شبیه سازی؛ چشم اندازی به آینده طراحی نوین
----------------------------------------------------
خاور میانه سرزمین «ترین» هاست. این موضوع را در اقتصاد، آب و هوا و فرهنگ به وضوح می بینیم و در حیطة ساختمان سازی نیز، با پروژه هایی که در نوع خود بزرگترین، بلندترین و گران ترین در دنیا هستند؛ باز شاهد مجموعه ای از بهترین ها هستیم. به این فهرست لیست فزاینده ای ازسازه هایی که قرار است در زمره جدیدترین و خلاقانه ترین ساختمانها از نظر طراحی و مصرف انرژی باشند را اضافه کنید. معماران برای تشخیص قابل اجرا بودن این پروژه های پیچیده ـ که بیشتر آنها با حوادث طبیعی ناشی از ابر و باد و مه و خورشید و فلک سر و کار دارند ـ بیش از پیش بر برنامه های شبیه ساز ساختمان تکیه می کنند. این برنامه ها، هم در میان معماران و هم توسط مشاورانی که گفته می شود اکنون در ابتدایی ترین مراحل طراحی هستند استفاده شده است.شرکت معماری آدرین اسمیت و گوردن گیل Adrian Smith + Gordon Gill AS + GG واقع در شیکاگو و مؤسسة طراحی سیستمهای محیطیEnvironmental System Design ESD مجموعه ای از برنامه های شبیه سازی را جهت شرکت در مسابقه طراحی ساختمان ادارة مرکزی مصدر در شهر مصدر ابوظبی مورد استفاده قرار دادند. گفته می شود که شهر مصدر ابوظبی اولین شهر بدون کربن با حد اقل میزان اتلاف انرژی است که انرژی آن تماماً توسط منابع قابل تجدید تأمین
می شود.روبرت فارست Robert Forest یکی از اعضای شرکت AIA که شریک AS + GG است می گوید: «هنگامی که کار خود را برای شرکت در این مسابقه شروع کردیم، می دانستیم که باید رویکردهای عملی و جامع اتخاذ کرده و یک مرحلة تجسم مفهومی را برای مهندسین ایجاد کنیم تا بتوانیم به اهداف «مصدر» جامع عمل بپوشانیم. این ساختمان هشت طبقه متشکل از یازده ساختمان مخروطی شکل عظیم با نمای پوشیده از فولاد و شیشه می باشد و تخمین زده می شود که کار ساخت آن در سال ۲۰۱۰ تمام شود. این مجموعه اولین ساختمان از نظر وسعت و بهره وری چند منظوره با مصرف مثبت انرژی، یعنی تولید انرژی مازاد بر مصرف، در جهان خواهد بود.مکان یابی ساختمان و مطالعات سایه آن توسط معماران و با استفاده از نرم افزار Ecotect که اخیراً توسط شرکت Autodesk به کار گرفته شده، انجام شد. پس از آن مدل معماری سه بعدی به برنامة eQuest فرستاده شد؛ یک ابزار پیچیدة جهت تجزیه و تحلیل مصرف انرژی در ساختمان که در آغاز به عنوان بخشی از برنامة DOE – ۲ ساخته شده بود. این برنامه به مهندسین اجازه می دهد که سیستمهای مکانیکی و الکتریکی و همچنین پوشش بیرونی ساختمان را بهینه سازی کنند.به عقیده فارست این برنامه ها جهت تعیین مقدار مصارف جزئی انرژی استفاده می شود و بوسیله آنها می توان میزان مصرف بخشهای مختلف ساختمان را به طور دقیق تنظیم کرد. بطور مثال بخش دیوارهای خارجی را در نظر می گیریم، طراحان قادرند با استفاده از این ابزار جهت و اندازة بیرون زدگی نمای ساختمان را برای تعیین میزان جذب گرما مورد مطالعه قرار دهند . ساختمان مرکزی مصدر در شهر مصدر ابوظبی در امارات متحدة عربی، اولین ساختمان از نظر مقیاس، بزرگی، بهره