تقنيات ومواد البناء الحديثة
المقتطف:
في عصرنا الحالي تتناقل المعلومات وتتسارع الأحداث العلمية بسرعة الضوء والتي بدورها تؤدي الى تطور العديد من التقنيات في جميع الأصعدة ومنها تقنيات البناء والذي أصبح يدعى مؤخراً (MMC) وهو نظام بناء يقلل من زمن البناء وتكاليفه وفقًا للاحتياجات الجديدة الناشئة في مجال صناعة البناء في ظل الظروف الراهنة. إنها هيكلة ومكننة صناعية لقطاع البناء من خلال دمج تقنيات وبرامج التصنيع بواسطة الكمبيوتر خارج الموقع مع تخطيط وتصميم وتطوير المواد والتقنيات المبتكرة.
أن التكنولوجيا المعمارية بالعناصر المختلفة للمبنى وتفاعلاتها تتماشى بشكل وثيق مع التقدم في علم البناء …والتكنولوجيا في تصميم المباني على وجه الخصوص تُعتبر أحد مكونات العمارة و هندسة البناء ..اذ أحدثت المواد والتقنيات الجديدة تحديات تصميم وأساليب بناء جديدة طوال تطور المبنى ، خاصة منذ ظهور التصنيع في القرن التاسع عشر.
ومن الناحية العملية ، يتم تطوير التكنولوجيا المعمارية وفهمها ودمجها في مبنى من خلال إنتاج رسومات معمارية و جداول .
تُستخدم تكنولوجيا الكمبيوتر الآن في جميع أنواع المباني باستثناء أبسطها. خلال القرن العشرين ، أصبح استخدام التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) سائدًا ، مما يسمح بالرسومات عالية الدقة التي يمكن مشاركتها إلكترونيًا ، بحيث يمكن على سبيل المثال استخدام الخطط المعمارية كأساس للتصميم الكهربائي وخدمات مناولة الهواء. مع تطور التصميم ، يمكن مشاركة هذه المعلومات مع الكل. يتم أخذ هذه العملية حاليًا إلى نتيجة منطقية مع الاستخدام الواسع النطاق لـ نمذجة معلومات البناء (BIM) ، والتي تستخدم نموذجًا ثلاثي الأبعاد للمبنى ، تم إنشاؤه باستخدام مدخلات من جميع التخصصات لبناء تصميم متكامل.
وفي هذه المقالة سنطلعكم على اهم تقنيات ومواد البناء الحديثة والمعاصرة.
تقنية الواقع المعزز:
واحدة من أهم تقنيات البناء الجديدة والتي تعني دمج الواقع المعزز في عملية البناء من خلال الجمع بين نمذجة معلومات البناء وأجهزة
الواقع المعزز …تتيح لك هذه التقنية رؤية التوقعات الممكنة كاملة وكل ما سيؤول إليه المشروع .
من جهة أخرى ستدعم هذه التكنولوجيا استراتيجيات البناء الجديدة في جميع جوانب التخطيط الحضري :كتقسيم المناطق لتطوير الإسكان-إدارة المرافق وتوجيه حركة المرور وغيرها.
وحتى على صعيد مواد البناء يساعد الواقع المعزز في تحديد أنواع المواد المستخدمة في الموقع وما اذا كان المبنى يتطلب خرسانة عازلة على سبيل المثال
ارضيات الوصول المرتفعة
وتدعى ارضيات الحاسب ذات الوصول المرتفع وهي عبارة عن نموذج بناء يتم فيه بناء أرضية مرتفعة فوق سطح لوح خرساني أصلي للمبنى وهذا يؤدي الى انشاء فراغ مخفي بين الطابقين مما يوفر تمرير التمديدات الميكانيكية والكهربائية عبره.
من جهة اخرى تتيح أنظمة الوصول المرتفع إمكانيات توزيع الخدمة عبر المبنى الخاص بكم من خلال توزيع الهواء تحت الارضية إذ يوفر .تدفقا أقل للهواء واستخداماً أقل للطاقة مقارنة بأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التقليدية


تقنية البناء المعياري:
تقنية البناء المعياري
البناء المعياري هو طريقة بناءٍ بديلةٍ يتمّ فيها بناءُ الهياكل خارج الموقع، وتسليمها على شكل قطع، ثمّ تجميعها بواسطة الرافعات.
ونظراً لأنّ تشييد المبنى يحدث في نفس الوقت الذي يتمّ فيه تحضير الموقع، تبلغ سرعة البناءِ المعياري ضعفَ سرعة المشاريع الإنشائية التقليدية.
