بخشی از مقاله
بهره گیری از مصالح هوشمند در ارتقای سطح پایداری نمای ساختمان ها
چکیده
امروزه توسعه پایدار یک ضرورت اجتناب ناپذیر بوده و به منزله فرآیندی است که طی آن نیازهای کنـونی جامعـه تـامین شـده بـدون آنکـه
توانایی نسل های آینده برای تامین نیازهایشان تحت تاثیر قرار گیرد. یکی از ابعاد مهم اینAbstractفرآیند بعد زیست محیطی بوده کـه تحـت عنـوان طراحی پایدار به معرفی شاخصه های پایداری در حوزه ساخت و ساز می پردازد. بـا توجـه بـه اهمیـت موضـوع متاسـفانه همچنـان در ایـران
ساختمان هایی ساخته می شوند که اصول طراحی پایدار در عناصر مختلف آن نادیده گرفته شده است. نما بـه عنـوان یکـی از اساسـی تـرین عناصر بنا، مهمترین رابط بین ساختمان و محیط پیرامونش بوده و می تواند نقش موثری را در ایجاد این پایداری داشته باشد. به منظـور نیـل به این هدف، فناوری ها و سیستم های مختلفی به کار گرفته شده که با پیشرفت تکنولوژی نیازمند بـروز رسـانی مـی باشـند. از جملـه ایـن پیشرفت ها می توان به مصالح هوشمند اشاره کرد بطوریکه با دریافت و پردازش رویدادها و اطلاعات محیطی و توسـط خواصـی چـون وفـق پذیری، بهگزینی، عملکرد سریع، عملکرد خودکار و بی واسطگی قادرند نسبت به محیط واکنش مناسـب نشـان دهنـد. در ایـن مقالـه ضـمن توصیف معماری هوشمند و جایگاه آن در نمای ساختمان ها، به معرفی مصالح هوشـمند و بررسـی تطبیقـی آن بـا سـاختمان هـای موجـود پرداخته می شود تا گامی در جهت استفاده از این راهکارها در نمای ساختمان و برطرف کننده ی نیازهای پایداری باشد.
واژه های کلیدی: توسعه پایدار، طراحی پایدار، مصالح هوشمند، نمای ساختمان.
مقدمه
طبیعت و محیط زیست سیستم منظم و پیچیده ای است، آنچنان که بر هم خوردن نظم بخشی از آن اثرات جبران ناپذیری بر جای می گذارد. بی توجهی به محیط زیست توسط انسان باعث ایجاد مشکلات عدیده ای در آن می شود. امروزه با گسترش آلودگی شهرها و همچنین بی توجهی به بهینه سازی و صرفه جویی مصرف انرژی، اثرات مخرب بر این سیستم رو به افزایش است. تحقیقات نشان می دهد که بیش از 40 در صد انرژی مصرف شده و حدود 50 در صد انتشار گاز دی اکسید کربن، در بخش ساختمان بوجود می آید. لذا بکارگیری اصول طراحی پایدار محیطی در طراحی معماری بنا ضروری به نظر می رسد.
نمای ساختمان از آنجایی که تنها عنصر جدا کننده محیط بیرون از داخل ساختمان و اولین تبادل کننده انرژی بناست، توجه به طراحی آن هم به لحاظ زیبایی و هم از نظر بهینه سازی و صرفه جویی از مصرف انرژی تاثیر بسزایی در عملکرد پایداری ساختمان می گذارد.
معماری هوشمند در سال های اخیر بصورت فزاینده ای رشد داشته است. هوشمندی با پیشرفت تکنولوژی کم کم به یکی از مسائل اساسی و عنصر جدایی ناپذیر در عرصه معماری و ساخت و ساز بسیاری از بناهای امروزی تبدیل شد؛ آنچنان که کاربرد آن در اکثر اجزای ساختمانهای مدرن و با اهمیت1 ؛ از اعضای سازه ای و درونی بنا گرفته تا پوسته خارجی آن، دیده می شود. بطور کلی سیستم های هوشمند، فضاهای معماری می باشند که قادرند خود را با تغییرات مورد نیاز مطابق سازند. به نظر می رسد یکی از راه های رسیدن به طراحی پایدار نما استفاده از هوشمند سازی است. پوسته هوشمند2 پوششی با توانایی تغییر ویژگی های ترموفیزیکی تکامل یافته است که با بوجود آمدن تغییرات محیطی اطراف در ویژگی های بصریش تغییر ایجاد می کند.
