الأخشاب المصنعة آليًا كنموذج للبناء الموفر للموارد.. مناهج جديدة متعددة التخصصات للبناء
بلاطة أرضية نشطة حرارياً مصنوعة من الخرسانة المعاد تدويرها تقوم بتسخين وتبريد المبنى باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية
نظام تظليل حساس للطقس من مواد مطبوعة رباعية الأبعاد على نافذة سقفية ينظم مناخ المبنى صيفا وشتاءً
مع استمرار نمو سكان العالم، تواجه صناعة البناء تحديًا يتمثل في استخدام موارد أقل والتحول إلى مواد مستدامة.
يقوم علماء من جامعتي شتوتجارت وفرايبورج، بتطوير مناهج جديدة متعددة التخصصات للبناء، في مشروع مشترك، قام الباحثون ببناء جناح خشبي خفيف الوزن في كلية الهندسة في جامعة فرايبورج ، حيث يقومون باختبار والبحث عن مواد وطرق بناء جديدة.
لبناء نظام المحاكاة الحيوية، استخدم العلماء طرق تخطيط جديدة تعتمد على الكمبيوتر، وعمليات تصنيع وبناء روبوتية، وأشكالًا جديدة من التفاعل بين الإنسان والآلة، مما يتيح توفيرًا كبيرًا في الموارد مقارنة بالبناء الخشبي التقليدي.
تم إنشاء الجناح، الذي تم تصميمه وفقًا لمبادئ المحاكاة الحيوية، بالتعاون بين مجموعات التميز والتصميم الحسابي التكاملي والبناء للهندسة المعمارية) في جامعة شتوتجارت وأنظمة المواد الحية والتكيفية والمستقلة للطاقة في جامعة فرايبورج.
المواد الخشبية المستدامة والإنتاج الأمثل
على مدى العقد الماضي، أصبحت صناعة الأخشاب ذات أهمية متزايدة كبديل لمواد البناء كثيفة ثاني أكسيد الكربون مثل الصلب والخرسانة.
يتكون محاكاة livMatS Biomimetic Shell @ FIT من أشرطة خشبية مجوفة ، مما يقلل من استخدام المواد لغلاف المبنى ووزنه.
يُظهر تحليل مفصل لدورة الحياة أن استهلاك مواد المبنى قد انخفض بنسبة تزيد عن 50٪ وإمكانية الاحترار العالمي بنسبة 63٪ تقريبًا مقارنة بالمبنى الخشبي التقليدي.
يقول البروفيسور أكيم مينجز من معهد التصميم والبناء الحاسوبي (ICD) والمتحدث باسم مجموعة التميز IntCDC في جامعة شتوتجارت: “لقد استخدمنا بالفعل مبدأ كفاءة المواد في الكاسيت المجوف في هيكل مؤقت مفتوح لـ” BUGA Holzpavillon 2019 “، والذي قدمناه في معرض الحدائق الوطني الألماني 2019 في هايلبرون.
وأضاف “لقد طورنا هذا المبدأ لمبنى دائم ومغلق يمكن استخدامه على مدار السنةـ لقد قمنا بتحسين طريقة البناء بالأخشاب هذه باستخدام مواد خشبية أكثر استدامة ومن خلال تكييف المكونات لتقليل النفايات أثناء الإنتاج الآلي ” تم تصميم هيكل المبنى بالكامل بحيث يسهل تفكيكه وإعادة استخدامه ، وتظل مكوناته قابلة للفرز حسب نوع المادة.
الإلهام البيولوجي: الهيكل العظمي المعياري لقنفذ البحر
يعتمد الهيكل والتصميم المعياريان على مبادئ بناء الهيكل العظمي لقنفذ البحر، إنها مصنوعة من ألواح مرتبة بشكل فردي، مما يجعلها خفيفة وقوية بشكل خاص، يعد الاستخدام الدقيق للموارد النادرة ميزة تطورية رئيسية للهياكل الطبيعية.
يقول البروفيسور يان كنيبرز من معهد هياكل البناء والتصميم الإنشائي (ITKE) ونائب المتحدث باسم مجموعة التميز IntCDC في جامعة شتوتغارت: “يُظهر الجناح كيف يمكن إنتاج هيكل متكيف مع الحمل وفعال من حيث المواد اقتصاديًا حتى في ظل ظروف اليوم، مفتاح ذلك هو الرقمنة المتسقة للتخطيط والإنتاج”.
التصنيع والتجميع الروبوتي
تم تصنيع المكونات على منصة روبوتية مطورة حديثًا وقابلة للنقل من قبل شريك التعاون müllerblaustein HolzBauWerke GmbH تم استخدام الواقع المعزز لدمج خطوات التجميع الجزئي اليدوية للمكونات الخاصة مثل الإضاءة والعناصر الصوتية.
يقول مينجز: “هذا الشكل من التفاعل بين الإنسان والآلة في عملية التصنيع يتيح الإنتاج الفعال والمسيطر عليه رقميًا للمكونات المعقدة بدرجة عالية من الدقة”.
تُعد خطة livMatS Biomimetic Shell @ FIT أيضًا المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الرافعات العنكبوتية الآلية في موقع بناء حقيقي، تم تجهيز الرافعات بقابض تفريغ لرفع المكونات، ووضعها تلقائيًا في وضع التثبيت الصحيح وتثبيتها في مكانها حتى يتم تثبيتها بواسطة رافعة أخرى. يقول مينجز: “لضمان عمل روبوتات البناء هذه بدقة ، قمنا بتطوير شبكة محطات آلية في الوقت الفعلي لتحديد موقعها”.
نظام التظليل الذي يتفاعل مع درجة الحرارة والرطوبة يحمي الداخل من أشعة الشمس، يقول البروفيسور الدكتور يورجن روه من قسم هندسة النظم الدقيقة وعضو فريق المتحدث باسم مجموعة livMatS للتميز بجامعة فرايبورج: “هدفنا هو تشغيل الجناح بطريقة محايدة للطاقة”.
يحتوي المبنى على بلاطة أرضية نشطة حرارياً مصنوعة من الخرسانة المعاد تدويرها، والتي تقوم بتسخين وتبريد المبنى باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية.
نظام تظليل حساس للطقس مصنوع من مواد مطبوعة رباعية الأبعاد على نافذة سقفية ينظم مناخ المبنى عن طريق حماية الجزء الداخلي من أحمال الحرارة العالية في الصيف والسماح بدخول ضوء الشمس في الشتاء.
يقول البروفيسور الدكتور توماس سبيك، مدير الحديقة النباتية وعضو فريق المتحدث باسم مجموعة livMatS للتميز في جامعة فرايبورج: “في أوقات تغير المناخ والزيادة الناتجة عن الإجهاد الحراري، أصبحت أنظمة التظليل الفعالة والمنخفضة الصيانة مثل” البوابة الشمسية “التي تم تحقيقها في المحاكاة الحيوية لـ livMatS Shell @ FIT ذات أهمية متزايدة”.
تعتمد البوابة الشمسية، التي تتكيف بشكل سلبي مع الظروف الشمسية، على مبدأ المحاكاة الحيوية على غرار مخاريط الصنوبر، والتي تفتح وتغلق بطريقة تتحكم فيها الرطوبة.
يقول روه: “في المستقبل ، سنستكشف أيضًا حلولًا أخرى لتصميم واجهات المباني التي يمكن أن تتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة مثل درجة الحرارة.
وبهذه الطريقة، يمكننا خلق مناخ داخلي لطيف وتمكين المبنى من العمل بطريقة محايدة لثاني أكسيد الكربون ” .
