مواد البناء الذكية Smart Materials تمثل عنصرًا هاماً في دعم الحفاظ على البيئة وتطبيق مبادئ العمارة الخضراء، حيث تتميز مواد البناء الذكية عن مواد البناء التقليدية في أنها أكثر تنوعاً في أشكالها وصفاتها واستخداماتها في المبنى.
فنجد مثلاً: الحوائط الذكية والنوافذ الذكية والتي يمكن للزجاج فيها أن يغيّر من خصائصه طبقاً لرغبات المستخدمين للمبنى واحتياجاتهم، والطوب الذكي الذي يحلل الأداء الإنشائي للمبنى.
ونجد أيضاً الغبار الذكي وهو عبارة عن حساسات صغيرة جداً في حجم حبيبات الرمل يمكنها رصد وتحليل أي متغيرات داخل أو خارج المبنى مثل الإضاءة والذبذبات المختلفة أو تقوم بجمع معلومات تساعد نظام إدارة المبنى في التحكم في أنظمة المبنى.
ويمكننا تعريف المواد الذكية على إنها مواد قادرة على الاستجابة للتغيرات البيئية المحيطة بها، من خلال تغيير خصائصها أو تركيبها بالطريقة المعروفة لديها مسبقاً محدثةً تغيراً لحظياً.
فمثلاً: عند استخدامها في غلاف المبنى تستطيع أن تستجيب بذكاء للتغيرات المناخية المحيطة بالغلاف من فصل الصيف إلى فصل الشتاء أو من البيئة الساخنة إلى الباردة للوصول لراحة المستخدمين.
1. مميزات المواد الذكيه
تستجيب المواد الذكية من خلال تغيير نفسها تبعاً للتغيرات الخارجية أو الرد على هذه التغيرات من خلال إشارة ما، كما أنها من الممكن أن تكون جزءًا معقداً في نظام هيكلي متكامل، وعلى الرغم من أن بعض المواد تحمل أكثر من خاصية مثل خاصية الاستشعار وعناصر التحريك معاً مما يقلل من حجم وتعقيد النظام.
إلا أن المواد الذكية لا تسطيع تكوين نظاماً متكاملاً بمفردها بل إنها عادة ما تكون جزءا من الأنظمة الذكية المتكاملة. وتقدم المواد الذكية مجموعة واسعة من المميزات والفوائد للمباني عند الاعتماد عليها كمواد لبناء المبنى بوجه عام ولغلاف المبنى بوجه خاص لما له من اتصال مباشر بالبيئة الخارجية وتغيراتها.
ويقدم الجدول (1) شرحًا لأهم مميزات هذه المواد الذكية.
 |
| جدول (1) صفات المواد الذكية ومميزاتها |
2. تصنيفات المواد الذكيه
يمكننا تصنيف جميع المواد الذكية من حيث الخصائص كما يوضح الشكل (1) إلى ثلاث مجموعات رئيسة كما يلي:
- متغيرة الخصائص Property changing materials
- محولة للطاقة ومبدلة لها Energy exchanging material
- مبدلة للمادة من حيث الحجم والموقع والاتجاه Material exchanging |
| شكل (1) تصنيف المواد الذكية تبعاً لأنواعها وخصائصها |
المجموعة الأولي من المواد متغيرة الخواص لها العديد من التطبيقات في أغلفة المباني كمادة بناء، أما المجموعة الثانية فتكون تطبيقاتها في الغالب في خدمات البناء مثل المحركات وأجهزة الاستشعار، بينما يتم استخدام المجموعة الثالثة بمثابة عازل.
3. أمثله للمواد الذكيه
بعد أن تعرفنا على خصائص المواد الذكية وأنواعها وكيفية استجابتها للمتغيرات والمؤثرات البيئية المحيطة بها، فنحن الأن بصدد التعرف على بعض الأمثلة التطبيقية لهذه المواد الذكية.
1.3. الخرسانة البيولوجية biological concrete
هي نوع جديد من الخرسانة التي تدعم نمو الطحالب الصغيرة والفطريات والطحالب الدقيقة. وتتكون هذه المادة المتعددة الطبقات من نوعين من الاسمنت: الاسمنت البورتلاندي القياسي وأسمنت الفوسفات المغنيسيوم، الذي هو أكثر حمضية وبالتالي تؤدي إلى النمو البيولوجي كما يوضح شكل (2).
