مهندس میلاد محمودیان
مقدمه
«خشت، نخستین واژه‌ی معماریِ ایرانی است؛ واژه‌ای که با خاک، آب، و آتش، نوشته شد و تا نانو، تکامل یافت.» مهندسیِ عمران، پیش از آنکه یک علم باشد، یک هنرِ زیستن است. انسان، از آغازِ تمدن، با دستانِ خود، خاک را شکل داد، آب را به کار گرفت، و آتش را برایِ پختنِ خشت، به خدمت گرفت. خشت، نخستین مصالحِ ساختِ انسان بود؛ مصالحی که با آب و خاک و آتش، متولد شد و با گذشتِ قرن‌ها، به بتن، فولاد، و نانو، تکامل یافت. اما این تکامل، هرگز، ریشه‌ی خود را در خاک، فراموش نکرد.
ایران، به‌عنوانِ یکی از کهن‌ترینِ خاستگاه‌هایِ معماریِ جهان، سیرِ تحولِ مصالح را به‌خوبی، تجربه کرده است. از خشتِ چغازنبیل تا بتنِ برج‌هایِ تهران، از آجرِ مساجدِ اصفهان تا فولادِ پل‌هایِ مدرن، و از گچِ تزئینیِ خانه‌هایِ قاجار تا نانوموادِ هوشمندِ امروز، هر دوره، داستانی از تلاش، خلاقیت، و سازگاریِ ایرانیان با طبیعت، داشته است. این مقاله، سفریست در این سیرِ تحول؛ سفری از کویر تا آزمایشگاه، از خاک تا نانو.
۱. خشت؛ نخستین واژه‌ی معماری ایرانی
خشت، ساده‌ترین و در عینِ حال، عمیق‌ترین مصالحِ ساختمانیِ ایرانی است. او، با خاکِ رس و آب، شکل می‌گیرد و با آفتاب یا آتش، پخته می‌شود. خشت، در دوره‌ی نوسنگی، به‌عنوانِ بلوکِ اصلیِ ساخت، به کار رفت و تا دوره‌ی ساسانیان، همچنان، مصالحِ غالبِ معماریِ ایران بود.
۱-۱. ویژگی‌های مهندسی خشت
ویژگی توضیح مزیت
مقاومت فشاری حدود ۱۰-۲۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع (برای خشت خام) و تا ۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع (برای خشت پخته) مناسب برای سازه‌های کوتاه‌مرتبه و با بارگذاری متوسط
چگالی حدود ۱۶۰۰-۱۹۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب وزن مناسب برای دیوارهای باربر
ضریب انتقال حرارت حدود ۰.۵-۰.۸ وات بر متر-کلوین عایق حرارتی طبیعی
تخلخل ۲۰-۴۰ درصد قابلیت جذب رطوبت و تنظیم رطوبت محیط
شکل‌پذیری بسیار بالا در حالت خام امکان ساخت اشکال مختلف
در چغازنبیل (۱۲۵۰ ق.م)، خشت، با ابعادِ ۴۰×۴۰×۲۰ سانتی‌متر، به کار رفته و با ملاتِ گل، رویِ هم چیده شده است. این خشت‌ها، با وزنی حدود ۲۵ کیلوگرم، سازه‌ای عظیم را شکل داده‌اند که ۳۲۰۰ سال، در برابرِ زلزله و سیل، ایستاده است. ساختارِ خشت‌ها، با الیافِ طبیعی (کاه و پوشال) تقویت شده است تا مقاومتِ کششیِ آنها افزایش یابد؛ این، یعنی مهندسانِ کهن، بیش از ۳۰۰۰ سالِ پیش، به مفهومِ «مسلح‌سازی» خاک، پی برده بودند.
“خشتِ چغازنبیل، با ۳۲۰۰ سالِ استواری، به ما می‌آموزد که سادگی، می‌تواند عمیق‌ترینِ مفاهیمِ مهندسی را در خود، جای دهد.”
در دوره‌ی هخامنشیان (۵۱۸ ق.م)، خشت، جایِ خود را به آجر، در بناهایِ باشکوهِ تخت‌جمشید داد، اما در معماریِ عامیانه (خانه‌ها، آب‌انبارها، و کاروانسراها)، خشت، همچنان، مصالحِ اصلی باقی ماند. خشت، با ویژگی‌هایِ عایق‌بودن و قابلیتِ شکل‌پذیری، برایِ اقلیمِ گرم و خشکِ ایران، ایده‌آل بود.
