Stuff architecture engineering
مقدمه
سازه‌های پارچه‌ای (3) به لحاظ کیفیت و فرم فضایی، گزینه‌های بسیار متنوعی در اختیار طراحان و مهندسان قرار می‌دهند. این سازه‌ها به کم‌ترین میزان عناصر صلب برای ایستایی خود نیازمندند. از دیدگاه مهندسی، سازه‌های پارچه‌ای پوشش‌هایی نازک و پایدار در برابر تغییر شکل و شکست هستند که مقاومت خود را از طریق پیش‌تنیدگی پیوسته کسب می‌کنند.
با آن که تاریخ استفاده از چادر به گذشته‌های بسیار دور باز می‌گردد، اصول سازه‌های پارچه‌ای در قرن نوزدهم میلادی پایه‌ریزی شد. ماشین‌های نساجی بشر را آماده ساخت تا چادرهایی با قابلیت جابه‌جایی برای برگزاری سیرک‌ها پدید آورد. میراث احداث این چادرها دو فاکتور از فاکتورهای اساسی سازه‌های پارچه‌ای مدرن است: تغییر شکل‌پذیری و پیش‌تنیدگی (4).
هنر معماری سبک پوشش پارچه‌ای در سال 1950م. از سوی فرای اتو (5) و با کف صابون آغاز شد. پیدا کردن فرم به شیوه‌ی خودزا (6) فلسفه‌ی جدید مدرسه‌ی وی بود. او بناهایی با سازه‌های پارچه‌ای مدرن را بر اساس ایده‌ی پوشش‌های مینیمال با هدف به دست آوردن کم‌ترین سطح لازم و احتیاج به کم‌ترین میزان فعالیت برای به دست آوردن فرم مورد نظر طراحی کرد.
فرای اتو به همراه رلف گوتنبرد (7) نخستین تجربه‌ی خود را در طراحی سازه‌ای با شبکه‌های کابلی در اکسپومونترال در سال 1967م. به نمایش گذاشت. این بنا هم از نظر معماری و هم از نظر سازه‌ای، حرکتی کاملاً نوگرایانه بود: پلانی با فرم آزاد که به دور دریاچه‌ای موجود در سایت می‌چرخید. در چنین پلان بی‌قاعده‌ای، شبکه‌ای از کابل بر روی تیرهایی با ارتفاعات متفاوت قرار گرفته بود که نیروها در نوک این تیرها متمرکز بودند و به حلقه‌هایی که به سطح شبکه یا پوسته اتصال داشتند، منتقل می‌شدند. مهندسی این بنا بر عهده‌ی شرکت آندرا و لئونهارت (8) بود که در پروژه‌ی بعدی، بنای بازی‌های المپیک مونیخ 1972م. را اجراکرد. به دلیل مقیاس و اهمیت این پروژه، برای نخستین بار از نرم‌افزار کامپیوتری برای تحلیل رفتارهای سازه و حتا تعیین خطوط برش پارچه استفاده شد.
دسته‌بندی سازه‌های پارچه‌ای به لحاظ عملکرد
سازه‌های پارچه‌ای بر اساس معیارهایی گوناگون دسته‌بندی می‌شوند که از آن میان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: عملکرد ساختمان، عملکرد پوسته‌ی کششی (استفاده از نور روز، حفاظت در برابر باران، حفاظت در برابر نور خورشید، عایق حرارتی، عنصر تعریف کننده‌ی فضا و ...)، اندازه، تغییر شکل، درجه‌ی محصور بودن، مدت زمان استفاده از بنا و ... .
سازه‌های پارچه‌ای به لحاظ عملکرد پوسته به پنج دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند:
1- ساختمان‌های پارچه‌ای.
2- پوسته‌ی بیرونی ساختمان.
3- پوسته‌ی داخلی ساختمان.
4- سقف.
5- نما.
هر یک از این دسته‌ها می‌تواند به شکل کاملاً محصور، باز و بسته شونده و یا باز مورد استفاده قرار گیرد.
