Специалисту гораздо проще реализовывать свои задумки, будучи технически подкованным. Развитием строительных компетенций занимается Московский государственный строительный университет, который, помимо образовательной деятельности, ведет не менее активную работу — научно-исследовательскую.
Российские инновационные технологии для отрасли рождаются именно здесь: мы в этом убедились, получив уникальную возможность наглядно ознакомиться с не имеющими аналогов разработками и процессами испытаний в лабораториях университета.
МАСШТАБ СЕРЬЕЗНЫЙ
Мысля глобально, задача НИУ МГСУ — формирование инновационной научной и образовательной базы подготовки современных строителей и архитекторов для качественной модернизации инвестиционно-строительного комплекса и успешного решения приоритетных задач технологического и социального развития России. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ) объединяет свыше 50 научно-образовательных, научно-исследовательских и испытательных центров и лабораторий, а база научно-технического комплекса НИУ МГСУ — это более четырех тысяч единиц современного оборудования, уникальные приборы и установки мирового уровня. Научную деятельность в университете ведут высококвалифицированные специалисты — доктора и кандидаты наук, инженеры, аспиранты.
«НИУ МГСУ гордится не только своей более чем вековой историей, но и современными достижениями в области подготовки кадров и строительной науки. Научно-технический комплекс университета, объединяющий десятки подразделений, в полной мере соответствует самым высоким отечественным и международным стандартам. Здесь работают ученые и специалисты мирового уровня, возглавляющие ведущие научно-педагогические школы, создавшие уникальные здания, сооружения и комплексы, прославившие нашу страну и ставшие ее визитной карточкой. Результаты проводимых в НИУ МГСУ исследований и разработок способствуют реализации национальных проектов и достижению национальных целей, отвечают на запросы государства в части обеспечения технологической независимости и импортозамещения в отрасли», — выступил перед собравшимися ректор НИУ МГСУ Павел Акимов, добавив, что только в 2022 году строительный университет выполнил свыше 800 научно-исследовательских, научно-технических и экспертно-аналитических работ для более 500 организаций реального сектора экономики, а научно-техническая деятельность вуза позволила за прошлый год дополнительно заработать 1,6 миллиарда рублей.
Заместитель министра науки и высшего образования РФ Айрат Гатиятов в свою очередь сказал, что НИУ МГСУ принимает участие в решении большого количества задач, стоящих сегодня перед строительной отраслью. Например, специалисты вуза проводили аэродинамические испытания моста, который совсем недавно был построен на трассе М-12, а прямо сейчас они осуществляют научное сопровождение строительства Сибирского кольцевого источника фотонов.
«Задачи, которые Правительство сегодня ставит перед строительным блоком, требуют быстрых решений. И консорциум, созданный строительными вузами во главе с МГСУ, является для нас опорой в этой работе. Специалисты университета выступают экспертами в программе капитального ремонта в учреждениях высшего образования, в планах — строительство современного кампуса в самом МГСУ. Все это большие задачи, которые мы вместе будем решать», — сказал он.
Также он напомнил, что МГСУ принимает участие в государственной программе поддержки вузов «Приоритет-2030». Это позволило обновить техническое оснащение университета и сделать его исследования еще более значимыми и результативными.
Статс-секретарь – заместитель министра строительства и ЖКХ РФ Юрий Муценек, вручая сотрудникам вуза ведомственные награды и обращаясь к присутствующим, подчеркнул: строительная отрасль играет важную роль в экономике страны и вместе со смежными отраслями является одним из крупнейших работодателей и налогоплательщиков. Благодаря совместной работе и тем решениям, которые в последние годы реализовывались, наблюдается стабильный рост в отрасли и, несмотря на все ограничения и сложности, достигаются установленные Президентом и Правительством цели. Результаты, которые сегодня демонстрирует стройотрасль, — показатель большой проделанной работы, а основа этой работы — люди. И с этой точки зрения, по его словам, вклад НИУ МГСУ в работу отрасли сложно измерить, особенно обращая внимание на то, что порядка 90% выпускников вуза в 2023 году уже трудоустроены. Согласитесь, очень хороший показатель.
Чтобы посмотреть, как реализуют усвоенную теорию на практике, перемещаемся в лаборатории. Ученые рассказали нам об экспериментах в аэродинамической трубе, продемонстрировали технологию 3D-печати бетоном, показали испытания композитной арматуры на разрыв и другие исследования.
ТРУБА ЗОВЕТ
Для уникальных зданий и сооружений, возведение которых требует особой ответственности, необходимо точное определение ветровых и снеговых нагрузок. В производственной лаборатории аэродинамических и аэроакустических испытаний строительных конструкций университета находится уникальная научная установка — Большая исследовательская градиентная аэродинамическая труба (БИГАТ), которая и помогает это сделать.
