چوب، فولاد یا بتن؟ پاسخ علمی به یک مناقشه قدیمی در ساختوساز
شرکتهای WSP، mcCallumSather و ArcelorMittal نتایج یک مطالعه موردی نظری را در نمایشگاه The Buildings Show در ماه دسامبر رونمایی کردند؛ مطالعهای که نشان میدهد هزینهها و شاخصهای پایداری استفاده از فولاد، بتن یا چوب برای یک برج مسکونی معمولی ۱۲ طبقه، با زیربنای ۲۸۷ هزار فوت مربع و پلان Lشکل، در منطقه کلانشهری تورنتو (Greater Toronto Area – GTA) تقریباً مشابه است.
در نشستی تخصصی با عنوان «سهگانه خط پایانی مصالح سازهای: هزینه، سرعت و ارزیابی چرخه عمر» (The Triple Bottom Line of Structural Materials: Cost, Speed and Life Cycle Assessment)، افرادی از جمله برنت اولدرشاو (Brant Oldershaw)، مهندس حرفهای (P.Eng.) و مدیر مهندسی سازه، مکانیک و برق WSP در جنوبغرب انتاریو؛ ویلمز رنسام (Willems Ransom)، شریک اصلی و معمار شرکت mcCallumSather؛ متیو وینترز (Matthew Winters)، مهندس حرفهای (P.Eng.) و مدیر پروژه Steligence در ArcelorMittal؛ و مایک کورتس (Mike Cortese)، مدیر ارشد پروژههای پایداری ArcelorMittal، حضور داشتند.
آنها توضیح دادند که WSP و mcCallumSather به برنامه Steligence شرکت تولیدکننده فولاد ArcelorMittal پیوستند تا عملکرد مصالح ساختمانی مختلف را برای یک پروژه نظری یکسان، مدلسازی و مقایسه کنند. شرکتهای مشاوره مهندسی RJC و MTE نیز در تهیه جزئیات سازهای این پروژه مشارکت داشتند.
ویلمز رنسام توضیح داد: «ما در حال طراحی یک ساختمان واقعی نبودیم، بلکه یک مدل مطالعاتی (Case Model) را توسعه میدادیم. این مدل با شرایط بازار هماهنگ شده بود، اما برای هیچ راهحل خاصی بهینهسازی نشده بود. مدل انعطافپذیر بود و از پوسته ساختمانی و حجمپردازی متعارف استفاده میکرد.»
در جریان توسعه و آزمون مدلهای مجازی، تیم پروژه وزن سازه، هزینه کل، سرعت اجرا و اثرات زیستمحیطی پروژه را برآورد کرد.
متیو وینترز گفت: «در ابتدا فقط سیستمهای سازهای فولادی و بتنی را مقایسه کرده بودیم، اما اکنون سناریوی چوب انبوه (Mass Timber) را هم اضافه کردیم؛ گزینهای که تضمین همارزی عملکردی در آن چالشبرانگیزتر است.»
ویلمز توضیح داد: «چوب انبوه به فضای بیشتری نیاز دارد و برای دهانههای مشخصی مناسبتر است، اما ما تا حد امکان تلاش کردیم پلان عملکردی طبقات را در همه گزینهها یکسان نگه داریم.»
برنت اولدرشاو نیز گفت: «سعی کردیم مدل تا حد امکان عمومی باشد و عناصر مشترکی مانند فونداسیون بتنی و بتن درجا برای هستههای پله را در همه گزینهها حفظ کردیم.»
برای ارزیابی اثرات زیستمحیطی، آنها محاسبات ارزیابی چرخه عمر (Life-Cycle Assessment – LCA) را در تمام مراحل انجام دادند؛ محاسباتی که بر دادههای اظهارنامههای زیستمحیطی محصول (Environmental Product Declarations – EPDs) تأییدشده توسط نهادهای ثالث تکیه داشت و تمرکز آن بر پتانسیل گرمایش جهانی (Global Warming Potential – GWP) بود.
