Одной из самых ответственных задач при проектировании зданий является прогноз того, насколько просядет его фундамент. От этого напрямую зависят долговечность и безопасность всего сооружения. Традиционно инженеры используют для этого иностранные программы. Однако зарубежные аналоги не учитывают российские нормативы, вынуждая российских проектировщиков дополнительно адаптировать расчеты под отечественные требования. Ученые Пермского Политеха разработали первый в России программный модуль, который в автоматическом режиме выполняет все необходимые расчёты осадки фундамента по российским нормативам. Такой подход не только заменит ручные вычисления, но и сократит время проектирования.
Статья опубликована в журнале «Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость».
Современное строительство сталкивается с фундаментальным вызовом — необходимостью обеспечивать долговечность, устойчивость и безопасность объектов в условиях ограниченных ресурсов и все более плотной городской застройки: только за 2024 год в России построили более 107 млн кв. м жилья.
Надежность любой инфраструктуры закладывается еще на этапе проектирования, где критически важно учитывать взаимодействие конструкций с естественной средой — грунтовым основанием. Оно представляет собой сложные, неоднородные системы, поведение которых под нагрузкой трудно предсказать без применения точных расчетов. Ошибки на этой стадии носят накопительный характер и могут проявиться спустя годы в виде деформаций, снижающих эксплуатационные качества застройки и приводящих к аварийным ситуациям. Особенно остро эта проблема стоит в регионах со сложными геологическими условиями, где риски непредсказуемой осадки грунта многократно возрастают.
Несмотря на существование мощных зарубежных систем проектирования, на рынке отсутствуют доступные программы, которые были бы напрямую адаптированы под актуальные российские нормативы. Иностранное ПО часто не учитывает требований, необходимых для расчёта осадки фундаментов в отечественной практике.
Это означает, что инженеру приходится либо самостоятельно адаптировать результаты чужой программы под нормативы, либо делать это вручную. Кроме того, существующие инструменты часто являются слишком сложными и многофункциональными (то есть избыточными для этой задачи), а также не обеспечивают полного цикла вычислений, что в итоге увеличивает время проектирования и неизбежно повышает риск ошибок, связанных с человеческим фактором.
Ученые Пермского Политеха разработали первый в России программный модуль, который автоматически рассчитывает осадку фундамента по российским стандартам. Это позволит инженерам быстро получать точный результат, соответствующий всем отечественным нормативам.
Разработанный инструмент представляет собой специализированный программный модуль, встроенный в систему для черчения и проектирования AutoCAD. Ключевое преимущество такого решения в том, что при такой интеграции специалист сможет работать не только в этой системе, но и в ее российском аналоге nanoCAD. В будущем это позволит инженеру легко перейти на отечественное ПО без потери функциональности и необходимости переучиваться.
Программа ученых состоит из нескольких независимых блоков, каждый из которых решает свою конкретную задачу. В первую очередь, модуль выполняет автоматизированный расчёт конечной осадки по методу послойного суммирования. Он предполагает, что грунт под фундаментом делится на слои, для каждого из которых отдельно выполняются вычисления, а затем складываются в итоговое значение. Алгоритм учитывает уровень грунтовых вод и суммирует деформации, полностью исключая арифметические и методические ошибки, присущие ручным вычислениям.
Также программа обеспечивает нормативное соответствие каждого расчёта. Встроенный модуль автоматически извлекает и точно подставляет все необходимые нормирующие значения, что становится критически важным для прохождения государственных и технических экспертиз.
— Мы протестировали разработку на существующих инженерно-геологических данных и использовали реалистичные параметры фундамента и характеристики многослойного грунтового основания. Программа автоматически рассчитала два принципиально важных для проектировщика показателя. Во-первых, это суммарная осадка фундамента, которая дает точное представление о степени просадки сооружения под нагрузкой. Во-вторых, алгоритм установил глубину, до которой распространяется деформирующее влияние возводимого здания. Этот показатель также необходим для оценки взаимодействия с подземными коммуникациями или соседними объектами, — рассказал Сергей Костарев, доктор технических наук, доцент кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ.
Помимо числовых значений, программа сформировала графическую схему и на готовом чертеже отобразила все ключевые элементы: контур фундамента, все слои грунта, а также уровень грунтовых вод и как глубоко заложено основание. Важнейшим элементом визуализации стали эпюры напряжений — графики, демонстрирующие распределение давлений от собственного веса грунта и от внешней нагрузки сооружения по всей глубине массива. Такой инструмент позволяет проектировщику мгновенно выявить потенциальные проблемные зоны и принять обоснованное решение, экономя время на анализе и интерпретации данных.