ويتم تغليف هذه المواد بطبقات إضافية لإنشاء لوحاً عمودياً لواجهات المباني وتشمل:
- طبقة مضادة للماء تحمي المواد الإسمنتية من التلف، وهي طبقة بيولوجية تمتص المياه وتدعم نمو النبات وتكاثرها.
- طبقة طلاء عكسي للماء لتسهيل عملية جمع وتخزين مياه الأمطار في الطبقة العضوية.
 |
| شكل (2) ألواح الخرسانة الحيوية أو البيولوجية |
يهدف هذا النظام إلى التغلب على العديد من القيود المفروضة على الجدران الخضراء التقليدية، ولا سيما الحاجة إلى نظم الري الميكانيكية والصيانة المكلفة. وبذلك فهي تعمل على تنقية الهواء من ثاني أكسيد الكربون CO2 وتستغل مياه الأمطار لري هذه الفطريات الدقيقة دون استهلاك زائد للطاقة أو المياه.
يوضح شكل (3) مثال لأحد المباني التي تستخدم الخرسانة البيولوجية.
 |
| شكل (3) الخرسانة البيولوجية لخلق واجهات
خضراء للمركز الثقافي للطيران |
2.3. الخرسانة الشفافة Transparent Concrete
هي مادة خرسانية ذكية يعبر من خلالها الضوء ليجعل المبنى أشبه بنافذة كبيرة وذلك إما بإستخدام تقنية الخرسانة المدمجة مع الألياف الزجاجية البصرية أو بإستخدام تقنية الثقوب الصغيرة التي لا تؤثر على فعالية الخرسانة وتزيد من شفافيتها لتصبح شفافية الخرسانة 20%, كما يوضح شكل (4).
 |
| شكل (4) تقنية الألياف الزجاجية وتقنية الثقوب الصغيرة في الخرسانة الشفافة |
لا يؤثر إستخدام هذه التقنيات على عزل الخرسانة وصلابتها كمادة بناء خارجية، بل إنها تحتفظ بصلابتها ومقومتها للأملاح ومقاومتها للحريق بالإضافة لمقاومتها العالية للأشعة في البنفسجية.
ونتيجة لقدرتها على نقل الضوء فإن ذلك يقلل من إستخدام المبنى للإضاءة خلال فترة النهار، وحيث أن الجدار مازال يتمتع بالقدرة على العزل فإن النتيجة هي الكفاءة في إستخدام الطاقة والحفاظ عليها مما يجعلها مادة مثالية لدعم العمارة الخضراء. ويوضح شكل (5) إستخدام الخرسانة الشفافة بمبنى المعارض الإيطالي بشنجهاي.
 |
شكل (5) إستخدام الخرسانة الشفافة بمبنى
المعارض الإيطالي بشنجهاي 3.3. الأسمنت المضيء (المشع)Luminous Cementهو أسمنت مصنع من البوليمرات الصناعية مضافاً إليها حبيبات الزجاج المغطسة بالفسفور، بحيث تكسب المادة إشعاعاً يظهر في الظلام. وتستخدم هذه المادة الذكية في صورة بلاطات ملونة تستخدم في أغلفة المباني والأرضيات لما لها من درجة كبيرة من الصلابة. يعتبر مبنى RWTH Aachen University مثالاً لإستخدام الإسمنت المضئ بواجهات المباني كما بالشكل (6).   شكل (6) مبنى RWTH Aachen University كمثال للإسمنت المضيء 4.3. الأسمنت المقلل للتلوث Pollution Reducer Cementهو نوع من الأسمنت المطور الذي يعتمد في تصنيعه على كربونات المغنسيوم بدلاً من كربونات الكالسيوم في الأسمنت العادي البورتلاندي؛ حيث يعمل هذا النوع من الأسمنت على إمتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون، فالطن الواحد من الخرسانة المصنوعة من هذا النوع من الأسمنت له قدرة على إمتصاص 0,4 طن من غاز ثاني أكسيد الكربون خلال فترة تصلبه. كما أن المبنى المنشأ بإستخدام هذه الخرسانة يمكن أن تكون له نفس أهمية الأغلفة الكربونية الطبيعية. حيث تشير التقارير إلى أن صنع الأسمنت يتسبب بإنبعاث حوالي 7% من مجموع غاز ثاني أكسيد الكربون، بينما يبعث هذا الأسمنت أثناء تصنيعه نصف هذه الكمية لإستهلاكه حرارة أقل من الإعتيادي، كما أنه له ديمومة أعلى من الأسمنت الإعتيادي. و يعتبر مبنى the Palazzo Italia مثالاً لإستخدام الإسمنت المضئ بواجهات المباني كما بالشكل (7).   شكل (7) استخدام الإسمنت المقلل للتلوث في مبنى the Palazzo Italia ذو الغلاف الأخضر الحيوي
المنقي للهواء |
5.3. الإسمنت الذكي Cement Smart
يحتوى هذا النوع من الإسمنت على جهاز عصبي يتيح له أكتشاف التغيرات الداخلية ونقل معلومات إلى المحيط الخارجي. فيستطيع تحديد نقاط الضعف في المبنى وتحديد النقطة التي يمكن أن تظهر بها شقوق أو كسور.
