Размер шрифта: A A
Цвет сайта: A A

Проект 2: «Цифровой суверенитет строительной отрасли и ЖКХ»

3.2. «ЦИФРОВОЙ СУВЕРЕНИТЕТ СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ И ЖКХ»

Цель стратегического проекта

Обеспечение научно-технологического и образовательного лидерства НИУ МГСУ по прорывным направлениям разработки и развития информационных и математических моделей, численных и численно-аналитических методов и алгоритмов, технологий информационного моделирования, прикладного программного обеспечения, в том числе в целях создания Национального вычислительного комплекса для расчетов прочности, устойчивости и деформативности строительных систем, отдельных конструктивных элементов, узлов и оснований при действии статических, динамических и деформационных воздействий.

Стратегический проект нацелен, прежде всего, на содействие реализации национальных проектов «Жилье и городская среда» (наращивание объемов строительства), «Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры» (строительство и реконструкция скоростных магистралей, портовой инфраструктуры, аэропортов, железнодорожной инфраструктуры), «Цифровая экономика» (ускоренное внедрение цифровых технологий»), «Производительность труда» (прирост производительности труда на предприятиях строительной и смежных отраслей) и «Наука и университеты» (достижение значимых научных результатов, повышение привлекательности строительных наук, образования и строительных профессий, создание интеграционных научно-образовательных и научно-производственных структур, обновление приборной базы).

Задачи стратегического проекта

  • разработка, исследование, верификация и апробация моделей, методов и реализующего программно-алгоритмического обеспечения для расчетного обоснования строительных объектов, в том числе на различных стадиях их жизненного цикла с ориентацией на применение в составе систем мониторинга;
  • создание в Университете центра компетенций в области технологий информационного моделирования (ТИМ-технологий) и реализующих ТИМ-технологии математических методов и методов искусственного интеллекта, программного обеспечения в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ);
  • создание в Университете центра компетенций в области цифрового строительного материаловедения, разработки цифровых двойников, а также внедрения методов искусственного интеллекта в строительном материаловедении;
  • выполнение расчетно-экспериментальных исследований, научно-методических разработок, экспертиз и мониторинга конструкций, зданий и сооружений, в том числе наиболее сложных, ответственных и уникальных систем, включая их научно-техническое сопровождение;
  • удовлетворение потребностей государства в высококвалифицированных специалистах в области цифровых технологий в строительстве, в том числе в рамках проекта «Цифровая кафедра»;
  • тиражирование и распространение лучших практик, развитие академической мобильности.

Ожидаемые результаты стратегического проекта

  • разработаны новые адаптированные для компьютерной реализации модели, численные методы, методы машинного обучения, алгоритмы и технологии высокоточного определения климатических нагрузок на строительные объекты повышенного уровня ответственности;
  • разработаны новые адаптированные для компьютерной реализации модели физической, геометрической, структурной и генетической нелинейностей, ориентированные на использование для решения задач высокоточного расчетного обоснования строительных объектов, развита библиотека конечных элементов, реализующих, в том числе, нелинейные модели;
  • разработаны новые адаптированные для компьютерной реализации численные и численно-аналитические методики многоуровневого высокоточного расчета строительных конструкций, зданий, сооружений комплексов, в том числе в связанных постановках, на основе суперэлементных и многосеточных схем, включая методы динамического синтеза подконструкций;
  • разработаны новые адаптированные для компьютерной реализации высокоточные, научно обоснованные подходы к оценке сейсмостойкости зданий и сооружений для условий двухуровневого сейсмического воздействия, в том числе в части несущих элементов, инфраструктуры и оборудования;
  • создана цифровая платформа «Цифровое строительное материаловедение» (разработка цифровых двойников) на принципах открытости данных, а также внедрения технологий искусственного интеллекта в строительном материаловедении;
  • на основе развиваемых цифровых технологий выполнены наукоемкие расчетные исследования уникальных зданий и сооружений;
  • разработаны локальные нормативные документы (стандарты НИУ МГСУ) по актуальным вопросам расчетного обоснования строительных конструкций, зданий и сооружений с использованием цифровых технологий;
  • разработаны и реализуются не менее 4 новых образовательных программ высшего образования в областях:
          – модели, методы и реализующее программно-алгоритмическое обеспечение для расчетного обоснования строительных объектов;
          – цифровое сейсмостойкое строительство;
          – цифровое строительное материаловедение;
          – технологии информационного моделирования в строительстве и ЖКХ.