وتشمل المزايا الأخرى للبناء المعياري ما يلي:
تقليل مخلفات البناء: نظراً لأن العديد من المباني يتمّ تشييدها في نفس الوقت في مصنعٍ واحدٍ، يمكن بسهولة استخدام المواد الزائدة من أحد المشاريع في مصنعٍ آخر.
محسّن من خلال التعلم الآلي: في المصنع، يتمّ تحسين عمليات البناء بمرور الوقت من خلال تحسينات البرامج، مما يقلل من النفايات ويزيد الكفاءة

نمذجة معلومات البناء BIM
أداةٌ ذكيةٌ للنمذجة ثلاثية الأبعاد، تدعمُ مهندسي العمارة والبناء لتخطيط وتصميم وتعديل وإدارة المباني والبنية التحتية بفعالية
تبدأ بإنشاء النماذج ودعم إدارة المستندات والتنسيق والمحاكاة خلال دورة حياة المشروع بالكامل (التخطيط والتصميم والبناء والتشغيل والصيانة).
تبدي أداءاً أفضل بين تقنيات البناء المختلفة، لأنّه يمكن لكلّ خبير إضافة مجال خبرته إلى نفس النموذج (الهندسة المعمارية، الهندسة الكهربائية والميكانيكية، المدنية، المصنع، البناء، والهياكل)، مما يسمحُ بمراجعة تطور المشروع ونتائج العمل بشكل فوري.
ومن جهة أخرى تتيح للخبراء اكتشاف المشكلات بشكل أفضل مقترنة بالرسومات ثنائية الأبعاد وذلك خلال دورة حياة المشروع مما يحسّن من التخطيط ويزيد من كفاءة المشروع بشكل اسرع وامثل
الطباعة ثلاثية الابعاد:
في السنوات الأخيرة أصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد إحدى تقنياتِ البناء التي لا غنى عنها لصناعة البناء، خاصّةً عند الأخذ في الاعتبار تأثيرها على التغييرات في مصادر المواد.
تفيدُ هذه التقنية المصمّمَ من خلال إنشاء كائنٍ ثلاثيّ الأبعاد من نموذجِ تصميمٍ بمساعدة الكمبيوتر، وبناء الكائن طبقةً تلو الأخرى.
من جهة اخرى توفّرُ الطباعة ثلاثية الأبعاد التصنيع المسبق خارج الموقع أو مباشرة في الموقع، ومقارنةً بأساليب البناء التقليدية، أصبح من الممكن الآن طباعةُ المواد المهمة للتصنيع المسبق وجعلها جاهزةً للاستخدام على الفور.
علاوة ًعلى ذلك، تقلّلُ تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من هدر المواد وتوفّر الوقتَ عن طريق إنتاج عيناتٍ أو حتى مجسمات كاملةٍ ثلاثية الأبعاد ومراقبةِ جميع التفاصيل مصممّةً بشكلٍ صحيحٍ

تقنية روبوتات البناء:
إحدى تقنيات البناء الحديثة ،على الرغم من أنّ هذه التقنية لا تزال في بدايتها الخجولة في العالم، ولكنّ الحاجةَ إليها تزايدت بعد نقص العمالة والتباعد الاجتماعي الذي فرضه وباء كورونا، ويبدو أنّ ثلاثة أنواعٍ رئيسيةٍ من الروبوتات ستساعد في إعادة تشكيل العمالة في صناعة البناء وهي:
روبوتات المصنع: روبوتات المصنع قادرةٌ على أداء مهمة واحدة بشكلٍ مثاليّ ومتكرّر، مثل مهام التصنيع البسيطة.
الروبوتات التعاونية: يمكن استخدام الروبوتات التعاونية في موقع العمل لتخفيف العبء عن العامل البشري، مثلاً عن طريق حمل الأدوات أو المعدات.
الروبوتات المستقلة بالكامل: على غرار روبوتات الخيال العلمي، يمكن للروبوتات المستقلة بالكامل (الموجودة بالفعل في شكل ما اليوم) مسح البيئة وتنفيذ المهام المعقدة باستخدام الأدوات بشكل مستقل

الخرسانة ذاتية المعالجة:
تعرف على انها جيل جديد من الخرسانة الذي يقوم على الانتاج و الترسيب الميكروبيولوجي للحجر الجيري(كربونات الكالسيوم CaCO3) بواسطة نوع خاص من البكتريا
ولكن هل كنت تعلم أن الخرسانة ذاتية المعالجة استخدمت قبل اكثر من الفي عام؟
استخدم الرومان هذه المادة بل ويعدّوا المصنعون الاساسيون لها.. إذا بذل الرومان الكثير من الجهد في صنع مادة بناء متميزة متينة ، باتباع جميع الوصفات التفصيلية التي تم تحسينها على مدار عدة قرون.
