أصبحت تكاليف تشييد المباني مرتفعة هذه الأيام، ولكن عند تشييد المباني الخرسانية، هناك مادة أخرى يمكن أن تجعلها أقل تكلفة: الطين.
تمكن باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من تطوير طريقة لاستخدام الطين المعالج بشكل خفيف، بما في ذلك التربة من موقع البناء، كقوالب صب الخرسانة.
وتعتمد هذه التقنية على الطباعة ثلاثية الأبعاد ويمكن أن تحل محل الطريقة الأكثر تكلفة لبناء قوالب خشبية معقدة للبناء الخرساني.
يقول ساندي كيرث، وهو طالب دكتوراه في قسم الهندسة المعمارية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والذي ساعد في قيادة المشروع: “لقد أثبتنا أنه يمكننا في الأساس أخذ الأرض التي نقف عليها، أو التربة المهدرة من موقع البناء، وتحويلها إلى قوالب دقيقة ومعقدة للغاية ومرنة للهياكل الخرسانية المخصصة”.
وقد يساعد هذا النهج في تسريع عملية البناء القائمة على الخرسانة بشكل أكثر كفاءة، كما قد يؤدي إلى خفض التكاليف وانبعاثات الكربون .
ويقول كيرث، الذي يعمل أيضًا مديرًا لمبادرة الطين القابل للبرمجة: “إنها تمتلك القدرة على التأثير الفوري ولا تتطلب تغيير طبيعة صناعة البناء”.
شارك كيرث في تأليف العديد من الأوراق البحثية حول هذه الطريقة، وأحدثها، والتي نُشرت في مجلة Construction and Building Materials .
و كتب كيرث هذه الورقة البحثية مع تسعة مؤلفين مشاركين، بما في ذلك ناتالي بيرل، وإميلي ويسمان، وتيم كوزين، ولطيفة الخياط، وفينسنت جاكو، وكيث لي، وأوليفر مولدو، وجميعهم طلاب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا؛ ومحمد إسماعيل من جامعة فيرجينيا.
المؤلفان المشاركان الأخيران في الدراسة هما لورانس ساس، أستاذ ورئيس مجموعة الحوسبة في قسم الهندسة المعمارية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وكيتلين مولر، أستاذة مشاركة في قسم الهندسة المعمارية وقسم الهندسة المدنية والبيئية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ساس هو مستشار كيرث للدراسات العليا.
بناء الهيكل مرة واحدة وليس مرتين
إنشاء قوالب خشبية للمباني أمر مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً. هناك مقولة في الصناعة مفادها أن الهياكل الخرسانية يجب بناؤها مرتين – مرة من خلال القوالب الخشبية، ثم مرة أخرى في الخرسانة المصبوبة في القوالب.
استخدام التربة في القوالب قد يغير هذه العملية، ورغم أنها قد تبدو مادة غير عادية مقارنة بصلابة القوالب الخشبية، إلا أن التربة صلبة بما يكفي لتحمل الخرسانة المصبوبة.
تعتمد طريقة EarthWorks، كما تُعرف، على إدخال بعض المواد المضافة، مثل القش، وطلاء يشبه الشمع لمادة التربة لمنع تسرب أي مياه من الخرسانة.
الطباعة ثلاثية الأبعاد
وباستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع، يمكن للباحثين أخذ التربة من موقع بناء وطباعتها في شكل قالب مصمم خصيصًا.
يقول كيرث: “لقد قمنا بإنشاء نظام نستخدم فيه تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق، ونجعلها عملية للغاية بالنسبة للمادة. لقد وجدنا طريقة لصنع قوالب قابلة لإعادة التدوير إلى ما لا نهاية. إنها مجرد أوساخ”.
وإلى جانب التكلفة وسهولة الحصول على المواد، توفر هذه الطريقة ميزتين أخريين مترابطتين على الأقل:
– إحداهما بيئية: إذ تمثل صناعة الخرسانة ما يصل إلى 8% من انبعاثات الكربون العالمية، وهذا النهج يدعم خفض الانبعاثات بشكل كبير، سواء من خلال مادة القوالب نفسها أو من خلال سهولة تشكيل الخرسانة الناتجة لاستخدام ما هو مطلوب هيكليًا فقط.