ساختمان‌های پارچه‌ای
ساختمان با پوسته‌ی کششی کاملاً محصور مانع نرمی را در برابر شرایط محیطی پیرامونش ایجاد می‌کند. ساختمان‌های پارچه‌ای به صورت کاملاً محصور می‌توانند در مواردی همچون گلخانه‌ها و فضاهای نمایشگاهی و موقت، مورد استفاده قرار گیرند. ساختمان‌هایی که دارای پوسته‌ی باز و بسته شونده هستند، کاربردهایی از قبیل پوشش استخرها و فضاهای نمایشگاهی دارند. سازه‌های پارچه‌ای باز در عین حال که می‌توانند به عنوان نشانه عمل کنند، پوشش‌هایی برای محافظت از آفتاب و باران نیز هستند که در مناطق گرمسیری کاربرد فراوان دارند.
پوسته‌ی بیرونی ساختمان
این پوسته برای کنترل شرایط آب و هوایی و نوسانات دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.
جدا کردن سقف پوسته‌ای کششی از ساختمان اصلی می‌تواند گزینه‌ای برای دستیابی به یک سازه‌ی سبک‌تر باشد. این اصل 35 سال پیش مورد استفاده قرار گرفته است و هنوز از آن در مناطق گرمسیری و مناطقی که زمستان‌های سرد و تابستان‌های معتدل دارند، استفاده می‌شود. در سازه‌های بزرگ این عملکرد از اهمیت بیش‌تری برخوردار است.
پوسته‌ی داخلی ساختمان
افزودن پوسته‌ی داخلی به ساختمان می‌تواند راه مناسبی برای حل مشکلات آکوستیکی فضا باشد و در عین حل به عنوان یک عایق، عملکرد حرارتی ساختمان را بهبود بخشد. این حفاظ ها با قرار گرفتن در داخل ساختمان می‌توانند میزان درجه‌ی حرارت را کاهش دهند و از تأثیر نور مستقیم روز جلوگیری کنند.
سقف‌های پوسته‌ای
این مجموعه به صورت ترکیب شیشه و پارچه‌ی اندود شده مورد استفاده قرار می‌گیرد و در عین امکان‌پذیر ساختن استفاده از نور روز به صورت مستقیم، از درخشندگی زیاد و افزایش درجه‌ی حرارت جلوگیری می‌کند. کاربرد عمده‌ی این سقف‌ها در حفاظت از آثار تاریخی، پوشش استادیوم‌ها و مراکز خرید است. سقف‌های پوسته‌ای باز به طور عمده تعریف کننده‌ی فضا هستند و برای کارکردهای مختلف مانند مسیرهای پیاده‌روی، تراس‌ها، فضاهای نمایشگاهی و ... مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نما
استفاده از پوشش‌های پارچه‌ای در نمای ساختمان می‌تواند بر زیبایی آن بیفزاید. در نماهای دو لایه در پشت پوسته‌ی خارجی، وضعیت نیمه داخلی به دست می‌آید؛ از این رو می‌توان از آن به عنوان محافظ آب و هوایی تعبیر کرد. قابلیت باز و بسته شدن این پوشش‌ها امکان تنظیم شرایط محیطی را فراهم می‌کند. قرار گرفتن سایه‌بان پارچه‌ای در بالای ورودی اصلی یک ساختمان در عین ایجاد جذابیت، می‌تواند راهی برای حفاظت بازدیدکنندگان از باران و نور شدید خورشید باشد.
فرم و رفتار سازه‌های پارچه‌ای
فرم و رفتار فیزیکی سازه‌های پارچه‌ای بسیار متفاوت از سازه‌های مرسوم الاستیک خطی در ساختارهای قابی غالب ساختمان‌هاست.
تنوع فرم
سازه‌های پارچه‌ای شکل‌های بسیار متنوعی دارند. فرآیند دستیابی به فرم مناسب، بر شناخت و درک فرم‌هایی که سازه‌های پارچه‌ای حاصل گسترش و بسط آن‌ها هستند، استوار است. این فرآیند با طرح‌بندی لبه‌ها و مکان‌یابی تیرک‌ها برای رسیدن به تعادل آغاز می‌گردد. طرح‌بندی لبه منجر به طرح‌بندی فرم می‌شود.
