مصالح هوشمند ساختمانی چیست؟ آینده ساخت‌وساز با متریال نوین

خانه‌های هوشمند که آخرین دستاوردهای بشر در متحول ساختن و بهبود فضای زندگی، کار، تفریح و غیره را به نمایش می‌گذارند، بدون استفاده از مصالح ساختمانی مدرن که مقاومت، استحکام و خواص عایقی بهتری در مقایسه با مصالح رایج دارند یا امکان استفاده از انرژی‌های پاک مانند نور خورشید را فراهم می‌کنند، نمی‌توانند حداکثر بهره‌وری، امنیت، کارایی و راحتی را برای ساکنین خانه به ارمغان بیاورند. در این مقاله از شرکت خانه هوشمند فریتز با انواع مصالح هوشمند، ویژگی آن‌ها و همچنین مزایای مصالح هوشمند ساختمانی آشنا خواهید شد.

مصالح هوشمند چیست؟

مصالح هوشمند که با عنوان متریال‌های واکنش دهنده (Responsive Materials) نیز شناخته می‌شوند، مصالحی هستند که به تغییرات محیط اطراف واکنش نشان می‌دهند؛ یعنی مشخصات فیزیکی یا شیمیایی مصالح ساختمانی هوشمند مانند رنگ، سطح انرژی و شکل آن‌ها در مواجهه با تغییرات آب و هوا، پدیده‌های جوی یا عوامل طبیعی مانند نور خورشید به طور برگشت‌پذیر تغییر می‌کند.

تغییرات کنترل شده و قابل پیش‌بینی مصالح ساختمانی هوشمند در مواجه با عامل محرک خارجی یا تغییر محیط متریال‌های هوشمند را به گزینه مناسبی برای استفاده در سازه‌های مختلف مانند ساختمان، پل، جاده و غیره تبدیل می‌کند. تمامی متریال‌های هوشمند در مواجهه با محرک‌ها یکسان عمل نمی‌کنند؛ دسته‌ای ‌از مصالح هوشمند می‌توانند با قرار گرفتن در معرض بیش از یک محرک به طور همزمان، مشخصات متفاوتی را داشته باشند و دسته دیگر از مصالح اسمارت می‌توانند در مواجهه با محرک‌های مشخص عملکرد بهتری را در مقایسه با سایر مصالح ساختمانی ارائه کنند.

انواع مصالح هوشمند

در طول زمان انسان‌ها به استفاده از مصالح مختلفی برای ساختمان‌سازی رو آورده‌اند که متناسب با متریال‌های در دسترس، شرایط آب و هوا یا پدیده‌های زمین‌شناسی مانند احتمال وقوع زلزله انتخاب شده‌اند. در حالی که هوشمند سازی خانه برای دستیابی به اهدافی مانند کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری، راحتی و امنیت ساکنین انجام می‌شود، با استفاده از انواع مصالح هوشمند ساختمانی می‌توانیم با سرعت و کارایی بیشتری به این اهداف برسیم.

در ادامه این نوشتار با برخی از کاربردی‌ترین انواع مصالح هوشمند سازی ساختمان آشنا خواهید شد که در دسته‌بند‌های متفاوتی مانند مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده، مصالح هوشمند ساختمانی ترمیم شونده، مصالح هوشمند خود تمیز شونده، مصالح هوشمند ساطع‌کننده نور، مصالح هوشمند ذخیره‌کننده انرژی، مصالح هوشمند کنترل کننده دما و غیره قرار می‌گیرند.

• بتن خود ترمیم شونده (بیو بتن): بتن یکی از پُرکاربردترین مصالح ساختمانی است که با وجود سختی و دوام بالا، مستعد ترک خوردن و خُرد شدگی بر اثر فشار یا عواملی طبیعی مانند یخ زدگی است. بتن خود ترمیم شونده از باکتری‌هایی مانند Bacillus Pseudofirmus یا میکروکپسول‌هایی تشکیل می‌شود که می‌توانند به طور خودکار ترک‌های ایجاد شده روی بتن را ترمیم کنند. خاصیت خود ترمیمی بیو بتن، آن را به گزینه مناسبی برای استفاده در زیرساخت‌های مهم مانند سدها، پل‌ها و تونل‌ها تبدیل می‌کند که وجود ترک در آن‌ها می‌تواند فاجعه بار باشد. به کارگیری این نوع بتن در فرایند ساخت و ساز موجب می‌شود تا سازه امنیت بیشتری داشته باشد، مضاف بر این عمر مفید سازه را افزایش داده و هزینه‌های مربوط به تعمیر و نگهداری آن را به حداقل می‌رساند.