  • разработаны и реализуются не менее 8 новых дополнительных профессиональных программ в областях:
          – расчет климатических нагрузок на объекты повышенного уровня ответственности;
          – нелинейные модели конструкций и материалов, ориентированные на использование для решения задач расчетного обоснования строительных объектов;
          – теория и практика конечноэлементного моделирования строительных конструкций;
          – численные и/или численно-аналитические методы расчета строительных конструкций, зданий, сооружений комплексов;
          – цифровое сейсмостойкое строительство;
          – цифровое строительное материаловедение;
          – практика выполнения наукоемких расчетных исследований уникальных зданий и сооружений с использованием универсальных и специализированных
             программных комплексов;
          – технологии информационного моделирования в строительстве и ЖКХ.

  • обеспечена доступность цифровых образовательных программ всех уровней и их элементов для 100% обучающихся в соответствии с их индивидуальными образовательными траекториями и личными запросами; более 75% образовательного контента таких образовательных модулей доступны для асинхронного онлайн-освоения обучающимися вузов – членов Консорциума в рамках Сетевого университета;
  • для 100% базовых дисциплин цифровых компетенций разработаны МООК для размещения на отраслевой цифровой образовательной платформе системы «Сетевой университет»;
  • разработаны и реализованы программы академической мобильности с организациями – членами Консорциума.

Описание стратегического проекта

Стратегический проект «Цифровой суверенитет строительной отрасли и ЖКХ» предусматривает, прежде всего, разработку, исследование, верификацию и апробацию, математических моделей, численных и численно-аналитических методов и алгоритмов в целях создания Национального вычислительного комплекса (НВК) для расчетов прочности, устойчивости и деформативности строительных систем, отдельных конструктивных элементов, узлов и оснований при действии статических, динамических и деформационных воздействий. Для верификации указанных моделей и методов будут использоваться в том числе экспериментальные исследования, реализуемые силами научно-технического комплекса Университета.

Разработка НВК соответствует национальному проекту «Цифровая экономика» в части федеральных проектов «Цифровые технологии» (создание благоприятных условий для развития и внедрения цифровых технологий на основе отечественных решений) и «Кадры для цифровой экономики» (совершенствование отраслевого образования, в том числе на основе предоставления возможностей освоения цифровых компетенций).

Перспективные отрасли и области применения НВК: проектирование строительных систем, отдельных конструктивных элементов, узлов и оснований; текущий анализ напряженно-деформированного состояния (НДС), оценка надежности, долговечности, живучести существующих строительных систем, отдельных конструктивных элементов и оснований.

Проектные решения несущих систем зданий и сооружений, а также отдельных конструктивных элементов базируются на результатах расчетного анализа, который выполняется, как правило, численными методами с применением вычислительных (программно-алгоритмических) комплексов. То же справедливо и для расчетного обоснования объектов строительства на стадиях строительства, эксплуатации, реконструкции. Благодаря прогрессу в вычислительной математике и компьютерной технике изменилось соотношение аналитических, экспериментальных (модельных и натурных) и численных подходов к анализу сложных механических систем, к которым относятся здания, сооружения и комплексы. Отечественная и зарубежная практика выдвигает задачи многовариантного и оптимизационного исследования многомерных комбинированных систем, адекватное решение которых может быть получено только численным путем. Как правило, найти замкнутое аналитическое решение для таких задач не представляется возможным, а экспериментальные исследования весьма дорогостоящи, а порой и неполны.

