Adaptive Facades: رویکردهای طراحی در نمای تطبیقی

_مقدمه_

همانطورکه میدانید روشنایی روز با افزایش نور خورشید همراه است و این موضوع ممکن است یک مزیت باشد ولی باید در برخی موارد کنترل شود. تا همین اواخر روش‌های معمولی و متفاوتی برای کنترل تابش خیره کننده و گرم شدن بیش از حد وجود داشت، فناوری‌هایی مثل سایه‌های خورشیدی و پرده‌های غلتکی که به دلیل هزینه‌های کمتر و سهولت از آنها استفاده میشد.
قابل ذکر است که سیستم‌های سایه ثابت یا استاتیک محدود هستند و پتانسیل پاسخگویی به تغییرات محیطی درطول یک روز یا یک فصل ممکن است منجر به عملکرد غیرقابل قبول از آن‌ها شود. از طرف دیگر پنجره‌های معمولی، نور طبیعی بیشتری را وارد محیط میکنند پس باید به دنبال جایگزین‌های طراحی پیشرفته تری باشیم.
نمای ساختمان نمایان‌ترین عنصر ساختمان است که هم زیبایی ظاهری ساختمان را مشخص میکند و هم مانعی فیزیکی و رابطی بین داخل و خارج محسوب میشود. همچنین نمای ساختمان در معرض تغییرات غیرقابل کنترل هوا، تابش نورخورشید، باد و دمای شدید است که بر آسایش و شرایط سرنشینان داخل ساختمان تاثیر میگذارد. بنابراین در مرحله‌ی طراحی نما چندین پارامتر وجود دارد که باید به طور کلی در نظر گرفته شود که عبارت اند از: کنترل جذب تابش، تهویه‌ی طبیعی، روشنایی روز در مقابل نور مصنوعی، دید نمای بیرون، کنترل حرارت، کنترل رطوبت و عایق صوتی از جمله‌ی این پارامترها است.
از مهمترین موارد ذکر شده میتوان به دید و اهداف روشنایی روز اشاره کرد که نمای تطبیقی یا همان adaptive facade ها میتوانند پاسخی مناسبی برای این منظور باشند. همچنین عملکرد ساختمان نیاز به طراحی نوآورانه دارد. در اینجا راه حل‌های تکنولوژیکی که در ادامه توضیح داده میشود بر رویکرد نمای تطبیقی (AF) تمرکز دارند.

_عملکرد نمای تطبیقی_

نمای تطبیقی بر اساس عملکرد به کاربر اجازه میدهد که براساس خواسته و نیاز آنها تغییر کند همچنین میتواند ویژگی‌های خود را در طول زمان، برای کاهش مصرف انرژی ساختمان به صورت منفعل یا فعال تغییر دهد. برای طبقه بندی و تشکیل یکپارچه عملکرد سیستماتیک adaptive facadeها سه مرحله توصیه میشود.

در مرحله اول باید به جمع آوری اطلاعات محیط پرداخته شود. شرایط محیطی، عملکرد نما و عملکرد از طراحی تا مرحله ی ساخت مورد بررسی قرار میگیرد. همچنین بررسی میشود هر متغییر میتواند آسایش انسان را برآورده کند و متناسب با عملکرد ساختمان باشد و یا خیر و در مرحله‌ی دوم داده های جمع آوری شده پردازش و عملکرد کلی کنترل میشوند. کنترل عملکرد به این صورت است که در ابتدا اجزای بیرونی مورد بررسی قرار میگیرند مثل کنترل سنسورها، پردازنده‌ها و محرک‌ها و در قدم‌های بعدی کنترل پیچیده‌ترین قسمت نما، جایی که محرک‌ها به صورت دستی و بدون هیچ ورودی خارجی و دارای بالاترین قابلیت تعامل با کاربر هستند. نوع دوم کنترل، مربوط به کنترل ذاتی میشود بدین معنا که با استفاده از مجموعه‌ای از موادی خاص که به مواد هوشمند معروف هستند انجام میشود. Adaptive facadeهایی که دارای کنترل ذاتی هستند میتوانند خود را به صورت خودکار تنظیم کنند و توسط ورودی‌های محیطی تنظیم میشوند. ولی از اشکالاتی که وجود دارد این است که امکان دارد این نما در شرایط از پیش تعیین نشده و محدودیت‌های پیشبینی نشده رخ دهد و همچنین عدم مداخله‌ی دستی کاربر در سیستم کنترل ذاتی از دیگر اشکالات آن است.

