كيف يمكن أن تكون المباني جزءًا من الإجابة على تحدي المناخ الذي أظهرته العمارة الألمانية

Harvard University Science and Engineering Complex in Allston, USA, by Behnisch Architekten

PHOTO BRAD FEINKNOPF

أكملت الشركة الألمانية Behnisch Architekten مؤخرًا ثلاثة مشاريع في الولايات المتحدة وأوروبا تتميز بنظام مظلة خارجية ثابتة جديدة ، وكلها تستند إلى نفس المبدأ ولكن باستخدام مواد وأبعاد وهندسة مختلفة. لا يحمي نظام الواجهة التصميمات الداخلية من اكتساب الحرارة الشمسية خلال الأشهر الأكثر دفئًا فحسب ، بل يسمح أيضًا بدخول الشمس المفيدة خلال فصل الشتاء ، مما يقلل بشكل كبير من أحمال التبريد والتدفئة. في الوقت نفسه ، تنعكس الشاشة ضوء النهار في عمق الداخل ، مع الحفاظ على فتحات عدسة كبيرة مع مناظر للخارج. من غير المعتاد استخدام شبكة واجهة معقدة لحماية المبنى من تأثير الشمس مع تحسين ضوء النهار الطبيعي في الداخل من خلال إعادة توجيه الضوء الشارد الأكثر برودة في الصيف. تشرح ميشيل لي ، مهندسة معمارية في Behnisch Architekten.

صِف نظام المظلة الخارجية الثابتة الذي طوره Behnisch Architekten، والذي استخدمته في مجمع العلوم والهندسة بجامعة هارفارد ، وقطب أبحاث السرطان في Agora، وأديداس أرينا. ما هو الشيء الفريد وغير المعتاد في هذا النظام الشمسي الخارجي الثابت؟

تم تطوير الواجهات الثلاث استجابة لميزة معمارية مستوطنة في ألمانيا. نظرًا للقيم الثقافية للإشراف البيئي، وقوانين البناء الصارمة للطاقة وأسعار الطاقة المرتفعة، تتميز معظم المباني الحديثة في ألمانيا بمظلات خارجية. عادةً ما توجد هذه المظلات كستائر أفقية خارجية قابلة للتشغيل (تُعرف أيضًا بالستائر الفينيسية)، والتي يتم إنزالها في الأيام المشمسة في الصباح لحماية الداخل من اكتساب حرارة الشمس، وترفع في المساء أو في الأيام الملبدة بالغيوم. في حين أنها فعالة من حيث التكلفة وعملية، إلا أن هناك عيبان رئيسيان. أولاً، تستخدم الستائر المتحركة الطاقة الكهربائية لفتحها وإغلاقها، كما أنها تشكل مصدر إزعاج لأصحاب المباني، حيث تحتاج الأجزاء المتحركة إلى خدمة وصيانة مستمرة. ثانيًا، يتم تقييدها في الغالب إلى الأشكال الهندسية الأفقية، مما يعني أنها ليست مصممة لاستهداف النطاقات المختلفة من الأشكال الهندسية للمسار الشمسي، أو من أجل العمل بشكل جيد، يجب إغلاقها بالكامل، مما يحجب الرؤية وضوء النهار الطبيعي.

بالنسبة إلى Agora، قمنا بتصميم نظام تظليل ثابت من شأنه أن يؤدي بشكل مشابه لهذه الستائر الخارجية العامية وقمنا بتطويرها بشكل معماري لإعطاء هوية ليس فقط للشكل الخارجي، ولكن أيضًا لتشكيل المساحات الداخلية. سمحت لنا الشبكة المائلة المائلة بتوفير التظليل أفقيًا وقطريًا، اعتمادًا على تعرض زجاج الواجهة. ضمن هذه الوحدة المعيارية القطرية، يتم ضبط عمق "الزعانف" أو brise-Soleil لتحسين حجب زوايا ذروة الشمس في أشد أوقات السنة حرارة والوصول إلى ضوء النهار. يتكون النظام من صفائح ألمنيوم مثقبة ومطوية مثبتة على هيكل احتياطي فولاذي متصل بمنصة صيانة للواجهات. ثقب هو لتقليل التباين. نظرًا لأن واجهات هذا المبنى ليست عمودية ولكنها مائلة في الغالب والمبنى ذو شكل معقد، كان علينا حساب وتصميم 14 عنصر تظليل مختلف. كانت واجهة مبنى Agora هي الأولى لدينا في هذا التصنيف والأكثر تعقيدًا. تم اختيار شبكة العناصر بحيث تتيح رؤية جيدة للخارج. عرض الشبكة مخصص لعمق العناصر. إنه قابل للتطوير. بالتعاون مع مهندسينا من Transsolar و Bartenbach Lichtlabor، قمنا بتصميمه بحيث يتم حجب شمس الربيع والصيف والخريف في الغالب، وينعكس الضوء البارد غير المباشر في عمق الغرفة ويمكن أن تسطع شمس الشتاء مباشرة على الزجاج في من أجل دعم تدفئة المساحات.

