ایده سازه های حبابی

سازه های حبابی

طبیعت، هم طراحی زبردست است و هم مهندسی چیره دست، هم در انتخاب فرم و شکلهای یک جسم (مناسب با نیاز آن) بهترین ها را انتخاب می کند و هم در انتخاب اسکلت و مکانیسمی که به آن جسم ایستایی و دوام ببخشد ساده ترین ، متناسب ترین و موثرترین را به کار می گیرد. جالب است که در طبیعت فرم یک جسم و اجزای برپا دارنده و شکل دهنده ی آن به صورت متقابل یکدیگر را تعریف و به نوعی هر یک ، خود را به دیگری دیکته می کند.

از تار عنکبوت گرفته تا کندوی زنبورعسل و از یک صدف دریایی تا استخوان بال کرکس هر چقدر صورت مسأله در طبیعت سخت تر باشد، راه حل های طبیعی آن نیز به همان میزان زیبا دقیق وپیچیده است.

برخلاف گذشته، که سازه ی نگهدارنده ی بنا همواره ترکیبی از اجزای خطی ، یا سطحی بوده، در حال حاضر در پاسخ به این پرسش که یک سازه به چه شکل باید فضا را اشغال کند؟ می توان گفت فرم سازه باید بیشترین تناسب ظاهری و عملکردی را با فرم معماری دارا باشد؛ به گونه ای که نتوان آن سازه را جدا و نا متجانس با فرم معماری دانست .

ایده ی استفاده از الگوهای حجمی با ترتیب وقوع منظم به عنوان یکی از بهترین راه حل ها در این موارد مطرح می شود. الگوهای حجمی سازه ، که با ترتیب خاص تکرار می شوند، سنگ بنای تشکیل همه ی اجسام در طبیعت اند. بهترین نمونه در این مورد آرایش کریستالی کانی های تشکیل دهنده ی سنگ هاست . در سلولهای زنده ی جانداران نیز این الگوها به وفور مشاهده می شوند.

استفاده از الگوهای حجمی در سازه مزیت های بسیار دارد. یکی از ویژگی های مهم این الگوها تکرار پذیری آنها در جهات مختلف در فضا با استفاده از سلولهای مشابه است.

یکی از ساختمانهایی که در آن ایده ی استفاده از الگوهای خاص سازه به صورت هوشمندانه به کار رفته و باعث ایجاد خصوصیات جالب و منحصر به فرد در آن شده، «مکعب آبی» است.

مکعب آبی

مکعب آبی نامی است که برای پروژه ی «مرکز شنا و بازیهای آبی» در بازیهای المپیک 2008 پکن در نظر گرفته شده است، طراحی و پروژه ی مکعب آبی را کنسرسیونی متشکل از گروه معماران PTW از استرالیا شرکت آروپ ، انجمن مهندسی ساختمان جمهوری خلق چین (CSCEC) و انستیتو طراحی Shenzhen وابسته به آن (CSCEC+DESIGN) انجام داده اند.

پروژه به شکل یک مکعب ساده و شفاف و سازه ی آن بسیار شبیه به اجتماع مولکولهای آب(H20) و در حقیقت آرایش پیچیده ای از اجزای جباب مانند است که به صورت یک مکعب بزرگ و حجیم ، کریستالیزه شده اند

هزینه ی اجرای طرح بالغ برصد میلیون دلار است که قسمتی از آن را چینی های ساکن در خارج کشور تأمین میکنند.پروژه زیربنایی بالغ بر هفتادهزار متر مربع و شش هزار صندلی ثابت دارد ولی برحسب مورد قابلیت جا دادن یازده هزار صندلی موقت اضافی را هم و در مجموع می تواند 17000 تماشاچی، خبرنگار و غیره را در خود جای دهد. ابعاد مکعب آبی 177×177 متر و ارتفاع آن 31 متر است، ضخامت دیواره های پیرامون آن در حدود 6/3 متر و ضخامت سقف آن 2/7 است.

از جمله نوآوري هاي ديگر پروژه :
پوشش به کار رفته در سطح خارجی و عملکرد آن ،
مسئله ی آتش سوزی و نحوه ی برخورد با عواقب آن،
استفاده بهینه از انرژس خورشد در ساختمان
چگونگی استفاده از آب و بازیافت آب مصرفی (با توجه به کمبود محسوس آب در پکن و بارش کم باران )

ایده ی پروژه چگونه شکل گرفت؟

اعضای شرکت آروپ و مدیر پروژه ، در مورد چگونگی «خلق» مکعب آبی می گویند :

با توجه به مهلت كوتاه براي ارسال طرح ، یکی از کارهای بسیار مهم آروپ این بود که اهداف مورد نظرشان را (چگونگی گرمایش و سرمایش در ساختمان، انرژی ، مسائل زیست محیطی و عملکرد تکنیکی لازم ) برای معماران دقیقاً مشخص و روشن کرند، تا روند طراحی به صورت صحیح و منطقی پیش برود

یکی از ایده های معماری ، پیچیدن ساختمان دریک پوشش به گونه ای بود که نتوان بین اجزای مختلف آن(سقف ،دیوارهاو...) تمایزی قائل شد و کل ساختمان به صورت یک عنصر واحد دیده شود.

علاوه بر این ، ما تمایل داشتیم پوشش ذکر شده شفاف و دولایه باشد؛زیرا استفاده از یک فضا با عملکرد گلخانه ای بهترین راهی بود که انتظارات ما را در زمینه زیست محیطی و انرژی تأمین کرد.

