Razvoj, modeliranje in optimiranje objektov in procesov v gradbeništvu in prometu

Zaradi zelo interdisciplinarne sestave raziskovalnega programa, ki pokriva različne segmente modeliranja in optimiranja s področja gradbeništva in prometa, bo vsebina programa sestavljena iz različnih sklopov, ki pa bodo v največji možni meri medsebojno povezani. S področja večetažne lesene gradnje bo raziskovalno delo v glavnem usmerjeno v modeliranje in optimiranje sistemov večetažnih montažnih lesenih konstrukcij, ki jih bomo analizirali v različnih evropskih klimatskih okoljih s precej različno veterno in potresno intenziteto, ter pri tem simultano integrirali tako konstrukcijski kot energijski vidik. Dosedanje poznane študije večetažno leseno gradnjo večinoma obravnavajo le separativno iz vidika energetskih in okoljskih kazalnikov, ali pa samo iz konstrukcijskega vidika, pri tem pa okoljskih in konstrukcijskih vidikov simultano ne integrirajo. Takšen razviti integriran model bi tako omogočal optimalno zasnovo večetažnega lesenega objekta v različnih evropskih klimatskih pogojih, pri čemer bi kot variabilne parametre upoštevali tako temperaturne in solarne pogoje, kakor tudi obtežbi vetra in potresa. Na področju optimizacije gradbenih konstrukcij se bomo ukvarjali z več-parametrično optimizacijo različnih stropnih sistemov, stebrov in konstrukcij enonadstropnih hal. Prvi cilj raziskave bo razvoj optimizacijskih modelov takšnih konstrukcij in definiranje podrobnih stroškovnih namenskih funkcij konstrukcij, tudi z upoštevanjem življenjskega cikla konstrukcij. Drugi cilj bo razvoj ustrezne MINLP strategije za dosego optimalnega rezultata. Raziskave bodo potekale tudi na razvoju modela za stroškovno optimizacijo planov gradbenih projektov, ki združuje mešano celoštevilsko nelinearno programiranje (MINLP) in orodja za management projektov (PMT). S področja prometa in prometnih gradenj bo raziskovalno delo v glavnem usmerjeno v dve področji. Prvo je področje načrtovanja in upravljanju sestavin prometnega sistema, drugo pa predstavlja modeliranje in optimiranje novih tipov nivojskih križišč in izvennivojskih vozlišč, ki jih bomo analizirali glede na različne jakosti prometnih tokov, različne lokacije izvedbe oz. različne gostote poselitve (strnjeno mestno okolje, razgibano mestno okolje, ruralno okolje) in različne vrste motoriziranih udeležencev v prometu. S področja digitalizacije in avtomatizacije v gradbeništvu bo raziskovalno delo v glavnem usmerjeno v modeliranje in optimiranje vseh sistemov, ki tvorno prispevajo k interdisciplinarni povezanosti posameznih področij celotne programske skupine tj. lesena gradnja, mehanika loma, optimiranje konstrukcij in procesov ter promet in prometne gradnje. Bistvena novost razvite metode avtomatskega kontinuiranega spremljanja procesa gradnje (ACCPM) bo v postopku zajemanja podatkov, ki omogoča celovito ter zanesljivo avtomatsko spremljanje skozi celoten proces gradnje.

