlock，长期以来一直在研究Candela的设计;她与人合写了一本关于坎德拉的书，并帮助创建了一个探索坎德拉作品的档案和展览。在2017年的秋天,她和布兰科·Glišić合著者,土木与环境工程的副教授,正在考虑一个项目,研究的潜力hypar雨伞为“智能”结构来获取能源和雨水。然后，她想到了一个新主意:除了增加传感器，“为什么不给它们小费，并以一种完全不同的方式使用它们——作为一种防波堤?””她问道。

Garlock Glišić获得资助项目X,使工程教师追求的想法。王的任务是测试这种雨伞是否能成为一种可行的海岸保护策略。

王分析了这款雨伞的几何形状和结构强度。这款雨伞由薄壳混凝土制成，每边长8米(约26英尺)，由10英尺高、20英寸见方的柱子支撑。在这些模拟中，他还测试了一个铰链的功能，在顶点，在柱满足中间的伞。

在阳光明媚的天气里，一排超大的混凝土伞会成为沙滩上行人的遮阳伞。

Image by Mauricio Loyola

调查雨伞可能如何在沿海风暴潮,团队编制从飓风风暴潮数据在1899年和2012年之间沿美国东海岸,然后建模一个风暴潮18英尺的高度,包括除了最高的风暴潮数值建模方法建立的数据集。适应流固相互作用研究hypar结构,他们发现，当面对一堵约占其展开高度75%的水墙时，雨伞仍能保持稳定

王说:“这些外壳非常薄，任何人看到它都不会相信这些结构有能力阻止如此巨大的力量从水里出来。”“但我们能够利用超音质的几何形状，赋予结构所需的额外强度。”

王现在已经建立了伞的物理模型(直径约6英寸)来验证数值方法的结果，并开始测试模型对10英尺长的水道内湍流动力的响应。登陆飓风特有的风力也将通过风洞测试来捕捉。

“事实上，你不会只有一堆静止的水。你将会有波浪，你将会有产生这些波浪的风，”他说。“这就是我们下一步想要捕捉的东西:我们如何在物理上模拟这些波，这些波会如何影响我们的结构?”

王指出，之前的大多数研究都评估了垂直墙或倾斜屏障抵御风暴的能力，但hypar复杂的几何结构要求研究团队“提出一套全新的规则来控制结构的表现。”由于解决方案的复杂性，另一名研究生瓦妮莎·诺塔里奥(Vanessa Notario)将在她的硕士论文中研究壳内的力流。

研究人员计算出，这种雨伞在面对一堵约占其展开高度(26英尺)75%的水时仍能保持稳定。

Image by Mauricio Loyola

除了优化结构以抵御强风和海浪外，海岸保护的设计还必须考虑到其他实际问题。加洛克说，这些10英尺高的柱子有利于遮挡行人，同时限制人们接近雨伞的铰链，防止人为破坏。

该团队计划研究使用更可持续的材料的潜力，以及添加传感器和驱动器来控制雨伞，并整合捕捉太阳能和雨水的系统。

“传感器验证伞表现正常,期间和之后部署,而致动器将使不仅自动部署,而且跟踪最佳功率的太阳能和风能和雨水收集的目的,“Glišić说,在结构健康监测技术和智能结构。

“这是一种全新的思考海防结构的方式，”Garlock说。“未来，我们的目标是让这些雨伞成为一个智能、可持续的社区的一部分。”

为了帮助将新设计整合到沿海恢复力的整体规划中，研究人员将与普林斯顿大学土木与环境工程副教授林宁合作，他的团队最近为美国大西洋和海湾海岸绘制了最新的21世纪洪水地图。他们还计划与一名岩土工程师合作，并与纽约市市长弹性办公室(New York City Mayor ‘s Office of resilience)进行磋商。

除了X项目创新基金，这项工作还得到了普林斯顿大学都市项目的部分支持。