В настоящее время в Российской Федерации применяются следующие специализированные (проблемно-ориентированные) вычислительные комплексы для расчетов прочности, устойчивости и деформативности строительных систем и оснований, в той или иной степени реализующие требования действующих российских строительных норм: «ЛИРА САПР», «ЛИРА СОФТ», “SCAD”, “MICRO FE”, “Stark ES”, “PLAXIS”. В отдельных случаях применяются также и более мощные («тяжелые») вычислительные комплексы (“ANSYS”, “NASTRAN”, “SIMULIA Abaqus” и др.). Указанные комплексы, как правило, не применяются в практике массового проектирования, а используются в целях научных исследований, например, в рамках научно-технического сопровождения проектирования и строительства уникальных и особо ответственных объектов.

Все основные модули указанных вычислительных комплексов (прежде всего, ключевые модули решения большеразмерных задач линейной алгебры (решатели (solvers))) разрабатываются вне пределов Российской Федерации. При этом формально первые пять из вышеперечисленных вычислительных комплексов распространяются (с авторскими правами) юридическими лицами, зарегистрированными в Российской Федерации. Однако в силу исторических причин фактические разработчики вычислительных комплексов «ЛИРА САПР», «ЛИРА СОФТ» и “SCAD” дислоцированы в Киеве (Украина), а вычислительные комплексы “MICRO FE” и “Stark ES” базируются на решателях разработки Федеративной Республики Германия. Вычислительный комплекс по проблемам геотехники “PLAXIS” разработан и базируется в Нидерландской организации прикладных научных исследований (TNO) и Дельфтском Техническом Университете (Нидерланды).

Практика показывает, что в течение последних лет в международных отношениях активно применяются санкционные инструменты, что в ряде случаев может приводить к существенным задержкам в промышленных процессах, а в отдельных случаях – к невозможности выполнить те или иные процедуры. В связи с тем, что важнейшие модули (решатели) проблемно-ориентированных вычислительных комплексов де-факто разрабатываются за рубежами Российской Федерации, существует риск их попадания под действие санкций. Ситуация с закрытием доступа (в случае применения санкций) к отдельному или нескольким одновременно проблемно-ориентированным вычислительным комплексам для расчетов строительных систем и оснований может привести к блокированию важнейшей составляющей процесса строительства – расчетного обоснования конструктивных решений объектов строительства.

Кроме того, упомянутые строительно-ориентированные комплексы имеют ряд ограничений, объяснимых 10-20 лет тому назад, но сдерживающие строительную отрасль сегодня: ограниченный набор типов конечных элементов, выборочный и недостаточно полный набор нелинейных моделей конструкций и материалов (физической, геометрической, структурной нелинейностей), слабая реализация современных алгоритмов динамического анализа, недостаточная производительность солверов и т.п.

В целях обеспечения независимого от внешних факторов бесперебойного функционирования строительной отрасли необходима разработка национального проблемно-ориентированного вычислительного комплекса (НВК) для расчетов прочности, устойчивости и деформативности строительных систем и оснований.

Разработка национального вычислительного комплекса (НВК) может быть выполнена на базе Университета во взаимодействии с организациями – членами Консорциума, фирмами-партнерами, имеющими потенциал и успешный опыт разработок и верификаций в смежных отраслях – организаций, обладающих всеми необходимыми компетенциями и специалистами высокого профессионального уровня. Международная практика разработки проблемно-ориентированных вычислительных комплексов показывает обоснованность и результативность использования потенциала ведущих университетов для таких работ.

Стратегический проект включает в себя взаимоувязанные треки, реализуемые совместно с организациями – членами Консорциума:

  • трек исследований и разработок, включающий прикладные исследования по ПНОТН в части, касающейся цифровых технологий в строительстве, математического моделирования, численных методов и комплексов программ, в том числе в рамках Программы научных исследований Консорциума «Строительство, архитектура и градостроительство – основы формирования среды жизнедеятельности»;
  • трек кадрового сопровождения отраслевой программы изменений, предполагающий разработку и реализацию образовательных программ ВО, ДПО и СПО для подготовки кадров в области цифровых технологий в строительстве, информационного и математического моделирования, численных методов и комплексов программ, в том числе в рамках системы «Сетевой университет Отраслевого консорциума «Строительство и архитектура»».

