هوشمند سازی ساختمان
ساختمانها و زندگی در آنها در طول دو دهه گذشته بسیار تغییر کرده است. در واقع می‌توان گفت که به جز تعداد کمی از استثناهای موجود، ساختمان‌های کنونی از آن نوع زیستگاه‌ها نیستند که به حال حاضر تعلق داشته باشند. با توسعه در زمینه مصالح، فرآورده‌ها و روش‌های ساخت ابداعی، حرکت به سوی ساختمان‌هایی با کارایی بالاتر و صرفه اقتصادی بهتر و سازگار با محیط زیست امری ضروری می‌نماید. ما در حال حاضر در آستانه نسل بعدی ساختمانها هستیم. ساختمان‌هایی با درجات متعددی که کاملاً رفتار اکولوژیکی دارند و قادرند با بهره‌گیری هوشمندانه از مصالح سازگار و عملکرد (Hi-Tech) تکنولوژی جدید مناسب، در برابر تغییرات مستقیم و غیر مستقیم پیرامون خود واکنش نشان دهند و خود را با شرایط مناسب تطبیق دهند. این نوآوری‌ها وظایف جدیدی را برای طراحان و معماران ایجاد می‌کند که از قافله پر سرعت تکنولوژی عقب نمانده و آنها را در طرح‌های خود بکار گیرند.
مصالح و فرآورده‌های نوین
در حال حاضر طیف وسیعی از فرآورده‌ها و مصالح، در دسترس قرار گرفته‌اند یا اینکه در حال عرضه به بازار هستند. برخی از آنها به طور خاص برای استفاده در زمینه معماری تولید شده و برخی نیز برای کاربردهای دیگری مثل صنعت منسوجات، اتومبیل سازی و … در نظر گرفته شده‌اند. اما نکته اصلی اینجاست که چگونه این مصالح نوین دردسترس معماران و طراحان قر ار گیرد. اگر برای معماران این امکان فراهم آید که بتوانند تمام این مصالح و فرآورده‌ها را مستقیماً یا به شکل اصلاح شده در پروژه‌های خود به کار گیرند، آنگاه سیل عظیمی از امکانات تازه و جالب برای طراحی ساختمانها و روش‌های ساخت را به دنبال خواهد داشت . معماران خلاق می‌توانند مصالح و فرآورده‌های نوین را برای کاربردهای خاص معماری توسعه دهند و قادر خواهند بود صنعت تازه‌ای را در معماری بر پایه مصالح نوین پدید آورند.
مصالح بازیافتی
این مصالح اساساً از مواد دست دوم و زباله‌های تمیز، تهیه می‌شوند. برای تهیه مصالح بازیافتی، قسمت‌های ارزشمند مصالح دست دوم مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی به هر حال فرآورده حاصله معمولاً کیفیت پایین‌تری نسبت به مصالح اصلی دارد. امروزه استفاده از مصالح بازیافتی با توجه به اصول معماری پایدار بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
مصالح تجزیه پذیر زیستی
ترکیبات تشکیل دهنده این مصالح به گونه‌ای است که پس از پا‌یان عمر و مدفون شدن در زیر خاک به طور کلی توسط جانوران میکروسکوپی موجود در خاک تجزیه می‌شوند. بنابراین تهدیدی برای آلودگی محیط زیست محسوب نمی‌شوند.
زیست مواد
شامل پلاستیک‌ها و مصالح دیگری است که از منابع تجدیدپذیر ساخته می‌شوند. تحقیقی که در حال حاضر بر روی این مواد بسیار مورد توجه است، استفاده از باکتری خاصی است که مصرف می‌کند و قادر به متلاشی نمودن گاز دی اکسید کربن این پلاستیک‌هاست.
مصالح تغییر ناپذیر
مصالحی هستند که تاثیرات فیزیکی و شیمیایی بر آنها اثر ندارد. مثالی از این نوع مصالح، آلیاژ فولاد است.
