Компьютерное моделирование может позволить создавать мосты и здания с меньшим использованием материалов.

В 2022 году на мировое производство строительных материалов приходилось более 7 процентов от общего объема выбросов углекислого газа. Но сколько из этих материалов действительно были необходимы для строительства домов, зданий и мостов?

Метод, называемый топологической оптимизацией, позволяет проектировать конструкции, которые сокращают количество используемого материала, в некоторых случаях до 90 процентов, что означает снижение выбросов от зданий на несколько гигатонн. К сожалению, топологическая оптимизация в основном используется исследователями для таких приложений, как 3D-печать, а не инженерами, проектирующими здания и мосты в масштабе.

Это происходит потому, что топологическая оптимизация не позволяет создавать конструкции, которые можно легко построить в срок и в рамках бюджета, а именно это действительно важно для строителей.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института разработали способ сделать проекты, созданные с помощью топологической оптимизации, более удобными для строительства. Их подход, описанный в новой статье в журнале Automation in Construction , позволяет пользователям применять ограничения к алгоритмически сгенерированным конструкциям, чтобы ограничить их сложность. Например, этот подход позволяет пользователям ограничивать количество компонентов, соединяющихся в каждой точке конструкции, и размер самых маленьких частей. Он также основан на предыдущих работах, в которых проектировались конструкции из нескольких материалов с учетом свойств материалов для распределения нагрузки и определения соединений деталей.

«Между используемыми материалами, технологичностью конструкции и оптимизацией сооружения существует взаимосвязь», — говорит ведущий автор исследования Джозефин Карстенсен, профессор гражданского строительства имени Гилберта У. Уинслоу (1937) в Массачусетском технологическом институте. «Необходимо учитывать все три фактора одновременно. Именно это мы и пытались сделать».

Исследователи использовали свой подход для проектирования стальных, деревянных и многокомпонентных ферменных конструкций, поддерживающих нагрузки в зданиях и мостах, показав, что выбросы углерода, связанные с материалами, значительно изменяются при применении различных ограничений. Они надеются, что их метод приблизит топологическую оптимизацию к применению в реальном строительстве.

«В литературе иногда наблюдается несоответствие между экономией выбросов углерода, которую можно достичь с помощью компьютера, и реальной экономией выбросов углерода, которую можно достичь при строительстве — особенно когда речь идет о таких технологиях проектирования, как топологическая оптимизация», — говорит Карстенсен. «Проблема заключается в непрактичности таких проектов. Эти проекты воспринимаются как слишком сложные для реализации традиционными методами, поэтому их даже не пытаются реализовать. В этом и заключается привлекательность нашего подхода: мы можем добавить ограничения, чтобы вы никогда не оказались в ситуации, когда полученный проект окажется слишком сложным для реализации».

Вместе с Карстенсеном в работе над статьей принял участие первый автор, аспирант в области гражданского строительства и экологии Зейн Шеммер.

Больше вариантов строительных проектов

Компьютерная топологическая оптимизация существует уже несколько десятилетий. Она использует компьютерные программы для оптимального распределения материала в заданном пространстве, например, для создания максимально прочных конструкций при минимальном весе. В результате получаются сложные, похожие на паутину структуры, которые стали бы сложной задачей даже для самых опытных инженеров.

«Мы с Джозефиной задавались важным вопросом: почему промышленность этого не использует? — вспоминает Шеммер. — Какие препятствия мешают промышленности более эффективно проектировать вещи, и как мы можем преодолеть разрыв между исследованиями и реальной жизнью?»

В последние годы ряд исследователей разработали способы упрощения использования топологической оптимизации. В своем исследовании Шеммер и Карстенсен хотели объединить эти подходы и добавить новые возможности, такие как создание конструкций с использованием нескольких материалов, что также является сложной задачей в этой области.

«Важным аспектом устойчивого развития в будущем будет не только сокращение использования материалов, но и их эффективное применение с учетом таких факторов, как местоположение, доступность материалов и связанные с ними углеродные издержки», — говорит Шеммер.

Для построения своей системы они использовали класс уравнений, называемых алгоритмами смешанных целых чисел, которые помогают принимать бинарные решения относительно таких вещей, как материалы и соединения.