— На практике программа работает следующим образом. Сначала она последовательно запрашивает все необходимые для расчёта данные. Эти параметры стандартны и берутся из отчета о предварительных исследованиях участка перед строительством. После ввода данных модуль автоматически выполняет все вычисления по утвержденной методике, строго следуя требованиям российского свода правил. Инженер получает два ключевых результата: числовое значение осадки фундамента и готовую графическую схему для дальнейшего проектирования. Важно отметить, что программа создана в строгом соответствии с нормативными документами, утвержденными Минстроем России, что гарантирует её корректность для отечественного проектирования. При этом сам метод послойного суммирования является универсальным, поэтому подобные расчёты можно применять для оценки осадки фундаментов на грунтах любой страны, — отметил Сергей Костарев.
Предложенная разработка предоставляет собой готовое решение для проектирования. Она закладывает основу для создания других отечественных инженерных программ, которые будут работать по российским нормам, стоить дешевле зарубежных аналогов и при этом превосходить их по удобству для решения конкретных задач.
Смешно. Здания, построенные, типа римской цивилизацией, существуют и эксплуатируются до сих пор. Уже это говорит о том, что этим зданиям совсем не тысячи лет, а пару сотен, максимум лет 500 с натягом, поскольку кирпич больше не выдержит.
Античный архитектурный стиль прослеживается на всех континентах. Вот архивный снимок центральной части Пекина в конце 19-го века. Какая древняя, однако, китайская цивилизация :). Как такое могло быть? А где пагоды и всё такое, китайское?
А это Япония:
А получается, судя по анализу построек, которые были однотипны до 19-го века и в Японии, и на американских континентах, и в Индонезии, и в Австралии, получается, что под Римской цивилизацией подписалась единая планетарная цивилизация, с такими технологиями, которые мы до сих пор повторить не можем даже на примитивном уровне. Мы просто не понимаем как это строилось и лишь предполагаем, что система измерений была многоуровневой и намного совершенней чем современная.
В строительстве каждого здания, каждой статуи и даже предмета быта, закладывались математические пропорции золотого сечения и других постоянных соотношений, на которых построена вся живая и " не живая" природа планеты. И поэтому древние постройки так приятны глазу, а их энергетика потрясает.
Достаточно вспомнить такие меры времени, как Миг ( 1 миг примерно равен 0,0000005 секунды). и Сиг (1 сиг равен 0,000000003 секунды. Это значение следует из древней системы измерения времени, в которой 1 сиг равен 30 колебаниям электромагнитной волны, излучаемой атомом цезия).
Наивно полагать, что древние "римляне" строили свои здания методом тыка. Имея понимание размерности Сига, сразу возникает, как минимум, пару вопросов: Каким образом они это узнали и зачем им нужна была такая мерность?
Наша цивилизация, лишь недавно подошла к таким мерам, и даже более короткой - зептосекунде. Там после запятой 20 нулей - это время за которое свет пересекает молекулу водорода. Это случилось всего несколько лет назад, в 2021 году. При этом, развитие науки и технологий подошли вплотную к черте пилотируемых межпланетных полётов.
Современному человеку может показаться практически невозможным, что когда-то здания строили люди, никогда не державшие в руках калькулятора, не знавшие сопромата и не имевшие калиброванных строительных материалов серийного выпуска. Разве возможно просто взять и построить дом, не проведя расчётов и не зная свойств материалов? Не должны ли были островерхие средневековые соборы развалиться в первые месяцы после их постройки?
В этой статье я хочу исследовать историю развития строительной науки в Европе. Хотя матаппарата у древних не было, но какая-то наука, какая-то теория о том, что стоит, а что падает, у них была. Мы рассмотрим четыре знаменитых купола, каждый из которых может символизировать целый этап развития европейской архитектуры, и отдельно – погрузимся в методику архитектурного моделирования, которое отчасти возмещало предкам недостаток вычислительных мощностей.
У вас может возникнуть закономерный вопрос: почему как объекты изучения были выбраны именно купола? Я считаю, что купол – это один из сложнейших архитектурных элементов, требующий для своего возведения умения, аккуратности и, самое главное, точного понимания строителем, что именно ему надо построить. При этом каменный купол нельзя было «подсмотреть» в живой природе: он слишком отличается от всех других естественно встречающихся сводчатых структур.
Купол первый: Пантеон (I-II вв. Р.Х.)
Купол Пантеона. Обратите внимание на сложную форму бетонных плит, формирующих свод купола
Один из самых узнаваемых символов архитектуры древнего Рима – это величественный Пантеон. Храм был возведён где-то в промежутке от 30 года до Р. Х. до середины второго века Р. Х. Такой разброс связан с противоречивостью исторических источников – не совсем ясно, является ли нынешний Пантеон реконструкцией более древнего храма, или был возведён с нуля после 100 года.