Adidas World of Sports Arena in Herzogenaurach, Germany, by Behnisch Architekten

PHOTO DAVID MATTHIESSEN

بالنسبة إلى Adidas World of Sport في هيرتسوجيناوراخ (Herzogenaurach)، ألمانيا، قمنا بتطوير هذا المفهوم على نطاق أوسع يتناسب مع الحجم الهائل للمبنى.

بالنسبة لجامعة هارفارد، كنا مهتمين باستكشاف مظلات الشمس بمقياس دقيق للحبوب. كان مشروعنا إلى حد بعيد أكبر مبنى تم تشييده على الإطلاق في حي سكني منخفض الكثافة وغير مطور إلى حد كبير في بوسطن. كانت استجابتنا لهذا السياق عبارة عن واجهة من شأنها أن تتحدث عن نسب جسم الإنسان وتتميز بجودة اللمس والشبيهة بالنسيج، والتي من شأنها أن تخفف من حجم المبنى وتربط بشكل أفضل مختبرات الأبحاث داخل المجال العام. من أجل تحقيق ذلك، قمنا بتطوير أنواع قليلة من الوحدات لكل اتجاه شمسي لإنشاء نمط، والذي من شأنه تفتيت سطح هذه الأحجام الكبيرة. تعلمنا أيضًا من Adidas و Agora أن هناك الكثير من الهياكل الاحتياطية اللازمة لدعم هذه العناصر، لذلك كان هناك طموح لجعل الألواح نحيفة وخفيفة الوزن قدر الإمكان. لقد دفعنا جميع عمليات التثبيت الهيكلية للعناصر إلى الجزء العلوي والسفلي من "الأحجام" المعمارية، مما أدى فعليًا إلى القضاء على الهيكل الموجود بين الراكب والشاشة. لقد أمضينا أيضًا عامًا واحدًا من البحث والتطوير لتطبيق تقنية التشكيل المائي على هذه المكونات، مما أدى إلى توفير 90٪ من الكربون المتجسد في مادة التظليل.

جميع المشاريع الثلاثة مدفوعة بالدراسة الدقيقة لزوايا الشمس الخاصة بكل مناخ. إذا كنت تتجول في كل اتجاه، يمكنك أن ترى في كل من هذه الواجهات أن الظلال تكون أكثر وضوحًا في زوايا معينة - وذلك لأن الظلال مصممة لاستهداف نطاق معين من زوايا الشمس. أيضًا، لم ندفع فقط الأداء الفني، ولكن كيف يتم تجربة هذه الشاشات من الداخل وكيف تشكل هذه الواجهات المجال العام.

ما هي النتائج العددية وبيانات الأداء التي توفرها أنظمة المظلات الخارجية الثابتة للمشاريع الثلاثة؟ كم من الطاقة يمكن توفيرها؟