وری چند منظوره و مصرف بهینه انرژی در دنیا می باشد. عکس شماره ۱ این طرح شامل یازده مخروط بادگیر است که از شیشه پوشیده شده و در محوطة اطراف بعضی از آنها آب نما و فضای سبز تعبیه شده است. عکس شماره ۲گنبد مخروطی شکلِ ِضربدری علاوه بر مقاوم کردن سقف؛ نور آفتاب را به درون فضای یک و نیم میلیون مترمربعی ساختمان هدایت می کنند. و از این مهمتر فضای داخلی را با خارج کردن هوای گرم از طریق قسمتهای فوقانی، خنک می کند. در این پروژه از برنامة محاسبه دینامیک مایع CFD جهت اطمینان از اینکه هوایی که در مخروط ها جریان دارد به بهترین وجه فضای داخلی را خنک می کند، به طور بسیار گسترده استفاده شده است. این برنامه برای شبیه سازی اثر متقابل گاز و مایع در چنین پروژة پیچیده ای از روشهای متعدد استفاده می کند.فارست می گوید: «هنگام طراحی مخروط ها، برجهای بادگیر قدیمی منطقه خاورمیانه را مد نظر داشتیم در ابتدا به موضوع واکنش مستقیم میان نور روشنایی و تهویه هوا توجه داشتیم». گروه، جهت اثبات فرضیه های خود از برنامة FloVENT استفاده کرد.این برنامه جریان سه بعدی هوا، انتقال گرما و توزیع آلایندگی را درون و بیرون ساختمانها پیش بینی می کند. ESD مدلی ساده از مخروط ها که در برگیرندة محوطه های بیرونی پایة هر مخروط بود و تصویری اولیه از وضعیت مخروط ها ارائه می دهد.«مهدی جلایریان» یکی از اعضای ESD اینگونه توضیح می دهد: با اجرای این طرح، می توانیم به طور دقیق نواحی ورود و گردش هوا را به داخل پایه های مخروط مشخص کنیم. به عنوان مثال اثر تغییر مکان ِمحل ورود هوا از پایة مخروط به کناره ها را مورد بررسی قرار دادیم و دریافتیم که اگر این ورودی ها را به کنارة مخروط ها ببریم، جریان هوا در اطراف مخروط می چرخد و عمل تهویة بسیار یکدست تر و یکسان تر انجام میپذیرد. تجزیه و تحلیل های CFD از این جهت حائز اهمیت است که به انجام پروژه ها با سرعت مشخص و در موعد مقرر بسیار کمک می کند. برای اینکه صحت عملکرد منظم سیستم تهویه طبیعی مطمئن شوند از نرم افزار CFD برای شبیه سازی نقشه هندسی ساختمان و الگوی جهت مسیر بادهای محیطی استفاده شد. بادهای گرم با سرعت بسیار زیاد در قسمت بالا و اطراف و دهانه مخروط ها می چرخند و نواحی با فشار کم چاله های خلاء ایجاد کرده و باعث خروج هوا از دهانه مخروط می شود. وضعیت خاص قرارگیری مخروط هوای سرد را در جهت مخالف به درون می آورد. عکس شماره ۳ «طرحی در شن »مهندسین شرکت بوروهاپولد Buro Happold جهت بنای ساختمان مرکز علم و فرهنگ ملک عبدالعزیز در عربستان سعودی برای مطالعه الگوهای جریان هوا، به دلایلی کاملاً متفاوت با پروژه های قبلی، از نرم افزار CDF استفاده کردند.این مرکز که توسط SnØhetta طراحی شده و انتظار می رود که در سال ۲۰۱۱ افتتاح شود، بر فراز منطقه نفت خیز تپه دّمام Damman Dome بنا می شود و یکی از معدود ساختمانها در دل کویر است. طرح SnØhetta که سفارش دهندة آن شرکت Saudi Aramco بزرگترین شرکت نفتی دنیا است، در بر گیرندة پنج بخش زیر می باشد: سازه های صخره مانند جهت سکونت، تالار اجتماعات، تئاتر، سالن نمایشگاه، موزه و بایگانی.