«مکعب موج»؛ معماری که ریاضیات موج را به بتن تبدیل کرد

موج‌ها چه در ادبیات و چه در علم، هم فراگیرند و هم اسرارآمیز. در محیط روزمره زمین، تنها چند رسانه پیوسته و قابل مشاهده، موج‌های قابل رویت تولید می‌کنند؛ مانند امواج آب. تجربه این پدیده در مقیاس انسانی حتی نادرتر است و موج‌سواران از معدود افرادی هستند که می‌توانند به درون امواج اقیانوس وارد شوند. معماری به‌عنوان یک ساختار دست‌ساز، از طریق سیستم‌های ایستا شکل می‌گیرد که فضاهای ثابتی را برای پاسخ به نیازهای انسان به فعالیت و استراحت در سطوح صاف ایجاد می‌کنند. بنابراین، مقایسه مستقیم آن با سیستم‌های پویایی مانند موج دشوار است. تنها مکان‌های ثابتی مانند استخرهای اسکیت‌بورد تجربه‌ای از نوسان پویا ارائه می‌دهند.

در آثار اخیر دفتر معماری Scenic Architecture Office، تمرکز همواره بر سه جهت بوده است: «سکونتگاه حیاط‌دار»، «گسترش خانه‌ها» و «سلول آزاد». در این میان، «سلول آزاد» به بررسی فرم‌های معماری نوین از طریق تلفیق فناوری و تجربه فضایی می‌پردازد. نوسان پیوسته کوه‌ها و آب‌ها، استقرار سنتی بام‌های معماری، بازتولید سلول‌ها و انتقال اطلاعات، همگی ارتباطی ریخت‌شناختی با موج دارند. ما پیوسته در این اندیشه بوده‌ایم که آیا ریخت‌شناسی موج می‌تواند بینش‌های بیشتری برای آینده معماری ارائه دهد؟ پروژه «مکعب موج» در دریاچه جین‌های، فرصتی نادر برای این کاوش فراهم کرد.

موج چین‌خوردگی

در برنامه‌ریزی پنج شهر جدید شانگهای، دریاچه جین‌های در منطقه فنگشیان به‌عنوان چشم‌انداز مرکزی شهر جدید عمل می‌کند. سایت «مکعب موج» تقریباً مربعی شکل است و در شبه‌جزیره‌ای دایره‌ای در سمت شرقی دریاچه قرار دارد و در دو سمت شرق و غرب به آب محدود می‌شود. این نشانه فرهنگی چندمنظوره با تم علمی-تخیلی طراحی شده است. جهت طراحی از موقعیت سایت و جایگاه عملکردی آن نشأت می‌گیرد: ساختمان نه تنها از نظر یکپارچگی چشم‌انداز با نوار سبز ساحلی اطراف هماهنگ است، بلکه در تلاش است هویت متمایز خود را هم در تجربه داخلی و هم در ظاهر بیرونی تثبیت کند.

