Строительная отрасль, которая остается одним из крупнейших источников выбросов углекислого газа в мире, может получить мощный инструмент для экологической трансформации. Исследователи Массачусетского технологического института разработали инновационную компьютерную систему проектирования, способную значительно сократить расход материалов при строительстве мостов, зданий и других крупных сооружений. Главное преимущество новой технологии заключается в том, что она учитывает не только теоретическую эффективность конструкции, но и реальные возможности её строительства, передает inbusiness.kz со ссылкой на New-Science.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили новый метод компьютерного проектирования, который способен существенно уменьшить объем материалов, необходимых для возведения мостов, зданий и других инженерных объектов.
По словам авторов проекта, разработка решает одну из ключевых проблем современного строительства — разрыв между компьютерными моделями, идеально оптимизированными с точки зрения математики, и конструкциями, которые можно реально построить с использованием существующих технологий.
"Проблема имеет особую актуальность на фоне растущего внимания к вопросам экологии. Строительная отрасль сегодня считается одним из крупнейших источников выбросов углекислого газа на планете", - отметили ученые.
По оценкам исследователей, только производство строительных материалов в 2022 году было связано более чем с 7 процентами мировых выбросов парниковых газов.
Именно поэтому инженеры и архитекторы уже много лет ищут способы сократить использование материалов без ущерба для прочности и надежности сооружений.
"Одним из наиболее перспективных направлений считается топологическая оптимизация. Этот подход использует сложные вычислительные алгоритмы для определения участков конструкции, где материал действительно необходим для восприятия нагрузок, и зон, где его можно удалить без потери прочности", - пояснили авторы.
В некоторых случаях подобные методы позволяют сократить объем используемых материалов почти на 90 процентов.
Однако до настоящего времени широкому внедрению технологии препятствовало серьезное ограничение. Несмотря на популярность в научной среде и сфере трехмерной печати, топологическая оптимизация редко применяется при проектировании крупных объектов инфраструктуры.
"Причина заключается в том, что компьютерные алгоритмы часто создают настолько сложные конструкции, что их практически невозможно реализовать традиционными строительными методами. Новая разработка MIT была создана именно для решения этой проблемы", - подчеркнули исследователи.
Система позволяет учитывать реальные строительные ограничения еще на этапе проектирования. Инженеры могут заранее задавать параметры будущей конструкции, включая допустимое количество элементов в узлах соединения, минимальные размеры деталей и возможные углы между отдельными компонентами.
Руководитель исследования Джозефин Карстенсен отмечает, что эффективное проектирование требует комплексного подхода.
По её словам, создание оптимальной конструкции невозможно без одновременного учета характеристик материалов, возможностей их применения и общей эффективности проекта. Новая технология объединяет все эти требования в единую систему расчетов.
"Одной из наиболее интересных особенностей разработки стала возможность одновременного использования нескольких типов материалов. Благодаря этому алгоритм способен не только минимизировать общий объем ресурсов, но и подобрать наиболее подходящий материал для каждого отдельного элемента конструкции", - рассказали ученые.
Исследователи считают, что устойчивое строительство будущего будет зависеть не только от сокращения расхода материалов, но и от их грамотного распределения, с учетом стоимости, доступности и углеродного следа каждого ресурса.
Для работы системы используются специальные математические алгоритмы, которые самостоятельно принимают решения относительно выбора материалов и способов соединения элементов.
"Например, программа может определить, какие части сооружения рациональнее изготовить из стали, а какие — из древесины. При этом учитываются физические особенности каждого материала. Стальные стержни эффективно работают на сжатие, тогда как стальные тросы предназначены для восприятия других типов нагрузок", - уточнили авторы.
Система также значительно точнее моделирует реальные строительные соединения, по сравнению со многими существующими методами.
Авторы исследования подчеркивают, что правила проектирования существенно отличаются, в зависимости от используемых материалов.
"Так, деревянные конструкции требуют одного набора инженерных решений, а металлические — совершенно другого. Новый алгоритм автоматически учитывает эти различия при разработке проекта", - отметили они.
Для демонстрации возможностей технологии ученые выбрали мост Локпорт через канал Эри неподалеку от города Буффало в американском штате Нью-Йорк. На основе этого объекта были созданы различные варианты фермовых конструкций: полностью деревянные, полностью стальные и комбинированные.
Результаты показали, что ограничения проектирования оказывают заметное влияние не только на внешний вид сооружения, но и на его экологические характеристики.
Особенно интересными оказались комбинированные решения.
Исследователи выяснили, что использование нескольких материалов позволяет находить оптимальный баланс между прочностью конструкции и снижением выбросов углерода.
"Например, мост из стали способен обеспечить высокую надежность, однако его углеродный след остается сравнительно высоким. Деревянная конструкция позволяет значительно снизить воздействие на окружающую среду, но может уступать по некоторым механическим характеристикам. Комбинирование материалов дает возможность использовать преимущества каждого из них одновременно", - поделились результатами инженеры-исследователи.
Несмотря на сложность вычислений, разработчики отмечают важное преимущество новой технологии: алгоритм способен работать даже на обычном ноутбуке.
Это означает, что система может стать доступной не только крупным проектным организациям, но и небольшим инженерным компаниям.
В ближайших планах исследовательской группы — создание уменьшенных физических моделей конструкций, разработанных алгоритмом. Это позволит проверить, насколько результаты компьютерного моделирования соответствуют реальным характеристикам сооружений.
Кроме того, ученые намерены расширить функционал системы и добавить новые инженерные ограничения, чтобы сделать её еще более удобной для повседневной работы проектировщиков.
Авторы исследования убеждены, что именно решения, принимаемые на ранних стадиях проектирования, определяют будущий расход материалов и объем выбросов углекислого газа на протяжении всего жизненного цикла объекта.
Поэтому совершенствование методов проектирования может стать одним из самых эффективных инструментов снижения негативного воздействия строительной отрасли на климат и окружающую среду.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Automation in Construction. По мнению экспертов, разработка MIT может стать важным шагом на пути к созданию нового поколения экологичных, экономичных и технологически совершенных сооружений, которые будут отвечать требованиям устойчивого развития XXI века.
Читайте по теме:
Казахстанские ученые создали технологию, способную предотвращать аварии на мостах и зданиях