Кластер проектов «Нагрузки и воздействия» ориентирован, прежде всего, на разработку новых адаптированных для компьютерной реализации моделей, численных методов, алгоритмов и технологий высокоточного определения климатических нагрузок на строительные объекты повышенного уровня ответственности, последующую интеграцию результатов исследований в нормативную базу, отечественное прикладное программное обеспечение, образовательный процесс и подготовку кадров.

Ветровые нагрузки являются одним из основных видов воздействий на ограждающие конструкции зданий и сооружений, во многом определяющими их конструктивные решения. Особую важность приобретает оценка максимальных и минимальных ветровых давлений на ограждающие поверхности с учетом их статистического разброса, актуальны проблемы определения параметров ветрового потока в пешеходных и иных зонах с учетом рельефа местности, существующей застройки и сложного очертания объекта. В российских строительных нормах отсутствует (приведена не в полном объеме) методика нормирования пиковых (максимальных по интенсивности) значений ветровых нагрузок, которые необходимо учитывать при проектировании ограждающих конструкций и их креплений. Сложившиеся традиционные подходы пригодны лишь для зданий и сооружений относительно простой формы, малой и средней высоты, в условиях разреженной застройки. В более сложных случаях требуются более точные методики. В частности, нормами предлагается использовать результаты испытаний крупномасштабных макетов в специализированных аэродинамических трубах, позволяющих воспроизвести атмосферный пограничный слой. В НИУ МГСУ для этих целей используется уникальная научная установка «Большая исследовательская градиентная аэродинамическая труба», хотя методология этих исследований требует научно обоснованного совершенствования, обладая определенными ограничениями и погрешностями. В последние годы бурно развивается вычислительная аэрогидродинамика (Computational Fluid Dynamics (CDF)), совершенствуются вычислительные технологии на фоне неуклонно возрастающей мощности компьютеров, вследствие чего появилась возможность комбинировать испытания в трубах и численные эксперименты. Более того, для решения практических наукоемких задач именно численное моделирование остается в перспективе основным и, по сути, безальтернативным подходом. В рамках стратегического проекта планируется развитие этого инструментария.

Снегообразование – формирование снегоотложений, в том числе под действием ветровых потоков, – это комплексный процесс, сложность которого обусловлена высокой нелинейностью входящих в него подпроцессов, происходящих на разных масштабах и сильно связанных между собой. Один из них – снегоперенос, участвующий в перераспределении снежных масс – составляет предмет многолетних теоретических, экспериментальных и численных изысканий. Тот факт, что образование достаточно однородных сугробов происходит в результате постепенного наноса снежинок с размерами от десятков микрон до десятков миллиметров, представляет серьезную проблему в вычислительном отношении, особенно если учесть, что в большинстве отраслей, где оно имеет значение, его необходимо рассматривать на областях площадью в десятки и сотни квадратных метров (а для большепролетных покрытий – тысячи квадратных метров). Известные недостатки экспериментальных методов предсказания формы снегоотложений (использование заменителей типа песка, опилок и т.п., потеря точности ввиду масштабирования) и естественная случайность погодных условий, влияющих на натурные наблюдения, вынуждает исследователей обращаться к математическим (численным) методам, которые позволили бы эффективно моделировать свойства реальных материалов на обоснованных масштабах и контролировать все ключевые параметры расчета. Одним из критически важных объектов приложений, требующих вычислительного подхода, являются большепролетные здания и сооружения. В силу зависимости процесса снегообразования от геометрических параметров конструкции, окружающей застройки, рельефа и климатических условий необходимо исследовать снеговые нагрузки при каждом проектировании уникального большепролетного покрытия. Нормативные документы описывают формы снежных шапок лишь для базовых, типовых покрытий. Следует отметить, что некоторые зарубежные строительные нормы, в отличие от российских, допускают использование математического (численного) моделирования снегоотложений как вместе с результатами продувок в аэродинамических трубах, так и для поверки результатов продувок или вместо них, если невозможно провести исследование в аэродинамической трубе. Несмотря на высокую практическую значимость и обилие соответствующих публикаций, поддерживаемых различными отечественными грантами, за последние десятилетия не было создано стандартизированной, верифицированной и эффективной методики математического (численного) моделирования снегоотложений и снегопереноса, которую можно было бы предложить в нормы, что, очевидно, связано с несовершенством существующих моделей и методов и отсутствием качественных достижений в их разработке. В рамках реализации стратегического проекта планируется получение достоверных расчетно-теоретических данных для совершенствования нормативной базы, регламентирующей назначение снеговых нагрузок на большепролетные здания и сооружения, с анализом существующих решений для моделирования снегоотложений (в том числе, снегопереноса) и оценки возможности их применения для создания полноценной численной методики, подлежащей верификации, апробации и стандартизации для использования в строительной отрасли.

