Методы решения научно-технических задач в строительстве

А. П. СВИНЦОВ








            МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ




Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 001.8:69
ББК 38.1
    С24


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Сибирского государственного индустриального университета (г. Новокузнецк) Э. Я.Живаго;
доктор технических наук, профессор Дальневосточного федерального университета (г. Владивосток) Р. С. Федюк




        Свинцов, А. П.

С24        Методы решения научно-технических задач в строительстве : учеб-
     ное пособие / А. П. Свинцов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 124 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1386-2

            Представлены основные подходы к решению научно-технических задач в строительстве, приведены наиболее часто применяемые методы математического и физического моделирования, планирования экспериментов и статистической обработки данных, предложены рекомендации по патентной защите технических и технологических решений, изложены рекомендации по представлению результатов решения научнотехнических задач.
            Для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство».

УДК 001.8:69
ББК 38.1














ISBN 978-5-9729-1386-2

     © Свинцов А. П., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ВВЕДЕНИЕ





     Решение научно-технических задач является основной деятельностью большинства специалистов в любой технической области, в том числе, и в строительстве. В повседневной производственной деятельности инженер-строитель решает множество технических и технологических задач, базируясь на научные знания. В современных условиях невозможно решить ни одну значимую техническую или технологическую задачу без использования науки. Интенсификация интеллектуального труда требует от специалистов соответствующей квалификации и уровня ответственности знания и умения выполнять научные и экспериментальные исследования, анализировать полученные данные, обобщать и представлять результаты. Умение находить наиболее рациональные и экономичные технические и технологические решения, уверенное ориентирование в научно-технической информации, представление результатов своей работы - суть требований к специалистам современного уровня.
     Дисциплина «Методы решения научно-технических задач в строительстве» предназначена для систематизации знаний студента магистратуры, полученных при обучении в бакалавриате.
     В учебном пособии представлены разделы: теоретические исследования; экспериментальные исследования; техническое и технологическое решение научно-технической задачи в строительстве; обобщение результатов исследования.
     Успешное освоение дисциплины «Методы решения научно-технических задач в строительстве» позволяет специалисту не только рационально организовать свою интеллектуальную работу, но и эффективно управлять творческой деятельностью исследователей.

3

                ГЛАВА I. ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ




            1.1. Науковедческие аспекты методологии научного исследования


     Развитие строительной отрасли сопряжено с необходимостью решения многих научно-технических задач. Эти задачи характеризуются различным уровнем сложности и новизны. Уровень сложности той или иной задачи зависит от квалификации и подготовленности специалистов, технических и экономических возможностей общества или предприятия. Новизна задачи может быть принципиальной, а может быть характерной только для данного предприятия или данного специалиста. В целом, научно-технические задачи, решаемые в строительстве, характеризуются очень большим разнообразием. Это обусловлено широким спектром конструкций и архитектурных решений современных зданий и сооружений, различными технологическими процессами, применяемыми при их возведении, эксплуатации, реконструкции и т. д. Решенные задачи служат основой для постановки новых задач, что способствует непрерывному и поступательному развитию строительной отрасли, как составной части экономики страны.
     Среди множества задач, решаемых в строительстве, значительная часть приходится на научно-технические. Научные и технические задачи тесно взаимосвязаны. Невозможно решить техническую задачу без научных знаний, равно как и невозможно применение результатов фундаментальных наук без их технического приложения. Решение научно-технических задач представляет собой единое, комплексное, поступательное развитие науки и техники. Например, потребность в использовании водяных мельниц обусловила необходимость теоретического исследования и конструирования гидравлических машин и механизмов. Полученные теоретические знания, технический и технологический опыт послужили базой для создания современных турбин гидроэлектростанций.
     Научные задачи заключаются в изучении законов изменения процессов под влиянием внешних и внутренних факторов. Основная научная задача состоит в объяснении сущности явления и прогнозировании его состояния и изменения.
     Обобщение колоссального опыта, накопленного человечеством в различных областях знаний, позволяет выработать относительно универсальные и практически реализуемые рекомендации по решению тех или иных строительных задач. В этом аспекте можно говорить о теории, как совокупности принципов и идей, обобщающих практический опыт и составляющих базовую часть строительной науки.
     Существует несколько толкований понятия «наука», объясняющих истинное значение с той или иной степенью приближения.
     Наука - это сфера человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая систематизация знаний о действительности [1].