شانگهای با فراوانی آب و کمبود کوه مشخص می‌شود و فنگشیان به‌ویژه دشت وسیع و همواری از زمین حاصلخیز است. با شروع از زمین، جهت طراحی که هم طبیعی و هم قدرتمند بود شکل گرفت و مفهوم تپه‌های مصنوعی از همان ابتدا به بخشی جدایی‌ناپذیر از طراحی تبدیل شد. بر این اساس، ما به دنبال ایجاد فرمی از نوسان بودیم که نه تنها به‌عنوان تصویر بیرونی عمل کند، بلکه تجربه‌ای منحصربه‌فرد برای فضای داخلی فراهم آورد و امکانات بیشتری برای تفسیرهای بدیع از تم علمی-تخیلی ارائه دهد. چشم‌انداز، شمایل‌بودن و تجربه فضایی: در تلاقی این سه عنصر، ما سکونتگاهی متشکل از واحدهای موج‌مانند را مفهوم‌سازی کردیم که می‌توانست در فضای سه‌بعدی به‌طور نامحدود گسترش یابد. بخشی از این فرم موجی سپس برای استفاده در ساختمان استخراج شد. پس از بررسی گزینه‌های مقیاس مختلف، محدوده نهایی انتخاب‌شده برای استخراج تقریباً ۸۰ متر در ۸۰ متر در ۲۰ متر بود که شامل سه لایه سطوح موجی برای تشکیل فضای نوسانی پلکانی سه‌طبقه است. دامنه و فاز موج با استفاده از یک شبکه نه‌خانه‌ای سه‌بعدی تعریف شد و فرکانس واحدهای موج در فضای بزرگ بالایی تعیین شد: دو واحد کامل، چهار واحد نیمه و دو واحد ربع. این امر به ساختاری موج‌مانند با دامنه تقریباً ۱۲ متر، دهانه حدود ۵۴ متر و طره‌ای حدود ۲۷ متر منجر شد. این را می‌توان بزرگ‌ترین سکونتگاه سلولی در مجموعه «سلول آزاد» دفتر معماری Scenic دانست.

چالش دینامیک نیرو

پس از تولید مدل سه‌بعدی اولیه مشتق‌شده از منحنی‌های سینوسی، از مشاور سازه ژانگ ژون و تیمش برای انجام مطالعه امکان‌سنجی دعوت کردیم. هدف ما همگام‌سازی ریخت‌شناسی موج با اصول مکانیک پوسته‌های طاقی برای دستیابی به فرم سازه‌ای قابل اجرا بود. در طول بحث‌ها متوجه شدیم که پوسته موج سینوسی استاندارد حالت انتقال نیروی کاملاً متفاوتی با قوس دارد. در اصطلاحات سازه‌ای سنتی، یک قوس پوسته فشاری که بتواند چنین ابعاد بزرگی را دهانه‌گذاری کند و طره بزند، به ارتفاع و ضخامت پوسته‌ای به‌طور غیرمنتظره‌ای بیشتر از آنچه در ابتدا تصور می‌شد نیاز دارد.

در نتیجه، یک فرم سازه‌ای فضایی، که بین پوسته و موج قرار می‌گیرد و قادر به تحمل هم فشار و هم کشش است، به هدف مشترک اکتشاف تبدیل شد. مهندسان سازه از سطوح چین‌خورده ساده‌شده برای شناسایی مسیرهای اصلی نیروهای گرانشی و جانبی استفاده کردند. از طریق یک تبدیل توپولوژیک از سطوح وجه‌دار به پوسته‌های منحنی، آن‌ها به‌طرز ظریفی چالش‌های گرانش، انتقال نیروی جانبی و بارهای طره‌ای را حل کردند و در نتیجه پتانسیل فشاری بتن مسلح و ظرفیت کششی پیش‌تنیدگی را به حداکثر مطلق رساندند. از طریق گفتگوی مکرر و یافتن فرم متقابل، سیستم سازه‌ای ترکیبی نهایی که بین پوسته طاقی و صفحه چین‌خورده میانجیگری می‌کند، توسعه یافت: «تپه‌های سبز» پایینی، «خلأ طاقی» مرکزی و «آلاچیق موج» بالایی.