على مدى عقود، كان العلماء يحاولون تحديد ما الذي يجعل المادة متينة للغاية. وأسفر تحليل جديد للعينات المأخوذة من الجدران الخرسانية لموقع “بريفيرنوم” الأثري بالقرب من روما عن رؤى ثاقبة لأسرار التصنيع المراوغة. ويبدو أن الرومان وظفوا “الخلط الساخن” مع الجير الحي، من بين استراتيجيات أخرى، التي أعطت وظيفة الإلتئام الذاتي للمادة، وفقًا لورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة “تطورات العلوم” (Science Advances).
وكما أبلغنا سابقًا، مثل الأسمنت البورتلاندي المستخدم هذه الأيام (مكون أساسي للخرسانة الحديثة)، كانت الخرسانة الرومانية القديمة في الأساس مزيجًا من الملاط شبه السائل والبحص. ويصنع الأسمنت البورتلاندي عادة عن طريق تسخين الحجر الجيري والطين (وكذلك الحجر الرملي والرماد والطباشير والحديد) في الفرن. ويتم بعد ذلك طحن الكلنكر الناتج إلى مسحوق ناعم، مع إضافة لمسة من الجبس المضاف فقط – الأفضل للحصول على سطح ناعم ومسطح. ولكن البحص المستخدم في صناعة الخرسانة الرومانية كان مكونًا من قطع بحجم قبضة اليد من الحجر (الحصى) أو الطوب.
وقال البروفيسور ماسك: “إن فوائد الخلط الساخن ذات شقين. أولاً، عندما يتم تسخين الخرسانة الكلية إلى درجات حرارة عالية، فإنها تسمح للكيمياء غير الممكنة إذا استخدمت الجير المطفأ فقط، منتجة مركبات مرتبطة بدرجة حرارة عالية والتي لن تتشكل بطريقة أخرى. وثانيًا، تقلل درجة الحرارة المرتفعة هذه بشكل كبير من أوقات المعالجة والإنضباط نظرًا لتسريع جميع التفاعلات، مما يسمح ببناء أسرع بكثير”.
ويبدو أيضًا أنه ينقل قدرات الإلتئام الذاتي. ووفقا للبروفيسور ماسك، عندما تبدأ التصدعات في التكون في الخرسانة، فمن المرجح أن تتحرك عبر الكسور الجيرية. ويمكن أن تتفاعل الكسور بعد ذلك مع الماء، مما ينتج عنه محلول مشبع بالكالسيوم. ويمكن إعادة بلورة هذا المحلول إما كربونات الكالسيوم لملء التصدعات أو التفاعل مع المكونات البوزولانية لتقوية المادة المركبة.
وقد وَجد البروفيسور ماسك وآخرون أدلة على وجود تصدعات مليئة بالكالسيت في عينات أخرى من الخرسانة الرومانية، مما يدعم فرضيتهم. كما قاموا بإنشاء عينات خرسانية في المختبر بعملية خلط ساخن، باستخدام وصفات قديمة وحديثة، ثم تعمدوا تكسير العينات وتمرير الماء خلالها. وقد وجدوا أن التصدعات في العينات المصنوعة من الجير الحي المخلوط على الساخن تلتئم تمامًا في غضون اسبوعين، في حين أن التصدعات لم تلتئم أبدًا في العينات بدون الجير الحي
وقد درس البروفيسور أدمير ماسك، المهندس البيئي (أستاذ الهندسة المدنية المشارك) في معهد ماساتشوستس للتقنية، الخرسانة الرومانية القديمة لعدة سنوات. فعلى سبيل المثال، في عام 2019، ابتكر البرفيسور ماسك واثنان من زملائه (الدكتور جانيل مارا من معهد ماساتشوستس للتقنية والدكتور جيمس ويفر من جامعة هارفارد) مجموعة جديدة من الأدوات لتحليل عينات الخرسانة الرومانية من “بريفيرنوم” بمقاييس أطوال متعددة – ولا سيما مطياف رامان(8) (Raman spectroscopy) للتنميط الكيميائي ومطيافية تشتت الطاقة متعدد الكواشف(9) (multi-detector energy dispersive spectroscopy – EDS) لرسم خرائط الطور للمادة.