4

     Наука - система знаний о закономерностях развития природы, общества и мышления, а также отдельная отрасль знаний [2].
     Наука, как система состоит из подсистем, которые также называют науками: общественные, естественные, технические науки. Эти науки различаются между собой как предметами, так и методами исследований. Эти науки подразделяются также на фундаментальные и прикладные. Основная задача фундаментальных наук заключается в создании теоретической базы для прикладных наук. Задачей прикладных наук является применение результатов, полученных фундаментальными науками. Одной из важнейших частей прикладных наук являются технические науки.
     Технические науки - это система знаний о закономерностях развития техники в различных областях человеческой деятельности. Технические науки являются базовой системой знаний для прикладной области и способствуют дальнейшему развитию и совершенствованию машин, механизмов, зданий, сооружений, различных технологий.
     В технических науках предпочтительно применять математическую формализацию выдвигаемых гипотез, их проверку и аргументацию результатов. Это обусловлено тем, что специалисты одной профессии, одинаковой квалификации дают различное качественное описание одного и того же объекта. Математическая формализация позволяет перевести качественные описания в разряд чисел и за счет этого существенно снизить влияние случайных факторов.
     В современных условиях в решении технических задач применяют знания, полученные биологами, психологами, физиологами, не говоря уже о математиках, физиках, химиках и философах.
     На решение научно-технических задач прямое или косвенное влияние также оказывают знания, полученные во многих направлениях науки: экономика и организация производства, кибернетика, гидравлика и др.
     Основными функциями науки являются:
     •       познавательная, проявляющаяся в получении новых знаний о тенденциях и закономерностях измерения материального и нематериального мира;
     •       методологическая, базирующаяся на разработке методов и механизмов, позволяющих исследовать процессы становления, развития и функционирования сложных систем, как объектов познания;
     •       рационально-прагматическая, проявляющаяся в практической направленности получения новых знаний и их полезности;
     •       прогностическая, позволяющая прогнозировать состояние объекта познания в будущем, предвидеть особенности изменения под влиянием различных внутренних и внешних факторов.
     Основная цель науки заключается в описании, объяснении и в прогнозировании явлений и процессов, т. е. в теоретическом их отражении.
     Особенностью развития науки является способность к накоплению знаний, получаемых в результате исследований. При этом новые результаты не перечеркивают имеющиеся достижения, а дополняют и уточняют их. С развити

5

ем науки увеличивается объем знаний, которые служат основой для новых исследований, переосмысления и дополнения имеющихся результатов.
     Практическому решению технических задач предшествует научное исследование . Научное исследование представляет собой один из видов познавательной деятельности, характеризующийся объективностью, воспроизводимостью, доказательностью, точностью (понимаемой по-разному в различных областях науки) [1]. Научное исследование заключается в достоверном изучении объекта, его структуры и связей между элементами для возможности получения полезных результатов. Это является целью научного исследования. Научное исследование базируется на принципах, составляющих методологию научного поиска. На основе полученных новых знаний представляется возможным установить закономерности изменения объекта, разработать теорию, проверить теорию.
     Научно-исследовательские работы различают по масштабности и степени их значимости для науки и для общества: научные или научно-технические задачи , научные или научно-технические проблемы, научные направления.
     Научная или научно-техническая задача - это задача по разработке методики расчета, конструирования, проектирования, технологической реализации объекта. Научно-техническая задача является, как правило, составной частью научной или научно-технической проблемы соответствующего научного направления.
     Научная или научно-техническая проблема представляет собой крупную задачу, решаемую в рамках научного направления на основе общей теории и методологии исследования. При решении научно-технической проблемы разрабатывают, уточняют или существенно дополняют имеющиеся теоретические положения научного направления. Результаты исследования и решения научнотехнической проблемы имеют важное значение для отрасли и хозяйственной жизни региона или страны в целом.
     Научно-техническая проблема выдвигается самой жизнью в результате производственно-хозяйственной деятельности людей в отрасли. Перед специалистами остается задача предложить ее формулу. Это сложная и ответственная задача, решение которой заключается в следующем:
     •       формулирование в общем виде основного вопроса, подлежащего исследованию;
     •       определение цели исследования и ожидаемого результата;
     •       разработка структуры проблемы с выделением отдельных самостоятельных направлений и тем исследований;
     •       формулирование комплекса научно-технических задач;
     •       формулирование тем отдельных научно-технических задач.
     Научное направление - это область научных исследований, посвященных решению нескольких научных или научно-технических проблем, объединенных общей теорией и методологией решения. Научные работы в рамках научного направления осуществляют на основе общих существенных связей и научных законов.