6.3. الطوب الذكي Smart Bricks
الطوب الذكي له أنواع متعدد وكثيرة، وكل منها له مميزاته الخاصة فعلى سبيل المثال:
يوجد الطوب الذكي الذي يستخدم لمراقبة الحالة الأنشائية للمبنى وبالتالي حماية حياة الأفراد داخل المبنى، وذلك من خلال إضافة بعض الإلكترونيات الذكية مثل الثرمستور (هوائي البطارية متعددة الإتجاهات)؛ والتي يمكنها إرسال بيانات خاصة بدرجة الحرارة أو الإهتزازات الأرضية الناتجة الزلازل أو أندلاع حريق بالمبنى.
بالإضافة إلى إنه يستخدم نظام . The Dryfix للتثبيت بدلاً من الإسمنت مما يقلل تكاليف التشغيل والمياه والطاقة والحد من التلوث مع تكلفة أقل.
7.3. مادة ETFE
هي عبارة عن غشاء بلاستيكي رقيق أنتشر إستخدامه كبديل عن الزجاج، لخفة وزنها ومرونتها الكبيرة في النقل والتشكيل وحتى في درجات الحرارة المنخفضة. بجانب مقاومتها الكبيرة للحريق ونقلها للضوء مع تمتعها بإمكانية الفك والتركيب. كما يوضح شكل (8).
 |
| شكل (8) مادة Transparent ETFE-Folien ومميزات استخدامها في أغلفة المباني |
وقد تم التوصل لشكل من أشكال التكنولوجيا الضوئية PV التي تدمج الخلايا الشمسية مباشرة مع مادة ETFE. كما بالشكل (9) حيث تعتبر مناسبة للإستخدام في أغلفة المباني الخضراء لما تتمتع به من مقاومة للأشعة فوق البنفسجية ومقاومة للتلوث بالأضافة لخاصية التنظيف الذاتي.
 |
| شكل (9) التكامل والدمج بين مادة ETFE وأغشيةPV سوء كان بالطبقة العلوية أو الوسطي |
ومن أمثلة المباني التي استخدمت ETFE-Folien كمادة ذكية في غلافها هو مبنى أستاد Allianz Arena في ميونخ, والموضح الشكل (10).
 |
| شكل (10) إستاد Allianz Arena Munich لكرة القدم المغطي بمادة Fluon ETFE Film |
8.3. مادة التغليف الذكي Smart Wrap
هي عبارة عن فيلم بلاستيكي رقيق يعمل كجدار ذكي متعدد المهام يحيط بالمبنى. حيث تدمج مادة التغليف الذكي جميع وظائف الجدران التقليلدية (العزل والحماية والنوافذ) ، مع وظائف إضافية (القدرة على تخزين الطاقة وتنظيم الحرارة رقمياً فضلاً عن توفير الضوء والتحكم فيه) في مادة واحدة عالية التقنية، لايزيد سمكها عن ميللميترات. بالإضافة لخفة وزنها وسرعة نقلها وتركيبها مع قابليتها لإعادة الإستخدام.