انحنای پارچه، استقامت و استحکام پارچه را تأمین می‌کند. هر چه قطر منحنی بزرگ‌تر باشد، بار مرده‌ی کم‌تری دارد و هر چه بار مرده کم‌تر باشد، سازه سبک‌تر است. از این رو، در طراحی سازه‌های پارچه‌ای باید از ایجاد سطوح تخت جلوگیری شود تا سازه در برابر باد جابه‌جا نشود و در زیر فشار برف تغییر شکل ندهد.
با توجه به این که سه‌بُعدی بودن پارچه‌های انحنا یافته طراحی آن‌ها بر روی کاغذ را ناممکن می‌سازد، طراحی با ساخت ماکت صورت می‌پذیرد. این ماکت به طراحان کمک می‌کند تا درک بهتری از فرم و فضا داشته باشند و به تعادل در سازه دست یابند. ماکت‌های کف صابون و پارچه‌ای از تکنیک‌های مفید ماکت‌سازی در این زمینه‌اند. مدل‌های کامپیوتری بر اساس نقاط اتصال پارچه به سازه و یا با تعیین لبه‌ها شکل می‌گیرند.
فایل دیجیتال پوشش نهایی، برای تحلیل رایانه‌ای سازه به کار می‌رود. پس از مهندسی سازه، این فایل‌ها می‌توانند به طور مستقیم برای تولید سازه‌ی پارچه‌ای به کمک کامپیوتر مورد استفاده قرار گیرند. در واقع، به دلیل وابستگی فرم و سازه به یکدیگر، پوشش بر اساس شیوه‌ی خودزایی به صورت فیزیکی یا به کمک رایانه طراحی می‌شود.
سازه‌های کششی به دو دسته تقسیم می‌شوند:
1- آنتی کلاستیک که در آن پارچه کشیده شده و با پیش‌تنیدگی استوار شده است.
2- سین کلاستیک که فشار پنوماتیک یا هیدرولیک در جهت عمود بر سطح پارچه وارد می‌شود. (سازه‌های بادی)
سازه های کششی پارچه ای آنتی کلاستیک (9)
یک عنصر فیزیکی را می توان با استفاده از نیروهای کششی از چهار جهت محور مختصات در فضا متعادل ساخت. این، اصلِ آغازین در ایستایی سازه های پارچه ایست. مقاومت این پوشش ها در مقابل نیروهای خارجی توسط فرم صورت می گیرد، نه توسط حجم.
پوشش پارچه‌ای اصلی‌ترین عنصر سازه است. این پوشش با کابل‌ها و تسمه‌های تقویت کننده در لبه‌ها سازمان می‌یابد و به تعادل می‌رسد. برای پوشش یک سطح وسیع می‌توان از ترکیب عناصر سازه‌ای کمک گرفت و به فرم‌های بسیار متنوعی دست یافت. دو شیوه در طراحی پایه برای یک سقف پارچه‌ای وجود دارد:
1- آزادی عمل در تنظیم تکیه‌گاه‌های داخلی و خارجی و لبه‌ها برای ایجاد تعادل در فرم مورد نظر، ابداعات و آزادی عمل معمارانه‌ی بی‌مانندی را پدید می‌آورد.
2- استفاده‌ی مدولار از پنل‌های پارچه‌ای برای مقیاس‌های بسیار بزرگ.
سازه‌های آنتی کلاستیک سازه‌هایی هستند که در آن‌ها غشا در دو جهت دارای انتهاست، ولی در یک جهت انحنا محدب و در جهت دیگر مقعر است. ابتدایی‌ترین سازه‌ی آنتی‌کلاستیک فرم زین اسبی است. سازه‌های زین اسبی به صورت تکی یا مدولار در مسیری مدور یا صاف، در یک یا چند سطح با ارتفاع متفاوت و به صورت متقارن یا در یک سامانه‌ی آزاد طراحی می‌شوند.