До сих пор Пантеон держит за собой титул самого крупного купольного здания из неармированного бетона в мире. Диаметр купола составляет 43,2 м, а высота от пола до верхней точки купола – 43,57 м.
Купол состоит из концентрических колец, которые отливались из бетона по месту, удерживаемые кирпичной стенкой, расположенной с внутренней поверхности купола. Именно эти кирпичи оставили квадратные углубления, украшающие внутреннюю поверхность купола. Против ожидания, они не несут никакой структурной функции и являются исключительно декоративными элементами.
Такую структуру было невозможно построить без каких-то научных знаний, и Рим обладал этими знаниями. Римская наука была прагматичной и приземлённой: римляне не находили интереса в построении стройных теорий, их интересовали практические результаты. Поэтому и римская архитектурная наука, насколько мы знаем, больше напоминала сборник практических рецептов и расчётных приемов, чем современную систему механики и сопромата. Практически всё, что мы знаем о римской архитектуре, мы знаем из одного из двух источников: либо из исследований археологов, либо из трудов древнеримского архитектора, строителя и инженера Витрувия. Остановимся чуть подробнее на фигуре этого выдающегося учёного древности.
10 книг об архитектуре, издание 1521 г.
Марк Витрувий Поллион жил на рубеже эпох, родившись в 80-70 гг. до Р. Х. и умерев уже во втором десятилетии новой эры. Для всей европейской цивилизации он известен, в первую очередь, как автор "Десяти книг об архитектуре" - энциклопедии научной мысли Античности в области строительства и инженерного дела.
Его сочинение было написано в дар императору Октавиану Августу, который оказал поддержку не слишком успешному архитектору, но компетентному военному и гражданскому инженеру Витрувию. Единственный крупный архитектурный заказ, о котором тот сообщает - это постройка базилики в колонии на берегу Адриатического моря по заказу Августа. Помимо этого, Витрувий занимался изготовлением военных машин во время службы в армии Цезаря и гражданским строительством (в том числе - постройкой канализации) при Августе.
Трактат не снискал популярности у современников, и значение его раскрылось лишь после падения Империи. Витрувий создал поистине научный труд (основанный на трудах по крайней мере 37 его предшественников!), в котором постарался дать объяснения, как и почему нужно выполнять широкий спектр строительных и инженерных работ. Особенно примечательным мне кажется акцент, который он делает на эстетике и гигиене строительства: красота постройки и правильное её размещение в ландшафте ничуть не менее важно, чем её прочность и практичность.
Разумеется, "10 книг об архитектуре" не могли бы завоевать свое место в истории лишь за счёт философских размышлений об эстетике и организации работ. Они были незаменимы не только как научный труд, но и как практическое руководство. Среди прочего, в книге обсуждаются:
свойства строительных материалов;
проектирование зданий с учётом пропорций человеческого тела (почти за 2 тысячелетия до Ле Корбюзье!);
методики проектирования куполов и арок;
и практическое руководство по построению машин и механизмов для военного дела и гражданского строительства.
В Средние Века рукопись сохранялась и переписывалась в монастырях, и была единственным источником, сохранившим знания о строительстве древних римлян. Особенное значение эта прямая преемственность приобрела в эпоху Возрождения, когда идеалы классицизма и ориентация на Античность сделали её настольной книгой для всякого инженера и архитектора.
Интермедия: моделирование и свойства строительных материалов
Императоры Константин и Юстиниан преподносят Богородице модели Константинополя и собора Святой Софии. Айя-София, Стамбул.
Однако, сочинение Витрувия не содержит исчерпывающих сведений о том, как построить надёжное здание. Скорее всего, она служила скорее не учебником, а справочником для уже состоявшихся архитекторов, которые знали, как достигать поставленных ими целей. Итак, вопрос того, как же древние архитекторы ухищрялись строить прочные здания, остаётся открытым. Ответ на него состоит из нескольких частей.
Во-первых, конечно, мы, живущие на сотни и тысячи лет позже даты возведения этих монументальных строений, просто имеем больше шансов увидеть те здания, которые были возведены удачно. Те, в конструкции которых были внесены слабые места, просто развалились в далёком прошлом и уже забыты.
Во-вторых, для некоторых зданий вовсе и не требуется сложных расчётов. Традиция позволяет за столетия отбраковать все нерабочие конструкции и оставить в употреблении только те, которые лучше всего себя показали.
И, наконец, в-третьих, им помогали свойства материалов, из которых они строили.