Кластер проектов «Моделирование поведения строительных материалов и сред» ориентирован на разработку, совершенствование и развитие адаптированных для компьютерной реализации моделей поведения материалов, сред (например, грунты) и строительных конструкций, а также значимых видов нелинейностей моделей (физическая, геометрическая, структурная, генетическая нелинейности) с этим связанных, последующую интеграцию результатов исследований в отечественное прикладное программное обеспечение, образовательный процесс и подготовку кадров. Поведение конструкций, находящиеся в условиях интенсивных нагрузок и воздействий, целый ряд специальных конструкций (например, большепролетные, гибкие, подвесные, высотные и др.) не может моделироваться без учета факторов, определяющих нелинейность моделей. Решения, получаемые в рамках соответствующих линейно-упругих задач, есть не более чем своего рода «начальное приближение». Расчетные модели строительных объектов должны учитывать целый ряд факторов напряженно-деформированного состояния (НДС), в том числе особенности взаимодействия строительных конструкций между собой и с основанием, особенности пространственной работы конструкций, пластические и реологические свойства материалов и грунтов, образование трещин и др.

На базе Университета планируется создать отраслевой сегмент государственной информационной инфраструктуры “Open Data” / “Big Data” для сбора и накопления наборов экспериментальных данных по результатам исследований и испытаний строительных материалов, исходных компонентов и изделий, финансируемых за счет различных источников, в целях информационного обеспечения технологического перехода строительной отрасли и промышленности строительных материалов Российской Федерации к применению цифровых двойников, цифрового строительного материаловедения и алгоритмов машинного обучения при разработке перспективных строительных материалов, изделий и конструкций с повышенными технологическими и эксплуатационными свойствами.

Кластер проектов «Модели, методы и алгоритмы расчета строительных конструкций, зданий и сооружений» ориентирован на разработку совершенствование и развитие адаптированных для компьютерной реализации математических моделей, численных и численно-аналитических методов многоуровневого высокоточного расчета строительных конструкций, зданий, сооружений комплексов, последующую интеграцию результатов исследований в отечественное прикладное программное обеспечение, образовательный процесс и подготовку кадров.