ويوضح المثال غلاف مبنى Cellophane House من مادة التغليف الذكي، حيث يتألف الجدار الخارجي من أربع طبقات تعمل على الشد في إطار من الألومنيوم المبثوق.
وتضمنت كل لوحة حائطًا شفافًا عازلًا للطقس PET، وطبقة PET داخلية مع خلايا شمسية رقيقة، وطبقة داخلية من الحرارة الشمسية، وفيلم مانع للأشعة فوق البنفسجية، وطبقة داخلية من PET.
وتم عمل تجويف بين تلك الطبقات لحبس الحرارة في فصل الشتاء وتنفيسها في الصيف، مما يقلل من كمية الطاقة اللازمة لتدفئة المنزل وتبريده. كما يوضح بالشكل (11).
 |
| شكل (11) مبنى Cellophane House في متحف الفن الحديث في نيويورك بغلاف من مادة Smart Wrap |
9.3. الألياف البصرية المدمجة Embedded Fiber-Optic Cables
تستخدم كابلات الألياف البصرية المدمجة لتقييم التصدعات والإنحناءات الشديدة والأهتزازات والإجهادات والعيوب الشكلية.
وتعتمد في ذلك على طريقة تحليل خصائص الضوء المرسل من خلال كابل الألياف البصرية المدمج، حيث أن العيوب الشكلية والإنحناءات والتصدعات والتأثيرات الأخرى المصاحبة للتلف الفعلي أو الوشيك الحدوث؛ تغير أوتؤثر على خصائص الضوء المرسل في بعض الأحيان.
10.3. الخلايا الكهربية الذكية Piezoelectric Cells
هي خلايا كهربائية صغيرة جداً تتذبذب بشكل سريع على الحوائط الخارجية لتتنبأ بما يحيط بالمبنى وترسل موجات تفاعلية لأجهز التحكم المركزي بالمبنى.
كما يمكن استخدامها لإنتاج الطاقة كما بالمثال شكل (12) الذي يمثل مفهوم لتحويل الأبراج الشاهقة إلى مصانع لتوليد الطاقة من خلال تغطية ناطحة سحاب ستكهولم بشعيرات توليد الكهرباء التي تعمل كمزرعة رياح مغلفة للمبنى.
 |
| شكل (12) غلاف مبنى Straw scraper يستخدم الخلايا الكهربية الذكية لتوليد
الطاقة من الرياح |
11.3. الألياف الضوئية Optical Fiber
تستخدم في ربط المبنى بالعالم الخارجي بإستعمال الإرتباطات المتعددة التي يمكن أن تستخدم لقياس درجة الحرارة والإجهاد وغيرهم.
كما يمكن أن تستخدم كوسيلة لوصول ضوء النهار لكل فراغات المبنى دون نوافذ حيث تستطيع أن تقود وتنقل أشعة ضوء النهار من خلال أنابيب طويلة من الألياف الضوئية.
12.3. الزجاج العازل
يعمل هذا النوع من الزجاج على توزيع الإضاءة بصورة متساوية في الفراغ دون تكون ظلال . ويعتمد في عمله على صحيفة رقيقة تحتوي على عدد كبير من الخلايا الشبيهة بخلايا النحل ذات جدران رقيقة جدا وشفافة أو بيضاء تعمل على توزيع الضوء في الفراغ.
بالإضافة إلى خاصية العزل التى توفرها من خلال الإنعكاسية العالية لجدران الخلايا التي تتضمنها. وبذلك فإن هذا الزجاج يوفرالتحكم الشمسي حسب الوقت من السنة او حسب النهار أو الليل, ويوجد بأشكال مختلفة.
13.3. تكنولوجيا البللورات السائلة Liquid Crystal Technology
تستخدم هذه التكنولوجيا في الفتحات الخارجية لغلاف المبنى، حيث تعمل البللورات السائلة الموجودة بين طبقتي الزجاج في النوافذ الذكية على التحكم في كمية الضوء النافذ منها، وذلك من خلال تغير إستجابة البللورات السائلة للشحنات الكهربية.
