Ученые оценили эффективность оптимизации конструкций из железобетона

12:45, 6 августа 2026

Большинство моделей не описывает все характеристики, полагают исследователи

Исследователи Уральского федерального университета проанализировали эффективность использования современных методов топологической оптимизации в сборных железобетонных конструкциях. Это методы компьютерного моделирования, которые позволяют определить наиболее рациональное распределение материала внутри конкретной области. В результате подбирается оптимальное соотношение — формируются эффективные пути передачи нагрузок и удаляются те участки, которые практически не участвуют в работе конструкции. Таким образом можно существенно уменьшить массу сборной конструкции, расход бетона и арматуры, сохранив необходимые показатели прочности и жесткости.

«Большинство известных методов топологической оптимизации создано для анализа непрерывных, по сути, монолитных конструкций. В сборном железобетоне нагрузка передается между отдельными элементами через стыки, соединительные детали, арматуру и закладные детали. Поэтому для задачи оптимизации сборных конструкций необходимо учитывать не только распределение материала, но также нелинейную работу соединений, механизмы трещинообразования, технологию изготовления конструкций, их транспортировку и последовательность монтажа», — пояснил соавтор работы, директор института строительства и архитектуры УрФУ Никита Фомин.

Для анализа ученые изучили более 360 исследований, опубликованных с 2000 по 2025 год. Исследование показало, что разные методы топологической оптимизации обладают различными преимуществами. Дискретный метод базовой структуры (Ground Structure Method) хорошо визуализирует пути передачи усилий и облегчает переход к стержневым моделям и проектированию арматуры. Методы гомогенизации SIMP чаще применяются для повышения эффективности использования материала и определения рациональных силовых траекторий. Методы ESO и BESO удобны для получения дискретных решений, а методы уровня — LSM и PLSM — позволяют включать в оптимизационную модель геометрические ограничения.

«Сравнительный анализ опубликованных результатов подтвердил, что топологическая оптимизация может существенно снижать материалоемкость сборных железобетонных конструкций. При этом величина эффективности зависит от типа конструкции, производственной технологии и количества ограничений, включенных в расчет, — добавляет соавтор, инженер-исследователь кафедры промышленного, гражданского строительства и экспертизы недвижимости УрФУ Сяо Шотин. — Достаточный объем анализа оптимизированной конструкции или ее экспериментальная проверка были представлены только в 32,9 % работ. Таким образом установлено, что в двух третях исследований не было полного подтверждения того, что найденная оптимальная форма сохранит заявленные характеристики после преобразования расчетной модели в реальное изделие. Заявленные показатели сокращения расхода материалов и повышения жесткости конструкций следует интерпретировать как ориентировочные результаты, а не как готовые алгоритмы для инженерного проектирования».

Одно из основных препятствий для применения метода на практике — недостаточный учет соединений между сборными элементами, добавляют исследователи. Большинство исследованных моделей не описывает в полной мере проскальзывание арматуры, снижение жесткости стыков, раскрытие и закрытие трещин, а также совместную работу бетона, арматуры, закладных деталей, заключают ученые.

Обзор методов топологической оптимизации специалисты опубликовали в журнале Archives of Computational Methods in Engineering.

Анна Маринович

Уральский федеральный университет — ведущий вуз России, участник программы «Приоритет-2030». Современный кампус УрФУ в Новокольцовском районе Екатеринбурга, возведенный в рамках нацпроекта «Молодёжь и дети», выступает одной из площадок проведения Международного фестиваля молодёжи — 2026.