۲. آجر؛ خشتِ پخته‌تر
آجر، در دوره‌ی اسلامی، جایِ خشتِ خام را گرفت. آجر، با پختِ دقیق‌تر، مقاومتِ فشاریِ بالاتری داشت و در بناهایِ عظیمِ اسلامی (مساجد، مدارس، و کاخ‌ها)، به کار رفت. آجر، با ابعادِ کوچک‌تر (۲۵×۱۲×۶ سانتی‌متر)، امکانِ ساختِ طاق‌ها، گنبدها، و قوس‌هایِ پیچیده‌تر را فراهم کرد.
۲-۱. مقاومت و کاربرد آجر
ویژگی مقدار کاربرد
مقاومت فشاری ۵۰-۱۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع دیوارهای باربر و نما
جذب آب ۱۰-۲۰ درصد مناسب برای مناطق با رطوبت متوسط
مقاومت در برابر آتش بالا (تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) مناسب برای کوره‌ها و شومینه‌ها
دوام بسیار بالا مناسب برای سازه‌های تاریخی و ماندگار
در مسجدِ جامعِ اصفهان (قرنِ ۱۱ میلادی)، آجر، با ضخامتِ ۵ سانتی‌متر، برایِ ساختِ گنبدِ دوپوشه، به کار رفته است. این گنبد، با وزنِ حدود ۲۰۰۰ تن، بر رویِ دیوارهایِ آجریِ ۳ متری، استوار است و بیش از ۱۰۰۰ سال، در برابرِ زلزله‌هایِ متعدد، ایستاده است. مهندسانِ دوره‌ی سلجوقی، با استفاده از ملاتِ آهک و خاکسترسفال، و چیدنِ آجرها به‌صورتِ خفته‌راسته، مقاومتِ بالایی را به سازه، بخشیده‌اند.
“آجر، با پختِ دقیق‌تر، به معمار، امکانِ ساختِ گنبدِ دوپوشه را داد و آسمان را به زمین، نزدیک‌تر کرد.”
در دوره‌ی صفویان (قرنِ ۱۶-۱۸ میلادی)، آجر، با کاشی‌کاریِ هفترنگ، ترکیب شد و به یکی از زیباترینِ مصالحِ معماریِ جهان، تبدیل گردید. در میدانِ نقش‌جهان، کاشی‌هایِ هفترنگ بر رویِ آجر، نقوشِ اسلیمی و گل‌وغنچه را به نمایش گذاشته‌اند که هرکدام، نشان از دانشِ عمیقِ مهندسیِ مواد در آن دوران، دارد.
۳. گچ و آهک؛ چسب‌هایِ کهن
پیش از ورودِ سیمان، گچ و آهک، نقشِ سیمانِ امروز را داشتند. گچ، با پختِ سنگِ گچ، در دمایِ ۱۵۰ درجه، تولید می‌شد و به‌عنوانِ ملاتِ چسبنده، برایِ چیدنِ آجر و خشت، به کار می‌رفت. گچ، با گیرشِ سریع (حدود ۱۰-۲۰ دقیقه)، امکانِ ساختِ سریعِ بناها را فراهم می‌کرد.
آهک، با پختِ سنگِ آهک، در دمایِ ۹۰۰ درجه، تولید می‌شد و به‌عنوانِ ملاتِ اصلی، در ساختِ آب‌انبارها، سدها، و پل‌ها، استفاده می‌گردید. آهک، با خاصیتِ ضدآبِ خود، امکانِ ذخیره‌ی آب را در دلِ کویر، فراهم می‌کرد.
۳-۱. خواص مهندسی آهک و گچ
ملات مقاومت فشاری زمان گیرش کاربرد اصلی
ملات گچ ۳۰-۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع ۱۰-۲۰ دقیقه اندودکاری و چیدن آجر
ملات آهک ۲۰-۴۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع چند روز تا چند هفته سازه‌های آبی و پی‌سازی
ملات ساروج ۵۰-۱۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع چند روز آب‌انبارها و سازه‌های ضدآب
در آب‌انبارهایِ یزد، ملاتِ ساروج (ترکیبی از آهک، خاکسترسفال، و ماسه)، برایِ عایق‌کاریِ دیوارها و کفِ مخزن، به کار رفته است. ساروج، با مقاومتِ بالا در برابرِ رطوبت (ضریب نفوذپذیری کمتر از ۱۰-۶ سانتی‌متر بر ثانیه)، آب را برایِ ماه‌ها، زلال و خنک، نگه می‌داشت.
“گچ و آهک، با مقاومتِ خود، به مهندسانِ کهن، امکانِ ساختِ بناهایی را دادند که قرن‌ها، برجای‌مانده‌اند.”