Как рассказал директор дирекции научно-технических проектов НИУ МГСУ, профессор кафедры «Железобетонные и каменные конструкции», доктор технических наук и Почетный строитель России Олег Кабанцев, аэродинамическая труба предназначена для комплексных аэродинамических испытаний строительных конструкций, в том числе в градиентных и турбулентных потоках. По его словам, это одна из четырех подобных установок в стране и единственная, которая имеет официальную аттестацию.
«Обычные здания имеют упрощенные инструменты в виде нормативных документов: берем своды правил и смотрим, «откуда ветер дует». Но сейчас уже давно вышли за рамки типичных сооружений, нужны новые инструменты. Чтобы получить полную объективную картину, для них подготавливается теоретическая часть, а затем проводится экспериментальное моделирование в трубе. Каждый из этих компонентов получает значимые результаты и позволяет сделать четкие выводы», — сказал он.
Стоит отметить, что понимание необходимости более глубокого подхода к определению ветровых нагрузок на особо уникальные сооружения, расчету снеговых нагрузок на большепролетные конструкции и изучению вопросов аэродинамической устойчивости высоток, возникло достаточно давно, десятилетие назад (кстати, тогда же и началась работа над данным исследовательским центром). Профессор кафедры информатики и прикладной математики, научный руководитель научно-образовательного центра компьютерного моделирования уникальных зданий, сооружений и комплексов (НОЦ КМ имени А. Б. Золотова) НИУ МГСУ Александр Белостоцкий объяснил: первым делом взялись за математическую модель, впоследствии же занялись созданием «натурных» испытательных систем. Именно синергия двух типов моделирования помогает выработать рекомендации по механической безопасности сооружения — то есть, чтобы оно не упало вследствие влияния на него различных эффектов (флаттера, бафтинга, галопирования, дивергенции, вихревого возбуждения и др.).
Что же такого уникального в самой трубе? Узнали: ветер, генерируемый девятью синхронно настроенными вентиляторами, получается абсолютно ламинарным (поток не содержит внутренних вихрей). Он специально подготовлен так, чтобы вихри образовывались уже непосредственно на образце. Воздух «продавливается» через решетку и получается очень стабильным.
Здесь устанавливали картину обтекания ветровым потоком и влияние различных погодных условий на устойчивость башни Национального космического центра (НКЦ), сопоставляли результаты численного и экспериментального моделирования кинотеатра «Ударник», планируемого к реконструкции, апробировали экспериментальный макет серфинг-парка «Волна» и новый мост в Рублеве-Архангельском. И это лишь несколько крупных московских объектов. Вообще же испытательный стенд «повидал» объекты со всей России: он анализировал «поведение» крытого футбольного манежа в Челябинске, снеговую нагрузку на спортивные объекты в Южно-Сахалинске, модели строительства курорта «Манжерок», где ветровые потоки километровых горных вершин настолько сильные, что даже окно прикрутить сложно.
Кроме того, испытания проектных решений могут выявить их недостатки до строительства. После исследований в аэродинамической трубе специалисты НИУ МГСУ могут помочь это улучшить, формируя основные методы расчета сооружений и выдвигая рекомендации. Так и произошло при работе с мостом через Оку, который строится на участке трассы М-12. Оказалось, что проектировщики разработали не самые лучшие обтекатели ветра, а те, что предложили эксперты НИУ МГСУ, дают максимальный эффект при продувании. Как результат — на мосту, где сейчас уже завершена надвижка и скоро ожидается ввод в эксплуатацию, применены решения ученых.
3D — НИОКР
В мире уже есть показательные проекты с использованием 3D-принтера: например, при участии российских специалистов из Apis Cor в Дубае был напечатан самый большой дом (площадь — 641 «квадрат»), сейчас он используется как офис. Вообще к 2030 году в Дубае планируют вводить до 25% новых зданий с помощью данной технологии. Однако секрет в таком методе возведения кроется не только в повышении производительности труда: вся «соль» — в правильном рецепте бетонной смеси. Она должна иметь одинаковые свойства как в начале печатаемого элемента, так и в конце, не трескаться под собственной тяжестью, выдерживать разные температуры. Кстати, требуемый состав для 3D-принтера Apis Cor разрабатывали в МГСУ, рассказал младший сотрудник лаборатории материаловедения университета Павел Воробьев.
Пока мы наблюдали, как стоящий рядом со спикером принтер печатал образец строительной конструкции, он заверил, что за одни сутки возможно напечатать до 100 квадратных метров ограждающих конструкций одного этажа здания. Получается, всего несколько дней — и коттедж готов! При желании, строительные «чернила» получится найти на отечественном рынке стройматериалов. Но сказать о том, насколько это сейчас выгодно и применимо к массовой жилой застройке, сложно. По словам эксперта, каждый такой проект — это целый новый НИОКР, и это усложняет выход 3D в массы, удорожая стоимость.
В целом, на основе использования технологии 3D-печати бетоном возможен переход к массовому строительству домов по индивидуальным цифровым проектам. Методика «цифрового строительства» включает в себя все этапы — от цифрового проекта конструкций здания через программу управления принтером к изготовлению («печати») конструкций индивидуальных форм.