لذا در این مقاله، معرفی مصالح هوشمند و عملکرد آنها و مهمتر از آن نحوه بکارگیری و رفتار آنها در پوسته های ساختمانی (به منظور دستیابی به پایداری محیطی) هدف اصلی می باشد. امید است که شناخت مصالح هوشمند به صورت عملی ما معماران را در بکارگیری این مصالح که مهمترین مزیت آنها بهینه سازی و مدیریت هوشمند انرژی است، ترغیب نماید. در این راستا از طریق مطالعه مصالح هوشمند و بررسی تطبیقی با ساختمان های موجود، به ارائه راهکارهایی جهت استفاده آنها در نمای ساختمان ها می پردازد.
معماری پایدار
پایداری
واژه " پایداری" همراه با واژه " توسعه پایدار" امروزه در سه مبحث کلی اقتصاد، جامعه انسانی و فرهنگ و محیط زیست کاربرد دارد و تصمیماتی در این حوزه معتربرترند که به نسبتی به نقطه مشترک این سه نزدیک شوند ( احمدی، .(1382 دهخدا پایداری را به معنای با دوام و ماندنی آورده است. ( دهخدا: (47 در این چند دهه اخیر واژه " پایداری" با معنای»آنچه که می تواند در آینده تداوم یابد« کاربرد پیدا کرده است( بحرینی و مکنون؛ .(1380
لزوم توجه به پایداری
برای حل مشکلات انرژی قرن حاضر ، مشکلاتی که 200 سال پس از صنعتی شدن بوجود آمده اند، باید باید از امروز دست به کار شد، چراکه ضوابط امروز، در طول 50 سال آینده تاثیر خود را نشان می دهند و برای دو نسل آینده مشکل تغییرات آب و هوایی بسیار گسترده تر خواهد شد. بانک عظیم سویس- –UBS در تحقیقی با عنوان » اجتناب از تحولات شدید آب و هوایی«3 نگاه دقیقی به موضوع داشته و بیان کرده است که: "افزایش دمای متوسط سطح کره ی زمین به میزان دو تا سه درجه سانتیگراد بیش از دوران قبل از صنعتی شدن، تاثیرات اجتماعی- اقتصادی شدیدی به دنبال خواهد داشت. یکی از پیامدها، بالا آمدن سطح اقیانوسها و تقلیل فضای قابل زیست است. برای جلوگیری از تحولات آب و هوایی فاجعه بار، انتشار
گازهای گلخانه ای باید کاهش یابد و غلظتشان تثبیت شود."(شوارتز، (1386 لذا توجه به موضوع پایداری در تمامی مقوله ها به خصوص در مقوله زیست محیطی بسیار مهم می نماید.
معماری پایدار- طراحی پایدار
کاربرد مفاهیم پایداری در جهت کاهش اتلاف انرژی و آلودگی محیط زیست در معماری، مبحثی به نام " معماری پایدار" را باز کرده است. بالا بردن بازده انرژی کل دوران استفاده ساختمان مهم ترین هدف معماری پایدار است (محمودی و نیکقدم، .(29 :1387 طراحی پایدار نیز به معنای نوعی دخل و تصرف در محیط است که تلاش می کند تا راه حلهایی را ابداع نماید که با اهداف محیطی، اجتماعی و اقتصادی، در یک نگاه کل نگر و به تعادل رسیده و بتواند کیفیت بهتری به زندگی انسانها در نسل کنونی ببخشد ( احمدی، .(1382
طراحی پایدار زیست محیطی
از آنجا که دغدغه اصلی پایداری توجه به شرایط محیطی است، طراحی پایدار محیطی، نوعی نزدیک شدن به محصول طراحی بوده و در حوزه معماری اهمیت بیشتری دارد(احمدی، .(1382 هدف طراحی پایدار زیست محیطی دستیابی به آسایش بصری و حرارتی در ساختمان با استفاده از منابع و ذخایر طبیعی انرژی از طریق معماری است(یاناس، .(1389
اصول طراحی پایدار زیست محیطی
به طور کلی معیارهایی که یک ساختمان پایدار باید از آنها بر خوردار باشد به قرار زیر است. همچنین هر چقدر این معیارها در طرح ارائه شده بیشتر رعایت شده باشد، آن طرح پایدار تر خواهد بود:
به حداکثر رساندن آسایش انسان4 انعطاف پذیری5 صرفه جویی در مصرف انرژی6
استحکام و سادگی ( یاناس، (1389 سازگاری با تغییرات آب و هوایی7
هماهنگی با سایت و توجه به ایجاد کمترین تغییرات در زمین استفاده از مصالح قابل بازیافت ، حفاظت از طبیعت و کاهش تولید سموم) 8 محمودی و نیکقدم، (29 :1387
جمع بندی
بطور کلی، توجه به پایداری یکی از ملزومات عصر حاضر است. همچنین نمای هر ساختمان مرز جداکننده سرپناه از محیط بیرون بوده و اولین عضو بناست که با بیرون تماس پیدا میکند، لذا بیشترین اتلاف انرژی را داراست و مهمترین بخش از بناست که می تواند شرایط آسایش داخلی و مطلوب را برای انسان فراهم کند. بنابراین در این مقاله سعی بر اینست با تکیه بر اصول پایداری زیست محیطی و توجه ویژه به نمای ساختمان به هدف مورد نظر دست یافت.