۴. سیمان و بتن؛ انقلابِ صنعتی
با ورودِ سیمانِ پرتلند، در اواخرِ دوره‌ی قاجار، انقلابی در صنعتِ ساختمان، رخ داد. سیمان، با مقاومتِ فشاریِ بالا و قابلیتِ ریختن در قالب، امکانِ ساختِ سازه‌هایِ عظیم و بلند را فراهم کرد. بتن، با ترکیبِ سیمان، آب، و سنگدانه‌ها، به مصالحِ اصلیِ معماریِ مدرنِ ایران، تبدیل شد.
۴-۱. خواص بتن و سیمان
ویژگی مقدار اهمیت
مقاومت فشاری بتن ۲۰۰-۵۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع مناسب برای سازه‌های بلند و سنگین
مقاومت کششی بتن ۱۰-۳۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع نیاز به آرماتورگذاری فولادی
مدول الاستیسیته ۲۰-۳۰ گیگاپاسکال تغییر شکل تحت بار
ضریب انتقال حرارت ۱.۵-۲ وات بر متر-کلوین عایق حرارتی ضعیف نسبت به خشت
در دهه‌ی ۱۳۳۰، برج‌هایِ مسکونیِ تهران، با اسکلتِ بتنی، ساخته شدند و شهر، چهره‌ای تازه یافت. پل‌هایِ مدرن (مانندِ پلِ غدیر در اهواز)، با بتنِ پیش‌تنیده، ساخته شدند که نشان از دانشِ پیشرفته‌ی مهندسیِ سازه در ایران، داشت. بتن، با قابلیتِ شکل‌پذیری و مقاومتِ بالا، در ۵۰ سالِ اخیر، بر معماریِ ایران، غالب شده است.
اما بتن، با وجودِ مزایایِ خود، معایبی نیز دارد: تولیدِ آن، با انتشارِ ۸ درصد از CO₂ جهانی، همراه است (حدود ۹۰۰ کیلوگرم CO₂ به ازای هر تن سیمان) و به‌عنوانِ یک مصالحِ سرد و بی‌روح، از هویتِ معماریِ ایرانی، فاصله گرفته است.
“بتن، با قدرتِ خود، آسمانخراش‌ها را ساخت؛ اما با سردیِ خود، هویتِ معماریِ ایرانی را به چالش کشید.”
۵. فولاد؛ اسکلتِ آسمان
فولاد، در ۴۰ سالِ اخیر، به‌عنوانِ مصالحِ غالبِ اسکلت‌هایِ فلزی، به کار رفته است. برج‌هایِ بلندِ تهران، با تیرآهن‌هایِ سنگین، و ستون‌هایِ فولادی، سر به آسمان کشیده‌اند. پل‌هایِ بزرگ، مانندِ پلِ کرج، با کابل‌هایِ فولادی، بر رویِ رودخانه‌ها، استوار شده‌اند.
۵-۱. خواص فولاد
ویژگی مقدار مزیت
مقاومت کششی ۳۷۰-۵۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع بالا
نسبت مقاومت به وزن بالا سبکی و استحکام همزمان
شکل‌پذیری بالا امکان ساخت اشکال پیچیده
مقاومت در برابر آتش ضعیف (تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد) نیاز به پوشش‌های ضد حریق
فولاد، با نسبتِ مقاومت به وزنِ بالا، امکانِ ساختِ دهانه‌هایِ بزرگ و سازه‌هایِ سبک‌تر را فراهم می‌کند. با این حال، فولاد، در برابرِ آتش (کاهش مقاومت تا ۵۰ درصد در دمای ۵۰۰ درجه) و خوردگی (نیاز به رنگ‌آمیزی و گالوانیزه‌کردن)، آسیب‌پذیر است و هزینه‌ی تولیدِ بالایی دارد. همچنین، استفاده از فولاد، وابستگیِ ایران به وارداتِ سنگ‌آهن و محصولاتِ فولادی را افزایش داده است. تولید هر تن فولاد حدود ۱.۸ تن CO₂ منتشر می‌کند.
“فولاد، با استحکامِ خود، آسمان را به دستِ معمارانِ امروز سپرد؛ اما وابستگی را نیز به ارمغان آورد.”
۶. نانو؛ مصالحِ هوشمند و آینده‌ساز
امروز، ایران، در آستانه‌ی ورود به عصرِ نانومواد است. بتنِ خودترمیم‌شونده، با باکتری‌هایِ رسوب‌دهنده (مانند Bacillus pseudofirmus)، ترک‌ها را تا ۰.۸ میلی‌متر ترمیم می‌کند و مقاومت فشاری را تا ۲۵ درصد افزایش می‌دهد. شیشه‌هایِ خودتمیزشونده، با پوششِ دی‌اکسیدِ تیتانیوم (TiO₂)، آلودگی را تجزیه می‌کنند. عایق‌هایِ نانویی (مانند ایروژل‌ها)، با ضخامتِ بسیار کم (نصف ضخامت عایق‌های معمولی)، عایقِ حرارتیِ عالی ارائه می‌دهند.