_معرفی برخی از گونه‌های موجود_

اصطلاحات و تعاریف مختلفی از نمای تطبیقی وجود دارد و این میتواند نشان دهنده‌ی‌ این باشد که همواره تحقیقات علمی در مورد این پوسته‌های پویا در حال پیشرفت است و در این بین از واژه‌های زیادی استفاده میشود که گاهی باعث گیج شدن محققان میشود. از جمله این واژه ها میتوان به:passive ,dynamic ,active ,kinetic intelligent ,switchable ,responsive ,interactive ,movable ,smart ,biomimetic ,plant-inspired و… اشاره کرد. شاید همین باعث شده که توصیف کردن انواع adaptive facadeها با چالش روبه رو باشد. در این بین باید توجه داشت که هریک از آنها کاملا جداگانه نیست و ممکن است با یکدیگر همپوشانی داشته باشند.
حال به توضیح مختصری درباره‌ی هرکدام از آنها میپردازیم.

1. نمای فعال (Active facades)

تشکیل شده از پارامتر‌هایی که بدون تعامل کاربر به صرفه جویی انرژی می پردازند. (با این وجود، این نما همیشه دارای هدف نیست) از نمونه‌های این نما میتوان به موزه‌ای در پیتسبورگ اشاره کرد. نمای این ساختمان (همانطور که در تصویر میبینید) شامل هزاران سوراخ است، مربع های آلومینیومی که به وسیله‌ی باد تکان میخورند و تغییر شکل میدهند این موضوع باعث میشود کیفیت بصری فضای داخلی بسیار خاص باشد.

ساختمان ICT-MEDIA از دیگر نمونه‌های نمای فعال است.

2. نمای منفعل (Passive facades)

مجموعه‌ای از معماری‌های منفعل، نمای منفعل را تشکیل میدهد. آن دسته از طراحی‌هایی که پاسخی به تغییرات آب و هوایی است و به عنوان لایه‌ای محافظ عمل میکند جزو این دسته از نماها است. برای مثال نمای دوپوست (DSF) و انواع آن. کتابخانه‌ی مروایان دارای DSF است و میتواند به یک پوسته‌ی یک دست و واحد تبدیل شود

3. نماهای زیست تقلیدی یا الهام گرفته از زیست شناسی (Biomimetic or bio-inspired facades)

همانطور که از نام این دسته از نماها مشخص است منبع تقلید آنها به طور مستقیم از پوست گیاهان و انسان‌ها است.

این نوع از نماها عملکرد یکسانی دارند، عملکردی مبتنی بر پاسخ به نور خورشید، رطوبت و…
مثالی دیگر از این نوع نماها خانه‌ی BIQ درآلمان است. در این ساختمان راکتورهای زیستی درون یک سیستم پنجره‌ای چهار لایه وجود دارد که با تابش آفتاب، هوا تولید میکند. این اتفاق باعث ساخت جلبک‌ میشود و با استفاده از این واکنش انرژی گرمایی زیادی را میتوان در اختیار داشت و به این روش میتوان یک سوم گرمای ساختمان را تامین کرد. قابل ذکر است که سیستم‌های بیومتریک بیشتر با استفاده از سیستم‌های ذاتی مواد قابلیت اجرا دارند.

4. نمای جنبشی (Kinetic facades)

این نوع از نماها به عنوان مکانیکی پیچیده تعریف شده است. سیستم‌هایی که در آنها نوع خاصی از حرکت‌ها را مثل جابه‌جایی، لغزش، گسترش، تا شدن و… میتوان دید. شرایط مرزی بیرونی به جای محیط داخلی و نیروی تحریک برای ایجاد حرکت در نمای جنبشی نیاز به تنظیم کارآمد دارد. به عنوان نمونه از این نما، میتوان به Helio Trace اشاره کرد. (مثل یک دیوار پرده ای که مسیر خورشید را در طول زمان ردیابی می کند)

همچنین در نمونه‌ای دیگر از این نوع نما از مکانیسیم عنبیه استفاده شده است به این صورت که بسیار به نور حساس هستند.

و یا برج البحر که درآن از پنل‌های شش ضلعی برای کنترل نور روز و نور خیره‌کننده استفاده میشود.

از اصلی ترین ویژگی‌های مشترک بین نمای جنبشی توانایی پاسخ به محرک‌های محیطی است و با توجه به این قابلیت میتوان آنها را به گونه‌ای نمای واکنشی نیز دانست.

5. نمای هوشمند (Intelligent facades)

این نمای تطبیقی میتواند با انواع سایبان‌ها ترکیب شود و همچنین از متریال‌های هوشمند استفاده کند. همه‌ی اجزا براساس برنامه ریزی قبلی عمل میکنند. در این نما نیز سنسورها و محرک‌هایی فیزیکی برای دریافت اطلاعات و ارتباط با کاربر وجود دارد. همچنین محاسباتی تعریف میشود تا اجزا در طی زمان نسبت به یادگیری درست عمل کنند و الگوهای موجود را به درستی شناسایی کنند.