نمای مرکز علم و فرهنگ ملک عبدالعزیز شبیه چند صخره در دل کویر است. طرح دوکی شکل آیرودینامیک که با استفاده از برنامة Ansys CFX ساخته شده است، مسیر و سرعت عبور ذرات متفاوت سرعت ذرات است که در گوشه های ساختمان به بالاترین حد خود می رسد، نواحی سفید رنگ نشان دهندة چاله هایی است که خلاء هوای احتمالی شکل می گیرد. عکس شماره ۴ و ۵ . شکل ،طرح اولیه نمای پرداخت شده ساختمان را نشان می دهد. عکس شماره۶طرح های اولیه، نمایی صیقلی و پرداخت شده را نشان می داد که به منظور مجسم کردن رنگ تیره و خاصیت ویسکوزیته غلظت و چسبندگی نفت طراحی شده بود. اما این سازه برخلاف سازه هایی که در مناطق جنگلی، تپه ماهورها و یا نواحی شهری ساخته می شوند، در معرض بادهای ویرانگری است که شن ریزه ها و سنگهای کوچک را به سطح ساختمان می کوبند. ماتیوهرمان Mathew Herman عضو گروه محاسبه، شبیه سازی و تجزیه و تحلیل بورهاپولد می گوید: این محل ، تجزیه و تحلیل های مختص به خود را می طلبد، نرم افزار CFD عمدتاً بر مشکلات خاصی که در این گونه نواحی پیش می آید تمرکز می کند. بوروهاپولد با استفاده از نرم افزار Ansys CFX یک طرح تجاری دیگر با استفاده از قابلیتهای دینامیک سیالات نقشه وزش باد را طراحی کرد تا بتواند میزان بالقوة تخریب نما و همچنین کیفیت ایمنی عابران پیاده را اندازه گیری کند. چاله های بادی ـ مناطقی که در آنجا باد حالتی متلاطم و در عین حال آرام و کم سرعت دارد ـ در نواحی متراکم تر به وفور یافت می شود. نبود آنها در چنین محلی باعث می شود که سرعت باد بیشتر شود و در گوشه های ساختمان به بیشترین حد خود برسد. طراحی این سطوح جهت پاسخ به نگرانی ها دربارة مشکلات ناشی از سرعت باد، انجام می شود. هرمان می گوید: در روند طراحی نما سعی کردیم که اطلاعات را به موقع تهیه کنیم تا در اجرای نمای ساختمان مؤثر باشد. در حالی که نمای اصلی کلاً از شیشه تشکیل یافته بود، جزئیات به کار رفته در سطوح را تغییر دادیم و مصالح جدیدی را در نظر گرفتیم که در برابر خراشیدگی و ضربات شدید دانه های شن مقاوم باشد.با توجه به تجزیه و تحلیل های صورت گفته توسط نرم افزار CFD ، طراحی محوطة اطراف ساختمان، شامل حیاط های پائین تراز سطح و همچنین چاه ها حفره ها مورد مطالعه قرار گرفت. چاه ها که استعاره ای از نواحی قدیمی کویرند – که ساختمانها در اطراف چاه هایی که منبع تهیه آب بودند ساخته می شدند ـ تا حدی زمینه ساز و الهام بخش مطالعات اولیه CFD بودند. خلاء هوای ایجاد شده توسط آنها، احتمالاً تنها عامل کاهش جریان هواست که نتیجة کاهش سرعت باد می باشد. هرمان می گوید: همه نگرانی ما از این بود که شن به سادگی به درون این حفره ها سرازیر شود. با وجود اینکه پیشرفتهای گسترده در تکمیل نرم افزار تحلیلی CFD در سالهای اخیر منجربه مدل سازی های بسیار دقیق شده است. هنوز آزمایشات تونل باد که بخش عمدة آن بخاطر توانایی و قدرت بیشتر آن در تعیین دقیق میزان تلاطم هوا است، اجرا می شود. اما بدلیل اینکه محاسبات تونل باد بر مبنای مقیاس درجه است، مطالعة اثرات ذرات بسیار ریز مانند شن با این روش از دقت کافی