سازه‌ها با فرم آزاد رفتارهای بسیار پیچیده‌تری از خود نشان می‌دهند و به طرح جزئیات بیش‌تری نیاز دارند. فرم سازه‌های پارچه‌ای به ابعاد ساختمان نیز بستگی دارد، زیرا پارچه‌ی کششی به فضای کافی برای گسترده شدن و انحنا یافتن احتیاج دارد. پوشش‌های زین اسبی از سودمندترین و سبک‌ترین گزینه‌ها برای دهانه‌های 15 تا 20 متری هستند.
در صورت گستردگیِ بیش از حد سازه‌های زین اسبی، ارتفاع آن‌ها و میزان تجمع نیروها در تکیه‌گاه‌ها افزایش می‌یابد و در نتیجه احتمال دارد سازه خاصیت معمارانه‌ی خود را از دست بدهد. برای سازه‌های وسیع، لبه‌های خطی مثل فرم‌های قله و دره مناسب‌تر هستند. پاسخ‌های معمارانه باید با عملکرد بنا متناسب باشد. در مسائل سازه‌ای، نمود فرمال و مسائل اقتصادی و رعایت اصول طراحی مینیمال، به انتخاب ساده‌ترین پاسخ می‌انجامد که در بیش‌تر موارد سودمندترین است.
سازه‌های کششی پارچه‌ای سین کلاستیک (10)
فرم سازه‌های سین کلاستیک در تمام نقاط خود دارای انحناست و در تمامی جهت‌ها انحنا به یک سمت است. این نوع پوشش‌ها بر اساس فشار سیالات درونی آن‌ها به تعادل می‌رسند. نیروها در این پوشش در تناسب با انحنای آن هستند، به صورتی که با افزایش قطر کشش، نیرو بیش‌تر می‌شود.
تغییرات فشار روی سطوح سازه‌های سین کلاستیک، بدون نیاز به عناصر و تکیه‌گاه‌های صلب مثل ستون‌ها، دیوارها و تاق‌ها صورت می‌گیرد.
این ویژگی، سازه‌های بادی را به سبک‌ترین سازه‌های موجود تبدیل می‌کند. این سازه‌ها به لحاظ تئوریک توانایی پوشش سطوح چند کیلومتری را هم دارند. با این حال می‌توان از پوشش‌های زین اسبی نیز برای اتصال سازه‌ها استفاده کرد. از سوی دیگر می‌توان سازه‌های بادی را به گونه‌ای طراحی کرد که توسط نیروی منفی هوا به تعادل دست یابند. در این حالت هوای درون سازه به صورت مکانیکی تخلیه می‌شود تا با افت فشار داخل به پایداری برسد.
بالشت‌های بادی
در طراحی سازه‌های بادی می‌توان از تفاوت فشارهای بیرون و درون برای ایجاد تعادل استفاده کرد. تک بالشت‌ها یا ترکیبی از آن‌ها می‌توانند هم در سقف و هم در نما به کار روند. این بالشت‌ها معمولاً از ورق‌های ETFE تهیه می‌شوند تا سقفی گرم با شفافیت بالا به دست آید. افزایش تعداد لایه‌های درونی، جریان انتقال انرژی حرارتی را کاهش می‌دهد.
طراحی سازه‌های پارچه‌ای
سه اصل بنیادین که طراحی سازه‌های پارچه‌ای به آن‌ها وابسته است، عبارت‌اند از:
1- انتخاب شکل سطح ـ پوشش
2- میزان پیش‌تنیدگی
3- انعطاف‌پذیری و تغییر شکل
شکل سطح ـ پوشش
اکثر پوسته‌های پارچه‌ای امروزه آنتی‌کلاستیک‌اند. در این نوع پارچه‌ها عناصر کششی با قوس‌های محدب (11) روی عناصر کششی با قوس‌های مقعر (12) قرار می‌گیرند که در نتیجه پارچه از هر دو طرف کششی‌ست.
منحنی قوس‌های مقعر نیروی وارده بر اثر برف و منحنی قوس‌های محدب نیروی حاصل از باد را تحمل می‌کنند.
