Учёные разработали компьютерную модель для строительства мостов и зданий с меньшим расходом материалов
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый метод компьютерного проектирования, который может существенно сократить количество материалов, необходимых для строительства мостов, зданий и других инженерных сооружений. По словам авторов работы, технология помогает устранить одно из главных препятствий на пути создания более экологичных конструкций — разрыв между оптимизированными компьютерными проектами и возможностью их практического строительства.
Строительная отрасль остаётся одним из крупнейших источников выбросов углекислого газа. По оценкам исследователей, только производство строительных материалов в 2022 году было связано более чем с 7 процентами мировых выбросов. Поэтому инженеры давно ищут способы уменьшить расход материалов без снижения прочности и надёжности сооружений.
Одним из наиболее перспективных инструментов считается топологическая оптимизация. Этот метод использует вычислительные алгоритмы для определения того, где материал действительно необходим для восприятия нагрузок, а где его можно удалить. В некоторых случаях такой подход позволяет сократить объём используемого материала почти на 90 процентов.
Однако на практике топологическая оптимизация пока применяется ограниченно. Хотя она широко используется в научных исследованиях и при проектировании объектов для трёхмерной печати, инженеры редко используют её при создании крупных сооружений. Причина заключается в том, что получаемые алгоритмами конструкции часто оказываются слишком сложными для изготовления традиционными строительными методами.
Новая разработка MIT направлена именно на решение этой проблемы. Созданная исследователями система позволяет учитывать реальные ограничения строительства ещё на этапе проектирования. Пользователи могут задавать параметры, определяющие сложность конструкции, например ограничивать количество элементов, сходящихся в одной точке, минимальные размеры деталей и допустимые углы между соединяемыми компонентами.
По словам руководителя исследования Джозефин Карстенсен, эффективное проектирование требует одновременного учёта сразу нескольких факторов — свойств материалов, возможности их практического применения и общей оптимизации конструкции. Новый подход был разработан именно для объединения этих требований в единую систему.
Особенностью модели стала возможность одновременно работать с несколькими материалами. Это позволяет не только сокращать общий объём используемых ресурсов, но и выбирать наиболее подходящий материал для конкретной части конструкции.
Исследователи отмечают, что устойчивое строительство будущего будет зависеть не только от уменьшения количества материалов, но и от их рационального использования с учётом доступности, стоимости и углеродного следа каждого материала.
Для работы системы используются специальные математические алгоритмы, которые принимают решения о выборе материалов и способах соединения элементов конструкции. Например, модель может определить, какие части сооружения следует изготовить из стали, а какие — из древесины.
При этом программа учитывает физические свойства материалов. Так, стальные стержни способны эффективно воспринимать сжимающие нагрузки, тогда как стальные тросы работают иначе. Система также моделирует реальные строительные соединения значительно точнее, чем многие предыдущие методы.
Авторы подчёркивают, что правила проектирования различаются в зависимости от используемого материала. Конструкции из древесины требуют одного набора решений, тогда как для стали применяются другие инженерные подходы. Новый алгоритм способен учитывать эти особенности автоматически.
Чтобы продемонстрировать возможности технологии, исследователи использовали в качестве примера мост Локпорт через канал Эри недалеко от города Буффало в штате Нью-Йорк. На его основе были созданы различные варианты фермовых конструкций, выполненные исключительно из древесины, исключительно из стали, а также из комбинации этих материалов.
Результаты показали, что различные ограничения проектирования заметно влияют как на внешний вид конструкции, так и на её экологические характеристики. В ряде случаев комбинирование материалов позволяло находить баланс между прочностью и сокращением выбросов углерода.
Например, мост, полностью изготовленный из стали, может обеспечивать высокую прочность, однако его углеродный след будет выше. Использование только древесины позволяет снизить воздействие на климат, но может ограничивать механические характеристики сооружения. Комбинация материалов позволяет использовать преимущества каждого из них.
Несмотря на более высокую вычислительную сложность по сравнению с некоторыми существующими методами, исследователи отмечают, что их алгоритм способен работать даже на обычном ноутбуке. Это делает технологию потенциально доступной для большинства инженерных компаний.
В дальнейшем команда планирует построить уменьшенные физические модели конструкций, разработанных алгоритмом, чтобы проверить соответствие расчётов реальным характеристикам. Учёные также намерены добавить новые инженерные ограничения, которые позволят ещё проще интегрировать систему в повседневную практику проектирования.
Авторы работы считают, что решения, принимаемые на ранних стадиях проектирования, во многом определяют будущий расход материалов и уровень выбросов углерода. Поэтому совершенствование методов проектирования может стать одним из наиболее эффективных способов снижения воздействия строительной отрасли на климат.
Исследование в журнале Automation in Construction.