Дело в том, что далеко не любой материал позволит так вольно с собой обращаться, как камень. Если вы возьмете деревянную или глиняную модель здания, уменьшенную в 10, 100 раз, вы можете построить из камня пропорционально увеличенную копию этой модели, практически не внося в её устройство изменений, и полученное здание будет стоять. Можно легко привести массу примеров обратного: очень большой бумажный самолётик не будет летать, как маленький; песчаный замок, увеличенный в 10 раз, просто развалится; из спичек или макарон можно построить мост, который выдержит вес человека, но нельзя построить автомобильный мост.
Секрет этого поведения заключается в двух свойствах, которые присущи большей части скальных пород, которые используются в строительстве:
Огромная прочность на сжатие: крайне тяжело раздавить камень под грузом.
Изотропность, то есть одинаковость свойств камня во всех направлениях (и одинаковость свойств маленького камушка и огромного булыжника)
Прочность на сжатие плотного кристаллического известняка – одного из самых популярных вариантов материала для средневековых соборов – составляет в районе 40-150 МПа. Тяжело понять, насколько это много: большую часть истории человек был практически не способен создать такого сооружения, чтобы раскрошить плотный камень в его основании. Давление 100 МПа достигается в коре Земли на глубине 10 км, на кончике острой иглы при шитье или в струе гидроабразивного станка, с помощью которого можно резать листовую сталь.
При этом прочность на растяжение у камня в десятки раз меньше, и, к тому же, он хрупок: легко идёт трещинами. Из камня нет смысла делать структуры, работающие на растяжение и сгиб, такие как балки. Их нужно делать из дерева: вдоль волокон дуб показывает такую же прочность на разрыв, как камень – на сжатие. Эта пара материалов, камень и дерево, во многом и определила облик всей средневековой архитектуры.
И сейчас самое время сказать: «но ведь главный строительный материал современности – бетон, и у римлян тоже был бетон! Значит, их строительные материалы были принципиально лучше!». Позволь не согласиться, мой удобный выдуманный оппонент с очевидно неправильным мнением: в наши дни мы пользуемся не бетоном, а железобетоном.
Добавили всего три слога – но разница свойств кардинальная. За счёт армирующих стальных конструкций железобетон имеет такую же прочность на сжатие, как камень, и в пять раз большую прочность на растяжение, чем дерево. По сути, с момента изобретения современного железобетона у архитекторов отпала всякая нужда в учёте свойств материалов для не слишком крупных зданий, и они могут творить практически все, что взбредёт им в голову, пока соблюдается технология и бюджет.
Римский же бетон был не армирован. По исследованиям, его прочность на сжатие немного меньше, чем у камня, а на растяжение – немного больше. Конечно же, бетон расширял доступный римским архитекторам инструментарий, но не давал им никакого критического преимущества по сравнению с прочими доступными на тот момент материалами. Он просто был удобнее. Детали из бетона могли принимать любую форму и их можно было изготавливать на месте, из сыпучих материалов и воды.
Вернемся к удивительной прочности камня. Нагрузка на конструкции подчиняется закону квадарта-куба. Прочность любого элемента растёт пропорционально квадрату его размера, а его масса (и, соответственно, нагрузка, которую он должен нести) – пропорционально кубу размера. Если вы будете стоить из бумаги, макарон, тонких досок или тому подобных материалов, не обладающих невероятным запасом прочности камня, вы столкнётесь с законом квадрата-куба, попытавшись пропорционально увеличить уже имеющееся здание. В какой-то момент оно просто сложится под своим весом.
Но, до тех пор, пока камень несёт только нагрузку на сжатие, он может снести любые издевательства. Поэтому в течение тысячелетий архитекторы имели возможность проверять реализуемость своих идей используя масштабные модели: если вы построили маленький собор из спичек, и он стоит, то большой собор из камня тоже, скорее всего, будет стоять.
Модель церкви из Ани
Сохранились письменные свидетельства, что средневековые архитекторы активно использовали масштабные модели в своей работе. К сожалению, мне не удалось найти фотографий или рисунков сохранившихся детализированных моделей. Однако сохранилась, например, модель церкви из армянского города Ани, выполненная Трдатом Архитектором (который, помимо прочего, известен восстановлением купола собора Святой Софии, разрушенного землетрясением) в 10 веке. Кроме этого, археологи обнаружили немало моделей зданий, выполненных греческими, китайскими, индийскими, и даже мезоамериканскими архитекторами из керамики, мрамора и других материалов. Разумеется, и римские архитекторы тоже использовали масштабные модели из терракоты в своей работе: правда, скорее всего, они служили скорее для переговоров с заказчиком, чтобы наглядно донести ему видение мастера.
