آموزش طراحی نما از مقدماتی تا پیشرفته؛ نرم‌افزارها، اصول و نمونه‌ها

Emerging environmental threats originating from rapid urbanization and the associated energy shortages, negative impacts of climate change, and sick building syndromes have led to government sectors and various construction-based professional bodies recognizing the need for developing effective sustainable building design strategies. As a result, growing interest in the development of effective solutions for enhancement of the sustainable energy performance of buildings has been observed in recent years. Along this line, building envelopes that separate the indoor from the outdoor environments, and in particular building façades, play a substantial role for energy saving in buildings. Nevertheless, this study argues that there is a lack of a systematic and comprehensive analysis of the available literature regarding the energy and thermal performance of building façades based on the various possible design and technical configurations, especially in hot and humid climates. Important decisions should be made by architects and engineers during the early design stages of buildings with viewpoints to the ultimate impacts of building physics on the overall energy performance and indoor comfort conditions of buildings. With such a research gap in existing literature, in these early stages many key façade attributes may be overlooked. Hence, this study attempts to develop a state-of-the-art analysis of the existing literature about the circumstances of optimizing the performance of building façades, particularly in hot and humid climates. Likewise, the study extracts practical lessons learned from AEC industry and demonstrates the current status of utilizing energy efficient building façades in recent construction developments in Malaysia (Kuala Lumpur) and Australia (Darwin). Finally, the study draws attention to the emerging innovative solutions for the design of building façades towards improving the energy efficiency of building sector and contributing to the sustainable development of cities.
Introduction
The building envelope, and particularly the façade, has a large impact on the thermal and visual comfort of occupants as well as the energy demand of a building. Much of the focus of building façade design has been for the temperate climates of Europe and the United States but the requirements are much different for hot and humid climates where to date research has been scarce. Under the Köppen climate classifications, climates of Kuala Lumpur (Af, tropical rainforest) and Darwin (Aw, tropical savannah) are classified as tropical experiencing warm temperatures throughout the year and have high humidity and rainfall for at least part of the year. As the population of these cities continue to grow and more buildings – residential and commercial – are constructed, the energy demand for cooling of occupied spaces will continue to rise. The impacts of building façade design in hot and humid climates have not been properly understood. This paper presents the state-of-the art review of the energy performance of the building façades in hot and humid tropics and identifies lessons learnt from the existing research and practices for the cities of Kuala Lumpur (Malaysia) and Darwin (Australia).
Section snippets
Rapid urbanization and the need for sustainability: the case of Kuala Lumpur and Darwin
Urbanization has been occurring rapidly in the last century. The world’s urban population increased from 30% in 1950 to 54% in 2014 [1]. and the rate is expected to increase over the next few decades [2], with two thirds of the world’s population living in urban areas by 2050 [1]. Industrialization, mobility, technology, population and economic growth are known key contributors to rapid urbanization [3]. Although urbanization has brought positive impacts such as establishment of new settlements
Overview
Currently, the building sector is responsible for approximately 40% of the global energy consumption in many developed and developing countries [43], [44]. As a result, improving the energy efficiency in buildings has become one of the key agendas of governmental sectors towards the sustainable development of cities.
Building façades are one of the most technologically challenging, multifaceted and interdisciplinary components of a building. From an architectural design point of view, the façade
Overview
Many researchers have highlighted the impact of building envelope on the energy performances of the structure [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73], [74], [75]. Façades, as an important component of building envelope, play a significant role in this regard, particularly in high-rise buildings [76]. This section discusses the impact of materials, insulation, geometry, orientation and openings on the façade thermal performance. In this regard, this study also attempts to correct and clarify
Classification of the main sustainable building façades in hot and humid climate
According to Aksamija [46], there are two broad categories of façades: (1) glazed façades, which are constructed mostly from transparent or translucent glazing materials within a metal frame, and (2) opaque façades that are made from sturdy materials such as concrete and steel and may have punched-hole openings or windows. Sustainable façade design strategies for warm climates, which are space cooling dominated, should be focused mostly on reducing solar and external heat gains while at the
Recent attempts at optimizing the energy performance of building façades
With the recent trend of making buildings more energy efficient, and since the envelope accounts for a large amount of heat gain, it is no wonder there has been much research into façade design. The pool of knowledge for tropical architectural design is also growing. The area getting the most current research is the DSF.
Lessons from recent sustainable practices in Darwin, Australia
At the end of 1974, most of the buildings in Darwin were destroyed by a cyclone because they were not designed for that type of weather event. When the city was rebuilt, there was a focus on structural strength and a need to build them quickly to house people who lost their homes. There was a large reliance on concrete blocks and slabs for construction material because of their quick assembly and structural integrity. The threat of a cyclone still exists so buildings are still made mostly from
Emergence of innovative building façades for integration in future buildings
The rapid advancement of building design, construction, and maintenance technologies has the potential to improve the performance of building façades which contemporarily defines the image of modern cities [188]. Likewise, advancement in Building Information Modelling (BIM) and Building Management Systems (BMS) makes it possible to properly incorporate building façades components for an optimized energy performance. In view of all these progressions, occupants’ desire for elevated comfort
Conclusions
This paper presents a review of the energy conscious designs of façades of buildings in hot and humid climates with particular references to the cities of Kuala Lumpur, Malaysia, and Darwin, Australia. The paper has discussed the rising awareness and rapidly growing attention towards enhancing the energy performance of buildings as part of the sustainable development strategies of cities to combat climate change. The past and ongoing studies demonstrate the critical role of building façades as
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the support from IRU-MRUN programme (Research University Grant RU025-2015) based on the collaboration between University of Malaya in Malaysia and Charles Darwin University in Australia.