S področja obravnavane večetažne lesene gradnje bodo pričakovani rezultati programa izkazovali prvi doslej razvit multidisciplinarni znanstveni pristop k razvoju smernic za načrtovanje večetažne lesene gradnje po svetu, prilagojene različnemu lokalnemu kontekstu, oziroma različnim klimatskim pogojem. Takšen pristop sočasno upošteva tako konstrukcijske, kot energijske zahteve. Dosedanja znanstvena literatura namreč ne obravnava tovrstnih raziskav, ki bi k tej problematiki pristopale celovito, prav tako obstoječa regulativa ne podaja smernic, kako postopati ob hkratni arhitekturni, konstrukcijski, energijski in okoljski obravnavi zasnove večetažnih lesenih stavb. Hkrati bodo v sklopu raziskovalnega dela tudi dokončno razviti double-skin leseni fasadni elementi kot primarni nosilni elementi na horizontalno obtežbo, ki bodo s tem razširili potencial uporabnosti večetažne lesene gradnje tudi v klimatskih področjih s povečano horizontalno obtežbo (veter, potres). Pričakovani rezultati sklopa matematičnega modeliranja razpokanih vitkih nosilcev bodo najprej ponudili zelo široko uporaben nabor končnih elementov prečno razpokanih nosilcev za različna spreminjanja prečnega prereza vzdolž končnega elementa. Ti elementi bodo direktno uporabni za vse tri konstrukcijsko tipične analize (statično, dinamično in stabilitetno). Z njimi bo namreč omogočena odlična alternativa osnovnega modeliranja razpokanosti elementov, ki ga je potrebno upoštevati med analizo potresnih vplivov na konstrukcijo. Na področju optimizacije konstrukcij se bomo ukvarjali z več-parametrično optimizacijo različnih stropnih sistemov, stebrov in konstrukcij hal. Konstrukcije bomo optimirali v armirano-betonski, jekleni, leseni in sovprežni izvedbi za različne razpone in obtežbe. V ta namen bomo izdelali (ali nadgradili obstoječe) optimizacijske modele omenjenih konstrukcij ter definirali (ali nadgradili obstoječe) podrobne namenske funkcije lastnih izdelavnih stroškov konstrukcij (material, delo, energija) z upoštevanjem stroškov življenjskega cikla. Primerjava rezultatov takšne več-parametrične optimizacije omenjenih konstrukcij doslej še ni bila izvedena. Vzdržno planiranje, v smislu neprekinjenega optimalnega dodeljevanja časa in sredstev tekom celotnega življenjskega cikla projekta, je široko prepoznano kot pomembna tema operativnega gradbeništva. Za gradnjo je običajno značilna raznolikost pogodbenih del, ki zahtevajo različne udeležence, od katerih so mnogi hkrati obremenjeni tudi z dejavnostmi pri drugih poslih. Poleg tega se gradbeni projekti pogosto izvajajo v stohastičnih in dinamičnih okoljih, pod vplivom vremena in specifičnih pogojev lokacije. Vse omenjene posebnosti in dejstvo, da napačne odločitve, sprejete pri gradnji z visoko vrednostjo, lahko resno ogrozijo poslovni uspeh ali celo obstoj izvajalca na trgu, pojasnjujejo izpostavljeno potrebo gradbene industrije, da se v planiranje nalog vključijo orodja za upravljanje projektov (PMT), ki so podprta z optimizacijo in bodo razvita v tem projektu. S področja prometa in prometnih gradenj bodo rezultati raziskav opora odločevalcem v mestih in državi pri strateških in taktičnih odločitvah o razvoju in investicijah v prometu. S področja digitalizacije in avtomatizacije v gradbeništvu bodo rezultati programa vsekakor prispevali k razvoju interdisciplinarnega znanstvenega pristopa vsled raznolikosti področij Programske skupine v okviru programa. Prav BIM pristop predstavlja povezovalno platformo v okviru programa in naslavlja digitalizacijo v gradbeništvu. Specifično nadgradnjo na področju avtomatizacije v gradbeništvu pa predstavlja optimizacija novo razvite metode avtomatskega spremljanja procesa gradnje (ACCPM) v fazi izvedbe gradbenih projektov. Pričakovani rezultati vodijo v razvoj prototipa (TRL 1-3), ki kot takšen še ni bil razvit in kjer je predvidena tudi zaščita intelektualne lastnine s prijavo patenta. Slednje nakazuje inovativnost razvite metode na področju avtomatizacije v gradbeništvu.