درون‌مایه پوسته موج

«تپه‌های سبز» پایینی از هشت پوسته بتنی تشکیل شده‌اند که از زمین برمی‌خیزند و سالن‌های نمایشگاه، کافه‌ها، بارها، فروشگاه‌های فرهنگی و خلاق و اتاق‌های مکانیکی را در خود جای می‌دهند. شش تپه سبز اطراف و دو هسته سازه‌ای از سازه بالایی پشتیبانی می‌کنند. نیروهای نزولی در تاج هر پوسته تقسیم می‌شوند: گرانش توسط ستون‌های قارچی تحمل می‌شود، در حالی که نیروهای جانبی از طریق پوسته‌های تپه به زمین و دال سقف زیرزمین منتقل می‌شوند. دو تپه سبز مرکزی در تماس ظریف «بوسه‌ای» با پوسته‌های معکوس نزولی از آلاچیق موج به هم می‌رسند، جایی که محل اتصال دو دهانه دایره‌ای را تشکیل می‌دهد و خلأهای عمودی پیوسته را برای پله‌برقی‌ها و یک صحنه آسانسور فراهم می‌کند. در بیرون تپه‌ها، شبکه‌های نگهدارنده خاک سطحی را در شیب‌ها تثبیت می‌کنند و با نورپردازی موضعی تکمیلی، پوشش گیاهی سایه‌دوست را در مناطق سایه‌دار تغذیه می‌کنند. در داخل، نورگیرهای دایره‌ای که عملکرد دوگانه تخلیه دود و تهویه طبیعی را دارند، نور روز را به حجم‌های غارمانند وارد می‌کنند و فضا را با فضایی نرم و اسرارآمیز آکنده می‌سازند.

«تپه‌های سبز» منفرد مجزا هستند، اما فضاهای میانی آن‌ها در زیر «آلاچیق موج» سرپوشیده قرار گرفته و با هم یک «خلأ طاقی» پیوسته در وسط ایجاد می‌کنند. در امتداد محیط، فضاهای نیمه‌باز مرتفع، چشم‌انداز اطراف را معرفی می‌کنند و به تفرجگاه ساحلی اجازه می‌دهند از زیر ساختمان عبور کند. در مرکز، لابی طبقه همکف که با دیوار پرده شیشه‌ای محصور شده، به‌عنوان مرکز و نقطه تجمع گردش داخلی ساختمان عمل می‌کند و توسط تپه‌های سبز احاطه شده است. دو هسته سازه‌ای به‌صورت عمودی در کل ساختمان نفوذ می‌کنند و عملکردهای پشتیبانی سازه‌ای، گردش عمودی و شفت‌های تاسیسات مکانیکی، برقی و لوله‌کشی را یکپارچه می‌کنند. سقف موج‌دار پیوسته «خلأ طاقی» همراه با کف‌پوشی که مانند جویباری بین تپه‌ها جریان دارد، مرز بین داخل و خارج را از بین می‌برد و در نتیجه فضای عمومی کاملاً بازی در سطح زمین ایجاد می‌کند.

در بالای «تپه‌های سبز» و «خلأ طاقی»، «آلاچیق موج» عظیم معلق است. پوسته‌های بالا و پایین که از بتن پیش‌تنیده ریخته می‌شوند، پوسته متقارن عمودی «آلاچیق موج» را تشکیل می‌دهند. با پیروی از نوسان ریتمیک ماژول‌های موج، دو هسته سازه‌ای و شش دیوار برشی محیطی که در هشت نقطه همگرایی قرار دارند، پشتیبانی و استحکام طره‌ای را فراهم می‌کنند. این منطق سازه‌ای میدانی سیال موج‌مانند به مساحت تقریباً ۶۴۰۰ متر مربع ایجاد می‌کند که ارتفاع آزاد آن بین ۴.۵ تا ۱۲.۵ متر متغیر است و عملاً یک «پارک داخلی» در معماری ایجاد می‌کند. صفحه در تراز ۹.۱+ متر به‌عنوان تفرجگاه افقی از میان این پارک سرپوشیده عمل می‌کند و هشت خلأ فرورفته با اشکال مختلف را دور می‌زند. این فضاها بر اساس هندسه‌های موج استخراج‌شده به دایره‌های کامل، نیم‌دایره‌ها و ربع‌دایره‌ها طبقه‌بندی می‌شوند که هر یک با گنبدهای طاقی بالای خود طنین‌انداز هستند. سیستم تهویه مطبوع بین پوسته پایینی و کف برجسته چیده شده است و از ترکیبی از آبپاش‌های منطقه پایین و توپ‌های آب منطقه بالا برای افزایش وضوح سازه‌ای سازه سقفی استفاده می‌کند. در گنبدهای دو فضای موج کامل، یک نورگیر بزرگ و پنج نورگیر کوچکتر برای اطمینان از تخلیه دود و تهویه نصب شده است و در عین حال تابش خورشید را به داخل دعوت می‌کند. محیط بیرونی آلاچیق موج در یک دیوار پرده شیشه‌ای محصور شده است که توسط خرپاهای نمایان پشتیبانی می‌شود و یک رابط شفاف پیوسته رو به شهر و یک راهروی هوایی موج‌دار ایجاد می‌کند.

