模块化浮式结构的最优棱柱截面设计：六边形截面在空间效率与稳定性中的突破

针对近海土地资源稀缺问题，研究人员系统评估了模块化浮式结构(VLFS)的棱柱截面优化方案，通过对比封闭/开放截面（矩形、圆形、六边形等）的镶嵌能力与空间利用率，发现六边形截面在恒定材料体积下能最大化生活空间并实现无缝拼接。该研究为浮式码头、机场等超大型浮体结构(VLFS)的模块化设计提供了理论依据，发表于《Ocean Engineering》。

　　

随着全球海岸带城市化加速，近海土地资源日益紧张，超大型浮体结构(Very Large Floating Structures, VLFS)成为拓展人类活动空间的关键技术。这类结构可作为浮动码头、机场甚至城市，但其设计面临两大挑战：如何在复杂海洋环境中保持稳定性，以及如何通过模块化单元最大化空间利用率。尽管半潜式VLFS已有较多研究，但适用于平静水域的浮箱式(pontoon)结构优化仍存在空白，尤其是截面形状对空间效率与结构性能的影响尚未系统评估。

为解决这一问题，深圳科技创新委员会资助的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过数学建模与工程分析相结合的方法，对比了三角形、方形、六边形等棱柱截面的镶嵌能力与空间效率。研究采用等周不等式(isoperimetric inequality)理论评估截面封闭面积，结合流体动力学分析稳定性，最终证明六边形截面在恒定材料用量下能实现最大生活空间和无缝拼接，为模块化VLFS设计提供了最优解。

关键技术方法包括：1) 基于Timoshenko-Mindlin梁理论的流体-结构相互作用分析；2) 响应面法优化单元配置；3) 波浪辐射力数值模拟验证；4) 利用等周不等式评估截面效率。研究数据来源于南海极端海况模拟与历史文献实验验证。

研究结果
1. 二维形状研究
通过等周不等式证明圆形截面在单模块中封闭面积最大，但无法实现无缝镶嵌。对比可镶嵌的矩形、三角形、六边形截面，发现六边形单位周长的面积效率比矩形高15%，且抗剪切变形能力更强。

2. 棱柱三维形状分析
引入两个目标函数：最大化稳定性(强度)与最大化生活空间(经济性)。六边形截面在波浪载荷下的位移响应比方形降低22%，铰接刚度优化后反射/透射系数波动减少40%。模块间采用铰接设计时，波长对结构位移的影响比截面形状低35%。

3. 结论
六边形截面凭借其蜂窝状镶嵌特性，在浮箱式VLFS中展现出显著优势：1) 相同材料体积下生活空间增加28%；2) 模块间应力分布均匀，疲劳寿命延长；3) 扩展灵活性高，可适应不同海域需求。该研究为《日本钢铁构造协会》1994年提出的六边形设计提供了理论验证，并为新加坡、阿联酋等土地稀缺国家的海洋空间拓展提供了解决方案。

讨论与意义
该研究首次系统论证了六边形截面在模块化浮体中的双重优势：物理性能上通过蜂窝结构分散波浪载荷，工程经济上通过无缝拼接减少材料浪费。未来研究可结合B样条曲面优化单元边缘形状，进一步提升流体动力性能。成果对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的"可持续海洋城市"具有重要实践价值，尤其为南海等争议海域的柔性基础设施建设提供了新思路。