وكان البروفيسور ماسك أيضًا مؤلفًا مشاركًا لدراسة عام 2021 لتحليل عينات من الخرسانة القديمة المستخدمة في بناء ضريح عمره 2000 عام على طول طريق أبيان(10) (Appian) في روما المعروف باسم قبر كايسيليا ميتيلا، وهي امرأة نبيلة عاشت في القرن الأول الميلادي. وتعتبر على نطاق واسع واحدةً من أفضل المعالم الأثرية المحفوظة على طريق أبيان. واستخدموا (الفريق العلمي المشارك للبروفيسور ماسك) مصدر الضوء المتقدم للتعرف على العديد من المعادن المختلفة الموجودة في العينات واتجاهها، بالإضافة إلى المسح المجهري الإلكتروني.

ونظرًا لأن الخرسانة هي المادة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في العالم، فمن المفاجئ قليلًا أننا استغرقنا كل هذا الوقت للوصول إلى هذه النقطة. ولكن أخيرًا، تطورت الخرسانة ذاتية الشفاء إلى درجة أنها ستصبح قريبًا بديلاً قابلاً للتطبيق للمواد التقليدية.
ومن خلال الاستفادة من البكتيريا التي تعيش داخل المبنى الخرساني نفسه، تقوم هذه المواد تلقائيًا بإصلاح أي شقوق موجودة أو شقوق قد تظهر بمرور الوقت، مما يوفر حلاً رائعًا طويل المدى لتدهور الخرسانة
اما بالنسبة لمواد البناء على وجه الخصوص فهنالك سبعة مواد جديدة ستحدث ثورات في عالم البناء وهي:
1- طلاء يمكنه رصد التصدعات في هيكل البناء :
يبدو هذا الاختراع أقرب لأن يكون مأخوذاً من مشهد لأحد أفلام السرقات، حيث يقوم خبير الكومبيوتر في فريق اللصوص بسحب أي نموذج لأي مبنى يريده، ويقوم بعدها بتحديد المكان الأمثل لإختراق هذا المبنى، ولكن هذه الأفلام أصبحت واقعاً، فقد استطاع فريق من جامعة ولاية نورث كارولينا وجامعة شرق فنلندا تطوير نسخة عملية لهذه الرواية الكلاسيكية، وذلك باستخدام طلاء توصيلي، وقد أوضح الباحثون طريقة عمل هذا الطلاء من خلال دراسة قاموا بنشرها في شهر تموز الماضي كما يلي: أولاً، يتم وضع أقطاب كهربائية في جميع أنحاء الطبقة الخارجية للمبنى، ثم يتم وضع طبقات الطلاء الموصل عليها، بعد ذلك، يتم تمرير تيار من خلال الأقطاب الكهربائية، ومن خلال استخدام خوارزمية معقدة، يمكن رصد أي تغيّر يتم على الجهد الكهربائي، وفي حال رصد التغير، سيعمل النظام على تحديد المكان المعطوب.
إن استخدام هذا الطلاء على المباني سيحدث ثورة هندسية، كما تتوضح فائدة هذا الاختراع في حال استخدامه في المباني القديمة، أو المباني التي تقع في مناطق الزلازل، كما يمكن استخدام هذه التقنية لرصد الشقوق التي قد تحدث في هياكل محطات الطاقة النووية.
2- حبل من الألياف الكربونية يمكن أن يضاعف من ارتفاع ناطحات السحاب :
إحدى أهم المشاكل التي تواجه المهندسين عند بناء الأبنية الشاهقة الارتفاع هي معالجة تقنيات المصاعد فيها، فعند الوصول الى ارتفاع معين تصبح كمية الحبال الحديدية المستخدمة لرفع الأشخاص إلى الأعلى ثقيلة جداً، إلّا أن إحدى الشركات الفنلندية وجدت حلاً بديلاً لذلك، فقد قامت الشركة بتطوير حبل مصنوع من ألياف الكربون أخف وزناً من الحبال الحديدية بـ 90 % ويمكنه دعم سحب المصاعد لارتفاعات تصل إلى ضعفي الحد الحالي، ويدعى هذا الاختراع باسم (UltraRope)، حيث يمكنه تحمل ثقل المصعد على إرتفاع يصل لكيلومتر، ويعتقد أن هذا الاختراع قد يحدث تغييراً في مجال خدمة المصاعد، كون عمره الإفتراضي هو ضعفي عمر الحبل الحديدي التقليدي .