Возможно, лучшие из архитектурных моделей древности выглядели так, как изображено на фреске в соборе Святой Софии, на которой императоры Юстиниан и Константин преподносят Деве Марии в дар модели собора Святой Софии и города Константинополя. Согласно историческим свидетельствам, миланский архитектор Джованнино да Грасси создал прекрасную модель Миланского Собора перед началом его строительства в конце 14 века. В 1398 г. да Грасси создал модель здания, которую городской совет, управлявший ходом работ, признал «примером ясности навсегда и кому угодно [понятным] взамен созерцания самой постройки».
Купол второй: собор Святой Софии (530-е гг. Р. Х.)
Эволюция собора Святой Софии. Справа налево: 1) исходная конструкция римской базилики 2) изначальный облик собора с плоским куполом 3) конструкция с поднятым куполом, установившаяся к XV веку.
У всякого упрощения есть свой предел. Традиция и моделирование позволили человеческому гению достичь многого, но, все же, пасовали перед единственными в своем роде, уникальными проектами.
В течение многих веков, до расцвета готической архитектуры, вершиной инженерной мысли западного мира оставался собор Святой Софии (илл. 3), построенный императором Юстинианом в 530-х годах Р. Х. В высоту он достигал 55 метров, диметр купола - 31 метр, а внутреннее убранство заставило послов, посланных в Константинополь князем Владимиром, сообщить своему господину: «Не знаем, на небе мы были или на земле».
Удивительным образом собор не раз перестраивался и ремонтировался в течение своей многовековой истории. Землетрясения постоянно угрожали величественному куполу: его приходилось перестраивать в 558, 986 годах, и ещё раз - в XIV веке (скорее всего, в 1353 году). Каждый раз купол приходилось перестраивать, поднимая и облегчая: традиционный римский канон купольного строительства достиг своего предела в этом здании.
Купол третий: собор Святого Петра
Деревянная модель купола собора Святого Петра, выполненная Микелеанджело Буонаротти
Ренессанс был парадоксальным временем в науке. С одной стороны, декларировались идеалы прогресса и развития наук. С другой - преклонение перед античностью повредило, по мнению некоторых учёных, самостоятельному, органическому развитию Европы. Пути и методы, найденные средневековыми учёными, отбрасывались ради идеализированных античных образцов.
Собор святого Петра стал первым зданием, превзошедшим Святую Софию по высоте. Его строительство затянулось более чем на 160 лет - срок, который лично мне кажется немыслимым. Да, в истории Европы были и более длинные стройки, но на таком временном масштабе тяжело понять - это все ещё строится одно и то же здание, или сменяет друг друга череда похожих проектов?
Впрочем, от начала строительства до возведения главного купола - самого интересного для нас элемента постройки - прошло "всего лишь" 60 лет, и его вид определили всего два архитектора.
Микеланджело Буонаротти спроектировал систему из пяти куполов - одного большого и четырех малых. Историки приходят к выводу, что он очень долго колебался и не мог решить: строить купол полусферическим или яйцеобразным? На одной чаше весов - авторитет античности и полусферический купол Пантеона. На другой - готическая архитектурная мысль. Архитектором Джакомо делла Порта был реализован, в итоге, яйцеобразный купол, который был и остаётся самым высоким куполом в мире. Похожую, но менее вытянутую, чем в реальности, форму имеет созданный самим Микеланджело деревянный макет купола, сохранившийся до наших дней.
Яйцеобразная, вытянутая вверх форма купола не случайно была тепло воспринята средневековыми архитекторами. Методом проб и ошибок они обнаружили, что купол, тянущийся к небу, стоит крепче и требует меньшей толщины стен.
Это верно не только для куполов: вы можете легко самостоятельно провести эксперимент, демонстрирующий удивительную прочность яйца. Положите в ладонь сырое куриное яйцо так, чтобы тупым концом оно было направлено к запястью, а верхушка лежала на первых фалангах пальцев, и начните сжимать кулак. Такое положение обеспечивает оптимальное распределение сил, и (если в скорлупе не было трещин) вам вряд ли удастся его раздавить. Хотя скорлупа яйца тонкая и хрупкая, само яйцо демонстрирует удивительную прочность.
Купол четвёртый: собор Святого Семейства
Собор Святого Семейства в Барселоне
Завершающий наше рассмотрение купол был спроектирован, но не построен, моим любимым архитектором: Антонио Гауди.
Дворец и парк Гуэля, дома Мила и Бальо и, разумеется – великолепный собор Святого Семейства, Саграда Фамилия, стоят на залитых солнцем улицах столицы Каталонии как памятники своему создателю. Кого-то могут пугать или нервировать органические, обтекаемые обводы его зданий, напоминающих то ли кораллы, то ли грибы или даже строения насекомых. Я же нахожу их завораживающими.