برخوردار نیست. نمای ساختمان از طرف جادة ملک فهد؛ محور اصلی در شهر ریاض عربستان سعودی، دیوار حفاظتی ساختمان برج مرکزی البیر ، نمای مارپیچ شیشه ای را نشان می دهد که در داخل آن باغچه های افقی ِ پله پله تعبیه شده است. عکس شماره ۷مکان و نحوه قرار گرفتن نماهای مختلف، درجه بندی مقیاس ضخامت پوشش نما را تعیین می کند. پوشش نما میزان جذب نور و گرما را کنترل کرده و به عنوان پوستة محافظ جهت پراکندن ساتع کردن نور عمل می کند عکس شماره ۸تجزیه تابش نور خورشید بر نمای جنوبی برج با استفاده از ابزار طراحی ساختمان و تحلیل محیط پیرامون اکتوتک Ecotect صورت گرفته است عکس شماره ۹ . میزان شفافیت نمای برج در سطوح مختلف مشاهده می شود. عکس شماره،۱۰،۱۱محافظت در برابر نور خورشیدمؤسسة طراحی Perkin + will بهتر دانست که کار طراحی ساختمان مرکزی البیر Al-Birr Foundation Headquarters درشهر ریاض عربستان سعودی، توسط خودشان وبا استفاده از مدل سازی های حقیقی و مجازی انجام شود. معماران با استفاده از نرم افزار تجزیه و تحلیل محیط پیرامون و ساختمان اکوتکت Ecotect برای طراحی برج اداری این مرکز توانستند یک نمای نوین و مبتکرانه را ابداع کنند. با انجام این عمل، آنها قادر بودند که از همان آغاز عملیات مربوط به پایداری بنا را تکمیل کرده و موجبات پدیدار شدن زیبایی ساختمان را در طول کار فراهم آورند. ریاض مانند بیشتر مناطق خاورمیانه آب و هوایی خشک و گرم دارد. پایتخت عربستان نیز شهری قدیمی است که ساختمانهای بلند بسیار کم در آن دیده می شود. طرح شرکت perkin + will برای یک ساختمان ۲۸ طبقه، تمامی نکات و ویژگیهای محیطی، منطقه ای و تاریخی را مد نظر قرار داده است که از آن جمله
می توان به گرمای شدید ـ که در تابستان به ۱۱۰ درجه فارنهایت معادل ۴۴ درجه سانتی گراد می رسد و پس زمینه تاریخی برج که نماد حفاظت، امنیت و سرپناهی ایمن است، اشاره کرد. آنها همچنین نیم نگاهی به ویژگی های معماری سنتی، یعنی پردة مشربیه داشتند. پرده مشربیه یک حفاظ چوبی مشکب کنده کاری شده است که محیطی خصوصی و سدی در برابر گرمای طاقت فرسای خورشید فراهم می آورد.مؤسسه با در نظر گرفتن perkin + will با در نظر گرفتن کلیه این موارد، یک دیوار پوششی متخلخل ِ سبک از جنس سیمان بتون طراحی کرد که به عنوان سپری در مقابل نور خورشید عمل می کند. با به کارگیری قابلیت تجزیه تابش نرم افزار اکوتکت Ecotect ـ که قدرت تشعشعات نوری در مقیاس و زمان معین را اندازه می گیرد ـ معماران توانستند زاویه نمای بیرونی ساختمان را با در نظر گرفتن تغییرات زاویه تابش نور خورشید درجه بندی کند و در نتیجه برای نماهای قسمت جنوبی یعنی جایی که بالاترین میزان جذب گرما را دارد ـ از پوششی با ضریب کدری مات بودن قابل توجه استفاده کردند.شفافیت بسیار بالای پوشش قسمت شمالی ساختمان بیننده را قادر می سازد که نمایی بسیار وسیع از پشت باغچه های پلکانی و شیشه های مارپیچ فضای داخلی ساختمان به چشم انداز شهر را در اختیار داشته باشد. روبرت گودوین Robert Goodwin رئیس شرکت perkin + will می گوید: نرم افزار اکوتکت Ecotect ما را قادر ساخت تا بسیار سریع تر روند تجزیه و تحلیل بر روی پروژه را انجام دهیم و این بزرگترین و مفیدترین استفاده ای است که این نرم افزار دارد.