امروز، ایران، در آستانه‌ی ورود به عصرِ نانومواد است. بتنِ خودترمیم‌شونده، با باکتری‌هایِ رسوب‌دهنده (مانند Bacillus pseudofirmus)، ترک‌ها را تا ۰.۸ میلی‌متر ترمیم می‌کند و مقاومت فشاری را تا ۲۵ درصد افزایش می‌دهد. شیشه‌هایِ خودتمیزشونده، با پوششِ دی‌اکسیدِ تیتانیوم (TiO₂)، آلودگی را تجزیه می‌کنند. عایق‌هایِ نانویی (مانند ایروژل‌ها)، با ضخامتِ بسیار کم (نصف ضخامت عایق‌های معمولی)، عایقِ حرارتیِ عالی ارائه می‌دهند.
۶-۱. نانومواد و کاربردهای آنها
نانوماده کاربرد مزیت
نانوسیلیس افزایش مقاومت بتن کاهش ۱۵-۲۰ درصدی سیمان مصرفی
نانولوله‌های کربنی افزایش مقاومت کششی افزایش ۳۰-۵۰ درصدی مقاومت
نانو پوشش‌های TiO₂ خودتمیزشوندگی کاهش آلودگی و هزینه نگهداری
نانو عایق‌ها عایق حرارتی پیشرفته کاهش ۴۰-۵۰ درصدی مصرف انرژی
در ایران، مراکزِ تحقیقاتیِ نانو، در دانشگاه‌هایِ صنعتی (مانند دانشگاه صنعتی شریف و دانشگاه تهران)، مشغولِ تحقیق بر رویِ نانوسیمان، نانوآجر، و نانوپوشش‌هایِ ضدآب هستند. با ورودِ نانو، می‌توان امید داشت که مصالحِ ساختمانی، هوشمندتر، پایدارتر، و با هویت‌تر شوند. بر اساس برنامه توسعه، سهم نانومواد در صنعت ساختمان ایران تا افق ۱۴۰۴ به ۵ درصد خواهد رسید.
“نانو، با قدرتِ خود، می‌تواند بتن را به خشتِ جدیدِ ایرانی، تبدیل کند؛ خشتی که در دلِ خود، تکنولوژیِ آینده را دارد.”
۷. تحلیل تطبیقی و چشم‌انداز آینده
دوره مصالح غالب مقاومت فشاری (کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع) مزیت اصلی معایب اصلی
دوره باستان خشت ۱۰-۲۰ عایق طبیعی، بومی مقاومت کم، شکننده
دوره اسلامی آجر ۵۰-۱۵۰ مقاومت بیشتر، زیبایی نیاز به پخت
دوره قاجار گچ و آهک ۲۰-۵۰ گیرش سریع مقاومت متوسط
دوره پهلوی بتن و فولاد ۲۰۰-۵۰۰ مقاومت بالا، سرعت اجرا هزینه بالا، ردپای کربن
آینده نزدیک نانومواد ۵۰۰ هوشمندی، پایداری هزینه اولیه بالا
نتیجه‌گیری
سیرِ تحولِ مصالح در مهندسیِ عمرانِ ایران، سیری پر از حکمت است. از خشتِ کویر تا نانوِ آزمایشگاه، ایرانیان، همواره، با طبیعت، هم‌نوا بوده‌اند و از امکاناتِ آن، بهترینِ استفاده را برده‌اند. خشت، به ما آموخت که سادگی، می‌تواند عمیق باشد. آجر، به ما آموخت که پختگی، استحکام می‌آورد. سیمان، به ما آموخت که سرعت، می‌تواند به هویت، آسیب بزند. فولاد، به ما آموخت که قدرت، با وابستگی، همراه است. و نانو، به ما می‌آموزد که هوشمندی، می‌تواند به ریشه‌ها، بازگردد. آینده، با تکیه بر دانش بومی و بهره‌گیری از فناوری‌های نوین (نانو، BIM، هوش مصنوعی) می‌تواند به معماری پایدار و هویت‌مند در ایران منجر شود.
“از خشت تا نانو، سفری ست در دلِ خاک و آسمان؛ سفری که نشان می‌دهد، ایران، همواره، در مسیرِ تکامل، اما با ریشه‌ای استوار در گذشته، گام برداشته است.”