• هیدروسرامیک: هیدرو سرامیک که در سال 2013 میلادی و توسط موسسه معماری پیشرفته کاتولانیا (IAAC) معرفی شده، یک ماده کامپوزیت (مرکب) است که با استفاده از متریال‌های هوشمند شامل هیدروژل و خاک رس ساخته می‌شود. ترکیب خواص هیدروژل در جذب آب و خاک رس در کنترل رطوبت موجب می‌شود تا هیدروسرامیک به یکی از مصالح ساختمانی کارآمد تبدیل شود. در روزهای بارانی و سرد هیدرو سرامیک به عنوان عایق عمل کرده و رطوبت را جذب می‌کند. در روزهای آفتابی و گرم نیز رطوبت جذب شده در هیدروژل‌ تبخیر می‌شود و بدین ترتیب محیط ساختمان خنک می‌شود. توانایی هیدروژل در کنترل دمای ساختمان به کاهش مصرف انرژی منجر می‌شود.

• سیمان شبرنگ: سیمان درخشنده یا سیمان شبرنگ یکی از انواع مصالح هوشمند ذخیره کننده انرژی است که می‌تواند انرژی نور خورشید در طی روز را جذب کرده و سپس آن را به صورت نور مرئی در هنگام شب بازتاب کند. ویژگی سیمان شبرنگ در انتشار نور موجب می‌شود تا کاربردهای گسترده‌ای در تزئین نمای ساختمان بدون مصرف برق، مشخص کردن حریم راه‌ها و جاده‌ها و غیره داشته باشد.

• ترموبیومتال: ترموبیومتال (Thermobiometal) نوعی متریال فلزی هوشمند است که به دما و شرایط آب و هوا واکنش نشان می‌دهد. این متریال در هنگام گرم شدن جمع شده و در زمان سرد شدن به شکل اولیه خود باز می‌گردد؛ بنابراین به عنوان یکی از مصالح هوشمند دما واکنشی برای ایجاد فضاهای سایه‌دار یا تخلیه گرما از محیط مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال، سازه Bloom با استفاده از 14 هزار قطعه ترموبیومتال در لس آنجلس ساخته شده است. به کارگیری اجزای بیومتال در این سازه امکان کنترل نور و بهبود تهویه هوا در طی روزهای آفتابی و گرم را فراهم می‌کند.

• پنل خورشیدی: پنل‌های خورشیدی یکی از پرکاربردترین مصالح هوشمند در ساختمان‌های مدرن امروزی هستند که نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند. با نصب پنل‌های خورشیدی روی سقف ساختمان می‌توانیم بخشی یا حتی تمامی برق مصرفی ساختمان را با استفاده از نور خورشید تامین کنیم. پنل‌های خورشیدی امروزی بازدهی بیشتری در مقایسه با گذشته دارند و در نتیجه برق بیشتری را از نور خورشید تولید می‌کنند. مضاف بر این، امروزه تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند نقاشی نمای ساختمان با استفاده از پوشش فتوولتائیک در دسترس ما قرار دارند که علاوه بر بهبود جنبه‌های زیبایی شناسی ساختمان به کاهش وابستگی به شبکه برق نیز کمک می‌کنند.