6. نمای تعاملی یا رسانه ای (Interactive or media facades)

نماهایی که با عناصر تکنولوژی ادغام شدند میتوانند تعاملی باشند. مانند سنسورها، پردازنده‌های خرد یا مدیریت خودکار ساختمان که این سیستم‌ها برای شروع پاسخ با ورودی انسان ترکیب شده‌اند. این نوع نماها دارای قابلیت‌هایی نیستند که بر آسایش داخل خانه تاثیر بگذارند. از نمونه‌های ساخته شده، Hyposurface است. این نما از صفحات فلزی مثلثی شکل تشکیل شده و شکل آنها میتواند به وسیله‌ی سیگنال‌هایی از سوی کاربر تغییر کند.

7. نمای متحرک (Movable facades)

این نوع از نما دارای سیستم‌های تکنولوژیکی است که توانایی سازگاری سریع با شرایط محیطی و موقعیت مکانیکی به وسیله‌ی سیستم‌های متحرک مانند ردیابی موقعیت خورشید برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس‌های مختلف را دارند.

کنترل محیط داخلی و یا آسایش کاربر از اهداف این نما است.

8. نمای واکنشی (Responsive facades)

این نمای تطبیقی قادر به تعامل و سازگاری با سیستم‌های طبیعی و یا مصنوعی است. مانند نمای جنبشی یا هوشمند براساس عملکرد برنامه ریزی شده است. همچنین از معمولی ترین راهکارها، حسگرها، محرک‌ها و کنترل دستگاه‌هایی که اجازه تغییر در پیکربندی نما را می دهند استفاده میشود. تفاوت اصلی این نوع نما در توانایی برقراری تعاملات با کاربران است. به همین دلیل نام واکنشی را روی آنها گذاشته‌اند. یک نمونه‌ی غیرمعمولی که امکان تعامل با کاربر را فراهم میکند Kiefer Technic Showroom (شکل آن در زیر قرار دارد) است. این نما محیط داخلی را بهینه میکند. بر اساس شرایط بیرونی از طریق پانل‌های آلومینیومی توسط سنسورهای نور به صورت مرکزی کنترل می شوند و به کاربران اجازه می دهد تا از آن استفاده کنند و یا به صورت خودکار کنترل شوند.

9. نمای (متریال) هوشمند (Smart facades)

این نما درون خود دارای پاسخ‌هایی مشخص است به این صورت که بر اساس خواص فیزیکی متریال‌های مورد استفاده عمل میکند. پاسخ‌ها میتوانند فوری، گذرا(پاسخگوی چندین حالت محیطی)، خود فعال ساز(کنترل ذاتی) و… باشند. از دیگر ویژگی‌های smart facadeها این است که میتوانند به راحتی با دیگر نماها (مانند نماهای واکنشی‌ و یا نماهای پاسخگو) نسبت به رویکرد خاصی که دارند ترکیب بشوند. نیازی به محرک نداشته و فقط خواص فیزیکی متریال‌ها مورد استفاده قرار میگیرد. نمونه‌ای از این نما که به عنوان سیستم تهویه‌ی هوا و سایبان مورد استفاده قرار میگیرد در زیر قابل مشاهده است.

10. نمای دو حالته (Switchable facades)

این نماها دارای متریال های شفاف هستند و به دو صورت میتوانند مورد استفاده قرار بگیرند: ارتباط مستقیم با کاربر و یا تغییر بر اساس شرایط محیطی. همچنین امکان تنظیم جریان انرژی و نور براساس مزیت انطباقی در این نماها وجود دارد. برای نمونه میتوان به سیستم‌های شیشه‌ای که با استفاده از مواد هوشمند مانند PCM میتوانند بین حالت‌های شفاف و مات تغییر حالت دهند اشاره کرد.

_نتیجه‌ گیری_

از نظر معماری، گونه شناسی‌های نماهای تطبیقی ممکن است با یکدیگر تداخل داشته باشند و یک نمونه همزمان در چند دسته‌بندی قرار گیرد. مثلا یک نمای متحرک از ویژگی های جنبشی استفاده میکند ولی درواقع هدف آن تولید انرژی بوده است و یا Switchable facades از متریال‌های هوشمند استفاده کرده و بخشی از Smart facades است. حال این نماها با توجه به کارایی که دارند میتوانند هم به صورت مستقیم با کاربر در تعامل باشند و یا با توجه به شرایط محیطی به صورت خودکار عمل کنند. با در نظر گرفتن این توضیح میتوان Adaptive facadeها یا همان AFها را به عنوان ترکیبی از نماهای پاسخگو دانست و اصطلاحات ذکر شده را به صورت دیاگرام زیر تفسیر کرد.