نوع المواد التي نختارها عند بناء المباني يؤثر بشكل كبير على قدرتها على تحمل الأوزان وعلى مرونة المهندسين المعماريين في تصميماتهم. فالخرسانة المسلحة قوية جداً بالنسبة لقوى الانضغاط، ولهذا السبب تُستخدم على نطاق واسع في أساسات المباني والأجزاء المركزية للمباني الشاهقة. أما الفولاذ الإنشائي، فمن ناحيته يتعامل بشكل أفضل مع قوى الشد، مما يسمح بإنشاء هياكل أسقف ضخمة تمتد عبر مساحات كبيرة دون حاجة إلى أعمدة داعمة. كما يجب أن تكون المباني قادرة على الصمود أمام مختلف الظروف الجوية أيضاً. فالأضرار الناتجة عن الرطوبة والتغيرات الحرارية على المدى الطويل ستؤثر حتماً إذا لم يتم التصدي لها بشكل مناسب أثناء البناء. خذ على سبيل المثال الخشب الطبقي المتقاطع (CLT). لقد غيّر هذا المنتج الخشبي الحديث قواعد اللعبة من خلال تقديم أداء إنشائي متين مع السماح للمصممين في الوقت نفسه بإنشاء أشكال مثيرة ومساحات مفتوحة كانت سابقاً تتطلب حلولاً فولاذية مكلفة. بل إن بعض المشاريع الحديثة دمجت بالفعل عناصر CLT في أقسام الجدران المنحنية، حيث تجد المواد التقليدية صعوبة في تلبية المتطلبات الهندسية والجمالية معاً.
يعتمد اختيار المواد المناسبة على مطابقة خصائص قوتها، وطريقة تعاملها مع البيئات المختلفة، وما إذا كانت قادرة على تحمل الأحمال المتنوعة. في المناطق القريبة من السواحل حيث تأكل رطوبة الملح في المواد، يلجأ البناؤون غالبًا إلى مواد مقاومة للتآكل مثل الصلب المجلفن أو الخرسانة المسلحة بالألياف. أما في المناطق التي تنطوي على خطر الحريق، فيُفضَّل استخدام مواد لا تشتعل بسهولة، مثل الحجر والطوب. وفيما يتعلق بالقدرة الفعلية لكل مادة على التحمل، فإن الخرسانة الجاهزة تكون فعالة جدًا في تحمل الأحمال الثابتة الكبيرة، مثل دعامات الجسور. ولكن عندما تحتاج المباني إلى المرونة أثناء الزلازل، فإن مواد مثل الخشب الرقائقي الطبقي (LVL) تؤدي أداءً أفضل لأنها قادرة على امتصاص هذه الاهتزازات دون الانكسار. ويؤدي إنجاز جميع هذه الجوانب بشكل صحيح إلى إطالة عمر المنشآت قبل الحاجة إلى الإصلاحات. وتشير بعض الدراسات إلى أن هذا النهج يمكن أن يقلل من نفقات الصيانة على المدى الطويل بنسبة تقارب 40%. كما أنه يضمن توافق كل شيء مع اللوائح المحلية، والتي تختلف اختلافًا كبيرًا من منطقة إلى أخرى.
ما زالت الخرسانة هي المادة المفضلة لمعظم مشاريع البناء اليوم لأنها تتمتع بقوة هائلة تحت الضغط، مما يجعلها مناسبة لكل شيء بدءًا من إنشاء الطرق وصولاً إلى ناطحات السحاب. والأرقام تدعم هذا أيضًا - فوفقًا للتقارير الحديثة، فإن حوالي 70 بالمئة من جميع المباني في المدن حول العالم مبنية بالخرسانة. وما يزيد من شعبية الخرسانة هو مدى كفاءتها عند استخدامها مع التسليح بالفولاذ، حيث تُكوّن أنظمة إنشائية قوية. ولكن هناك مشكلات لا يمكن تجاهلها. فالخرسانة تحتاج وقتًا طويلاً جدًا للامتزاج التام، أحيانًا أسابيع أو حتى أشهر، كما أن عملية تصنيع الأسمنت تطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ولا تزال هذه المشكلات تعوق القطاع برغم جميع مزايا الخرسانة.
يتفوق الفولاذ في المشاريع التي تتطلب تجميعًا سريعًا ونسبة عالية من القوة إلى الوزن. تتيح الهياكل الإطارية المسبقة الصنع من الفولاذ سرعة إنشاء أسرع بنسبة تصل إلى 50٪ مقارنة بالطرق التقليدية الخرسانية. وتُعد متانته في المناطق الزلزالية وقابليته للتكيف مع التصاميم الوحداتية عوامل جعلته لا غنى عنه في ناطحات السحاب والمنشآت الصناعية.
