2026年10月10日，来自佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院（FAMU-FSU College of Engineering）的研究人员利用3D打印技术制作了一系列低层建筑风洞模型，并通过改变墙体和屋顶的几何形状，研究波浪形建筑表面对飓风级强风载荷的影响。结果显示，与传统平整表面相比，波浪幅度最大的模型在多个来流方向下，可将屋顶和墙角附近的峰值风压降低约40%至60%。
△佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院的研究人员在风洞中测试的模型示例。（图片由 PedroFernández-Cabán 提供）
相关研究以题为“Wind pressures on macro-corrugatedlow-rise building envelopes: Effect of corrugation depth”的论文发表于《工程结构》（Engineering Structures）期刊。
这项工作由FAMU-FSU工程学院土木与环境工程系助理教授Pedro Fernández-Cabán等人开展。他说道：“改变建筑物的形状可以显著降低其所承受的风力强度。这些非常规的建筑形状可以减少极端恶劣天气造成的损失。这为工程师和设计师提供了另一种抵御风灾的工具。”
3D打印不同波浪幅度的建筑模型
究团队关注的是低层建筑在强风条件下最容易出现破坏的位置——屋顶边缘和墙角。当高速气流掠过平直墙面或坡屋顶时，建筑边缘附近容易形成明显的低压区和强烈涡旋，进而产生较大的吸力载荷。对于飓风等极端天气而言，这些局部高负压区域往往是屋面掀起、围护结构受损的重要诱因。为了更直观地比较不同外形对风载荷的影响，研究人员首先设计了多种低层建筑模型，将传统的平整墙面和屋顶替换为连续起伏的波浪形结构。
随后，团队通过3D打印制造这些风洞试验模型，并设置不同的波浪幅度。官方资料显示，实验中的波浪幅度约为建筑高度的5%至10%，并设置传统平面模型作为基准。研究人员将这些模型放入FAMU-FSU工程学院的风洞中，在不同来流方向下测量建筑表面的压力变化。
△风吹过平坦表面（a）和跳过宏观波纹表面（b）。（图片由Pedro Fernández-Cabán 提供）
结果表明，随着波浪起伏程度增加，减小局部峰值风压的效果更加明显。其中，波浪幅度达到建筑高度10%的模型表现最佳，在多个风向条件下，屋顶边缘和墙体拐角区域的峰值风压相比平整模型降低约40%至60%。对于此次研究而言，3D打印的重要价值并不是直接打印建筑本身，而是能够快速、低成本地制造多种具有复杂曲面几何特征的缩比模型。通过改变波峰、波谷和起伏幅度，研究人员可以高效迭代不同设计，并在统一风洞条件下进行对比测试，这也是增材制造在建筑空气动力学研究中的一个典型应用。
波浪形表面为何能减小风压？
背后的原理与气流分离和涡旋形成密切相关。传统平直建筑表面往往会使气流在建筑边缘发生明显分离，并在屋顶角部或墙角形成较大的旋涡区域。随着局部气压下降，建筑内部或周围较高的气压会向外推动围护结构，从而产生较大的吸力载荷。
△图示展示了研究人员测试的不同模型示例。基准模型外部没有波浪形图案。其他实验模型的波幅为建筑物高度的 5% 至 10%。（图片由 PedroFernández-Cabán 提供）
而当墙体和屋顶表面被设计成连续的波峰和波谷后，气流不再沿一个连续平面快速掠过，而是在多个起伏表面之间发生重新分配。研究团队形象地将这一过程描述为气流在波浪表面“跳跃”，类似石块在水面打水漂。原本集中形成的大尺度涡旋被分解成多个较小的回流区，从而降低屋顶和墙角区域的局部吸力峰值。Fernández-Cabán表示，改变建筑本身的形状，可以显著降低其需要承受的风力强度。这类非传统建筑几何形态，为工程师和建筑设计人员应对极端强风提供了另一种思路。
不只是“把墙做得更厚”
目前，提高建筑抗风性能通常可以通过增加材料用量、提高结构强度，或采用圆角、倾斜墙体、退台等建筑形式实现。但这些方法往往会增加施工成本，同时受到建筑功能、场地和既有结构条件的限制。相比之下，本次研究探索的是从建筑外形本身入手，通过空气动力学设计主动改变气流，而不是单纯依赖增加材料厚度来抵抗更高载荷。研究人员认为，这种思路有望为低层建筑提供新的抗风设计选择。需要指出的是，目前的研究仍主要停留在3D打印缩比模型和风洞试验阶段，尚不能直接等同于波浪形建筑已经具备工程化应用条件。实际建筑中还需要综合考虑结构体系、施工方式、防水、保温、成本以及规范要求等因素。
下一步：结合CFD继续优化波浪结构
研究团队目前正在开展进一步实验，不仅测量建筑表面的压力，还将研究波浪形围护结构周围的具体气流行为。下一阶段，研究人员还计划结合计算流体动力学（CFD）模型，对波浪参数进行优化，并探索风洞实验中尚未测试的更多表面几何形状。从增材制造角度来看，这项研究也展示了3D打印在建筑与风工程研发中的另一类价值：它不一定直接参与最终建筑制造，而可以作为一种快速实验和设计验证工具，将复杂曲面从数字模型迅速转化为可测试实体。随着参数化设计、CFD仿真和3D打印进一步结合，未来建筑抗风设计或许不再只是“做得更厚、更重”，而是通过更加精细的几何形态，让建筑主动“引导”风流。对于飓风频发地区而言，这种从空气动力学出发的设计思路，值得继续关注。
来源：南极熊
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