حيث تعمل الشحنات الكهربية على ترتيب البللورات بشكل منتظم، ليصبح الزجاج شفافاً فيسمح للضوء بالمرور والرؤيا في الإتجاهين. أما في حالة إختفاء الشحنة الكهربائية تعود البللورات إلى وضعها العشوائي غير المنتظم مما يمنع الضوء من المرور خلالها وبعثرة الضوء ليظهر الزجاج كطبقة مشتتة تمنع الرؤيا وتحقق الخصوصية، كما يوضح شكل (13).
 |
| شكل (13) طريقة عمل نوافذ البلورات السائلة |
ومن أهم مميزات هذا النوع من النوافذ الذكية بالإضافة لكفاءتها في تحقيق الراحة الحرارية داخل المكان؛ هو تحقيق الكفاءة في الطاقة. حيث تحقق وفرات بالطاقة تصل إلى 40% من النوافذ العادية، لذا فهي مناسبة لدعم أنظمة التحكم المناخي بأغلفة المباني.
من أمثلة المباني المستخدمة لهذه التقنية مبنى Innovation Center بألمانيا كما بالشكل (14).
 |
| شكل (14) غلاف مبنى Innovation Center يستخدم نوافذ بتكنولوجيا البللورات السائلة |
14.3. الغبار الذكي Smart Dust
هو عبارة عن جسيمات أومستشعرات مصغرة في حجم ذرات الغبار فحجمها لايزيد عن 1 سنتيمتر، وتعمل بإستقلال تام حيث يمكنها أجراء إتصالات ثنائية الإتجاه يصل إرسالها إلى 100م. تتصل هذه الذرات من الغبار لاسلكيا عبر موجات الراديو.
 |
| شكل (15) شكل وحجم الغبار الذكي |
المراجع العلميه
2) الأوسي. وليد سعد, (2015), "الواجهات الذكية في المباني: دراسة تقنيات الواجهة الذكية ذات الإستجابة الفعالة في المباني", رسالة ماجستير في العلوم الهندسية غير منشورة, قسم الهندسة المعمارية, الجامعة التكنولوجية, العراق.
3) فاضل. أسماء مجدي, (2011), "العمارة الذكية وإنعكاسها التكنولوجي على التصميم: دراسة حالة المباني الإدارية ", رسالة ماجستير غير منشورة, قسم العمارة, كلية الهندسة جامعة القاهرة, الجيزة, مصر.
4) مالليو. أسماء عيد, (2013), "العمارة الذكية الصديقة للبيئة", رسالة ماجستيرفي العلوم الهندسية غير منشورة, قسم العمارة, كلية الهندسة جامعة الأسكندرية, الأسكندرية, مصر.
5) Samy. Abeer & Mohamed. Yousef,(2017), "Smart Materials Innovative Technologies in Architecture: Towards Innovative Design Paradigm" Paper in International Conference (AREQ), Published by Elsevier B.V.
6) Kretzer. Manuel, (2017), " Information Materials: Smart Materials for Adaptive Architecture", Springer International Publishing, Switzerland.
7) Baoguo Han،Liqing Zhang،Jinping Ou ,(2017),"Smart and Multifunctional Concrete Toward Sustainable Infrastructure", Springer Nature, Singapore.
8) Kamdi. Akshaya, (2013), "Transparent Concrete As A Green Material For Building" Research Paper on Int. J. Struct. & Civil Engg. Res., Vol. 2, No. 3.
9) Carbonari. A., Fioretti. R., Naticchia. B., Principi. P., (2012), " Experimental estimation of the solar properties of a switchable liquid shading system for glazed facades", Energy and Buildings,Volume 45, Elsevier B.V.
10) Van Ooste. Casper& Zitto. Martin,(2016), "Liquid Crystal Windows for Adaptive Facades", Article on Volume 47, Issue 1, San Francisco.
11) Ritter. Axel, (2007), "Smart Materials: in architecture, interior architecture and design" Birkhäuser – Publishers for Architecture, Basel, Switzerland.
12) Charbonneau, Anna Polak, Penlidis,(2014)," Mechanical properties of ETFE foils: Testing and modelling", Construction and Building Materials, Volume 60, Elsevier B.V.
13) Jianhui Hu, Wujun, Chen. Wujun, Zhao.Bing, Yang. Deqing , (2017)," Buildings with ETFE foils: A review on material properties, architectural performance and structural behavior", Construction and Building Materials, Elsevier B.V., Vol. 131.
تعليقات
إرسال تعليق