«Нельзя, чтобы деталь состояла на 72 процента из древесины и на 28 процентов из стали, — говорит Шеммер. — Вместо этого в проекте говорится: „Эта ферма или трос будут сделаны из того-то“, и, исходя из этого решения, как нам убедиться, что все эти соединения соответствуют стандартам прочности?»

При принятии решений система также учитывает свойства материалов. Например, стальные стойки могут выдерживать сжимающие нагрузки, а стальные тросы — нет. Кроме того, модель обеспечивает более реалистичное моделирование соединения деталей по сравнению с предыдущими подходами.

«В 3D-печати соединение деталей происходит легко, — говорит Карстенсен. — В строительстве все иначе. Если вы строите из дерева, существуют определенные правила, а для стали действуют другие правила».

Пользователи также могут определять степень сложности своей конструкции, указывая максимальное количество соединений в каждом узле и минимальный угол между соединяемыми компонентами. Модель также устанавливает минимальные ограничения по размерам деталей, что еще больше повышает ее технологичность.

«Трудно поручить подрядчику такие сложные, замысловатые проекты, потому что построить их будет очень сложно», — говорит Шеммер. «Часто подрядчики вообще не берутся за подобные проекты».

Исследователи сравнили конструкции, разработанные с использованием их подхода, с конструкциями, разработанными с помощью традиционной топологической оптимизации, показав существенные различия в окончательных проектах, которые изменили способ строительства этих конструкций. На примере «перевернутого моста» в Локпорте, недалеко от Буффало, штат Нью-Йорк, они применили к конструкции фермы моста отдельные ограничения, такие как минимальный угол соединения деталей или минимальные размеры деталей, чтобы лучше понять, как каждое ограничение повлияло на окончательные проекты.

Наконец, они разработали конструкции ферм, в которых использовалась только древесина, только сталь и комбинация древесины и стали, демонстрируя, как различные проекты предполагают компромиссы в отношении воздействия на окружающую среду и технологичности строительства.

«Мы увидели, как система понимает, что можно спроектировать мост из чистой стали, но это может быть не лучшим вариантом с точки зрения выбросов углерода, — говорит Шеммер. — Или можно спроектировать мост из чистой древесины, но это может быть не самым прочным вариантом. Но эти материалы могут работать вместе, поэтому древесина используется для экономии углерода, а сталь — там, где необходима дополнительная прочность, и в таких конструкциях можно найти баланс».

От исследований к промышленности

Исследователи утверждают, что их подход требует больших вычислительных затрат, чем некоторые другие, но им удалось запустить программы в своем эксперименте на MacBook Pro, и они считают, что он подходит для большинства строительных компаний.

«С вычислительной точки зрения это немного сложнее, но сегодня появляется множество инструментов, которые значительно упрощают решение подобных задач», — говорит Шеммер. «Раньше промышленность избегала такого подхода, но теперь мы считаем, что это практичный способ решения задач, связанных с переменными ограничениями».

По словам исследователей, если у пользователей будет больше вычислительных ресурсов, их подход сможет работать с большим количеством материалов и гораздо более крупными сооружениями, чем дома, небольшие здания и мосты.

В дальнейшем, по словам Карстенсена, команда планирует построить уменьшенные копии конструкций, разработанных на основе модели, чтобы дополнительно подтвердить её прогнозы. Они также хотят добавить ограничения в свою модель, чтобы сделать её ещё более удобной для использования инженерами-строителями при проектировании мировой инфраструктуры.

«По образованию я инженер-конструктор, и меня никогда не учили проектировать с учетом низкоуглеродной экономики», — говорит Шеммер. «Чтобы решить такую ​​масштабную проблему, как изменение климата, необходимо начать с проектирования застроенной среды. Одна из самых ощутимых вещей, которые мы можем сделать, — это работать на этапе строительства, на стадии проектирования, потому что это фундаментальный шаг, который мы можем контролировать. Многие решения, принимаемые на ранних этапах, приводят к использованию лишних материалов, которые нам не нужны».

Данная работа была профинансирована Академией дизайна Морнингсайд при Массачусетском технологическом институте.