Ker so lesene zgradbe ekološko najprimernejši način gradenj, lahko razvoj omenjenega področja bistveno prispeval k boljšemu okoljskemu izkazu slovenskega, v širšem kontekstu pa tudi mednarodnega stavbnega fonda. Prav tako bo delo skupine ciljno usmerjeno tudi na kazalnike bivalnega ugodja v samih objektih, kar bo lahko bistveno prispevalo k izboljšanemu počutju in zdravju bivajočih v takšnih objektih. Kakovost bivanja je izredno pomemben dejavnik v kontekstu družbenega vidika trajnostnega razvoja, saj ima neposreden vpliv na počutje, zdravje in delovno učinkovitost uporabnikov stavb ter v širšem pomenu na celotno družbo. Hkrati bomo z rezultati raziskovalnega dela lahko bistveno prispevali k večji izrabi pogozdenosti v Sloveniji. Vpliv razvitih rešitev s področja modeliranja razpokanih vitkih nosilcev je mogoč pri varstvu kulturne dediščine pri ohranitvi in varovanju fonda spomeniško zaščitenih stavb. Z razvitimi optimizacijskimi modeli bomo optimirali tudi trajnostni dobiček, pridobljen pri proizvodnji konstrukcij. Optimizacija bo zajemala ekonomski dobiček, socialni dobiček ter emisije toplogrednih plinov. Upoštevali bomo tudi stroške vzdrževanja, odstranitve in reciklaže konstrukcij. Na ta način bomo z optimizacijo konstrukcij pripomogli k zmanjšanju proizvodnih stroškov in porabe materiala ter dvigu zaposlenosti in konkurenčnosti podjetij. Hkrati se bomo vključili v proces ocene življenjskega cikla LCA ter prispevali k varovanju okolja in ohranjanju naravnih virov. Digitalizacija in avtomatizacija v gradbeništvu je neposredno vključena v razvoj družbe kot celote, predvsem pri dejavnostih, ki naj Slovenijo umestijo kot zeleno, aktivno, zdravo in digitalno regijo z vrhunskimi pogoji za ustvarjanje in inoviranje, usmerjeno v razvoj srednje in visoko tehnoloških rešitev s strateško usmeritvijo v trajnostne tehnologije in storitve za zdravo življenje. Navedeno zagotavljamo z optimalnim projektiranjem gradbenih projektov z interdisciplinarno strokovno obravnavo, kjer BIM pristop predstavlja platformo za celovito in trajnostno izvedbo gradbenih projektov tekom celotnega življenjskega cikla gradbenega projekta. Na področju prometa in prometnih gradenj se pričakujeta dva potencialna vpliva. Rezultati bodo ponudili znanstveno in strokovno podlago za usmerjanje in prerazporejanje javnih proračunskih sredstev, namenjenih prometu in mobilnosti. Z razvitimi podlagami bodo ustvarjeni nekateri pogoji za konkuriranje na evropska sredstva na področju trajnostnega razvoja ter investicij v prometno infrastrukturo. Drugi vpliv je za pričakovati na področju zdravja oz. koristi družbe kot celote. Upoštevaje odgovornost države za zagotovitev zdravja, varnosti in varstva okolja na eni in stroške posledic prometnih nesreč (leto 2019, strošek prometne nesreče s smrtnim izidom 2.074.870 €) je popolnoma jasno, da bo vsako zmanjšanje števila prometnih nesreč v večnivojskih vozliščih imelo velik vpliv na družbo. Cilji projekta so prav tako skladni s Strategijo razvoja Slovenije 2030, katere cilja sta med drugim Zdravo in aktivno življenje (z zmanjševanjem tveganja za zdravje ljudi, ki izhajajo iz onesnaženosti okolja in podnebnih sprememb) ter Nizkoogljično krožno gospodarstvo (s spodbujanjem inovacij za razvoj novih proizvodov za učinkovito rabo surovin, energije ter s prilagajanjem na podnebne spremembe) (Strategija razvoja Slovenije 2030, 2017). Prav tako cilji projekta sovpadajo z naslednjimi cilji trajnostnega razvoja v okviru Agende 2030 (United Nations Agenda 2030): - Cilj 3: Zdravje in dobro počutje: Z ustrezno zasnovo večetažnih lesenih stavb bi zagotovili veliko novih uporabnih površin (stanovanjska namembnost, poslovna namembnost, ipd.) z visoko kakovostjo notranjega okolja, kar rezultira v visoki stopnji bivalnega ugodja, ki pozitivno vpliva na zdravje, počutje in delovno učinkovotost uporabnika. - Cilj 13: Podnebni ukrepi: Lesena večetažna gradnja prinaša v gradbeni sektor potencial nižanja emisij toplogrednih plinov in emisijske intenzivnosti pri porabi energije.