مصالح هوشمند
این مصالح مواد و فرآوردههایی هستند که خاصیت تغییرپذیری دارند و قادرند مشخصه‌های ظاهری یا درونی خود را در پاسخ به تاثیرات فیزیکی و شیمیایی به صورت برگشت‌پذیر تغییر دهند.
مصالح هیبرید یا پیوند‌ی
این مصالح با تلفیق حداقل دو ترکیب متفاوت ساخته می‌شوند. مثل تلفیق ترکیبات طبیعی و مصنوعی.
مصالح با ساختار فسیل واره
این‌ها نوعی مصالح مرکب با لایه‌های ملحق شده تدریجی هستند. این مصالح نتیجه یک تغییر پیوسته در ویژگیهای مصالح است. مثالی از این نوع مصالح نفت خام است که از قرار گرفتن لایه‌های متعدد در طول سالیان متمادی ایجاد می‌شود.
نانو متریال (مصالح نانو)
مصالحی هستند که از موادی با مقیاس نانو (یک میلیاردم) ساخته می‌شوند و نقاط اشتراک زیادی با مصالح هوشمند دارند. مواد با ساختار نانو به عنوان پوشش نهایی در ساخت فرآورده‌ها به کار می‌روند. به عنوان مثال در پوشش‌های هوشمند ضد خوردگی، تصفیه کننده هوا، تمیز کننده سطوح و پوشش های زیست فعال کاربرد دارند.
مصالح هوشمند
مصالح هوشمند یک اصطلاح جدید برای مصالح و فرآوردههایی است که توانایی درک و پردازش رویدادهای محیطی را داشته و نسبت به آن واکنش مناسب نشان می‌دهند. به بیان دیگر این مصالح قابلیت تغییرپذیری داشته و قادرند شکل، فرم، رنگ و انرژی درونی خود را به طرز برگشت پذیر در پاسخ به تاثیرات فیزیکی یا شیمیایی محیط اطراف تغییر دهند. اگر مصالح را به سه گروه مصالح غیر هوشمند، نیمه هوشمند و هوشمند طبقه بندی کنیم،گروه اول یعنی مصالح غیر هوشمند ویژگی خاص بالا را ندارند، نیمه هوشمندها تنها قادرند در پاسخ به تاثیرات محیطی شکل و فرم خود را برای یک بار یا مدت زمان اندکی تغییر دهند اما در مصالح هوشمند این تغییرات تکرارپذیر و قابل برگشت خواهد بود.
مصالح هوشمند تحت عنوان مصالح انعطاف پذیر و تطبیق پذیر نیز شناخته می‌شوند و این به دلیل ویژگی خاص آنها در تنظیم نمودن خود با شرایط محیطی است. متغیرهای تاثیرگذار شیمیایی و فیزیکی که در زیر معرفی شده‌اند، محرک‌هایی هستند که مصالح هوشمند در برابر آنها از خود عکس العمل نشان می‌دهند.
- نور، اشعه uv، بخش فرابنفش و مرئی اشعه الکترومغناطیس
- دما، تغییرات دمایی که یک سیستم فیزیکی مثل بدن انسان ایجاد می‌نماید.
- فشار، اختلاف فشار ایجاد شده در یک ناحیه.
- میدان الکتریکی، میدان ایجاد شده پیرامون یک بار الکتریکی.
- میدان مغناطیسی، میدان ایجاد شده پیرامون یک آهن ربا یا یک بار الکتریکی متحرک.
- محیط شیمیایی، حضور یک عنصر یا ترکیب شیمیایی خاص مثل آب.
طبقه بندی مصالح هوشمند
به طور کلی مصالح ساختمانی موجود اعم از سنتی، طبیعی و مصنوعی با توجه به خصوصیات آنها، ازجمله نمود ظاهری، بافت، ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و فیزیکی، اثر محیطی و … طبقه بندی می‌شوند. اما در طبقه بندی مصالح هوشمند علاوه بر در نظر داشتن مشخصه‌های فوق، خواص دیگری که به طور ویژه به تمیز دادن مصالح هوشمند از مصالح سنتی مربوط می‌شود نیز لحاظ شده است. در واقع طبقه بندی پیشنهادی مصالح هوشمند بر پایه سه خاصیت زیر ارائه شده است.
مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر خواص درونی
- مصالح هوشمند تغییر شکل دهنده
- مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده
- مصالح هوشمند تغییر پیوند دهنده
مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر و مبادله مواد درونی
مصالح هوشمند دارای قابلیت مبادله انرژی
- مصالح هوشمند ساطع کننده نور
- مصالح هوشمند تولید کننده الکتریسیته
- مصالح هوشمند ذخیره کننده انرژی
مصالح هوشمند تغییر شکل دهنده
این گروه از مصالح هوشمند که دارای قابلیت تغییر خواص درونی خود هستند در پاسخ به محرکات خارجی تغییراتی در شکل و ابعاد خود ایجاد می‌کنند که این تغییرات بستگی به نوع توزیع و آرایش ترکیبات تحریک پذیر درونی آنها دارد.
مصالح هوشمند دما واکنشی
این نوع از مصالح هوشمند که زیر مجموعه مصالح هوشمند تغییرشکل دهنده هستند، نوعی ویژگی ذاتی دارند که آنها را قادر می‌سازد تا در برابر تغییرات دمای محیط پیرامون به طور برگشت پذیر واکنش نشان دهند. تغییرات دمایی ممکن است تاثیر غیر فعال داشته باشد به طوری که مصالح به طور مداوم وضعیت دمای داخلی خود را با وضعیت طبیعی پیرامونش از طریق پوسته بیرونی تنظیم کند و اگر تاثیرات آن به صورت فعال باشد، نوعی گرمایش فعال با بکار بردن یک میدان الکتریکی از طریق تماس ایجاد می‌شود. مصالح دما واکنشی، به نوبه خود انواع و اقسام متنوعی از متریال‌ها را شامل می‌شوند اما تعداد محدودی از آنها در معماری کاربرد دارند.
مصالح منبسط شونده نمونه‌ای از مصالح دما واکنشی هستند که دارای ضریب انبساط گرمایی‌اند. گرماسنج‌ها از اولین سیستم‌هایی بودند که با بکارگیری چنین مصالحی ساخته شد. اما مهمترین کاربرد آنها در معماری در ترموستات‌های گرمایشی برای سرویس‌های خدماتی ساختمان و همچنین به عنوان محرک‌های ویژه‌ای در گلخانه‌ها و در نمای ساختمانها برای کنترل و مدیریت انرژی به کار می‌روند.
کاربرد دیگر آنها در سیستم تهویه اتاق‌های ساختمان است. با وجود اینکه مصالح منبسط در دهه‌های اخیر به عنوان اجزای (TEM) شونده ترموستات‌ها بکار می‌رفته‌اند اما استفاده از آنها برای تهویه اتوماتیک ساختمان مربوط به چند سال اخیر می‌شود. طرز کار این سیستم نیز به گونه‌ای است که در دماهای مشخص سیستم باز یا بسته می‌شود تا شرایط تهویه مناسب فضا را فراهم سازد. آنها همچنین می‌توانند با بالا بردن یا پایین آوردن بخش‌هایی از پوشش بام به صورت اتوماتیک، به عنوان اجزای سیستم تهویه در نمای ساختمانها طراحی شوند.
مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده
همانطور که از اسم این مصالح پیداست آنها قادرند رنگ یا مشخصه‌های بصری خود را در پاسخ به یک یا چندین محرک خارجی به صورت برگشت پذیر تغییر دهند. این مصالح با توجه به محرک انگیزاننده خود انواع مختلفی را شامل می‌شوند ولی تعدادی از آنها که در کاربردهای معمارانه بسیار مورد توجه‌اند شامل مصالح فتوکرومیک، ترموکرومیک و الکتروکرومیک هستند. این مصالح با قرار گیری در برابر نور با تغییر رنگ ار خود واکنش می‌دهند.