 

ترجمه متن بالا :

تهدیدات زیست‌محیطی نوظهور ناشی از شهرنشینی سریع

تهدیدات زیست‌محیطی نوظهور ناشی از شهرنشینی سریع و کمبود انرژی، اثرات منفی تغییرات اقلیمی و بروز بیماری‌های مرتبط با ساختمان (مانند سندرم ساختمان بیمار)، سبب شده است که نهادهای دولتی و سازمان‌های حرفه‌ای فعال در صنعت ساخت‌وساز، نیاز به تدوین راهبردهای مؤثر در طراحی پایدار ساختمان‌ها را به رسمیت بشناسند. در نتیجه، در سال‌های اخیر علاقه‌مندی فزاینده‌ای نسبت به توسعه راهکارهای مؤثر برای بهبود عملکرد انرژی پایدار ساختمان‌ها مشاهده شده است.

در این میان، اجزای پوسته ساختمان که فضای داخلی و خارجی را از هم جدا می‌کنند – و به طور خاص نماها – نقشی اساسی در صرفه‌جویی انرژی در ساختمان‌ها ایفا می‌کنند. با این حال، این مطالعه بیان می‌کند که تحلیل نظام‌مند و جامعی از مطالعات موجود در مورد عملکرد انرژی و حرارتی نماهای ساختمان، با توجه به ترکیب‌های طراحی و فنی مختلف – به ویژه در اقلیم‌های گرم و مرطوب – به اندازه کافی انجام نشده است.

در مراحل اولیه طراحی، معماران و مهندسان باید تصمیمات مهمی با در نظر گرفتن تأثیرات فیزیک ساختمان بر عملکرد کلی انرژی و شرایط آسایش داخلی اتخاذ کنند. با وجود چنین خلأ پژوهشی در ادبیات موجود، در این مراحل اولیه ممکن است بسیاری از ویژگی‌های کلیدی نما نادیده گرفته شوند. بنابراین، این مطالعه تلاش دارد تحلیل به‌روز و دقیقی از مطالعات انجام‌شده در زمینه بهینه‌سازی عملکرد نماهای ساختمانی به‌ویژه در اقلیم گرم و مرطوب ارائه دهد.