مایک کورتس گفت: «ما از نرمافزار One Click LCA برای مقایسه سه ساختمان با کارکرد کاملاً معادل استفاده کردیم. با کمک EPDها، تا حد امکان از محصولات محلی استفاده شد. تعداد EPDهای در دسترس با سرعت زیادی در حال افزایش است و این موضوع انجام این نوع تحلیلها را سادهتر و دقیقتر میکند.»
برنت اولدرشاو افزود: «من تصور میکردم فاصله نتایج در LCA بیشتر باشد.»
سه ماده اصلی سازهای که در این مطالعه بررسی شدند شامل فولاد بازیافتی و تولیدشده با انرژیهای تجدیدپذیر XCarb شرکت ArcelorMittal؛ بتن آماده با میانگین رایج و بتن کمکربن عمومی (General Use Low-Carbon – GUL) مطابق با استانداردهای Concrete Ontario؛ و ترکیبی از چوب گلولام (Glue-Laminated Timber – Glulam) بریتیش کلمبیا و چوب لایهای متقاطع (Cross-Laminated Timber – CLT) انتاریو بودند.
نتایج نشان داد پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) در هر سه سناریو تقریباً مشابه است؛ بهطوری که بتن اندکی بالاترین مقدار، پس از آن چوب انبوه و در نهایت فولاد کمترین مقدار را داشت. با این حال، در هر سه حالت، اجرای پروژه در چارچوب الزامات استاندارد سبز تورنتو (Toronto Green Standard – TGS) امکانپذیر بود.
کورتس گفت: «نزدیکی نتایج واقعاً مرا شگفتزده کرد. در نهایت، همهچیز به هماهنگی در فلسفه طراحی، رویکرد مهندسی و انتخاب مصالح برمیگشت.»
وینترز افزود: «وقتی تلاش کردیم کربن نهفته را در این مطالعه کاهش دهیم، متوجه شدیم اگر طراحی درست انجام شود و از هر ماده مطابق نقاط قوتش استفاده کنیم، میتوانیم با هر نوع مصالحی به اهداف پایداری برسیم.»
برآورد هزینهها نیز اختلاف قابلتوجهی نداشت؛ بهطوری که هزینه سازه فولادی ۳,۱۰۷,۵۰۰ دلار، بتن ۳,۱۲۱,۵۰۰ دلار و چوب ۳,۰۱۱,۰۰۰ دلار برآورد شد.
ویلمز رنسام از دیدگاه معماری خود گفت: «ما در این پروژه، چوب را در بستری غیرمعمول به کار بردیم، اما به این نتیجه رسیدیم که چوب به گزینهای عادلانهتر و قابلمقایسه با فولاد و بتن تبدیل شده است.»
نقطه تفاوت اصلی، مدتزمان موردنیاز برای ساخت بود. در حالی که هر سه گزینه به ۴۰ روز برای اجرای فونداسیون و ۷۰ روز برای نصب نما نیاز داشتند، در ادامه، چوب با ۱۱۳ روز برای اجرای سازه سریعترین گزینه بود؛ پس از آن فولاد با ۱۵۷ روز و بتن با ۱۹۰ روز قرار گرفتند.
در بازنگری این پروژه بهعنوان یک آزمایش، رنسام به مزایا و معایب همکاری چندجانبه موردنیاز برای انجام آن اشاره کرد.
ویلمز رنسام گفت: «امروزه تولید LCAها سادهتر شده و نرمافزارهای بهتری در دسترس است، اما همین موضوع فرآیند تصمیمگیری را بسیار پیچیدهتر میکند که در عین حال، نکتهای مثبت است.»
او ادامه داد: «قبلاً طراحیها بر اساس قواعد تجربی انجام میشد. تعریف عوامل بحرانی اثرگذار، به سطح متفاوتی از بررسی در فرآیند طراحی نیاز دارد؛ فرآیندی که از طریق همکاری با شرکای صنعتی بهشدت تقویت میشود. اکنون دادههای فراوانی برای تحلیل داریم، اما این دادهها با سرعت زیادی در حال تغییرند. بنابراین باید فرآیندهایی تعریف کنیم تا تصمیمگیریها سادهتر شوند. طراحی یکپارچه پروژه (Integrated Project Design – IPD) سناریوی ایدهآلی است، اما زمان و نیروی انسانی زیادی میطلبد.»