قسمت داخلی این ساختمان که در کنار محور اصلی شهر یعنی اتوبان ملک فهد بنا شده است، شب هنگام بوسیله ردیفی از روزنه های بزرگ و کوچک روشن می شود که طرحی خیره کننده از نور را ایجاد می کند. این عمل درست عکس فرآیندی است که پوشش مجهز به فرایند تنظیم نور برج در طول روز انجام می دهد.نورپردازی با کمک نور مهتابمعماران شرکت FXFOWLE هنگام طراحی تقاطع شیخ رشیدابن سعید در دبی بیشتر از وضعیت آب و هوا به پس زمینه فرهنگی آن منطقه توجه داشتند. مثلاً برای طراحی طاق کمان های موزون ریتمیک پل ازیکی از منابع فرهنگی خاورمیانه مانند خوش نویسی عربی الهام گرفتند. در هر یک از دو مسیر رفت و برگشت اتوبان که از این پل می گذرد، شش لاین برای عبور اتومبیل، دو لاین برای کامیونهای سبک و یک پیاده رو برای عبور عابر پیاده طراحی شده است.این پل که طولانی ترین و بلندترین پل طاقی در دنیاست ـ و تخمین زده می شود که تا سال ۲۰۱۰ به اتمام برسد ـ از دو طاق کمان جدا از هم که توسط یک جزیرة مصنوعی بهم متصل می شود تشکیل شده است. قسمت غربی این پل یک مایل معادل ۶/۱ کیلومتر طول و ۶۷۳ فوت معادل ۲۰۵متر ارتفاع دارد.شرکت FXFOWLE برای نورپردازی این سازة عظیم از طراحان نور مؤسسة AWA کمک گرفتند. آنها نیز از رسوم و سنتهای محلی الهام گرفته و آنرا در طرح اعمال کردند. آبای واژوا Abhay wadhwa رئیس AWA می گوید: هلال ماه ماه نو در فرهنگ اسلامی بسیار مهم است، بنابراین تصمیم گرفتیم که نورپردازی این پل را به روزشمار قمری ربط داده و رابطه ای عمیق میان پل و ماه ایجاد کنیم. طرح نورپردازی جهت تقاطع شیخ رشید ابن سعید در شهر دبی، امارات متحده عربی، روشنایی پل را طوری نشان می دهد که به گونه ای در واکنش به پنج حالت مشخص ماه در طول چرخة ماهیانة تاریخ قمری قرار دارد. این پنج مرحله عبارتند از: ماه کامل، قرص ناتمام ماه ماه سه ربع ، ماه نیمه، هلال ماه و ماه نو. طراحان نورپردازی مؤسسة AWA از نرم افزار تجزیه نور AGi32 برای شبیه سازی حالتهای ماه بر فراز پل استفاده کردند. عکس شماره ۱۲به بیان ساده همراه با بالا رفتن ماه، انگار که پل نیز بالا می آید و پدیدار می شود. به هر حال برای رسیدن به این مفهوم اساسی، مؤسسه AWA یک الگوریتم پیچیدة ریاضی را جهت محاسبة مقادیر متفاوت نور انعکاسی از سطح دو کمان روی پل، اجرا کردند. اما حقیقت امر این بود که آنها با خطوط مستقیم و یا تاقهای یکسان و هماهنگ سر و کار نداشتند و این مسئله کار را به جایی رساند که مجبور شدند جهت نورپردازی را تغییر داده و آنرا با توجه به طول و ارتفاع پل تنظیم کنند.مشکل دیگر، ساختن سیستمی بود که بتواند نوسانات سطح تابش نور ماه را در طول مدت زمان قابل پیش بینی ۲/۲۹۱ روز قمری کنترل کند. از آنجا که شدت تابش این منبع نوری بسیار فعال و نیرومند را نمی توان کاهش داد، پس برای درجه بندی سطح تابش نور به ابزارهای کنترل کنندة بسیار پیچیده نیاز هست که توانایی کنترل چندین لایه از نور را داشته باشد.