تجمع المنتجات الخشبية الهندسية مثل الخشب المتقاطع الطبقات (CLT) بين الاستدامة والمتانة الهيكلية. تقلل ألواح CLT من النفايات الإنشائية بنسبة تصل إلى 30٪ مقارنة بالطرق التقليدية (تقرير ابتكار الغابات 2023)، كما أن مظهرها الطبيعي يلقى قبولًا في المشاريع الصديقة للبيئة. ومع ذلك، فإن عرضها للرطوبة والآفات يتطلب علاجات متقدمة لضمان عمر أطول.
تقدم المasonry الطوب كتلة حرارية عالية، مما ينظم درجات الحرارة الداخلية ويقلل من تكاليف الطاقة بنسبة 15–20٪ في المناخات المعتدلة (دراسات الغلاف البناءي 2023). توفر الألواح الحجرية متانة مثبتة على مدى قرون، على الرغم من أن وزنها يحد من استخدامها في المباني المنخفضة الارتفاع دون أسس معززة.
تحسن واجهات الزجاج من استغلال الضوء الطبيعي، ولكنها تتطلب هندسة دقيقة لتقليل الفقد الحراري. يمكن للوحدات المزدوجة ذات الطلاء منخفض الانبعاثية أن تقلل أحمال التبريد والتدفئة بنسبة 25٪ (مجلس أداء النوافذ 2023). ولا تزال مشكلة التوهج والصيانة على امتداد دورة الحياة من الاعتبارات الأساسية في تخطيط التصميم.
مدة بقاء المادة تعتمد حقًا على مكوناتها وعلى مدى مقاومتها لعوامل مثل الرطوبة، والتغيرات في درجات الحرارة، والمواد الكيميائية في البيئة. خذ الخرسانة على سبيل المثال. عند تعرضها للرطوبة، قد تتفاعل أحيانًا مع السيليكا مما يؤدي إلى تشكل شقوق. كما أن الفولاذ غير المحمي يصدأ بسرعة كبيرة بالقرب من السواحل أيضًا. وفقًا لبعض الدراسات الصادرة عن NIST عام 2023، فإن حوالي 40 بالمئة من المباني الخرسانية القريبة من المياه تحتاج إلى إصلاح بعد عقدين فقط بسبب أضرار مياه البحر المالحة. إن اختيار المواد المناسبة أمر بالغ الأهمية حسب الموقع الذي يتم التركيب فيه. فغالبًا ما تكون البلاستيك المقوى بالألياف أكثر متانة في المناطق التي تشهد تآكلًا كبيرًا، في حين أن الخشب المعالج تحت الضغط يعمل بشكل أفضل في الأماكن التي تكون فيها مشكلة اليعسوب شائعة.
تتبع الباحثون أداء الجدران البحرية في فلوريدا على مدار عقد من الزمان وتوصلوا إلى اكتشاف مثير للاهتمام بشأن خلطات الخرسانة. عندما أضاف المقاولون 8٪ من دخان السيليكا واستخدموا قضبان تقوية من الفولاذ المقاوم للصدأ، كانت هذه الجدران تعاني فقط من ربع مشكلة التشقق والتقشر مقارنةً بالخلطات الخرسانية العادية. لكن كانت هناك مشكلة أخرى جديرة بالملاحظة أيضًا. فقدت الجدران البحرية التي لا تحتوي على أنظمة تصريف كافية حوالي 22٪ من قوتها مع مرور الوقت بسبب استمرار تسرب المياه. ماذا يعني كل هذا؟ حسنًا، يجب على البناء الساحلي أن يفكر في شيء أكثر من مجرد اختيار مواد أفضل. فالحل الحقيقي يكمن في الجمع بين تركيبات الخرسانة القوية وخيارات التصميم الذكية التي تعالج مياه الأمطار وموجات الفيضانات بشكل صحيح منذ اليوم الأول.
الخرسانة التي تلتئم ذاتيًا من خلال بكتيريا مثل الباسيلس دونية (Bacillus subtilis) هي إحدى الابتكارات الرائعة التي يمكن أن تطيل عمر المباني فعليًا من 15 إلى 20 عامًا. حيث تقوم الكائنات الدقيقة بشكل أساسي بإغلاق الشقوق الصغيرة بمجرد تشكلها، مما يمنع حدوث مشكلات أكبر لاحقًا. أما بالنسبة للهياكل الفولاذية المعرضة لظروف قاسية، فإن أنظمة الأنود الغلفانية تُحدث أيضًا فرقًا كبيرًا، حيث تقلل التآكل بنسبة تصل إلى 90%. وفقًا لأبحاث نُشرت العام الماضي، فإن جميع هذه المواد المتطورة تقلل من تكاليف الصيانة بشكل ملحوظ طوال عمرها الافتراضي، وتوفّر ما بين 18 و24 دولارًا لكل قدم مربع على المدى الطويل. هذا النوع من التوفير المالي يساعد بالتأكيد في الحفاظ على استدامة المشاريع. أصبح المقاولون اليوم أكثر ذكاءً في استخدام هذه المواد، وبالتالي نرى ازدياد استخدام قضبان التسليح المغلفة بالإيبوكسي والطلاءات الخاصة من نوع السيلان التي تطرد الماء في مواقع البناء في كل مكان.