6

     Тема исследования - это основное содержание исследования. Тема исследования должна быть актуальной - это очевидно. Формулирование темы является важным элементом научного исследования, поскольку оно определяет главное направление и задает философскую линию исследования. Название темы должно содержать ключевые понятия исследования. Это позволяет понять и наиболее полно отразить суть работы. Наименее продуктивным можно считать название темы, сформулированное по принципу «о чем». Формулирование темы начинают с рабочего названия, которое затем корректируют и уточняют. Название темы не должно быть многословным - не более 20 значащих слов, коротко - восемь. Обычно этого бывает достаточно для того, чтобы кратко и ясно без вводных слов и ненужной детализации сформулировать название темы исследования. Очень часто бывает, что окончательное название темы может быть сформулировано по завершении исследования.
     Таким образом, решение научно-технических задач базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, проводимых по известным или специально разрабатываемым методикам. Это позволяет получить достоверные и значимые результаты, имеющие перспективу дальнейшего развития и практического применения.
     Таким образом, решение научно-технических задач и практическое использование результатов исследований невозможно без участия науки и современных научных знаний. Современные конструктивные и технологические решения зарождаются на базе науки, а сроки между научными разработками и их практической реализацией сокращаются. Это позволяет обеспечить интенсивное функционирование строительной отрасли в рамках общего темпа развития экономики страны.

        Вопросы для самопроверки

     1. В чем принципиальное различие фундаментальных и прикладных наук?
     2. В чем проявляется научное исследование?
     3. На каких принципах базируется теоретический метод исследования?
     4. В чем различие наблюдения и эксперимента?
     5.      В чем основное отличие теоретического метода исследования от эмпирического?


            1.2. Методы научного исследования


     Научно-технические задачи относятся к области прикладных наук, которые опираются на результаты исследований, полученных в фундаментальных науках. Несмотря на множество научно-технических задач, для их решения применяют два основных (базовых) метода: теоретический и экспериментальный. Дополнительными (но не второстепенными!) можно считать аналитический методы, численные методы, математическое моделирование, компьютерное моделирование и др. Указанные дополнительные методы применяют тогда, ког-7

да по техническим или экономическим основаниям невозможно использование экспериментального исследования. Решение научно-технических задач тесно связано с теоретическими и экспериментальными исследованиями, с разработкой технических и технологических решений, формулированием темы исследований, выдвижением идей и гипотез, проверкой гипотез и уточнением теории. Решенные задачи служат основой для образования новых задач, разработка решений которых предстоит. Это обеспечивает развитие и совершенствование отрасли (в данном случае - строительной), ее прикладной науки, техники и технологии.
     Теоретический метод исследования заключается в выявлении, изучении и использовании причинно-следственных связей между элементами объекта, позволяющих составлять прогноз его изменения под воздействием внутренних и внешних факторов. Теоретический метод решения научно-технических задач предполагает использование аксиом, гипотез и известных принципов. При этом изучаемый объект представляют в идеальном виде, отражающем реальные предметы и процессы. Теоретический метод решения научно-технических задач позволяет установить закономерности изменения процессов без непосредственного взаимодействия с объектом. Например, без визуального или приборного наблюдения, измерения и др. В основе теоретического метода лежит описание идеального объекта посредством математических или логических формул, чертежей, графиков, систем уравнений и пр. Теоретическое исследование представляет собой составление системы научных принципов и знаний об изучаемом предмете. Теоретическое исследование - это получение новых знаний в обобщенном виде. При решении научно-технических задач прикладного характера, теоретические исследования, как привило, предшествуют экспериментальным. Это значит, что исследователь составляет для себя общее представление об изучаемом объекте или его элементах, выдвигает идеи и гипотезы, анализирует уже имеющийся запас знаний в данной области и в смежных областях.
     При обобщении результатов экспериментальных исследований представляется возможным уточнить имеющиеся теоретические знания, либо сформулировать новую теорию относительно изучаемого предмета.
     Существует множество толкований понятия «теория». Например, Большая Советская энциклопедия представляет теорию как внутренне непротиворечивую систему эмпирических обобщений и построенных на их основе логических принципов, имеющую эвристическую и прогностическую способности [1].
     Теория - это учение, система научных принципов, идей, обобщающих практический опыт и отражающих закономерности природы, общества и мышления. Теория представляет собой также совокупность положений, образующих науку или раздел науки, а также совокупность привил в области какого-либо мастерства [2].

