Mam wrażenie, że o przyszłości budownictwa zbyt często opowiadamy przez pryzmat nowych materiałów. Sam zresztą często łapię się na tym, że najłatwiej ekscytować się betonem, który sam się naprawia, drewnem, które może zastąpić część stali, albo materiałem, który potrafi wiązać dwutlenek węgla zamiast tylko zostawiać po sobie klimatyczny rachunek. Łatwo wtedy uwierzyć, że przełom zawsze musi przyjść z laboratorium chemicznego, ale wygląda na to, że najważniejsza zmiana może nadejść z zupełnie innej strony.
Budownictwo ma problem, którego nie da się przykryć
W 2022 roku globalna produkcja materiałów budowlanych odpowiadała za ponad 7 procent całkowitych emisji dwutlenku węgla. W tej liczbie mieszczą się ogromne ilości cementu, stali, betonu, szkła, drewna konstrukcyjnego i wszystkich elementów, bez których współczesne miasta nie istnieją. Trudno jednak to ograniczyć, bo budownictwo jest fundamentem komfortu, bezpieczeństwa, transportu i gospodarki. Tyle tylko, że ten fundament kosztuje sporo i dlatego tak mocno interesują mnie technologie, które nie próbują jedynie podmienić jednego materiału na drugi, lecz zmieniają sam sposób projektowania.
Czytaj też: Gruz z budowy czy materiał przyszłości. Ten metal waży prawie trzy razy mniej niż powinien
Walka naturalnie trwa. Opisywałem jej przykłady m.in. przy budynkach pochłaniających dwutlenek węgla, gdzie nie chodzi wyłącznie o nowy skład betonu, ale o inne liczenie jego cyklu życia. W podobnym kierunku zabrał mnie też temat materiału ESM o ujemnym śladzie emisyjnym, bo tam również najciekawsze jest przesunięcie myślenia z “czym budować?” na “jak projektować cały system?”. Badacze z MIT poszli jednak jeszcze głębiej.
Tym razem naukowcy wzięli na warsztat optymalizację topologiczną, czyli metodę komputerowego projektowania struktur, w której algorytm rozkłada materiał w zadanej przestrzeni tak, aby uzyskać możliwie najlepszą nośność przy jak najmniejszej masie. W najprostszym ujęciu komputer dostaje warunki brzegowe, obciążenia i ograniczenia, a potem szuka kształtu, który nie marnuje surowca tam, gdzie nie pracuje on konstrukcyjnie.
W teorii brzmi to jak marzenie inżyniera, ale w praktyce przez lata było bardziej ciekawostką badawczą niż narzędziem codziennego budownictwa.
Algorytm potrafił projektować cuda. Tylko że nikt nie chciał ich budować
Optymalizacja topologiczna nie jest nowym pomysłem. Jej efekty kojarzymy choćby z elementami drukowanymi w 3D, lotnictwem, motoryzacją i projektami, w których każdy gram masy ma znaczenie. Problem zaczyna się wtedy, gdy zamiast wspornika do maszyny albo lekkiego elementu technicznego chcemy zaprojektować most, strop albo kratownicę budynku.
Klasyczne projekty generowane przez takie algorytmy często przypominają organiczne pajęczyny. Wyglądają jak z kosmosu, bywają bardzo oszczędne materiałowo, ale z punktu widzenia wykonawcy potrafią być koszmarem. Zbyt wiele nietypowych połączeń, zbyt małe elementy, zbyt dziwne kąty, zbyt skomplikowany montaż. Budownictwo zaś nie działa jak drukarka 3D, która odtwarza kształt warstwa po warstwie.
Czytaj też: Energia słoneczna dostała dziwnie żywy nośnik. Ten materiał przebudowuje sam siebie
Właśnie w tym miejscu nowe podejście MIT jest ciekawe. Zane Hallowell Schemmer i Josephine Voigt Carstensen nie próbują udowodnić, że komputer może narysować najbardziej odchudzoną konstrukcję na świecie. Znacznie ważniejsze jest coś innego, bo ich framework pozwala wprowadzać ograniczenia, które pilnują, aby wynik optymalizacji nie był wyłącznie matematycznie elegancki, ale również możliwy do zbudowania dzisiejszymi sposobami.