Следует отметить, что несмотря на отмеченное доминирование численных методов расчета строительных конструкций, в настоящее время появляется определенный потенциал для расширения доли аналитических и численно-аналитических подходов. Достигнутый уровень математического моделирования объектов и явлений, вычислительной математики и производительности компьютерной техники позволил поставить на повестку дня задачи разработки, исследования и развития так называемых численно-аналитических (полуаналитических, дискретно-континуальных) методов. Преимущества сочетания качественных свойств замкнутых решений, универсальности и общности численных методов отмечались достаточно давно, но многие из более ранних разработок либо были нереализуемы практически из-за отсутствия по крайней мере одного из перечисленных факторов, либо, в той или иной мере, не учитывалась вычислительная специфика и необходимость последующей компьютерной реализации. Численно-аналитические методы позволяют получать решения в аналитической форме, способствующей улучшению качества исследования рассматриваемых объектов. Построенная с их помощью картина НДС развивает интуицию расчетчика и проектировщика, понимание работы конструкций, характера влияния на них различных локальных и глобальных факторов. Полуаналитические подходы особенно эффективны в зонах краевого эффекта, там, где часть составляющих решения представляет собой быстроизменяющиеся функции (зависимости), скорость изменения которых не всегда может быть адекватно учтена традиционными численными методами. Кроме того, при численном решении сложных задач строительной механики предварительное аналитическое изучение отдельных локальных свойств проблемы может оказать значительную помощь, в том числе в верификационных целях. Сравнение с аналитическими решениями сложной задачи в более простых и частных случаях позволяет дать оценку принятой расчетной схемы конструкции, используемого метода, алгоритма и полученного решения, в частности, его точности и устойчивости.

Уникальные здания и сооружения (многофункциональные «небоскребы», над- и подземные торговые, культурно-развлекательные и спортивно-оздоровительные комплексы, вокзалы и аэропорты, мосты и тоннели, монументы и т.п.) являются сложными объектами моделирования. Одна из основных проблем – большая вычислительная размерность задач, находящаяся на границе возможностей доступной современной вычислительной математики и компьютерной техники. Современные универсальные конечноэлементные программные комплексы (“ANSYS”, “NASTRAN”, “SIMULIA Abaqus”) содержат опции построения и импорта-экспорта редуцированных матриц влияния для обеспечения, в частности, совместных разработок и точного анализа сложных многосвязных статически и динамически нагруженных инженерных конструкций и сооружений. Другой стороной того же процесса является субмоделирование – например, уточненный трехмерный нелинейный анализ сложных и (или) оригинально решенных конструктивных узлов стержневых систем (опирания колонн, соединения поясов-раскосов ферм, деталей трубопроводных систем и др.). Следует отметить, что необходимым, например, представляется подробное трехмерное моделирование наиболее нагруженных нестандартных узлов сооружений – оголовков колонн, пилонов, сварных и болтовых соединений, прочность, устойчивость и жесткостные свойства которых могут определить безопасность всей системы. С учетом отмеченного актуальной задачей является развитие методов субмоделирования и динамического синтеза подконструкций.

Взаимодействие грунта и здания является классической и весьма непростой задачей. Подобные системы «сооружение – основание» промышленных объектов, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность урбанизированных территорий или влияющих на нее, являются специальным объектом исследования и моделирования. Укоренившиеся нормативные подходы, оперирующие упрощенными моделями основания (модель Винклера и др.), пригодны лишь для предпроектных и(или) прикидочных расчетов. Для углубленных математических исследований систем «сооружение – основание» необходимо использовать алгоритмы нелинейного расчета на базе уточненных, экспериментально обоснованных пространственных моделей грунта (в частности, планируется использовать модели грунта, предложенные научно-педагогическими школами НИУ МГСУ, другими отечественными и зарубежными учеными-механиками.

Подавляющее большинство аварий, независимо от их окончательных размеров, начинается с локальных повреждений несущих конструкций, причем в одних случаях аварии первоначальным локальным повреждением исчерпываются и устраняются, а в других – несущие конструкции, сохранившиеся в первый момент аварии, не выдерживают дополнительной нагрузки, ранее воспринимавшейся поврежденными элементами, и тоже разрушаются. Аварии такого рода получили в литературе наименование «прогрессирующее обрушение», актуальны задачи разработки и развития моделей и методов анализа устойчивости строительного объекта к прогрессирующему обрушению.

Кластер проектов «Цифровое сейсмостойкое строительство» ориентирован на разработку новых адаптированных для компьютерной реализации высокоточных подходов к оценке сейсмостойкости зданий и сооружений в условиях двухуровневого сейсмического воздействия, в том числе в части несущих элементов и оборудования, последующую интеграцию результатов исследований в образовательный процесс и подготовку кадров.