Этот неповторимый стиль – не просто плод каприза творческой мысли. Гауди был практичным человеком и эффективным строителем, который был вынужден работать с соблюдением строгих рамок бюджетов и сроков. Например, при возведении парка Гуэля Гауди покрыл огромные площади мозаикой, которую, для экономии, делал из битой посуды и отходов стекла.
Вот и причудливые формы его зданий обусловлены требованиями эффективности и прочности. Гений мастера заключается в том, что он смог обратить чисто механические, структурные элементы зданий в их неповторимый дизайн.
Как я и говорил в первой части заметки, для современного архитектора проектировать здания без помощи компьютерных программ для моделирования и расчёта прочности – форменное безумие. В эпоху Гауди не получили ещё широкого распространения даже ламповые компьютеры, и наука о прочности материалов была ещё в зачаточном состоянии. Однако, он нашел гениальное решение своих трудностей.
Уже тогда была известна разгадка секрета прочности яйца, о котором мы говорили в прошлый раз. Более научно форму острого конца куриного яйца можно (приблизительно) назвать параболоидом. Эта форма идеальна для строительства куполов и арок, так как в конструкции такой формы вес здания как бы стекает по стенам в землю, только сжимая строительный материал. А нагрузку сжатием камень и кирпич, как мы обсуждали ранее, переносят превосходно.
Чтобы применить это прекрасное свойство параболы, Гауди изобрел методику моделирования зданий при помощи верёвок и грузов. Провисающая верёвка практически идеально повторяет форму параболы. Изображая верёвками колонны и арки, и размещая на них мешочки с песком, соответствующие весу строения, Гауди получал модель распределения нагрузок в будущем здании. Сложная верёвочная структура сама принимала форму, которая будет прочнее всего!
Я не могу описать это решение иначе как «гениальное». Оно не только позволило Гауди оставить свой след в истории человечества, но и прославило в архитектурном мире параболу как самую эффективную форму. Период творчества Гауди совпал с большими потрясениями в консервативной области строительства, с приходом методов математического моделирования и с прагматическим сдвигом в архитектуре.
Заключение
Наше время отмечено печатью технократии. Компьютерное моделирование, большие данные, растущая роль ИИ приводят к тому, что, кажется, всё уже посчитано, все оцифровано. Бухгалтерская строгость и сухость приходит на смену творческому поиску и решению загадок с неясными условиями. Но невозможно всё просчитать заранее, и не всегда мы даже знаем, что и как нам нужно считать. И в таких ситуациях, в которых пасуют компьютерные программы, остаётся лишь встать с природой лицом к лицу и задать ей вопрос, который формулируется на языке эксперимента.
Изначально эта заметка была опубликована в моем телеграм-канале в виде серии постов, чем объясняется достаточно мелкое дробление тем и рваный ритм повествования. Подпишитесь, если нашли её интересной для себя!
Использованные источники:
Джеймс Гордон. Конструкции – почему они стоят и почему разваливаются.
Представь здание, в котором зимой тепло, летом — прохладно, свет и электропитание — все свое. И все это вырабатывает одна установка. Так работает тригенерация —альтернатива централизованному энергоснабжению.
Как работает тригенерация
Установка использует газ (или другое топливо), чтобы выдавать электричество. При этом выделяется тепло и система сохраняет его. Если зима — тепло идет на отопление и горячую воду. Если лето — часть этого тепла запускает абсорбционный холодильник, который охлаждает воду для кондиционеров. В когенерации тепло используется только для отопления или горячей воды. То есть в тригенерации: энергия используется максимально эффективно — без потерь. КПД такой системы достигает 90% — намного выше, чем у схем, где тепло терялось.
Принцип работы газопоршневой когенерационной установки
Где выгодна тригенерация
Тригенерация особенно выгодна там, где нужен не только свет и тепло, но и большое количество холода — например, для кондиционирования крупных зданий. Именно поэтому такие системы отлично подходят для торговых центров, аэропортов, бизнес-центров, жилых кластеров, больниц, отелей и спортивных объектов площадью от 20–30 тысяч квадратных метров. Чем равномернее объект потребляет электричество, тепло и холод, тем выше его экономическая эффективность, что делает тригенерацию привлекательной и для промышленности — от пищевой и текстильной до металлургии и машиностроения.
Тригенерация - это не просто оборудование, а целая концепция: использовать ресурс максимально эффективно, экономя деньги, сокращая выбросы и обеспечивая комфорт. В мире, где ценности устойчивости и экономии растут — это решение, которое уже не роскошь, а разумная необходимость.