بالنسبة لجامعة هارفارد، خفضت شاشة التظليل الخاصة بنا من أحمال التبريد القصوى بنسبة 25 إلى 65٪، اعتمادًا على البرنامج أو استخدام المساحة الموجودة خلف الواجهة والتوجه الشمسي للواجهة. نظرًا لأننا قمنا بتخفيض أحمال التبريد القصوى، فقد تمكنا من التخلص من استخدام تكييف الهواء في المساحات غير المختبرية وتركيب أسقف مشعة، والتي كانت أكثر فعالية في استخدام الطاقة وأقل قوة من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التقليدية. مع Adidas و Agora ، حققنا كفاءة مماثلة. يصعب التحقق إلى حد ما نظرًا لأن جميع المباني الثلاثة موفرة للطاقة تمامًا ، ولكن لها أيضًا أغراض مختلفة جدًا. المدخرات الرئيسية هي الحماية من الإشعاع الشمسي في الربيع الحار وأيام الصيف ودعم التدفئة السلبي في الشتاء. الميزة مقارنة باستراتيجيات التظليل الشمسي الأخرى هي أنك عززت كفاءة ضوء النهار الطبيعي بسبب تجنب النوافذ الملونة أو الستائر المغلقة. ليس لديك أجزاء متحركة. بالنظر إلى أن متوسط محرك التظليل الخارجي المتحرك هو 165 واط ، وأنه سيكون لديك في مبنى مثل Adidas حوالي 1000 من هذه المحركات ، يمكنك أن تتخيل مقدار الطاقة الكهربائية التي يتم توفيرها فقط لتشغيلها.

Agora Cancer Research Pole in Lausanne, Switzerland, by Behnisch Architekten

PHOTO DAVID MATTHIESSEN

لماذا يعمل نظام حاجب الشمس الخارجي الثابت الخاص بكم بشكل أفضل بكثير فيما يتعلق بالطاقة والراحة بشكل عام من أي جهاز تظليل متحرك؟

بالنسبة لجامعة هارفارد، لم نتبع مظلة متحركة بسبب الثلج والجليد في هذا المناخ الشمالي. لكن المقارنة بين الجهازين، تتطلب الأجهزة المتحركة طاقة، كما هو موضح أعلاه. علاوة على ذلك، أحد الجوانب المهمة هو تحسين الضوء. ينعكس ضوء الشمس غير المباشر بواسطة العناصر الموجودة في السقف وبالتالي ينعكس أكثر في عمق الفراغات الموجودة خلفه. أيضًا، تتمتع الأجهزة المتحركة بقدرة منخفضة على تحمل الرياح. تتمتع بوسطن وكذلك لوزان في سويسرا، حيث يقع مشروع أغورا، بفصول عاصفة شديدة. وإذا كان عليك تعديل تصميم المعدات التقنية الخاصة بك إلى أحمال ذروة عالية لمجرد أن مظلة الشمس قد تفتح في الصيف، فسوف ينتهي بك الأمر بمعدات تهوية أقل كفاءة وأكثر تكلفة. ميزة أخرى هي أنه يمكنك بشكل طبيعي تهوية وفتح النوافذ أيضًا في الأيام المشمسة. مع الستائر الفينيسية المغلقة ، يكون هذا أقل كفاءة نظرًا لارتفاع درجة حرارة حاجز الهواء بين الستائر والزجاج.

كيف يمكنك ضبط هيكل الشبكة بدقة للاستجابة بشكل مثالي لموقع المبنى واتجاهه وبيئة تشغيله بالضبط، مع التظليل الشمسي الثابت لكل مشروع يتم تصميمه وتخصيصه بشكل فردي حسب الموضع المناسب للشمس والنقاط الأساسية؟

بالنسبة لجامعة هارفارد، كتبنا خوارزمية خاصة بنا لتشكيل هندسة الظل لاستهداف الشمس في أشد أوقات السنة حرارة دون حجب الكثير من أشعة الشمس، مما قد يضر بضوء النهار والمناظر واكتساب الحرارة الشمسية في أشهر الشتاء. بالنسبة إلى Agora و Adidas، قمنا أولاً بمحاكاة المواقف المختلفة على الكمبيوتر على نماذج ثلاثية الأبعاد للعثور على الموضع المثالي والعمق وعرض الشبكة لكل موقف. بعد ذلك، بمساعدة مهندسينا من Transsolar و Bartenbach Lichtlabor ، قمنا بضبطها لتجنب الوهج وتقليل التباين وتحسين تحسين ضوء النهار.

بقلم: Y-Jean Mun-Delsalle, https://www.forbes.com