هم اکنون مصالح فتوکرومیک یا به صورت رنگ دانه‌های فتوکرومیک، شیشه‌های فتوکروم یک و پلاستیک‌ها یا پلیمرهای فتوکرومیک در دسترس هستند. استفاده از این مصالح در معماری و در پوشش نمای بناها باب شده است. هر چند که در ابتدا بکارگیری این مصالح بخاطر جنبه زیبایی آنها بود (بخاطر طیف رنگی که در برابر نور ایجاد می‌نمودند).
کاربرد مصالح الکتروکرومیک نیز در معماری شیشه‌های الکترواپتیکال هستند. مصالح الکترواپتیکال با قرارگیری در معرض اشعه خورشید مشخصه بصری یعنی میزان شفافیت خود را تغییر می‌دهند .
مصالح هوشمند ساطع کننده نور
مصالح و فرآوردههایی هستند که مولکول هایدرون آنها با تاثیر انرژی‌هایی مثل روشنایی یا میدانالکتریکی، برانگیخته شده و از خود نور تولید می‌کنند.این پدیده در واقع یک حالت موقتی برای مولکول‌ها است که بر اثر تاثیر انرژی بالاتر اتفاق می‌افتد که در این زمان بخشی از انرژی جذب شده توسط مولکول‌ها به شکل اشعه الکترومغناطیسی مرئی ساطع می‌شود بدون آنکه حرارت اشعه خارج شود. از این پدیده با عنوان تابناکی یاد می‌کنند. از مهمترین و کاربردی‌ترین آنها در زمینه معماری، مصالح فتولومینس و الکترولومینس هستند.
استفاده از مصالح هوشمند ساطع کننده نور : LED و سلول‌های خورشیدی
مصالح هوشمند ذخیره کننده انرژی
این مصالح و فرآورده‌ها قادرند انرژی را چه به صورت نمایان و چه نهانی در خو د ذخیره نمایند، مثلاً به شکل نور، گرما، هیدروژن یا الکتریسته. این مصالح قابلیت برگشت پذیری نیز دارند. بنابراین این مصالح قادر به ذخیره انرژی بصورت‌های مختلفی هستند. اما در این بین مصالح هوشمند ذخیره کننده حرارت (گرما) بیشتر مورد توجه بوده‌اند. این مصالح نوعی ویژگی ذاتی دارند که آنها را قادر می‌سازد که انرژی را بصورت گرما یا سرما (معکوس گرما) بصورت انرژی نهانی در خود ذخیره کنند. این مصالح در معماری دارای کاربرد و مورد توجه بسیار هستند. پرکاربردترین آنها که با عنو ان مصالح تغییر حالت دهنده مشهور هستند. به آن دسته از مصالح و فرآوردههایی اطلاق می‌شود که می‌توانند به عنوان واسطه تنظیم دما عمل کنند مثلاً به عنوان عنصر واسطه ذخیره سرما یا گرمای نهانی تنظیمات دمای داخل اتاق مصالح PCM این ویژگی را دارند که وضعیت خود را از حالت مایع به جامد بوسیله کریستاله شدن (بلوره شدن) تغییر دهند و میزان مشخصی از انرژی گرمایی که قبلاً در درجه حرارت بالاتر ذخیره کرده بودند، از خود آزاد کنند و در حالت معکوس با تغییر وضعیت از جامد به مایع در زمان ورود انرژی گرمایی میزان حرارت یا دما را ثابت نگه دارند. ذکر این نکته ضروری است که مصالحی با ظرفیت ذخیره حرارتی بالا یا اتلاف حرارتی پایین در این دسته از مصالح هوشمند جای نمی‌گیرند.