تُعد صناعة البناء مساهمًا رئيسيًا في انبعاثات الغازات الدفيئة، حيث يشكل الخرسانة والصلب حوالي 60٪ من إجمالي الانبعاثات الناتجة عن مواد البناء. وفقًا لتقرير جريب-رايت لعام 2023، فإن قطاع البناء ككل يسهم بنحو 37٪ من انبعاثات الكربون العالمية. ويبرز الصلب في هذا السياق لأنه على الرغم من إمكانية إعادة تدويره بنسبة 90٪، فإن إنتاج الصلب الجديد يطلق 1.85 طن من ثاني أكسيد الكربون لكل طن يتم إنتاجه، وهي نسبة أعلى بثلاث مرات تقريبًا من الانبعاثات الناتجة عن إنتاج الخرسانة. ولهذا السبب، يتجه العديد من المقاولين المتخصصين في البناء الأخضر حاليًا إلى استخدام أسمنتات مخلوطة، يتم فيها خلط مواد مثل رماد الفحم أو الخَرْصَة الناتجة عن العمليات الصناعية. وتقلل هذه الطريقة من محتوى الكربون بنسبة تتراوح بين 30 و40٪، مع الحفاظ على كفاءة الأداء في معظم التطبيقات. وقد دأبت مؤسسة الدراسات البيئية والطاقة على الدعوة إلى النظر في المواد من خلال دورة حياتها الكاملة. وعندما نأخذ في الاعتبار جميع العوامل بدءًا من تكاليف النقل والتركيب وحتى الهدم النهائي، يمكن لهذا النهج الشمولي أن يقلل الانبعاثات الكلية بما يقارب النصف.
يُظهر تحليل دورة حياة المباني بالكامل (LCA) قادة غير متوقعين في الاستدامة: حيث يخزن الخشب المتقاطع الطبقي (CLT) 1.1 طن من ثاني أكسيد الكربون لكل متر مكعب، في حين توفر الأسطح المصنوعة من الألومنيوم المعاد تدويرها وفورات في الطاقة بنسبة 95٪ مقارنةً بالمادة الأولية. ووجدت دراسة أجرتها جامعة ستانفورد عام 2023 أن التصاميم الموجهة بتحليل دورة الحياة تحقق الحياد الكربوني أسرع بنسبة 52٪ مقارنةً بالأساليب التقليدية.
من المتوقع أن يصل سوق المجاميع المعاد تدويرها عالمياً إلى 68.4 مليار دولار بحلول عام 2028، مع استبدال المطورين ما بين 30 إلى 50٪ من الخرسانة الأولية بالنفايات المسحوقة من الهدم. وتُسهم ممارسات الاقتصاد الدائري حالياً في تحويل 82٪ من نفايات البناء عن مكبات النفايات في المشاريع الأوروبية من خلال شبكات التآزر الصناعي التي تعيد استخدام العزل الزجاجي في مواد طبقات الطرق.
تتطلب شهادات LEED v4.1 وجود ما لا يقل عن 20% من المواد المعاد تدويرها في المواد الإنشائية، مما يدفع نحو اعتماد كتل الهيمبكرت (أخف بـ 28٪، ومقاومة حرارية بقيمة R-3.6/بوصة) والعوازل المستندة إلى الميسليوم. وتشير مشاريع BREEAM Outstanding إلى انخفاض بنسبة 62٪ في الكربون المضمن عند استخدام مركبات ألياف السليلوز وأنظمة الخرسانة الجيوبوليمرية.