3 – مواد بلاستيكية تضيء بقوة الرياح :
مادة تحتوي (Mechanoluminescence) هي مادة تحتوي بداخلها على مواد معينة تضيء عند وضعها تحت الضغط الفيزيائي، ويقوم هذا الخليط بإصدار ضوء أبيض عند تعرضه لضغط ميكانيكي، وللاستفادة من طاقة الرياح، قام الباحثون بتشكيل البلاستيك على شكل أنابيب، بحيث تقوم هذه الأنابيب بالانثناء وإنتاج الضوء عند تعرضها للضغط الناجم عن قوة الرياح، إن هذا الاختراع قد يغير من واقع البناء على المستوى العالمي، حيث معهد Daegu Gyeongbuk Institute للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية بتطوير هذه المادة، عن طريق وضع مادة ملونة فسفورية مصنوعة من كبريتيد الزنك المطعم بالنحاس ستضيء واجهات الأبنية عند هبوب الرياح، والمنارات ستتوهج لتبث المعلومات حول الظروف الجوية.
4 – خلايا شمسية شفافة تماماً :
إن الألواح الضوئية التي يتم تركيبها حالياً على النوافذ من السهل أن يتم ملاحظتها، وذلك بسبب لمعان خلاياها بألون قوس قزح، إلّا أن الباحثين في ولاية ميشيغان استطاعوا تطوير نوع مختلف تماماً من مكثفات الطاقة الّشّمسية التي يمكن تثبيتها على أي نافذة، حيث تقوم هذه المكثفات باستغلال الموجات الغير مرئية من الضوء – الأشعة فوق البنفسجية والأشعة القريبة من تحت الحمراء – وتعمل على توجيهها نحو الخلايا الشمسية المدمجة عند حواف الألواح، وبهذا يمكن الحصول على مواد تستطيع إنتاج الطاقة من أشعة الشمس يمكن تثبيتها على النوافذ والأبواب.
5 – الخيزران :
هل علمت مسبقاً أن الخيزران يمكنه الصمود أمام الحديد والخرسانات؟؟
يعتبر الخيزران من النباتات القليلة التكلفة والسريعة النمو، كما أنه يتمتع بقوة مدهشة، وهذا ما دفع فريق الباحثين التابعين لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بقيادة (ورنا جيبسون) لدراسة كيف يمكن الاستفادة من هذا النبات لاستخدامه في البناء، حيث أجروا دراسة تهدف لمعرفة سبب صلابة هيكل الخيزران، وتبين بالنتيجة أن المواد عند حواف قضيب الخيزران أكثر كثافة وأقوى من المواد الموجودة في وسطه، ولهذا اقترحوا أن يتم استخدام الخيزران لصناعة مواد البناء الثانوية، مثل رقائق الخشب، والتي من شأنها أن تجعل المنازل والمباني أقوى، وأرخص، وأقل تأثيراً على البيئة.
6 – طوب يستخدم مبدأ لعبة الليغو (LEGO) :
إن استخدام تقنية الليغو (تركيب المكعبات) في البناء قد يكون الحل الأمثل للهندسة المعمارية الجاهزة، كون هذه التقنية تسهل من ترابط المواد مع بعضها بسرعة، كما انها لا تترك مجالاً لوجود الفقاعات الهوائية التي تسمح بدخول المياه بين أحجار البناء، مما يجعل البناء أكثر تماسكاً وصلابة، هذا السبب دعا شركة تدعى (Kite Bricks) لتطبيق مبدأ الليغو كأساس لمواد البناء، حيث قامت باختراع طوب أسمنتي مصبوب يترابط مع بعضه بطبقة لاصقة، ويتم بعدها ملئ الثقوب بالحديد المسلح لتعزيز هيكل البناء، وما تزال الشركة
نتيجة لهذه المعلومات نجد أن أساليب البناء الجديدة وتقنيات البناء المبتكرة تتغير دائمًا وتوجهنا لإعادة التفكير في كيفية إدارتنا للمشاريع.
وعلى الرغم من أن بعض هذه التطورات ليست جاهزة تمامًا للوصول إلى السوق على نطاق واسع، إلا أننا سنكون حريصين على رؤية واكتشاف تأثير كل تطور جديد على صناعة البناء .
المصادر
فريق الإعداد:
إعداد: رنيم جديق
التنسيق: يزن محمد ضاهر الحسين
التدقيق العلمي: مروة مروان شقير
التدقيق اللغوي: نور الهدى شيخ خالد
نشر إلكتروني: محمد ميار الخلف