هوشمندسازی
معماری هوشمند
"معماری هوشمند پویاست؛ بدین معنا که پارامترهای عملکردی اصلی خود را با توجه به نیاز، تقاضا و شرایط متغیر و پویا تغییر می دهد. یک معماری هوشمند همچنین مانند سامانه زنده ای قادر به تجربه اندوزی و استفاده از تجارب در شرایط جدید است."(مفیدی و روشن ضمیر، .(1388
وظیفه اصلی معماری هوشمند با توجه به اینکه اساس معماری هوشمند و فعال بر پایه ی تغییرات و هماهنگی با محیط پیرامونش بنا نهاده شده است و این
معماری باید مشکلات حاصل از تعامل با محیط را حل نماید؛ می توان به طور کلی محیط را ترکیبی از سه بخش اصلی زیر دانست:
-1محیط خارج که شامل اقلیم، شرایط ساختگاه، اجتماع و اقتصاد می باشد.
-2محیط داخل که پوسته ی ساختمان آن را در بر گرفته است و از برنامه ریزی و طراحی تا اجرا را شامل می شود. -3کاربران ساختمان که بایستی به رفتارها و سلایق آنها و نیازهای فیزیکی و غیر مادی آنها توجه شود(مفیدی و روشن ضمیر، .(1388
لذا معماری هوشمند می بایست پاسخگوی نیازها و مشکلات مربوط به این سه بخش باشد. از این می توان گفت ویژگی های اصلی یک معماری هوشمند به قرار زیر است:-1 پویایی و فعال بودن--2 انعطاف پذیری و سازگاری با محیط--3 واکنش پذیری و پاسخده بودن (مفیدی و روشن ضمیر، .(1388
جایگاه هوشمندسازی در نمای ساختمان ها
تاریخچه استفاده از نماهای هوشمند: بطور کلی نمای هوشمند این مفهوم را در بر دارد که تار و پود یک ساختمان می تواند ساکن نباشد، بلکه ممکن است به منظور کاهش نیاز به انرژی در ساختمان و نظایر آن، بصورت دینامیکی تغییرپذیر باشد .(Wigginton, 2002:23) کلمه ی هوشمند اولین بار برای توصیف ساختمان های دهه 1980 استفاده شد و جهت اشاره به توانایی های یکسان در مصالح، سازه ها و ساختمان ها بکار رفت(.(ibid:20
ایده پوسته ساختمان با شخصیت های متنوع برای اولین بار توسط مایکل دیویس در 1981 مطرح شد. در حال حاضر پوسته هوشمند به پوششی با توانایی تغییر ویژگی های ترموفیزیکی تکامل گفته می شود که بین شفافیت و مات بودن عوض شده، رنگ و ویژگی های بصریش تغییر می کند. این تغییرات می تواند با عناصر فیزیکی متصل به پوسته هوشمند و یا با مصالحی با ویژگی های متنوع نیز بوجود آید .(ibid:30) البته امروزه علاوه بر مصالح، استفاده از مکانیزم ها و سیستم های هوشمند نیز در هوشمند سازی نماها نقش عمده ای بر عهده دارد.