– وباستخدام طريقة تسمى تحسين الشكل، والتي تم تطويرها للخرسانة المسلحة في أبحاث سابقة أجراها إسماعيل ومولر، من الممكن تقليل الانبعاثات الكربونية من الهياكل الخرسانية بنسبة تزيد عن 50% .
يقول مولر: “إن تقنية EarthWorks تجعل هذه الهياكل المعقدة والمحسّنة أقرب بكثير إلى الواقع المبني من خلال تقديم تقنية تصنيع منخفضة التكلفة ومنخفضة الكربون للقوالب التي يمكن نشرها في أي مكان في العالم”،
ويضيف كيرث: “إنها تقنية تمكينية لجعل المباني الخرسانية المسلحة أكثر كفاءة من الناحية المادية، وهو ما له تأثير مباشر على انبعاثات الكربون العالمية”.
بشكل عام، تسمح طريقة EarthWorks للمهندسين المعماريين والمهندسين بإنشاء أشكال خرسانية مخصصة بسهولة أكبر، وذلك بسبب مرونة مادة القوالب، من الأسهل صب الخرسانة في شكل غير عادي عند صبها بالتربة وليس الخشب.
يقول كيرث: “الرائع هنا هو أننا قادرون على صنع عناصر بناء ذات شكل محسن في نفس القدر من الوقت والطاقة التي نستهلكها لصنع عناصر بناء مستطيلة الشكل”.
مشروع جماعي
وكما يلاحظ كيرث، فإن المشاريع التي طورتها مجموعة Programmable Mud تتسم بالتعاون الشديد.
ويؤكد على الأدوار التي يلعبها كل من ساس، وهو رائد في استخدام الحوسبة للمساعدة في تطوير المساكن منخفضة التكلفة، ومولر، الذي ينشر عمله أيضًا أساليب حسابية جديدة لتقييم الأفكار البنيوية المبتكرة في الهندسة المعمارية.
يقول مولر: “إن الخرسانة مادة رائعة عندما يتم استخدامها بعناية وكفاءة، وهو ما يرتبط بطبيعتها بكيفية تشكيلها، ومع ذلك، فإن الأشكال البسيطة التي تنشأ عن التحسين تتعارض مع منطق البناء التقليدي.
ومن المثير للاهتمام للغاية تطوير تقنية تقوض هذه المقايضة المفترضة، مما يُظهر أنه يمكن تحقيق التعقيد القائم على الأداء مع انخفاض الانبعاثات الكربونية والتكلفة المنخفضة”.
أثناء إنهاء دراسته للدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أسس كيرث أيضًا شركة FORMA Systems، والتي يأمل من خلالها أن ينقل طريقة EarthWorks إلى صناعة البناء.
استخدام هذا النهج يعني أن البناة سيحتاجون إلى وجود طابعة ثلاثية الأبعاد كبيرة في الموقع.
ومع ذلك، فإنهم سيوفرون أيضًا بشكل كبير من تكاليف المواد، كما يقول.
بناء قوالب للمباني السكنية من طابقين المصنوعة من الطين
وفي المستقبل القريب، يتصور كيرث أن الوقت قد يأتي حيث يمكن استخدام هذه الطريقة ليس فقط في القوالب، بل وأيضاً في بناء قوالب للمباني السكنية المكونة من طابقين والمصنوعة بالكامل من الطين.
وبطبيعة الحال، تستخدم بعض أجزاء العالم، بما في ذلك الولايات المتحدة، العمارة المصنوعة من الطين على نطاق واسع بالفعل، ولكن الفكرة هنا تتلخص في تنظيم إنتاج مثل هذه المنازل وجعلها غير مكلفة في هذه العملية.
وفي كلتا الحالتين، كما يقول كيرث، كقوالب للخرسانة أو بمفردها، أصبح لدينا الآن طرق جديدة لتطبيق التربة في البناء.
يقول كيرث: “لقد اعتاد الناس على البناء باستخدام التربة منذ أن كانت المباني موجودة، ولكن نظراً للطلبات المعاصرة على المباني الخرسانية الحضرية ، فإن هذا النهج يفصل التكلفة عن التعقيد بشكل أساسي. أضمن لك أننا نستطيع أن نبدأ في بناء مبانٍ ذات أداء أعلى بتكلفة أقل”.