Сейсмостойкость конструкций зданий и сооружений является одной из важнейших задач, решение которой обеспечивает реализацию национального проекта «Жилье и городская среда». В настоящее время в Российской Федерации к сейсмически опасным (с сейсмичностью 7 баллов и выше) относятся более 2 миллионов квадратных километров площади, что составляет более 26% всей территории страны. В этих районах расположено свыше 1300 городов и населенных пунктов. Проблема обеспечения сейсмостойкости имеет отношение не только для проектируемых зданий, возводимых в сейсмоопасных регионах страны, но и для большого числа зданий и сооружений существующего фонда, для которых задача осложняется тем, что в состав сейсмоопасных регионов включены обширные территории, сейсмическая опасность которых ранее не была признана значимой (несейсмоопасные регионы).

Нормирование строительства в сейсмических районах (СНиП II-7-81* и СП 14-13330) не в полной мере обеспечивает решение задач сейсмостойкости конструкций зданий и сооружений, что подтверждается наличием большого объема разрушений и сверхнормативных повреждений конструкций при каждом землетрясении. В научном сообществе признают наличие указанной проблемы, что выражается в регулярной корректировке (зачастую весьма существенной) утвержденных и введенных в действие нормативных документов.

В целях формирования новых подходов к обеспечению сейсмостойкости зданий, сооружений необходимо решение следующих задач: разработка, исследование и обоснование целевых задач обеспечения сейсмостойкости конструкций сейсмостойких зданий и сооружений с учетом двухуровневого сейсмического воздействия на основе допускаемых уровней повреждения элементов несущей системы при различных требуемых уровнях сохранности конструкций различного вида; разработка и обоснование принципов формирования критериев предельных состояний сейсмостойких конструкций и соответствующих величин параметров принятых критериев, по целевым задачам проектирования сейсмостойких зданий и сооружений при двухуровневом подходе к сейсмическим воздействиям; разработка и обоснование принципов расчетной оценки сейсмостойкости несущих систем на основе дифференцированного учета уровня допускаемых повреждений конструкций; разработка, исследование, верификация и апробация принципов и методов конструирования элементов сложных сейсмостойких несущих систем, состоящих из разнородных конструкций и материалов; разработка, исследование, верификация и апробация принципов и методов повышения сейсмостойкости строительных конструкций существующих зданий и сооружений с учетом оценки риска и эффективности различных мероприятий.

Существующее нормирование оценки сейсмостойкости конструкций соответствует расчетному анализу сейсмической реакции несущей системы, что обеспечивается в рамках линейно-спектрального метода системой коэффициентов, основанных на результатах экспериментальных исследований и данных инженерных обследований последствий землетрясений. Так, ключевой коэффициент такого расчетного анализа – коэффициент динамичности β соответствует динамическому отклику несущей системы. Для элементов ненесущих конструкций (т.е. конструкций, не входящих в состав несущей системы) действующие нормы предлагают подход с применением произведения коэффициентов βη=5.0. Указанный подход был разработан в середине прошлого века и на современном этапе требует существенного уточнения. В НИУ МГСУ проведены инициативные пионерные исследования по оценке коэффициентов динамичности различных видов ненесущих конструкций (навесные фасадные системы, подконструкции для установки оборудования, фальшполы под промышленные нагрузки и проч.), результаты которого демонстрируют широкий разброс коэффициентов динамичности – от 1.6 до 7.2. Установлено, что метод оценки сейсмостойкости ненесущих конструкций с применением произведения коэффициентов βη=5.0 не является ни общим, ни консервативным. В связи с увеличением удельной стоимости фасадных систем и инженерного оборудования в общей стоимости строительного объекта будет разработан (с соответствующим научным обоснованием) расчетно-экспериментальный метод оценки сейсмостойкости ненесущих конструкций, основанный на учете действительных параметров динамического отклика в качестве уникальной динамической характеристики ненесущего элемента, оборудования и т.п.