همچنین این تحقیق، درس‌آموخته‌های عملی از صنعت معماری، مهندسی و ساخت‌وساز (AEC) استخراج کرده و وضعیت فعلی بهره‌گیری از نماهای کارآمد از نظر انرژی را در پروژه‌های ساختمانی اخیر در کوالالامپور (مالزی) و داروین (استرالیا) بررسی می‌کند. در پایان، به راهکارهای نوآورانه نوظهور در طراحی نماها برای بهبود کارایی انرژی در بخش ساختمان و کمک به توسعه پایدار شهری اشاره می‌شود.

---

مقدمه

پوسته ساختمان و به‌ویژه نما، تأثیر زیادی بر آسایش حرارتی و بصری کاربران و همچنین تقاضای انرژی ساختمان دارد. بیشتر تمرکز طراحی نما تاکنون معطوف به اقلیم‌های معتدل اروپا و آمریکا بوده است؛ در حالی‌که نیازها در اقلیم‌های گرم و مرطوب کاملاً متفاوت است و تاکنون تحقیقات محدودی در این زمینه انجام شده است.

طبق طبقه‌بندی اقلیمی کوپن، اقلیم شهرهای کوالالامپور (Af، بارانی گرمسیری) و داروین (Aw، ساوان گرمسیری) به‌عنوان مناطق گرمسیری شناخته می‌شوند که دمای سالیانه بالا و میزان رطوبت و بارندگی بالا (در بخشی از سال) دارند.

با رشد جمعیت این شهرها و افزایش ساخت‌وساز مسکونی و تجاری، تقاضای انرژی برای سرمایش فضاهای اشغال‌شده افزایش خواهد یافت. تأثیر طراحی نمای ساختمان در اقلیم‌های گرم و مرطوب تاکنون به‌درستی درک نشده است.

این مقاله به بررسی پیشرفته وضعیت عملکرد انرژی نمای ساختمان در مناطق گرمسیری و مرطوب پرداخته و درس‌آموخته‌هایی از پژوهش‌ها و تجربیات موجود در دو شهر کوالالامپور (مالزی) و داروین (استرالیا) ارائه می‌دهد.

---

شهرنشینی سریع و ضرورت پایداری: نمونه‌های کوالالامپور و داروین

شهرنشینی در قرن گذشته با سرعت زیادی رخ داده است. جمعیت شهری جهان از ۳۰٪ در سال ۱۹۵۰ به ۵۴٪ در سال ۲۰۱۴ افزایش یافته و انتظار می‌رود این نرخ تا سال ۲۰۵۰ به دو سوم جمعیت جهان برسد. صنعتی‌شدن، تحرک، فناوری، رشد جمعیت و رشد اقتصادی از عوامل کلیدی این روند هستند. با وجود برخی پیامدهای مثبت مانند ایجاد سکونتگاه‌های جدید، چالش‌های پایداری محیط‌زیست نیز به همراه آمده‌اند.

---

بررسی اجمالی

در حال حاضر، بخش ساختمان مسئول حدود ۴۰٪ از مصرف انرژی جهانی در کشورهای توسعه‌یافته و در حال توسعه است. بنابراین، بهبود بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها به یکی از برنامه‌های کلیدی دولت‌ها در راستای توسعه پایدار شهرها تبدیل شده است. نماهای ساختمانی از نظر طراحی معماری، از پیچیده‌ترین و میان‌رشته‌ای‌ترین اجزای ساختمان محسوب می‌شوند.

---

تأثیر عناصر نما بر عملکرد حرارتی

پژوهش‌های متعددی بر تأثیر پوسته ساختمان بر عملکرد انرژی ساختمان تأکید کرده‌اند. نماها به‌عنوان بخش مهمی از پوسته، به‌ویژه در ساختمان‌های بلندمرتبه، نقشی اساسی ایفا می‌کنند. این بخش از مقاله به بررسی تأثیر جنس مصالح، عایق‌کاری، هندسه، جهت‌گیری و بازشوها بر عملکرد حرارتی نما پرداخته و تلاش دارد ابهامات موجود را برطرف کند.