Больше интересной информации про источники энергии и энергетику в телеграм-канале ЭнергетикУм
В условиях плотной городской застройки возведение нового здания осложняется множеством факторов. В частности, устройство свайного фундамента ударными методами вызывает колебания, которые могут повредить соседние постройки. Раньше расчет безопасного расстояния до существующих рядом сооружений инженеры проводили вручную, что часто приводило к некорректным результатам и занимало много времени. Сегодня современные технологии дают возможность повысить качество этого процесса. Ученые Пермского Политеха разработали программу, которая позволяет быстро в полевых условиях определить минимально допустимое расстояние до существующего здания. По сравнению с ручными расчетами, способ обеспечивает 95%-ную точность.
На программное обеспечение выдано свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025660379 Федеральной службой по интеллектуальной собственности. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Свайный фундамент служит в качестве несущего элемента для жилых зданий, коммерческих сооружений, трубопроводов и многих других сооружений. При его проектировании важно учитывать, как забивка свай повлияет на близлежащие здания. Необходимо правильно рассчитывать расстояние между ними, чтобы возникающая вибрация от забивки свай в грунт минимально воздействовала на соседние постройки и не привела к их повреждению.
В настоящее время такие расчеты выполняются вручную по методикам ведомственных строительных норм (ВСН 490-87) на основе приведенных там графиков и формул. Они устанавливают предельные уровни колебаний грунта и определяют безопасную зону их влияния. Однако это занимает большое количество времени, а также часто приводит к ошибкам и неточностям из-за человеческого фактора. Новые технологии позволяют интегрировать положения этой методики в более современные подходы к расчетам.
Ученые Пермского Политеха представили программу, которая на основе исходных данных о типе грунта и состоянии сооружений автоматически определяет возможность погружения свай вблизи существующих зданий в соответствии с ВСН 490-87. Решение исключает ошибки, возникающие при ручном расчете, и делает процесс доступным даже в полевых условиях.
ПО включает в себя пользовательскую форму ввода данных (свойства грунта, параметры свай и зданий), внутреннюю расчетную часть и форму вывода полученных результатов в удобном для специалиста текстовом виде.
На основе введенных характеристик программа рассчитывает минимально допустимое расстояние до соседних объектов, при котором их устойчивость не нарушится.
– Существуют коммерческие программы для подобных геотехнических расчетов (например, Plaxis 3D Dynamics). Однако они требуют специальных навыков работы с ПО, имеют высокую стоимость по сравнению с нашей и не адаптированы под стандартную методику (ВСН 490-87). Также в основном они ориентированы на сложное моделирование, тогда как на практике часто требуется лишь определение допустимого расстояния для забивки свай без детального моделирования, – объясняет Александра Еремина, инженер 1 категории кафедры строительного производства и геотехники ПНИПУ.
Политехники отмечают, что теперь графики, необходимые для расчета безопасного расстояния, полностью оцифрованы и переведены в алгоритмы, которые исключают субъективные ошибки, возникающие обычно при ручном расчете, и сводят к минимуму человеческий фактор. Нужно лишь ввести в систему исходные данные и пользователь в течении 3-5 минут получит готовый результат без необходимости работать с графиками вручную.
– Мы провели натурные испытания относительно трех зданий и сооружений, замерив параметры вибраций при реальном погружении свай. Результаты подтвердили надежность программы. Наше решение обеспечивает точность 90-95% по сравнению с ручными расчетами, поскольку исключает человеческий фактор и строго следует алгоритмам, – добавляет Александра.
Программа ученых Пермского Политеха уже готова к использованию в проектных организациях и строительных компаниях. Ее применение позволит снизить риски повреждения существующих близлежащих зданий при возведении новых и ускорить подготовку к строительным работам в стесненных условиях.
Ученые Тюменского государственного университета предложили строить вахтовые поселки в Арктике из экологичных блоков, состоящих из мха и хитозана — полисахарида, полученного из распространенного природного полимера хитина.
Специалисты разработали три способа использования хитозана в качестве строительного материала. Обработанный парами хитозана природный мох может служить утеплителем в сэндвич-панелях. Из похожих панелей строят модульные общежития, в которых живут нефтяники на Крайнем Севере.
Наши исследования показали, что при воздействии экстремально низких температур характеристики хитозана не меняются. Его стопроцентная утилизация биобезопасным способом полностью соответствует требованиям, предъявляемым к строительным материалам для использования в Арктике.
Иллария Разумкова, профессор кафедры неорганической и физической химии Тюменского государственного университета
Второй вариант — строить здания из блоков, аналогичных по форме кубикам конструктора. Согласно технологии, полый кубик из хитозана, смешанного с полимерами, заполняют древесной теплоизоляцией — опилками или щепой. Преимущества такого «экоконструктора» — простота транспортировки и сборки, что актуально в труднодоступных регионах, таких как отдаленные нефтепромыслы.