• ایروژل: ایروژل‌ها (Aerogel) دسته‌ای از مواد سبک و متخلخل هستند که عایق خوبی برای انتقال حرارت محسوب می‌شوند. محققان انواع مختلفی از ایروژل را توسعه داده‌اند که بر پایه اکسید سیلیکون، مواد پلیمری، کوارتز، کربن و حتی ضایعات برنج ساخته می‌شوند. خاصیت عایقی انواع ایروژل موجب می‌شود تا کاربرد گسترده‌ای در عایق‌بندی درب و پنجره‌های ساختمان، ساخت آبگرمکن خورشیدی، عایق بندی لوله‌، عایق بندی سیم، استفاده به عنوان پوشش نسوز و غیره داشته باشند. برخلاف مواد عایقی سنتی مانند آزبست که مضرات زیادی را برای سلامتی انسان به همراه دارد، ایروژل‌ها غیرسمی و غیر قابل اشتعال هستند؛ بنابراین علاوه بر جلوگیری از اتلاف انرژی در خانه هوشمند به افزایش امنیت خانه در برابر آتش‌سوزی نیز کمک می‌کنند.

• بتن مسلح به الیاف کربن: همانطور که از نام این بتن می‌توانیم استنباط کنیم، بتن مسلح به الیاف کربن از ترکیب بتن و الیاف کربن ساخته می‌شود. استفاده از الیاف کربن به جای عناصر آهنی موجب می‌شود تا وزن سازه نهایی به طور قابل توجهی کاهش یافته و تا 4 برابر استحکام بیشتری در مقایسه با بتن معمولی داشته باشد. استحکام و وزن نسبتاً پایین بتن مجهز به الیاف کربن امکان ساخت سازه‌های پیش ساخته بزرگتر را فراهم می‌کند که به آسانی و بدون نیاز به چرثقیل‌های بزرگ قابل جا‌به‌جایی هستند. مضاف بر این، الیاف کربن برخلاف آهن در مجاورت رطوبت زنگ نمی‌زند و در نتیجه بتن مسلح به الیاف کربن طول عمر بیشتری در مقایسه با سازه‌های حاصل از ترکیب بتن و میلگرد دارد.

• شیشه هوشمند: در حالی که شیشه‌های معمولی در هر شرایطی ویژگی‌های مشخصی از نظر میزان شفافیت و انعکاس دارند، شیشه‌ های هوشمند می‌توانند در پاسخ به محرک‌ الکتریکی یا تغییر دما از حالت شفاف به مات، آینه‌ای و بلعکس تغییر کنند. شیشه اسمارت ضرورت استفاده از پرده برای حفاظت از حریم خصوصی و تنظیم میزان نور ورودی به ساختمان را از بین می‌برد و با تنظیم میزان نور ورودی به ساختمان، امکان استفاده از نور خورشید برای تنظیم روشنایی و دما را فراهم کرده و به ما کمک می‌کند تا در مصرف گاز و برق صرفه‌جویی کنیم. از جمله کاربردهای شیشه هوشمند می‌توانیم به حفظ امنیت و حریم خصوصی در اتاق جلسات شرکت‌ها و ادارات، مکان‌های تفریحی، درمانگاه‌ها‌ و بیمارستان‌ها‌، ساختمان هوشمند و حتی سیستم حمل و نقل مدرن اشاره کنیم.

• شیشه خود تمیز شونده: تمیز کردن شیشه در برج‌ها و ساختمان‌های بزرگ فرایندی دشوار و حتی خطرناک است. شیشه خود تمیز شونده به پوششی خاصی مانند اکسید تیتانیوم مجهز شده که امکان تجزیه کردن ذرات کثیفی در اثر برخورد نور خورشید با سطح شیشه و شستشوی آلودگی‌ها از طریق پخش کردن قطرات آب باران را فراهم می‌کند. به کارگیری شیشه خود تمیز شونده در ساخت برج‌ها و سازه‌های بلند هزینه نگهداری از ساختمان را کاهش داده و از وقوع حوادث احتمالی که در روش سنتی تمیز کردن شیشه‌های ساختمان‌های بلند وجود دارد نیز جلوگیری می‌کند.