پوشش‌های آنتی‌کلاستیک به چهار فرم اصلی تقسیم می‌شوند:
1- مخروطی (خیمه‌ای) (13).
2- زین اسبی (14).
3- هذلولوی (15).
4- قله و دره‌ای (16).
طراح بیش‌تر به امر تعیین لبه‌ها و مکان ستون‌ها، تیرها، کابل‌ها و ... می‌پردازد و در کل، فرم یک سازه‌ی پارچه‌ای کاملاً وابسته به تعریفی‌ست که طراح از لبه‌ها ارائه می‌دهد.
پیش تنیدگی
پیش تنیدگی سبب می‌شود که سازه در مقابل نیروهای وارد بر آن مقاومت کند و از تغییر فرم شدید جلوگیری شود. در سازه‌های پارچه‌ای از نوع زین اسبی و هذلولوی فرمول زیر صادق است:
T=R*R
(نیروهای وارد بر پوسته = P، قطر منحنی پوسته = R، کشش پوسته = T)
البته هیچ‌گاه ـ حتا زمانی که محاسبات بسیار دقیق باشند ـ نمی‌توان با استفاده از این فرمول به طراحی سازه پرداخت. در سازه‌هایی که بیش‌ترین و کم‌ترین نیروی وارد بر یک قسمت سازه، اختلاف عمده داشته باشد، اقتصادی‌تر آن است که در جایی که P زیاد است، R کم‌تر و جایی که P کم‌تر است، R بیش‌تر است.
انعطاف‌پذیری و تغییر شکل
بر عکس اغلب ساختمان‌ها، تغییر شکل‌پذیری یکی از مهم‌ترین شاخصه‌های سازه‌های پارچه‌ای‌ست و به دلیل انعطاف‌پذیری این سازه‌ها ـ چه در پلان و چه در حجم ـ تغییر شکل هندسی پوشش، شکل ابتدایی توزیع نیروهای وارده است.
با وارد آمدن نیرو در قسمتی از سازه، تغییرات به صورت خطی در یک بخش صورت نمی‌پذیرد، بلکه این تغییرات در سازه پخش می‌شود. یکی از خطراتی که این سازه‌ها را تهدید می‌نماید، جمع شدن برف در بخشی از پوشش است که فرورفتگی ایجاد می‌کند و پس از آب شدن برف و یخ زدن آب، آن سازه آسیب می‌بیند. سازه‌هایی با فرم قله و دره‌ای راه‌حل خوبی برای این مشکل هستند.
آب و هوای داخل پوسته
سازه‌های پارچه‌ای در تمام دنیا قابل اجرا هستند. مواد معمولی که برای این نوع پوشش‌ها استفاده می‌شوند، الیاف پلی استر با پوشش PVC و شیشه با پوشش تفلون است که 75 درصد تابش خورشید را باز می‌گرداند، 17 درصد را جذب می‌کند و 13 درصد را عبور می‌دهد. این موضوع اهیمت سازه را در مناطق گرمسیری مشخص می‌کند. سازه‌هایی با ارتفاع زیاد و گستردگی کم‌تر برای ساختمان‌های ورزشی و تفریحی در مناطق مرطوب، گزینه‌ی مناسبی به شمار می‌روند. یکی از روش‌های تنظیم شرایط محیطی در چنین ساختمان‌هایی استفاده از کف گرمایی و نور تابیده شده به جداره‌ها در طول زمستان است. هزینه‌ی ساخت چنین کفی با کاهش هزینه‌های حاصل از حذف نورپردازی در طول روز جبران می‌شود. شیوه‌ی دیگری که در بنای جزیره‌ی حاره‌ای (17) به کار رفته، دو لایه کردن پوشش است. در این پروژه چهار لایه‌ی پلی استر با روکش PVC روی هم قرار گرفته‌اند. هوای محبوس شده میان دو لایه به عنوان عایق حرارتی عمل می‌کند. در این روش میزان هدررفتِ حرارتی w/M 95 درصد و میزان انتقال نور به دلیل افزایش تعداد لایه‌ها 1/5 درصد می‌باشد. برای سقف موزه‌ی علم و صنعت پاریس و پارک آبی کالگاری (18) از پوششی به قطر 400 میلی‌متر استفاده شده که متشکل از شیشه‌ی مات عایق‌کاری شده و ضدتعرق پوشیده شده با دو لایه‌ی PTFE، هدررفتِ حرارتی w/m 0/4 و میزان انتقال نور 3/5 درصد است.