Użytkownik może na dodatek ograniczyć liczbę elementów spotykających się w jednym węźle, ustalić minimalny kąt między połączonymi częściami, narzucić minimalne rozmiary elementów i uwzględnić zasady wynikające z użycia różnych materiałów. Dla mnie właśnie tutaj zaczyna się sens tej pracy, które naturalnie przyciąga uwagę hasłem o 90-procentowym ograniczeniu użycia materiału.
Stal, drewno i algorytm, który nie wierzy w magiczne mieszanki
Jednym z najciekawszych elementów badania jest podejście wielomateriałowe. W tradycyjnym uproszczeniu można powiedzieć, że drewno jest lepsze klimatycznie, stal jest mocniejsza, beton jest tani i powszechny. Tyle że infrastruktura nigdy nie sprowadza się do tak prostych kwestii, bo dany materiał pracuje inaczej w ściskaniu, inaczej w rozciąganiu, inaczej w połączeniach i inaczej w lokalnym łańcuchu dostaw.
MIT wykorzystał do tego algorytmy mieszane całkowitoliczbowe, czyli takie, które potrafią podejmować dyskretne decyzje. Element nie jest więc “trochę stalowy i trochę drewniany” w abstrakcyjnym, matematycznym sensie. Algorytm musi zdecydować, że dana belka, pręt albo lina będzie wykonana z konkretnego materiału i sprawdzić, czy połączenia spełniają warunki wytrzymałościowe. Takie podejście jest bliższe budowie niż akademickiemu szkicowi, bo na placu budowy nie zamawia się pręta złożonego w 72 procentach z drewna i w 28 procentach ze stali.
Dochodzi do tego uwzględnienie właściwości materiałowych. Stalowy pręt może dobrze przenosić ściskanie, ale stalowa lina już nie zachowa się tak samo. Drewno ma własne reguły połączeń, stal ma inne, a hybrydowa konstrukcja nie jest prostym zlepkiem obu światów. W praktyce właśnie połączenia często decydują o tym, czy efektowny projekt da się wykonać bez mnożenia kosztów i ryzyk.
Czytaj też: 550 km/h bez budowania kolei od zera. Polski hyperloop uderza w największy problem transportu przyszłości
Badacze testowali swoje podejście na konstrukcjach kratownicowych dla budynków i mostów. Jednym z przykładów była inspiracja mostem Lockport “Upside-Down Bridge” nad Kanałem Erie w pobliżu Buffalo. Na jego podstawie powstały warianty drewniane, stalowe oraz hybrydowe, czyli łączące oba materiały. Zmienianie ograniczeń wpływało nie tylko na kształt konstrukcji, ale także na związane z nią emisje. Właśnie ten element uważam za najważniejszy, bo najniższy ślad węglowy nie zawsze wynika z mechanicznego zastąpienia jednego materiału drugim. Czasem algorytm pokaże, że drewno warto zastosować tam, gdzie daje największą korzyść emisyjną, a stal zostawić tam, gdzie jej wytrzymałość zapobiega przesadnemu rozrostowi całej konstrukcji.
Jaka będzie przyszłość budownictwa? Prosta na pewno nie
Podobny wątek optymalizacji pojawia się przy CLT i ekologiczności drewna w budownictwie. Sam materiał nie rozwiązuje wszystkiego, jeśli projektowanie, transport, lokalna dostępność i eksploatacja nie zostaną policzone razem. Największy błąd, jaki można popełnić przy takich tematach, polega na szukaniu jednego bohatera. Przyszłe budownictwo będzie raczej sztuką dobierania właściwych materiałów do właściwych miejsc niż prostym pożegnaniem ze stalą, betonem czy drewnem.
W tym sensie nowe narzędzie MIT pasuje do szerszej zmiany, którą coraz częściej widzę w nauce o materiałach i inżynierii. Przyszłość nie polega wyłącznie na wymyślaniu cudownych substancji. Równie istotne staje się mądrzejsze używanie tego, co już mamy. Przy betonie z biowłóknami chodziło o trwałość i samonaprawę. Przy cementowej karbonatyzacji chodzi o precyzyjniejsze liczenie bilansu dwutlenku węgla. Przy optymalizacji topologicznej chodzi natomiast o pytanie, czy w ogóle musieliśmy tyle materiału zastosować, aby wznieść daną konstrukcję.
Źródła: MIT News