8

     Теория позволяет выбрать метод исследования, выяснить, с чего начать исследование, как анализировать накопленные факты. Теория также позволяет формировать обобщение данных, разработку выводов и рекомендаций по результатам исследования.
     Таким образом, теория представляет собой форму обобщения и систематизации знаний о предмете или объекте исследования. На основе научных принципов и методов теория позволяет обобщить и объяснить явления и процессы, протекающие в изучаемом объекте. Теория позволяет составить научно обоснованный прогноз изменения объекта под влиянием разных факторов, а также составить рекомендации для практического использования результатов исследования.
     Теоретические исследования позволяют выявить, изучить и объяснить причинно-следственные связи между элементами изучаемого объекта, составить научно обоснованный прогноз состояния или изменения изучаемого объекта. Результаты теоретических исследований обычно проверяют экспериментально. По результатам экспериментов теоретические положения могут быть дополнены или уточнены, что способствует дальнейшему развитию науки, техники и технологии.
     Эмпирический метод исследования предполагает некоторое взаимодействие с изучаемым объектом. Эмпирический метод исследования позволяет выявить, изучить и описать объект в различных проявлениях его свойств и связей между внутренними элементами и внешними факторами. Эмпирический метод решения научно-технических задач основан на наблюдении и/или эксперименте.
     Наблюдение - это метод изучения объекта без вмешательства в него: фиксируют характеристики, измеряют элементы и устанавливают закономерности их изменения.
     Эксперимент предполагает целенаправленное воздействие на объект при его изучении в заданных и контролируемых условиях реализации.
     Одним из важнейших элементов научного исследования является научно-техническая информация. Каждое научное исследование начинается с анализа информации о предмете, содержащейся в различных источниках. Существует много определений понятий «информация», раскрывающих его специфику. В аспекте научного исследования наибольший интерес представляет информация как сообщение о тех или иных результатах изучения объекта.
     Для исследователя очень важно уметь пользоваться источниками информации хотя бы для того, чтобы без необходимости не повторять исследования, которые уже выполнены другими.
     Экспериментальное исследование представляет собой изучение объекта при заранее запланированном и контролируемом воздействии. Экспериментальное исследование является важной частью работы в рамках решения научнотехнических задач, в частности, в строительстве.

9

     Экспериментальные исследования относятся к эмпирическим методам исследования. В прикладных науках различают активные и пассивные эксперименты. Пассивные эксперименты - это наблюдения. Наблюдение - это способ исследования, предполагающий невмешательство исследователя в изучаемый процесс. При наблюдении исследователь получает знания о предмете, не изменяя условий процесса.
     Эксперимент - это метод исследования, заключающийся в целенаправленном воздействии на изучаемый объект с фиксированием намеченных параметров в соответствии с разработанным планом. Планом должна быть предусмотрена возможность адекватного воспроизведения эксперимента.
     Основной задачей экспериментальных исследований в области строительства является получение количественных значений физико-механических характеристик изучаемых объектов для установления закономерностей их возможного измерения. При экспериментальных исследованиях существуют два последовательных процесса: измерения (в лаборатории, на строительной площадке или на полигоне); вычисления и математическая обработка измерений.
     Измерения - это определение количественного показателя исследуемой величины с использованием известных приемов и измерительных приборов на основе эталонного значения измеряемого показателя. В зависимости от особенностей изучаемого объекта эксперимент может быть лабораторным, полевым, заводским или на строительной площадке. В любом случае для получения достоверных данных разрабатывают план эксперимента и составляют программу его проведения.
     Математическое моделирование в строительстве представляет собой относительно недорогой, а иногда и единственный метод изучения параметров объекта. Основной частью математической модели является формализованный параметр изучаемого объекта. Специалисты одинаковой квалификации по разному воспринимают и качественно описывают один и тот же процесс или одно и то же явление. Для возможности составления математической модели необходимо преобразовать качественные признаки в количественные параметры, т. е. формализовать предмет исследования. Формализация представляет собой отображение качественных характеристик изучаемого объекта в виде знаков и символов. Основное достоинство формализации объекта заключается в том, что с формулами можно выполнять различные операции.
     «Формирование математической модели физического явления — во многом дело интуиции» [3]. При этом важно помнить, что математическая модель может быть составлена на уровне, не превышающем возможности описания известных закономерностей.
     В настоящее время все большее значение и все большее распространение приобретает метод количественного изучения объектов - численный метод. Этот метод получил заметное развитие с появлением мощных и быстродействующих компьютеров. Численное моделирование изучаемых объектов - это метод решения задачи, представленной в виде математической модели. Исполь

10