مؤسسة AWA برای انعکاس چرخة کامل نور ماه، وضعیت های نورپردازی مختلفی را برای هر یک از مراحل تابندگی ماه که شامل قرص کامل ماه ماه کامل ، قرص ناتمام ماه، ماه نیمه، هلاله ماه و ماه نو می شود طراحی کرد. در این طرح مرکز جاده با تاقهای نورانی،روشن می شود. وادوا می گوید: برای حصول یکدستی و هماهنگی کاملتر، می بایست طراحی نورپردازی را برای تمامی این پنج وضعیت انجام می دادیم، چرا که هر وضعیت، منطقة نوری خاصی را در بر می گیرد، پس باید محاسبات و عملیات شبیه سازی را برای هر یک از پنج وضعیت جداگانه انجام دهیم.در روشن ترین شب شبی که ماه کامل است تمام پنج منطقه روشن می شود. قسمت درونی و قسمت جلویی مناطق مرتفع پل ـ مشخص ترین قسمتی که در نورپردازی به چشم می آید ـ توسط دستگاههایی که بر روی بازوهای محافظ ۲/۶ فوتی نصب شده است، روشن می شوند.هنگامی که ماه در وضعیت ماه نو است، شاهد تارکی مطلق نخواهیم بود، بلکه در عوض نوری ملایم که از نور اندک ماه در طول کسوف کامل الهام گرفته شده است، از آن ساتع می شود. این روشنایی که حاصل انعکاس محدود نور استفاده شده برای روشن کردن کابل های پل هست، به مدت دو روز پایدار خواهد ماند. روشنایی طاق ها همراه با هلال ماه ـ که مهمترین وضعیت ماه برای پیروان اسلام است ـ بر می گردد. پس از این زمان روشنایی طاق ها متناوباً و به طور هماهنگ با دیگر وضعیت های ماه بر روی آنها جمع و پخش می شوند. انعکاس نور طاق های روشن در آب زیر پل، نمای قرص ماه را کامل می کند. وادوا می گوید: نقاشی یک تصویر بزرگ و زیبا، تنها یک سوی قضیه است، مهمترین و اصلی ترین هدف استفاه از این نرم افزار ،عملی کردن این ایده ها در پروژه است . شرکت AWA درآغاز پروژه از صفحات گستردة Excel که نکات گوناگونی مانند مسافت طی شده توسط یک پرتو نور را اندازه گیری می کند ـ استفاده کرد.بعد از آن به سراغ نرم افزار AGi32 رفت که یک برنامة تجزیه نور برای محاسبات مربوط به اجرای پروژه های نور الکتریکی و سیستمهای ذخیرة نور و برق سیستمهایی که با در نظر گرفتن منطقة زمانی، جهت ذخیرة برق، ساعت را تغییرمی دهند می باشد، تا بدینوسیله محاسبات الگوریتمی پروژه را انجام می دهند. وادوا می گوید: پس از اینکه محاسبات خود رادر برنامه اعمال کردیم، دریافتیم که توانسته ایم ۹۵ درصد از فرآیند نورپردازی را به طور دقیق و کامل مشخص کنیم. بعد از آن باید با در نظر گرفتن تمامی مشخصات و ویژگی های پروژه پنج درصد باقی مانده راکامل کنیم که طبعاً بیشتر این کار ازطریق روش آزمون و خطا خواهد بود.تمام این پروژه ها نشان می دهد که طراحی ها در حال پیشرفت هستند. وظیفه معمار این است که اطلاعات حاصله از برنامه های شبیه سازی را به طرح های خود اضافه کنند.هرمان از شرکت بوروهاپولد می گوید: این موضوع هنگامی واقعیت می یابد که تمامی اطلاعات و داده های خروجی این گونه از برنامه های تحلیلی کاملاً موفقیت آمیز باشد. در حالت ایده آل، هیچ کس نمی داند که آیا هرگز تغییراتی در طرح ها رخ می دهد یا نه. هر چیزی که شما در یک سازة تکمیل شده می بینید، مانند این است که از ابتدا قرار بوده به همین شکل باشد.