Ну а пока что внедрять аддитивные технологии в строительстве ученые НИУ МГСУ успешно помогают: сотрудничая все с теми же ребятами из Apis Cor, в рамках конкурса NASA они помогали создать рецептуру бетонов для 3D-печати конструкций на Марсе.
Что по рынку базовых сухих строительных смесей? Здесь работа тоже кипит. По словам научного сотрудника НИИ строительных материалов и технологий (СМиТ НИУ МГСУ) Анастасии Абрамовой, отрасль как раз набрала нужные обороты и объемы, чтобы можно было обеспечить рынок кадрами и технологиями. Появились перспективы импортозамещения и создания нового направления в России по производству сухих строительных смесей. С внедрением разработок НИУ МГСУ отрасль производства материалов для сухих смесей стала практически импортонезависимой — более 90% используемых в России сухих строительных смесей изготавливаются целиком из отечественного сырья. Некоторые разработанные продукты на момент вывода на рынок не имели аналогов в мире: например, беспыльные сухие строительные смеси.
В лабораториях ведомства проводятся испытания фасадных, теплоизоляционных, композиционных материалов, проверяются их основные свойства (в частности адгезия), разрабатываются специальные добавки для улучшения прочностных качеств и показателей по долговечности. Патентов на новые разработки нам не раскрыли, но мы бы все равно не смогли бы вам их пересказать. Главное, что заказчики довольны.
Постигли технологию реверс-инжиниринга, которая позволяет «разложить» на части исследуемый стройматериал и дает понять, из каких элементов он состоит: что было вяжущим элементом, какой был заполнитель. Это направление особо полезно в работе реставраторов.
ГРУНТ ФУНДАМЕНТУ ГОЛОВА
Путешествие по технологической долине МГСУ завело в лабораторию по изучению грунтов. Они, по словам Олега Кабанцева, не требуют суеты. Здесь проводят долгие, но ценные испытания, ведь они дают представление о грунтовых механических характеристиках, без которых здания пришлось бы строить с большим прочностным запасом, а это дорого. Представьте себе реакторное отделение атомной электростанции. Колоссальные нагрузки на грунт! И если плохо понимать, что будет с ним сегодня и через несколько лет, придется потратить немало средств при сооружении фундамента.
Динамические испытания грунтов необходимы для строительства в особо опасных сейсмических районах, либо если само сооружение создает динамическую нагрузку на земле или под ней (практически все станции метро!)
В качестве наглядной демонстрации ученые показали испытания грунтов, которые помогают обеспечивать технологический суверенитет при проектировании и строительстве объектов атомной энергетики. Более того, корректные результаты исследований физико-механических характеристик грунтов оснований высоконагруженных фундаментов, к которым относятся реакторные отделения АЭС, позволяют снизить технико-экономические затраты на 30%. Отметим, что более 90% лабораторного оборудования здесь — российского производства.
ПОЛИМЕРЫ-КОМПОЗИТЫ
В лаборатории испытания строительных материалов, конструкций и изделий работают с производителями стройматериалов, застройщиками, R&D центрами и реальным сектором экономики. Нас пригласили посмотреть на испытания прочности полимерно-композиционных материалов (между прочим, внедрение материалов из стекло-, базальто- и углепластиковых композитов в конструкции объектов строительства ведет к повышению эксплуатационной пригодности зданий и сооружений в три раза и снижению себестоимости отдельных строительных конструкций до 30%). К тому же, как рассказал руководитель НИИ экспериментальной механики Олег Корнев, теперь Россия занимает первое место по опыту применения подобных материалов в строительстве, хотя раньше композитная промышленность не была развита от слова «совсем». Развитие отрасли началось здесь.
Т-р-р-р, звенит «умная» балка. Это ее пытались сломать, и она, конечно же, «устала», прозвенев всеми установленными в ней датчиками о перегрузе. Композитная арматура с новыми волокнами, разработанными в России, тоже трещит, но красиво не рвется. Недотрога попалась, шутит Олег. В малой лаборатории нашли и шпунтовые соединения, разработанные совместно с композитным дивизионом Росатома — выступает фильтрационной завесой и ограждающей конструкцией в грунтах, различные сетки.
Раз есть малая лаборатория, значит, есть и большая, спросите вы? Конечно, она расположена в Мытищах. Уж здесь строителям-экспертам есть, где разгуляться. Проверить дом на огнестойкость лучше, чем МЧС, крушить реальные монолитные конструкции, сымитировать 8-балльное землетрясение, испытывая фасады. Никакого масштабирования!
Эти прорывные инновационные решения ученых университета помогают сократить сроки строительства, увеличить жизненный срок эксплуатации зданий и сооружений, снизить и оптимизировать трудозатраты, а также уменьшить операционные издержки.
Технологии — новое строительное «золото».
