Искусство активного формообразования

Формообразование занимает приоритетное место в инженерной деятельности и является искусством, плохо поддающимся формализации. Но именно на этапе формообразования закладываются априори идеи (законы, резервы, возможности), которые стремятся реализовать в последующем проектировании. Сюда относятся, например, вопросы конструктивной безопасности и экологичности или малой чувствительности к негативным воздействиям (которые заранее не известны), или обеспечения надежности в условиях неопределенности др. Эти принципиальные резервы (возможности) реализуются в последующем практическом проектировании (оптимизации) [3,4,12].

Принципы, на которых основано активное формообразование [12]:

· принцип активного взаимодействия (взаимопомощи) конструктивных элементов системы между собой (принцип эффективного синтеза конструкции). Этот принцип является альтернативой традиционному принципу формообразования инженерных систем, основанному на иерархическом соподчинении элементов. На основе данного принципа создаются эффективные конструкции повышенной прочности и живучести при экономном расходе материала;

· принцип преодоления неопределенности внешних воздействий на основе формообразования таких конструкций, которые малочувствительны к величине, месту и времени негативных воздействий определенного типа. (например: применительно к условиям сейсмических воздействий, вечномерзлых грунтов, слабых, просадочных грунтов, характерных для осваиваемых северных нефтегазоносных районов);

· принцип повышения живучести конструкций зданий и сооружений на основе проектирования (создания) пространственных многосвязных замкнутых систем;

· принцип управления напряженно–деформируемым состоянием конструкции [7].

Под управляемыми конструкциями понимаются системы автоматического управления. Условно выделяются управление в «малом» и управление в «большом». Выделяются задачи автоматического управления, доучивания и управления на основе нейросетевой технологии (приближение к интеллектуальным системам); трансформируемые конструкции (управление в «большом»); энергетический принцип управления конструкциями, в котором используются отбор и преобразование части энергии внешнего воздействия на систему (перераспределение внутренней энергии деформирования (сопротивления) упругой системы);

· принцип самонастраивания конструктивной системы, обеспечиваемый техническими решениями ее элементов и узлов;

· принцип создания композиционных конструкций, в которых каждый из материалов находится в наиболее выгодных условиях работы.

Таким образом, под концепцией активного формообразования архитектурно-конструктивных систем понимается:

· выбор универсального пространственного композитного строительного элемента, позволяющего формировать комбинированные конструкции, полносборные здания, сооружения, в том числе большепролетные покрытия, стеновые конструкции и фундаментные платформы;

· управление напряженно-деформированным состоянием данных формообразований с целью повышения эффективности зданий и сооружений (облегчение веса, повышение прочности, жесткости, устойчивости, живучести, безопасности конструкции);

· учет состояния внешней среды, включая адаптацию и преобразование энергетических воздействий (превращение «зла» в «добро» для эффективных условий эксплуатации формообразованных зданий и сооружений);

· учет научно-технического прогресса в проектировании зданий и сооружений (создание зданий нового типа в виде замкнутой многосвязной системы, включающей пространственные покрытия, стены и фундамент и позволяющей осуществлять строительство на слабых грунтах и в сейсмических зонах);

· повышение живучести зданий и сооружений, способных выдержать недостаточно определенные сейсмические и другие воздействия внешней среды;

· разработка трансформируемых адаптивных зданий и сооружений с подвижными (раздвижными) конструкциями покрытий и стен (их конструкции формообразуются из унифицированных пространственных элементов);

· проектирование и обучение активному формообразованию на основе физического и компьютерного моделирования пространственных систем, составленных из унифицированных элементов;

· разработка нового типа учебных заданий, состоящих из двух частей: анализа и синтеза.

Благодаря идеям активного формообразования получены эффективные решения на изобретательском уровне:

· обеспечение конструктивной безопасности зданий и сооружений [24,26];

· для принятия решений в условиях неопределенности [25], в том числе для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений [21];

· для строительства в сложных грунтовых и стесненных условиях строительства [13,27] и ликвидации аварийных последствий [14];

· для строительства в северных нефтегазовых районах Красноярского края, в том числе для прокладки магистральных трубопроводов с соблюдением требований экологичности [10].

5.3. Практическая оптимизация отличается тем, что в ней синтезируются теоретический и экспериментальный подход, причем в многоцикловом процессе. Расчетные теоретические результаты подвергаются экспериментальным проверкам, физическому моделированию и последующей доводке и совершенствованию конструкций на соответствующих этапах их создания. Этой работе предшествует творческий поиск формообразования конструкций, в которых закладывается основополагающая идея будущей эффективности, который не поддается какой-либо формализации, является искусством, творческим изобретением.

Хорошим примером работы практической оптимизации является разработка новых сборных пространственных сталежелезобетонных конструкций покрытия [7,18,19,20].

Генеральная идея такого формообразования включает:

· трехгранный сборный пространственный строительный элемент, который использовался как инвариантная часть многообразных конструкций;

· каждая часть строительного элемента тонкая – ребристая железобетонная плита и пространственный металлический шпренгель – ставилась в выгодные условия работы по свойствам материала (железобетон – в основном на сжатие, металл - на растяжение, причем обеспечивалось совмещение несущих и ограждающих функций).

В задачу оптимизации входил компьютерный эксперимент поиска эффективной схемы тонкой ребристой плиты, достаточно легкой, чтобы обеспечить гармоничную работу, с подкрепляющим ее металлическим шпренгелем (тяжелая железобетонная плита могла перегрузить металлическую часть и вызвать перерасход материала).

Одновременно решался вопрос об обеспечении узлов соединения тонкой плиты с металлическими стержнями так, чтобы обеспечить выгодные условия работы каждого из элементов [7,18,19].

Требовались индустриальность, типизация и надежность. Серия натурных экспериментов и опыт строительства должны были оценить расчетные и конструкторские решения, а также технологичность изготовления и монтажа конструкции и ее надежность.