在一种新的风暴潮防护方法中，普林斯顿大学的一个团队已经为这些双重用途的动力伞创造了一个初步设计。在3月28日发表在《科学》杂志上的一项研究中结构工程学报在美国，研究人员使用计算模型开始评估这些雨伞抵御急性风暴潮的能力。

随着海平面上升和风暴增强，沿海社区正在建造更多的海堤，以帮助保护人民和财产免受极端洪水的影响。这些屏障可能不吸引人，限制了人们进入海滩，但普林斯顿大学团队的雨伞可以在晴朗的天气里遮阳，还可以在暴风雨来临之前倾斜，形成防洪屏障。

“这不仅仅是典型的沿海防御结构，”该研究的主要作者、土木与环境工程博士生王生哲说。“这是第一次有人真正尝试将建筑作为海岸对抗措施的固有组成部分。”

雨伞是由钢筋混凝土制成的外壳，大约4英寸厚，呈双曲抛物面形状(简称为hypar)，一个类似马鞍的结构，沿着一条轴向内弯曲，沿着另一条轴向外弯曲。该结构的灵感来自西班牙出生的建筑师fsamlix 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双层屋顶的建筑。

该研究的合著者玛丽亚·加洛克(Maria Garlock)是土木与环境工程教授，她长期研究坎德拉的设计;她与人合写了一本关于坎德拉的书，并帮助创建了一个档案馆和展览，探索他的作品。2017年秋天，她和合著者Branko Gliši?他是土木与环境工程副教授，他们正在考虑一个项目，研究hypar雨伞作为“智能”结构的潜力，以捕获能量和雨水。然后，她想到了一个新想法:除了增加传感器，“为什么不把它们竖起来，以一种完全不同的方式使用它们——作为一种海堤呢?”

加洛克和Gliši?获得了X项目的资助，该项目使工程学院的成员能够追求非常规的想法。王承担了测试这种雨伞是否能作为海岸保护的可行策略的任务。

王分析了这些雨伞的几何形状和结构强度，这些伞是每边8米(约26英尺)的混凝土薄壳，由10英尺高、20英寸见方的柱子支撑。在这些模拟中，他还测试了柱体与伞中部相交的顶点处铰链的功能。

为了研究雨伞在沿海风暴潮期间的表现，研究小组收集了1899年至2012年美国东海岸飓风的风暴潮数据，然后模拟了18英尺的风暴潮高度，包括数据集中除最高风暴潮外的所有风暴潮。他们采用已建立的模拟流固相互作用的数值方法来研究超超结构，结果表明，当伞面对约为其展开高度75%的水墙时，伞将保持稳定。

王说:“这些外壳非常薄，任何人看到它都不会倾向于相信这些结构能够阻挡来自水的如此大的力量。”“但我们能够利用hypar形状的几何形状，为结构提供所需的额外强度。”

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反应。登陆飓风的风力特征也将通过风洞试验获得。

“在现实中，你不会只有一堆静水。你会有波浪，你会有产生这些波浪的风，”他说。“这就是我们下一步要做的: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复杂的几何形状要求团队“提出一套全新的规则来管理结构的表现。”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)将研究壳体中的力流，作为她的硕士学位论文的一部分。

除了优化结构以抵抗大风和海浪外，海岸防护设计还必须考虑其他实际因素。加洛克说，10英尺高的柱子既能给行人遮阳，又能限制人们接近雨伞的铰链，防止破坏行为。

该团队计划研究使用更可持续材料的潜力，以及增加传感器和执行器来控制雨伞，并结合捕捉太阳能和雨水的系统。

“传感器将验证雨伞在部署之前，期间和之后的正常运行，而执行器不仅可以实现自动部署，还可以跟踪太阳和风，以达到最佳的电力和雨水收集目的，”Gliši?他在结构健康监测和智能结构方面具有专长。

“这是一种思考海防结构的全新方式，”加洛克说。“展望未来，我们的目标是让这些雨伞成为智能、可持续社区的一部分。”

为了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(Princeton)副教授林宁(Ning Lin)合作，林宁的团队最近为美国大西洋和墨西哥湾沿岸制作了最新的21世纪洪水地图。他们还计划与一名岩土工程师合作，并与纽约市市长的弹性办公室进行磋商。

除了X项目创新基金，这项工作还得到了普林斯顿大学大都会项目的部分支持。