Полимерная суспензия на основе хитозана может применяться в строительной 3D-печати как базовая смесь. Такие здания уже печатают для сотрудников заполярных нефтепромыслов.
В основе получения хитозана — хорошо известная реакция деацетилирования хитина. Она предполагает, что в молекуле ацетильная группа CH3CO замещается атомом водорода. Хитин — основа экзоскелета членистоногих, например панцирей крабов и креветок
Свайные фундаменты широко применяются в качестве несущего элемента для зданий, мостов и других сооружений. Это опорная конструкция, которая состоит из нескольких стержней и передает нагрузку от строения на более плотные и устойчивые слои грунта. При ее проектировании важно проводить расчет различных параметров (глубину, материал, внешнюю нагрузку), значительно влияющих на осадку и разрушение постройки. Ученые Пермского Политеха разработали инновационную программу, которая использует нейросеть для прогнозирования несущей способности и осадки свайных фундаментов. Технология позволит строителям значительно сократить затраты на геологические исследования и ускорить процесс проектирования.
На ПО выдано свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025618087 Федеральной службой по интеллектуальной собственности.
Проектирование свайного фундамента — сложный инженерный процесс, требующий учета множества факторов: глубины погружения сооружения в грунт, его просадки под нагрузкой, несущей способности и других. В настоящее время при планировании строительства на новых, неизученных участках проектировщики вынуждены либо принимать завышенные значения длины свай, либо проводить их прямые испытания на объекте и лабораторные анализы грунта. Существующие нормативы не позволяют прогнозировать жесткостные характеристики конструкции более экономичными методами, что усложняет моделирование поведения зданий на предпроектном этапе.
Ученые Пермского Политеха разработали программное обеспечение «CPTPileANN», которое решает эту задачу с помощью нейросети, позволяя получить необходимые характеристики, существенно снижая риски и затраты на дорогостоящие полевые испытания.
С помощью предлагаемого ПО можно заранее оценивать необходимую глубину фундаментов, рассчитывать несущую способность свай сечением от 30 до 35 сантиметров, строить графики зависимости нагрузки от осадки конструкции, а также прогнозировать ее будущее поведение.
— Наша программа основана на данных статического зондирования и статических испытаний свай. При зондировании специальный зонд вдавливают в грунт и измеряют сопротивление на разных глубинах. Статические испытания свай — это проверка несущей способности свай при нагрузке. Мы собрали и оцифровали архивные материалы более чем по 70 объектам и 180 сваям в глинистых грунтах. На их основе обучили нейронную сеть, которая предсказывает результаты испытаний свай по данным зондирования. В результате модель способна предсказать осадку с точностью около 28%, чего достаточно для предварительного расчета и проектирования фундаментов, — объясняет Ян Офрихтер, старший преподаватель кафедры строительного производства и геотехники ПНИПУ.
По словам ученых, на сегодняшний день «CPTPileANN» реализовано в виде небольшого приложения, устанавливаемого на персональный компьютер. Несмотря на то, что текущая версия еще требует доработки пользовательского интерфейса, технология уже демонстрирует впечатляющие результаты. Она позволит застройщикам лучше планировать геологические изыскания, снижать риски перерасхода бюджета и ускорять начало строительства.
Разработка ученых Пермского Политеха предлагает перспективное решение для проектирования свайных фундаментов, позволяя с помощью нейросетей получать точные необходимые характеристики. Внедрение технологии позволит строительной отрасли в РФ выйти на новый уровень эффективности, безопасности и экономической целесообразности.
Филипп II Габсбург (21 мая 1527 — 13 сентября 1598) Король Испании (16 января 1556 — 13 сентября 1598) Король Португалии (25 марта 1581 — 13 сентября 1598). Один из самых могущественных монархов своего времени.
Своим королевским указом в 1593/94 году для строителей фабрик и укреплений в испанских колониях в Америке был впервые введён восьмичасовой рабочий день разделённый на две части по четыре часа утром и вечером для сохранения здоровья рабочих в условиях палящего солнца:
Глава шестая. О фабриках и укреплениях.
Закон VI. Рабочие должны трудиться по 8 часов в день, распределённых по мере необходимости.
Все рабочие будут трудиться по восемь часов в день, по четыре часа утром и по четыре часа вечером на строительстве укреплений и фабрик, которые строятся в наиболее подходящее время, чтобы избежать палящего солнца, в зависимости от того, как решат нужные инженеры, чтобы не упустить ни одной возможности и позаботиться о здоровье и сохранности рабочих.
Такие же условия труда были распространены и на американских индейцев, которые имели собственное законодательство и были организованы в «индейские республики», где избирали своих мэров. Для шахтёров рабочий день и вовсе был ограничен всего 7 часами.