Для реализации программы исследований в области сейсмостойкости конструкций, зданий и сооружений необходимо осуществление программы развития экспериментальной базы НИУ МГСУ, а именно – строительство и оборудование стенда для испытаний динамическими (аналогичных сейсмическим) воздействиями крупноразмерных моделей конструкций, узлов и фрагментов зданий. Ведущие в области строительства зарубежные университеты имеют в своем парке научного оборудования аналогичные исследовательские установки. С учетом имеющегося в НИУ МГСУ научного потенциала (более 10 докторов технических наук и более 20 кандидатов технических наук Университета проводят исследования в области сейсмостойкого строительства) наличие мощной научной установки по испытаниям конструкций воздействиями, аналогичным сейсмическим, создаст основу для получения научных результатов по формированию новых подходов к обеспечению сейсмостойкости объектов строительства и их оборудования.

Кластер проектов «МГСУ – центр компьютерного моделирования» ориентирован на выполнение расчетно-экспериментальных исследований, научно-методических разработок, экспертиз и мониторинга конструкций, зданий и сооружений, в том числе наиболее сложных, ответственных и уникальных инженерных систем, включая научно-техническое сопровождение, научно-технические и проектно-конструкторские работы с использованием ТИМ-технологий, последующую интеграцию результатов исследований и разработок в образовательный процесс и подготовку кадров.

Научно-педагогические работники Университета обладают уникальным опытом расчетно-теоретических исследований пространственного температурно-влажностного и напряженно-деформированного состояния, устойчивости, прочности и надежности трубопроводов, технологического, электротехнического и подъемно-транспортного оборудования, машин и механизмов, систем «оборудование – трубопроводы», строительных конструкций, систем «основание – наземное сооружение», «основание – подземное сооружение», «основание – сооружение – водохранилище» особо ответственных объектов при учете нормативно регламентированных и фактических сочетаний температурных, статических, ветровых, эксплуатационных (вибрации) и особых динамических (сейсмических, ударно-волновых, аварийных и других) воздействий, а также соответствующего научно-технического сопровождения. Решены сложные, в том числе рекордные по размерности (до 200 миллионов неизвестных) трехмерные стационарные и нестационарные задачи строительной аэродинамики для определения средних и пульсационных составляющих ветровых нагрузок, ветровых нагрузок на фасадные / ограждающие конструкции, пешеходной комфортности, снеговых нагрузок ряда уникальных объектов. Для основных сооружений атомных электростанций (АЭС) различного типа решены задачи уточненного численного моделирования взрывных ударных волн и падения самолета.

Базовым индустриальным партнером для реализации стратегического проекта выступает Акционерное общество «Научно-исследовательский центр СтаДиО» (АО НИЦ СтаДиО, г. Москва), основанное в 1991 году с целью разработки и развития математических моделей, численных, численно-аналитических и расчетно-экспериментальных методов, программно-алгоритмического обеспечения и выполнения автоматизированного проектирования, мониторинга и комплексного наукоемкого расчетно-теоретического и экспериментального обоснования напряженно-деформированного (и иного) состояния, прочности, устойчивости, надежности и безопасности ответственных объектов энергетики, гражданского и промышленного строительства, машиностроения, биотехнологии и других высокотехнологичных отраслей.

Удовлетворение потребностей государства в высококвалифицированных специалистах в области цифровых технологий в строительстве будет осуществляться в том числе на основе: разработки и включения в состав реализуемых ОПОП ВО и СПО дисциплин, модулей дисциплин (образовательных треков), практик, курсовых работ и проектов, формирующих у обучающихся цифровые компетенции, обеспечивающие все этапы жизненного цикла объектов профессиональной деятельности; разработки цифрового образовательного контента для реализации указанных элементов образовательных программ с использованием ДОТ и (или) ЭО; расширения спектра ДПП в рамках проекта «Цифровая кафедра» с привлечением представителей ИТ-компаний и профессионалов-практиков строительной отрасли.