Құрылыс саласы көмірқышқыл газы шығарындыларының ең ірі көздерінің бірі болып қала береді. Зерттеушілердің бағалауынша, тек құрылыс материалдарын өндірудің өзі 2022 жылы әлемдік шығарындылардың 7 пайыздан астамына себеп болған. Сондықтан инженерлер ұзақ уақыт бойы құрылыстардың беріктігі мен сенімділігін төмендетпей, материал шығынын азайтудың жолдарын іздеп келеді.

Осы бағыттағы ең перспективалы құралдардың бірі – топологиялық оңтайландыру әдісі. Бұл тәсіл есептеу алгоритмдерінің көмегімен материалдың жүктемені көтеру үшін нақты қай жерде қажет екенін, ал қай бөліктерде оны алып тастауға болатынын анықтайды. Кейбір жағдайларда мұндай тәсіл қолданылатын материал көлемін 90 пайызға дейін қысқартуға мүмкіндік береді.

Алайда топологиялық оңтайландырудың тәжірибелік қолданысы әлі де шектеулі. Ол ғылыми зерттеулерде және үш өлшемді басып шығару технологиясына арналған нысандарды жобалауда кеңінен пайдаланылғанымен, ірі құрылыстарды жобалау кезінде сирек қолданылады. Бұған алгоритмдер ұсынатын құрылымдардың дәстүрлі құрылыс әдістерімен жүзеге асыруға тым күрделі болуы себеп.

MIT әзірлеген жаңа жүйе дәл осы мәселені шешуге бағытталған. Зерттеушілер жасаған бағдарлама жобалау кезеңінің өзінде құрылыс саласындағы нақты шектеулерді ескеруге мүмкіндік береді. Пайдаланушылар конструкция күрделілігін анықтайтын параметрлерді, мысалы бір нүктеде түйісетін элементтер санын, бөлшектердің ең аз өлшемдерін және қосылатын компоненттер арасындағы рұқсат етілген бұрыштарды белгілей алады.

Зерттеу жетекшісі Джозефин Карстенсен тиімді жобалау үшін материал қасиеттерін, оларды іс жүзінде қолдану мүмкіндігін және құрылымның жалпы оңтайландырылуын қатар ескеру қажет екенін атап өтті. Оның айтуынша, жаңа тәсіл осы талаптардың барлығын біртұтас жүйеге біріктіруге арналған.

Модельдің басты ерекшелігі – бір уақытта бірнеше материалмен жұмыс істей алу мүмкіндігі. Бұл тек пайдаланылатын ресурстардың жалпы көлемін азайтып қана қоймай, конструкцияның әрбір бөлігі үшін ең қолайлы материалды таңдауға мүмкіндік береді. Жүйенің жұмысы үшін материалдарды таңдау және конструкция элементтерін біріктіру тәсілдері жөнінде шешім қабылдайтын арнайы математикалық алгоритмдер қолданылады. Мысалы, модель құрылыстың қай бөліктерін болаттан, ал қай бөліктерін ағаштан жасау қажет екенін анықтай алады. Сонымен қатар бағдарлама материалдардың физикалық қасиеттерін де ескереді. Мәселен, болат сырықтар қысу күштерін тиімді қабылдай алады, ал болат тростардың жұмыс істеу принципі өзгеше. Сондай-ақ жүйе көптеген бұрынғы әдістерге қарағанда нақты құрылыс түйіндерін әлдеқайда дәл модельдейді.

Авторлар жобалау қағидалары қолданылатын материалға байланысты өзгеретінін атап өтеді. Ағаш конструкциялар үшін бір шешімдер жиынтығы қажет болса, болат конструкцияларда басқа инженерлік тәсілдер қолданылады. Жаңа алгоритм бұл ерекшеліктердің барлығын автоматты түрде ескере алады.

Технологияның мүмкіндіктерін көрсету үшін зерттеушілер мысал ретінде АҚШ-тың Нью-Йорк штатындағы Буффало қаласына жақын орналасқан Эри каналы үстіндегі Локпорт көпірін пайдаланған. Оның негізінде толықтай ағаштан, толықтай болаттан және осы материалдардың үйлесімінен жасалған әртүрлі фермалық конструкциялар әзірленді.

Нәтижелер жобалауға қойылатын әртүрлі шектеулердің конструкцияның сыртқы келбетіне де, экологиялық сипаттамаларына да елеулі әсер ететінін көрсетті. Бірқатар жағдайларда материалдарды үйлестіру беріктік пен көміртек шығарындыларын азайту арасындағы тепе-теңдікті табуға мүмкіндік берген. Мысалы, толықтай болаттан жасалған көпір жоғары беріктікті қамтамасыз еткенімен, оның көміртек ізі жоғары болады. Ал тек ағашты пайдалану климатқа әсерді азайтқанымен, құрылыстың механикалық сипаттамаларын шектеуі мүмкін. Сондықтан әртүрлі материалдарды біріктіру олардың әрқайсысының артықшылықтарын тиімді пайдалануға жол ашады.

Кейбір қолданыстағы әдістермен салыстырғанда есептеу күрделілігі жоғары болғанына қарамастан, зерттеушілердің айтуынша, олардың алгоритмі қарапайым ноутбукта да жұмыс істей алады. Бұл технологияны инженерлік компаниялардың басым бөлігі үшін қолжетімді етуі мүмкін.

Алдағы уақытта зерттеу тобы алгоритм әзірлеген конструкциялардың кішірейтілген физикалық үлгілерін жасап, есептеулердің нақты сипаттамаларға сәйкестігін тексеруді жоспарлап отыр. Сондай-ақ ғалымдар жүйені күнделікті жобалау тәжірибесіне оңай енгізу үшін жаңа инженерлік шектеулерді қосуды көздейді.