关于龙卷风的建筑设计讲授

佛罗里达国际大学“风之墙”举动步伐内的两个房屋模型，一个有升级屋顶，另一个没有；它们即将面对飓风级别的狂风。
1992年飓风安德鲁重创了佛罗里达州之后，人们升级了当地建筑规范，以加强房屋对飓风的抵抗能力。
供图：NSF-NHERI WALL OF WIND, FIU

撰文：SARAH GIBBENS

关于龙卷风的建筑设计讲授材料设备

佛罗里达国际大学的飞机库被改造成工程实验室，当“风之墙”（Wall of Wind）开启后，12个巨大的风扇将重现飓风的强度。
几秒钟之内，目标（棚屋大小的房屋模型）的墙壁和屋顶被撕裂，并被狂风吹到覆着网的园地。

通过这些测试，大学极度事宜研究所的工程师将剖析如何设计和建造建筑，让这些建筑能承受第一流级5级风暴带来的时速250公里的大风。
但现在，景象变革可能导致风暴愈加剧烈，科学家操持建立新的飓风实验室，测试所谓的6级风暴（非正式说法）。

“我希望看到风速270，300公里每小时条件下的研究和测试。
很多研究都在较低风速下进行，但我须要调度到极度风速，由于大自然正在向着这个方向发展，”研究所的卖力人Richard Olson说：“谁也不想20年后阐明说，‘是的，我知道会有这么一天，但我们什么也没做。
’”

最近两次风暴证明了他的不雅观点：2015年，飓风帕特里夏以346公里每小时的风速打击了墨西哥；2019年，时速300公里的飓风多里安冲向了巴哈马。

佛罗里达国际大学从国家科学基金得到1280万美元的帮助，操持设计一座能测试时速320公里强风的实验室，并增加一些设备，用6米高的风暴潮淹没真实大小的房屋模型。

“我们将会有可仿照情境的举动步伐。
它将授予美国和全天下一种新的能力，”佛罗里达国际大学的土木工程师、该项目的首席研究员Arindam Gan Chowdhury说。

测试举动步伐里的单个风扇重达6.8吨。
想要产生5级飓风的风速，须要12个风扇。
供图：NSF-NHERI WALL OF WIND, FIU

更好的测试能拯救更多家庭

预报员预测，今年飓风季将连续第三年超过均匀水平。
就在6月1日飓风季开始一天后，南佛罗里达州被30厘米的降雨淹没，这终极加强成了热带风暴“亚历克斯”。
2020年的飓风季最为生动，去年的则名列第三。

景象变革影响飓风的科学依据越来越清晰。
政府间景象变革委员会8月发布的一份报告创造，当风暴的风速在24小时内增加56公里每小时，气温上升会导致飓风速率变慢，降雨增多，且很有可能迅速增强。

在萨菲尔-辛普森飓风等级中，最高为5级，没有上限。
科学家不同意设置6级。
一些人认为新级别将会使人们过度关注风力，而在美国，飓风导致的去世亡90%是由于风暴潮和大水，约2400万人受此威胁。

佛罗里达国际大学的风之墙实验室建于2012年，目的是应对飓风安德鲁；1992年，这场灾害性的5级飓风重创了南佛罗里达州，造成250亿美元的丢失。
复建事情漫长而又痛楚，佛罗里达州的建筑规范也在这场飓风落后级；根据商业与住宅安全保险机构的数据，它如今依然是全美最严苛的。

自那之后，佛罗里达国际大学的工程师连续推进构造保护学。
他们创造，小改造有助于房屋加固，抵御强风。
例如，凹形环纹钉比光滑的钉子更结实，四面的屋顶最有可能在风中耸立，金属防风带可以保持屋顶与墙壁相连。

这是美国同类举动步伐中规模最大的，可以测试最高5级飓风。
为了达到这样的风速，须要1.8米宽的风扇，每个重达6.8吨，相称于两辆卡车的重量。

纵然风速只有96公里每小时，风扇也会发出巨大的咆哮声，人们不得不大声交谈。
在佛罗里达州应急管理部门的帮助下，5月进行了一次测试，工程师在风扇前搭建了一座1.8米高的可移动塑料房屋模型，从而剖析风对预制装置式房屋造成压力最大的地方。
风吹过覆盖着金属挡板的地板，仿照建筑和树木，产生湍流。
模型在中心的圆盘上旋转，内部有一团玄色电线，卖力丈量墙壁、屋顶和角落受到的压力。

在举动步伐入口外的拖车上，实验室卖力人Walter Conklin通过实时录像不雅观察实验。
“风速达到250公里每小时，（拖车里的）所有东西都在晃动。
你能觉得到，”他说，想要在新举动步伐里达到320公里的时速，他们须要两倍电力。

新举动步伐被命名为NICHE，即“极度强风、风暴潮和波浪事宜中全国社区全面加固测试根本举动步伐”的简称。
Chowdhury先容说，它的高度将达到12米，是风之墙的两倍，可以测试两层楼高的建筑。

“我们将会知道哪些能幸存下来，哪些不能，”Chowdhury说：“想象一下2050年，这个举动步伐里的测试将见告我们，‘面对时速320公里的强风，这类建筑可以经受住，但那类弗成’，当风暴预报靠近这个风速时，我们就知道该怎么办了。
”

其余八所大学和一家私人公司正在与佛罗里达国际大学互助开拓原型机。
NICHE将结合灾害现场的不雅观察情形、打算机仿照和类似的实验，提高对建筑设计的理解。

“像佛罗里达国际大学这样的举动步伐，可以测试全尺寸建筑，以及它如何承受水和风的压力——可以挽救生命，”塔拉哈西市佛罗里达州立大学应急管理和国土安全项目的卖力人David Merrick说。

它还将重新定义建造抗飓风房屋的标准。

针对更强风暴打造的房屋

“未来，对付创新的需求会更强烈，我们须要彻底改变建筑办法，”佛罗里达国际大学的土木工程师Ioannis Zisis在邮件中说。

他承认，“彻底”这个词听起来很极度，但并不虞味南佛罗里达州的每个人都要建一座地堡。
他描述了用混凝土加固的墙壁、混凝土屋顶和覆盖物，这些覆盖物可以保护窗户不被飘扬的碎屑毁坏。

但把科学转化为实际房屋改造，将是另一种寻衅，圣母大学的构造工程师、NICHE的联合首席研究员Tracy Kijewski-Correa说。

过去十年里，虽然要面对帕特里夏和多里安这样的飓风威胁，仍有几十万人迁往东部和墨西哥湾沿岸的飓风区。
根据美国人口普查数据，尤其是佛罗里达州，最近人口增长迅速。

在2019年揭橥的一项研究中，Kijewski-Correa创造，纵然是那些认为景象变革的威胁日益严重的沿海居民，依然认为自己的家园不太可能被风暴摧毁。