مزایای استفاده از مواد و مصالح هوشمند ساختمانی

مصالح هوشمند ساختمانی یک دستاورد عملی جذاب و متعلق به دنیای عملی و تخیلی نیستند، بلکه مزیت‌های واقعی متعددی را ارائه می‌دهند که متحول ساختن حوزه ساخت و ساز، طراحی سازه و حتی تعمیر و نگهداری ساختمان‌ و سازه‌های بزرگ و کوچک منجر می‌شود. برخی از مهم‌ترین مزایای به‌کارگیری مصالح هوشمند ساختمانی عبارتند از:

• استحکام و یکپارچگی سازه‌ها: مصالح هوشمند ساختمانی غالباً دوام و ساختار مستحکم‌تری در مقایسه با مصالح قدیمی دارند؛ بنابراین سازه‌های مجهز به مصالح اسمارت امنیت و دوام بیشتری در مقابل عوامل مخرب طبیعی مانند زلزله، یخ زدگی، فرسایش و غیره دارند. برای مثال، بتن خود ترمیم شونده می‌تواند شکاف‌هایی که به سستی سازه منجر می‌شوند را ترمیم کند، پوشش‌های آبگریز از ساختمان در برابر باران و رطوبت محافظت می‌کنند و بتن مسلح به الیاف کربن دوام بیشتری در مقایسه با بتن معمولی دارد.
• کاهش هزینه تعمیر و نگهداری: تعمیر و نگهداری ساختمان فرآیندی زمان‌بر و گاهی پُرهزینه است؛ بنابراین به کارگیری دسته‌ای از مصالح هوشمند ساختمانی که دوام و استحکام بیشتری در مقایسه با مصالح معمولی دارند یا بدون دخالت انسان ترمیم می‌شوند به کاهش هزینه ترمیم و نگهداری ساختمان و سایر سازه‌های ساخت دست بشر منجر می‌شود. ترمیم شدن ترک‌های بتن خود ترمیم شونده، تمیز شدن خودکار شیشه‌های خود تمیز شونده و مقاومت زیاد بتن مسلح به الیاف کربن از جمله ویژگی‌هایی هستند که موجب کاهش هزینه تعمیر و نگهداری ساختمان می‌شوند.
• کاهش مصرف انرژی: بسیاری از انواع مصالح هوشمند ساختمانی ویژگی‌هایی را در اختیار دارند که به جلوگیری از اتلاف انرژی منجر می‌شوند یا امکان استفاده موثر از منابع تجدید‌پذیر مانند نور خورشید را فراهم می‌کنند. برای مثال، شیشه هوشمند یا ترموبیومتال امکان تنظیم دمای هوای ساختمان با استفاده از نور خورشید را فراهم می‌کنند، هیدروسرامیک و ایروژل به حفظ دمای ساختمان در سطح ایده‌آل ساکنین آن کمک می‌کند و پنل‌های خورشیدی با تولید برق از نور خورشید، میزان وابستگی به شبکه برق را کاهش می‌دهند.

پرسش‌های متداول

جمع‌بندی

مصالح هوشمند با افزایش بهره‌وری، استحکام و ایمنی ساختمان می‌توانند تحول بزرگی را در دنیای ساخت و ساز رقم بزنند. مضاف بر این، مصالح ساختمانی هوشمند سازگاری بیشتری با طبیعت دارند و راه‌کار مناسبی برای حفاظت از محیط زیست نیز محسوب می‌شوند. در حالی که پیشرفت فناوری به تغییر سبک زندگی ما منجر شده است، انتظار می‌رود که گسترش استفاده از مصالح مدرن به ایجاد سازه‌های متعدد امن، کارامد، انعطاف‌پذیر و سازگار با محیط زیست منجر شود.

با وجود مزیت‌های متعدد به کارگیری مصالح هوشمند ساختمانی برای محیط زیست، مالک و ساکنین ساختمان، هزینه اولیه نسبتاً زیاد، آشنا نبودن طراحان و پیمانکاران حوزه ساخت و ساز با این فناوری و عدم بروزرسانی قوانین و مقررات ساختمانی از جمله موانعی هستند که سرعت گسترش استفاده از مصالح هوشمند را کاهش می‌دهند. برای اطلاعات بیشتر درباره هوشمند سازی با نمایندگی خانه هوشمند تهران شرکت فریتز در تماس باشید.