روش طراحی
خواست کارفرما و شکل و توپوگرافی سایت از عوامل مهمی هستند که می‌باید از ابتدای طراحی مورد توجه قرار گیرند. در مرحله‌ی انتخاب فرم باید به کیفیت آب و هوایی درون پوشش توجه شود.
مرحله‌ی اول پس از انتخاب فرم، مرحله‌ی تعیین ترکیب فیزیکی عناصر مانند انتخاب مصالح، قدرت و انعطاف‌پذیری آن‌ها، ابعاد عناصر و اتصالات بین آن‌ها و میزان پیش‌تنیدگی و کشسانی آن‌هاست. در مرحله‌ی شبیه‌سازی و ساخت ماکت آن دسته از عناصل حمل کننده که برآیند نیروهای وارد بر آن‌ها صفر است و همچنین آن بخش‌هایی که کشش آن‌ها صفر است، حذف می‌شوند. عناصر در نرم‌افزارها در راستای دوخت‌ها و درزهای میان پنل‌های پوشاننده گسترش می‌یابند. از این رو، جای‌گیری و تعیین راستای درزها در این پوشش‌ها بر اساس نیروهای وارد به سازه مشخص می‌شود. در ماکت تحلیلی ساخته شده نحوه‌ی توزیع نیروهای باد و برف چه در هنگامی که سازه در حالت عادی‌ست و چه در آن زمان که تغییر شکل یافته، مورد بررسی قرار می‌گیرد. احتمال ایجاد حوضچه‌ها در پوشش سازه در اثر وزن خود پوشش یا برف باید مورد مطالعه قرار گیرد. مرحله‌ی بعدی تصمیم‌گیری درباره‌ی چگونگی ساخت سازه‌ی سیستم، یعنی سر هم کردن سازه به شکل گام به گام و فراهم کردن پیش‌تنیدگی و کشش مورد نیاز است. هدف از این مرحله آن است که مشخص شود هر جزء سازه به شکل خاص چه نیروهایی را تحمل خواهد کرد و چه حرکت‌هایی خواهد داشت. چنین اطلاعاتی باید در مرحله‌ی طراحی جزئیات مورد استفاده قرار گیرد.
ساخت و نصب (19)
مدت زمان مورد نیاز، از ایده‌پردازی اولیه تا ساخت، چیزی در حدود 6 تا 9 ماه می‌باشد. (20) (جدول 1)
پی‌نوشت‌ها:
1- این مقاله برگرفته از کتاب راهنمای طراحی برای پوشش‌های پارچه‌ای در اروپاست که در سال 2004م. گروه Tensinet آن را چاپ و منتشر کرده است.
Forster, Brain & Mollaert, Marijke (2004) European Design Guide For Tensile Surface Strictures. Tensinet
2- تصاویر 1، 11 و 12 نتیجه‌ی جست‌وجو در پایگاه اینترنتی www.google.com و تصاویر 2 تا 10 برگرفته از پایگاه www.tensinet.com هستند.
3- Membrane Structures
4- Prestress
5- Frei Otto
6- Self-forming
7- Rolf Gutbord
8- Andra & Leonhardt Co
9- Anticlastic
10- Synclastic
11- Arching
12- Hanging
13- Cone
14- Saddle
15- Hypar
16- Ridge and Valley
17- CargoLifter Airship Hangar
18- Calgary
19- برگرفته از کتاب Guide to Textile Architecture
20- زمان‌های ارائه شده تقریبی و بسته به نوع ومقیاس پروژه، متغیر هستند
منبع: ماهنامه‌ی دانش نما، شماره 171-170، تیر ـ مرداد 88 