ما با علم به این موضوع که چند وجهی منتظمی وجود ندارد که بتواند فضای سه بعدی را «فرش کند»، توجه خود را به دنیای کریستالها معطوف کردیم . در همین حال و با جستجو در اینترنت به سوال مشهور لرد کلوین در قرن 19 میلادی برخوردم که پرسیده بود:

اگر قرار باشد یک فضای سه بعدی به تعدادی زیر فضا ،همه دارای حجمهای مساوی تقسیم شود و در صورتی که قرار باشد سطح این زیرفضاها مینیمم باشد این زیر فضاها چه شکلی خواهند داشت ؟

لرد کلوین با مطالعه در مورد حبابهای صابون و نحوه قرار گرفتن آنها در کنار هم، به این نتیجه رسید که وقتی چند حباب صابون به یکدیگر بر میخورند همواره مانند سه سطح با زاویه 120 درجه با یکدیگر تلاقی می کنند و یک فصل مشترک تشکیل می دهند.«سلول» پیشنهادی کلوین یک 14 وجهی بود ولي راه حل کلوین ، بهترین روش تقسیم فضا نبود و در ضمن به علت لزوم قرار گرفتن سلولها در یک جهت خاص ،ارگانیک نیست.

به رغم اینکه راه حل کلوین از لحاظ سازه ای جالب و در عین حال تکرار پذیر است، از استفاده از آن در پروژه صرف نظر شد.

مراحل طراحی

همان گونه که ذکر شد ، سازه تشکیل دهنده مکعب آبی بسیار پیچیده با آرایش فضایی بغرنج است که امکان استفاده از روشهای معمول برای مدل سازی و طراحی آن وجود ندارد.

در مکعب آبی حدود 22 هزار جزء سازه ای (به شکل میله ) و 12 هزار گره (محل تلاقی اعضا) وجود دارد. برای درک عظمت سازه مورد استفاده ،ذکر این نکته جالب است که اگر تمام اجزای سازه ای تشکیل دهنده مکعب آبی به دنبال هم قرارگیرند طولی بیشتر از 90 کیلومتر خواهند داشت.

به دو دليل آناليز و طراحي سازه يكي از پيچيده ترين مراحل كار بود :
1- رعايت معيار هاي طراحي سازه
2- بهينه سازي تك تك اجزا

در آنالیز سازه ای ، بارهای ناشی از وزن سازه، با زلزله، بار باد وباربرف در نظر گرفته شدند. برای محاسبه بار زلزله، از مشخصات ژئوتکنیک سایت پروژه استفاده شد. طراحی لرزه ای یکی از موارد تعیین کننده در کل روند طراحی مکعب آبی بود .

در مجموع حدود 750 هزار بارگذاری مختلف روی اجزای سازه ای مکعب آبی وجود دارد که به کمک روشهای تهیه شده کامپیوتری ، در عرض چند دقیقه در مدل تحلیلی سازه به آنها اعمال می شود.

در روند بهینه سازی ، هر جز به گونه ای طراحی شد که با حداقل میزان مصرف مصالح ، مقاومت لازم برای تحمل وزن سازه و بارهای وارده بر آن و نیز بار زلزله را دارا باشد.

نتیجه نهایی بهینه سازی ، بسیار عالی و جالب توجه بود وزن کل سازه در حدود 5 هزار تن به دست آمد؛ به عبارت دیگر ، مقدار فولاد مصرفی در حدود صد کیلوگرم بر متر مربع شد که نشان می دهدسازه مکعب آبی،به رغم شکل پیچیده واجزای بسیار،بسیار سبک و اقتصادی است.

جزئیات اجرايي:

سیستم سازه ای که برای مکعب آبی در نظر گرفته شده، به رغم ظاهر ارگانیک و پیچیده در حقیقت، یک خرپای فضایی فولادی است.

برای توصیف بهتر سازه به کاربرده شده در مکعب آبی ، می توان آن را به دو جزء اصلی تفکیک کرد: سازه داخلی و سازه بدنه.

سازه داخلی در عمق ساختمان به کار رفته و سازه بدنه وجوه بیرونی سقف و دیواره ها را تشکیل داده که پوشش اصلی ساختمان آن را می پوشاند.

همان گونه که ذکر شد ،سازه به کار رفته در پروژه به شدت تکرار شونده است. با وجود این، در آن در مجموع سه نوع گره و چهار نوع جزء متفاوت به کار رفته است.

سازه بدنه از قرار گرفتن اجزایی با مقطع مستطیل در کنار هم به وجود آمده است. اتصال این اجزا می تواند با استفاده از جوش یا پیچ انجام شود . در نهایت، سازه بدنه در بالا و ایین و اطراف سازه داخلی قرار داده می شود تا سازه یکپارچه اصلی ایجاد شود.

همان گونه که گفته شد ، خرپای فضایی نهایی ، مشابه شکل حاصل از قرار گرفتن تعداد زیادی «جباب» بخ صورت نامنظم و تصادفی در کنارهم است.

در مجموع 4 هزار حباب ، سازه اصلی را تشکیل می دهند که دیواره ها از 16 نوع و سقف از 7 نوع جباب در اندازه های مختلف تشکیل شده و ابعاد بزرگ ترین جباب چیزی در حدود 5/7 متر است .

هوای داخلی مکعب آبی به دلیل وجود رطوبت فراوان، بسیار خورنده است و در حالت عادی می تواند به سازه صدمه بزند. ولی سازه اصلی مکعب آبی به دلیل اینکه در یک ناحیه خشک و بین دو لایه پوششی قرار گرفته از هوای داخلی استخرها و فضاهای دارای رطوبت کاملاً جداست و خوردگی در آن عامل تعیین کننده ای نیست. با این همه برای اطمینان بیشتر کلیه اجزای سازه با استفاده از یک نوع پرایمر دارای فلز روی ، اندود شده اند.