وظیفه نماهای هوشمند
یک ساختمان هوشمند می بایست از ویژگی های انسانی که به او توانایی آموختن، تطابق پذیری و پاسخ دهی غریزی به محیط پیرامونش را می دهد؛ برخوردار باشد تا آسایش و استفاده بهینه از انرژی در شرایط داخلی را تامین نماید ( .(Wigginton, 2002:23نمای ساختمان برای این که دارای صفت هوشمندی شود، می بایست دو صفت اصلی تغییرپذیری و مهارت دانستن را در خود بپروراند (امیر هدایی، .(33 :1392
-تغییر پذیری: در این زمینه می توان به ایده ی پوسته ی چند عملکردی مایکل دیوس با قابلیت های هم زمانی از جمله تغییرمشخصات فیزیکی، تابنده، بازتابنده، فیلتر و ابزار انتقال اشاره نمود. تمامی این قابلیت ها، یا بواسطه ی نصب عناصر فیزیکی متصل به پوسته ی هوشمند و یا در سطح نانومتریک بوسیله ی استفاده از مصالحی که تا اندازه ای از ویژگی تغییرپذیری برخوردارند، امکان پذیر می گردد (امیر هدایی، 33 :1392و.(34
-مهارت دانستن: یک نمای هوشمند می بایست بداند در چه زمانی و چرا باید واکنش خاصی را اعمال نماید. این پوسته ی هوشمند باید مهارت درک شرایط، توانایی تنظیم و سازگاری خود را در مواجهه با تغییرات پیش آمده در جهت ارائه ی پاسخ بهینه به شرایط اقلیمی دارا باشد (امیر هدایی، .(34 :1392
-عملکردهای نماهای هوشمند: دسته بندی عملکردهای مختلف نماهای هوشمند بصورت زیر می باشد:
افزایش نور روز و به حداکثر رساندن نور روز، حفاظت در برابر خورشید، عایق بندی، تهویه، جمع آوری و استفاده از گرما و نیز تولید الکتریسیته، رانش گرما، کاهش صدای عبوری، بهره برداری از تفاوت فشار (امیر هدایی، (34 :1392
انواع نماهای هوشمند
- نما با مواد و مصالح هوشمند: در این گونه نماها هوشمند سازی از طریق استفاده از مواد و مصالح هوشمند در نما صورت می پذیرد.
-نما با سیستم ها و مکانیزم های هوشمند: در این گونه نماها با بهره گیری از ابزارهای متفاوت از جمله حسگرها به جمع آوری اطلاعات و ذخیره سازی آن ها پرداخته و سپس از طریق سیستم های کامپیوتری پردازش و تحلیل این اطلاعات صورت می پذیرد. در آخر نیز پاسخ مناسب به تغییرات محیطی توسط دستگاه های خروجی در نما اعمال می گردد. استفاده از انواع مکانیزم ها برای تهویه و نورگیری مناسب در این دسته بندی جای دارد.
مصالح هوشمند
تعریف مواد و مصالح هوشمند
ناسا مواد هوشمند را بصورت موادی تعریف می کند که "قابلیت به خاطر سپردن ساختارهایی را دارند و تحت تاثیر محرک های خاصی از آن ها تبعیت می کنند".9 دائره المعارف فن آوری شیمی تعریف کاملتری ارائه داده است: "ساختارها و مواد هوشمند پدیده هایی هستند که رویدادهای محیطی را حس می کنند، اطلاعات حسی را مورد پردازش قرار می دهند و سپس بر محیط اثر می گذارند." (آدینگتون، اسکودک ، .(1389:8 با توجه به تعاریف بالا می توان بیان داشت که مواد هوشمند در واقع موادی هستند که تغییرات بوجود آمده در محیط پیرامون را حس کرده، آنرا پردازش می کنند و سپس با اطلاعاتی که در ساختارشان ذخیره شده واکنش هایی از خود بروز می دهند.
انواع مصالح هوشمند
مواد نوع اول (تغییر خاصیت دهنده) "موادی هستند که در واکنش مستقیم به تغییر محرک بیرونی، بعضی از خواص شیمیایی، مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی یا
گرمایی شان تغییر می کند." (آدینگتون، اسکودک ، (1389:13 این مواد بیشترین قابلیت کاربرد در حوزه های معماری را دارا می باشند.
مواد نوع دوم (تبادل کننده ی انرژی) "موادی را شامل می شود که، حالت انرژی را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می کنند." (آدینگتون، اسکودک ، (1389:13
این نوع واکنش ها می توانند بصورت رایانه ای کنترل و اصلاح شوند.
