مهندسی عمران در عصر تحول دیجیتال و پایداری: تلفیق سازه های هوشمند، مواد پیشرفته، مدل سازی اطلاعات ساختمان و زیرساخت های تاب آور

مهندسی عمران به عنوان یکی از قدیمی ترین و گسترده ترین شاخه های مهندسی، با چالش های بی سابقه ای نظیر فرسودگی زیرساخت ها، تغییرات اقلیمی، رشد سریع شهرنشینی، کمبود منابع و ردپای زیست محیطی عظیم مواجه است. این مقاله با هدف بررسی تحول پارادایم های مهندسی عمران و ارائه ی چارچوبی یکپارچه از سازه های هوشمند و تاب آور، مواد پیشرفته و پایدار، ژئوتکنیک پیشرفته، حمل و نقل پایدار، مدیریت منابع آب، مدل سازی اطلاعات ساختمان و دوقلوی دیجیتال، و پایش سلامت و نگهداری پیش بینی کننده تدوین شده است. مرور پیشینه ی پژوهش در پنج نسل نشان می دهد که مهندسی عمران از تحلیل های دستی و خطی و مواد سنتی به شبیه سازی های غیرخطی سه بعدی، مواد هوشمند، سیستم های کنترل پیشرفته و دیجیتالی شدن کامل تکامل یافته است. تحلیل داده های تجربی حاصل از پژوهش های میدانی متعدد حاکی از آن است که جداسازهای لرزه ای شتاب طبقه را تا ۷۵ درصد کاهش می دهند و نسبت هزینه به فایده ۱ به ۸ تا ۱ به ۱۵ دارند. کامپوزیت های فیبرپلیمری مقاومت فشاری ستون ها را ۵۰ تا ۲۰۰ درصد افزایش و هزینه ی مقاوم سازی را ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش می دهند. مدل سازی اطلاعات ساختمان تداخلات را ۶۰ درصد کاهش و دقت برآورد کمیت مصالح را به ۹۴ درصد افزایش می دهد. بتن فوق توانمند با مقاومت فشاری ۱۸۰ تا ۲۵۰ مگاپاسکال و انرژی شکست ۲۰ تا ۴۰ برابر بتن معمولی، امکان ساخت اعضای باریک با دهانه های بلند را فراهم می کند. مدیریت ساخت ناب، دوباره کاری را از ۸/۲ درصد به ۴/۱ درصد کاهش می دهد. بهینه سازی توپولوژی وزن سازه را به طور میانگین ۴۵ درصد کاهش می دهد. سازه های چوبی انتشار کربن نهفته را به ۵۰ کیلوگرم بر مترمربع در مقایسه با ۲۸۰-۳۵۰ کیلوگرم برای فولاد و بتن کاهش می دهند. پوسته های هوشمند مصرف انرژی ساختمان را ۴۵ درصد کاهش می دهند. باوجود پیشرفت های چشمگیر، فرسودگی زیرساخت ها با نمره ی D+ در آمریکا و نیاز به سرمایه گذاری ۵/۹ تریلیون دلاری تا ۲۰۴۰، کمبود نیروی کار ماهر و نابرابری در دسترسی، چالش های جدی هستند. این مقاله با ارائه ی یک چارچوب نظری و تحلیل داده های معتبر، نشان می دهد که مهندسی عمران باید به مثابه ی یک سیستم یکپارچه و پویا در نظر گرفته شود. در پایان، پیشنهادهای تئوری شامل تدوین نظریه ی طراحی یکپارچه ی ایمنی-پایداری-تاب آوری-هوشمندی، پیشنهادهای کاربردی شامل سرمایه گذاری در بازسازی زیرساخت ها و الزام مدل سازی اطلاعات ساختمان، و پیشنهادهای پژوهشی شامل توسعه ی الگوریتم های یادگیری عمیق و پژوهش بر روی مواد هوشمند خودترمیم ارائه شده است.

کلیدواژه ها:

مهندسی عمران ، سازه هوشمند ، بتن فوق توانمند ، جداساز لرزه ای ، مدل سازی اطلاعات ساختمان ، دوقلوی دیجیتال ، پایش سلامت سازه ، زیرساخت پایدار