سیستم نما عبور کرده و علاوه بر گرم نمودن فضای داخل باعث گرم شدن پانل‌های PCM می‌شود. این، گرما هیدرات نمک را از حالت جامد به مایع تبدیل کرده و گرمای حاصله به صورت گرمای نهانی در سیستم ذخیره می‌شود. زمانی که حرارت اتاق از ۲۶ درجه سانتیگراد پایین‌تر می‌آید مثلاً در طول شب یا روزهای ابری آنگاه هیدرات نمک متبلور شده و انرژی گرمایی ذخیره شده خود را در اتاق آزاد می‌کند.
مزیت دیگر این سیستم این است که وضعیت شارژ بودن یا نبودن این سیستم ذخیره کننده حرارت از ظاهر بصری آن قابل مشاهده است به این ترتیب که اگر نما مات به نظر برسد، هیدرات نمک شارژ نشده است. یعنی ذخیره حرارتی ندارد و اما اگر نما حالت شفاف یا نیمه مات داشته باشد هیدرات نمک در نما شارژ بوده و ذخیره حرارتی آن پر است.
مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر و مبادله مواد درونی
می‌توانند مواد را در فرم مولکول و به شکل گاز، مایع یا جامد با فرایندهای مختلف فیزیکی یا شیمیایی، در خود محصور و یا اینکه آزاد کنند. عملکرد این
مصالح به صورتی است که با قرار گرفتن در برابر انواع گاز، بخار آب، آب و یا حتی محلول‌های آبدار، با چسباندن آنها به سطح داخلی خود و یا اضافه کردن آنها به حجم خود واکنش نشان دهند. این مصالح با خصوصیات ذکر شده به طور عمده می‌توانند در نمای خارجی یا داخلی ساختمانها استفاده شوند و معروفترین آنها مواد و مصالحی هستند که خودبخود تمیز می‌شوند و همچنین پوشش‌ها و لایه‌هایی هستند که با قرار گرفتن روی سطوح ساختمان آلاینده‌های موجود در هوا را بی‌اثر کرده و از بین می‌برند. به طور کلی این متریال‌ها با انجام فرآیندهای درونی خاص خود می‌توانند خصوصیات و ویژگیهای زیر را از خود نشان دهند.
- ضد آب نمودن نما، تمیز نمودن خود نما، بالا بردن کیفیت هوای فضای داخل، از بین بردن آلودگی هوای اطراف، جاذب صدا، ایجاد بوی معطر در فضا
نمونه‌ای از مصالح ضد آب در این دسته بنتونیت است. که از مهمترین فرآورده‌های معدنی مورد استفاده در مصالح ساختمانی است.
نمونه دیگر در این دسته از مصالح هوشمند که به مصالح خود پاک شونده معروفند، دی اکسید تیتانیوم (TiO2) است. این ماده دارای خواص و ویژگیهای منحصر به فردی است. به طوری که به هنگام قرارگیری در معرض اشعه ماورای بنفش نور خورشید، به یک ماده بشدت فعال و واکنش پذیر تبدیل می‌شود. واکنش پذیر شدن و فعالیت شیمیایی شدید این ماده در مجاورت اشعه ماورای بنفش، می‌تواند از چسبیدن باکتری‌ها و کثیفی‌ها بر روی دیوارها و ساختمانها جلوگیری کند و سبب می‌شود تا این آلودگی‌ها با بارش یک باران، به آسانی از روی دیوارها شسته و پاک شوند. تولید گسترده و انبوه مصالح خودپاک شونده و استفاده گسترده آن در ساختار ساختمانها و پنجره‌ها در مناطق گوناگون، سبب می‌شود که از این پس بتوانیم در شهرهایی زندگی کنیم که از نما و سیمای بسیار تمیز، پاکیزه و درخشانی برخوردارند و نیازی به تمیز کردن نمای دیوارها و پنجره‌ها به طور دوره‌ای نخواهد داشت. این ویژگی مصالح خود پاک شونده از مهمترین کاربرد این مصالح در حیطه طراحی شهری است که می‌توانند به پاکیزگی شهرهای بزرگ و کاهش آلودگی هوا در آنها کمک شایانی نماید.