تتراوح التكلفة الأولية للألواح الأسفلتية بين حوالي 120 و250 دولارًا لكل مربع، وهي أرخص بنسبة 40 في المئة تقريبًا من تركيب الأسطح المعدنية. ومع ذلك، فإن هذه الألواح تحتاج عادةً إلى الاستبدال كل 15 إلى 25 عامًا، في حين يمكن أن تدوم الأسطح المعدنية من 40 إلى 70 عامًا قبل أن تحتاج إلى صيانة. وعند النظر إلى الصورة الكبيرة، تُصبح التكلفة الإجمالية للأسفلت أعلى بحوالي 2.8 مرة على مدى عمرها الافتراضي، لأن أصحاب المنازل يضطرون إلى إصلاحها بعد العواصف واستبدالها بشكل متكرر. وفقًا لدراسة حديثة حول التكلفة الإجمالية للملكية لعام 2024، فإن معظم المباني تنفق فعليًا حوالي 10٪ فقط من تكاليف البناء الأولية، في حين تذهب ما يقرب من 7 من كل 10 دولارات نحو نفقات الصيانة المستمرة. وفائدة أخرى للأسطح المعدنية تستحق الذكر هي السطح العاكس الذي يقلل فواتير التبريد بنسبة تتراوح بين 10٪ و25٪. وبالتالي، عند النظر إلى العمر الطويل وتوفير الطاقة معًا، فإن الخيار المعدني يتقدم بالفعل كخيار أكثر صداقة للميزانية لأصحاب العقارات الذين ينظرون إلى الاستثمارات طويلة الأجل.
تُقيّم تكلفة دورة الحياة تكاليف الشراء والتركيب والصيانة والتخلص على مدار عمر المادة الافتراضي. على سبيل المثال:
| المادة | التكلفة الأولية (لكل م²) | تكلفة الصيانة (50 سنة) | تكلفة التخلص |
|---|---|---|---|
| خرسانة | $90—$140 | $800—$1,200 | $30—$50 |
| الخشب الطبقي المتقاطع | $110—$160 | $300—$500 | $10—$20 |
تشير الأبحاث إلى أن تكلفة المواد الأولية تمثل فقط 20-30% من المصروفات طوال العمر، بينما يُنفق الباقي على الصيانة. يمكن للحماية المبكرة من التآكل للصلب أو تطبيق مواد الختم للخشب أن تقلل ميزانية الصيانة على مدى 10 سنوات بنسبة تصل إلى 35%.
يمكن أن يؤدي استخدام مكونات البناء الجاهزة إلى خفض تكاليف العمالة في مواقع البناء بنسبة تتراوح بين 15 و30 بالمئة، إلى جانب تقليص الجداول الزمنية للمشاريع بنحو 20 إلى 40 بالمئة وفقًا للتقارير الصناعية. فعلى سبيل المثال، تُسهم الألواح الخرسانية الوحدوية في توفير ما يقارب 3 إلى 5 بالمئة من هدر المواد، وهي نسبة مثيرة للإعجاب إذا قورنت بمعدل الهدر المعتاد البالغ 10 إلى 15 بالمئة الذي تشهده طرق الصب التقليدية في الموقع. ويُبلغ العديد من المقاولين عن تحقيق انخفاض يصل إلى نحو 30 بالمئة في إجمالي الهدر عند دمج الفولاذ المعاد تدويره مع منتجات الخشب الهندسي في مشاريعهم. وهذا لا يعني فقط تقليل تكاليف التخلص من النفايات، بل يقلل أيضًا من المبالغ المدفوعة مقابل المواد الخام. إن هذه الأساليب تتماشى بشكل جيد مع مبادئ الاقتصاد الدائري. ومن خلال إعادة استخدام المواد بشكل أكثر كفاءة عبر مشاريع متعددة، قد يتمكن قطاع الإنشاءات من توفير نحو 160 مليار دولار سنويًا، وهي الأموال التي تنفق حاليًا على التعامل مع هذه الكميات الكبيرة من النفايات.
الخشب الطبقي المتقاطع (CLT) هو منتج خشبي مهندس تُعرف بمتانته الهيكلية واستدامتها. ويتيح للمعماريين تصميم أشكال إبداعية ومخططات أرضية مفتوحة مع تقليل النفايات الإنشائية.
يمكن أن تسبب الظروف الجوية مثل الرطوبة والتغيرات في درجة الحرارة أضرارًا لمواد البناء مع مرور الوقت. ويمكن للتحديد والمعالجة المناسبة أثناء البناء أن يساعدا في التخفيف من هذه الآثار.
يُفضّل الفولاذ في التصاميم الوحداتية بسبب نسبته العالية بين القوة والوزن وقدرته على التكيّف. وتتيح الهياكل الفولاذية الجاهزة إنجاز البناء بشكل أسرع، وهي مفيدة بوجه خاص في المناطق الزلزالية.
تساهم الخرسانة والصلب بشكل كبير في انبعاثات الغازات الدفيئة، حيث تمثلان حوالي 60٪ من الانبعاثات الناتجة عن مواد البناء. وتستهدف الابتكارات مثل الأسمنتات المخلوطة ونهج دورة الحياة تقليل هذه الآثار.
EN