---

دسته‌بندی نماهای پایدار در اقلیم گرم و مرطوب

بر اساس نظر “Aksamija”، نماها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
۱. نماهای شیشه‌ای که عمدتاً از مصالح شفاف یا نیمه‌شفاف همراه با فریم فلزی ساخته می‌شوند.
۲. نماهای کدر که از مصالح مقاومی چون بتن یا فولاد ساخته شده و ممکن است دارای پنجره یا بازشو باشند.

راهبردهای طراحی نمای پایدار برای اقلیم‌های گرم (که غالباً به سرمایش نیاز دارند) باید بر کاهش دریافت گرمای خورشیدی و گرمای محیط بیرون تمرکز داشته باشند.

---

تلاش‌های اخیر برای بهینه‌سازی انرژی در نما

با توجه به گرایش جدید برای افزایش بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها – و با توجه به نقش نمای ساختمان در دریافت گرما – تحقیقات گسترده‌ای روی طراحی نما انجام شده است. در حال حاضر، بیشترین تمرکز تحقیقات بر نمای دوپوسته (DSF) است. همچنین گنجینه دانشی در زمینه طراحی اقلیمی ساختمان در مناطق گرمسیری نیز رو به رشد است.

---

درس‌هایی از اقدامات پایدار اخیر در داروین، استرالیا

در پایان سال ۱۹۷۴، بیشتر ساختمان‌های داروین در اثر طوفان ویران شدند؛ چرا که برای چنین شرایط آب‌و‌هوایی طراحی نشده بودند. بازسازی شهر با تمرکز بر استحکام سازه‌ای و سرعت ساخت صورت گرفت و از بلوک‌های بتنی و دال‌ها به دلیل سرعت و مقاومت بالا استفاده شد. تهدید طوفان همچنان وجود دارد، بنابراین بیشتر ساختمان‌ها با همین مصالح مقاوم ساخته می‌شوند.

---

نوآوری‌های نوظهور در طراحی نما

پیشرفت سریع فناوری در طراحی، ساخت و نگهداری ساختمان‌ها، زمینه را برای بهبود عملکرد نمای ساختمان فراهم کرده است. نمای ساختمان امروزه تصویر مدرن شهرها را نیز تعریف می‌کند.

همچنین، پیشرفت‌هایی مانند مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM) و سیستم‌های مدیریت ساختمان (BMS)، امکان بهره‌برداری دقیق‌تر و بهینه از اجزای نما را برای عملکرد انرژی فراهم ساخته‌اند. در این بین، سطح انتظارات ساکنان در زمینه آسایش نیز افزایش یافته است.

---

نتیجه‌گیری

این مقاله به بررسی طراحی انرژی‌محور نماهای ساختمانی در اقلیم‌های گرم و مرطوب پرداخته است، با تمرکز ویژه بر شهرهای کوالالامپور (مالزی) و داروین (استرالیا).

مقاله به افزایش آگاهی و توجه سریع نسبت به بهبود عملکرد انرژی در ساختمان‌ها، به‌عنوان بخشی از راهبردهای توسعه پایدار شهرها برای مقابله با تغییرات اقلیمی، پرداخته است.

مطالعات گذشته و جاری نشان می‌دهند که نماهای ساختمانی نقشی حیاتی در بهره‌وری انرژی و توسعه پایدار ایفا می‌کنند.

---

قدردانی

نویسندگان از حمایت برنامه IRU-MRUN (گرنت تحقیقاتی RU025-2015) که از همکاری بین دانشگاه مالایا (مالزی) و دانشگاه چارلز داروین (استرالیا) حاصل شده است، سپاسگزاری می‌کنند.