ترجمه خلوص ریاضی یک موج سینوسی به یک واقعیت باربر ملموس، چالش اصلی مراحل طراحی و ساخت بود. در این ساختار فضایی مرکب که توسط سه سطح پوسته موجی که به‌صورت عمودی روی هم قرار گرفته‌اند تشکیل شده، مکانیزم انتقال بار هر دو حالت عمودی و مورب را یکپارچه می‌کند. از نظر معماری، جریان نیروی مورب که توسط ریخت‌شناسی موج تجسم یافته، کانون بیان ماست، در حالی که هدایت عمودی هسته‌های سازه‌ای و ستون‌های قارچی عمداً حل شده است. در واقعیت، یک سیستم سازه‌ای با تراکم بالا در فرم‌های به ظاهر خالص موج متمرکز شده است. ساخت‌وساز نیازمند سازماندهی دقیق اتصالات چندسیستمی پیچیده و بسیار جفت‌شده بود: تاندون‌های پیش‌تنیدگی منحنی فضایی که هسته‌ها را احاطه می‌کنند، تیرهای فولادی تقویت‌شده باریک‌شونده، قاب‌های فولادی سازه‌ای در داخل دیوارهای برشی و مجراهای تاسیسات مکانیکی، برقی و لوله‌کشی متراکم مدفون. برای اطمینان از اینکه این عناصر در مقاطع محدود «بدون تداخل» باقی بمانند، تیم‌های طراحی و ساخت از تأیید فضایی مبتنی بر BIM استفاده کردند. این امر شبکه آرماتور را قادر ساخت تا اجزای چندمنبعی را به‌طور دقیق محصور کند و یکپارچگی بدون تعارض را تضمین کند.

موقعیت‌یابی فضایی پیچیده و کنترل دقت قالب‌بندی غیراستاندارد مانع فنی بزرگ دیگری بود. به دلیل محدودیت‌های هزینه، قالب‌بندی چاپ سه‌بعدی رد شد؛ در عوض، یک شبکه داربست با تراکم بالا با ابعاد ۶۰۰ میلی‌متر در ۶۰۰ میلی‌متر که در مناطق پیچیده به ۳۰۰ میلی‌متر در ۳۰۰ میلی‌متر کاهش می‌یافت، به‌عنوان سیستم پشتیبان قالب بتن‌ریزی درجا استفاده شد. برای حل مشکل جابه‌جایی لوله‌های فولادی دایره‌ای شکل‌دهی تحت بار، تیم ساخت‌وساز یک جزء محدودکننده تطبیقی سفارشی (یک «گیره») برای قفل کردن لوله‌ها دقیقاً روی محور مرکزی پایه‌های داربست توسعه داد. این نوآوری فنی به‌طور مؤثر تغییر شکل قالب را در طول بتن‌ریزی سرکوب کرد و تحقق هندسی با دقت بالا از منحنی‌های فضایی موج‌دار را تضمین کرد. از منظر خرد طراحی جزئیات ساخت، این نوآوری یکپارچگی دقیق منطق سازه‌ای ساختمان را حفظ کرد: قبل از بسته شدن سازه، به اندازه یک پوسته تخم‌مرغ شکننده باقی می‌ماند و برای پایداری به داربست متراکم و مهاربندی موقت متکی بود. تنها پس از اتمام بتن‌ریزی و کشش تاندون‌های پیش‌تنیدگی، سازه به «بسته شدن» دست یافت. در آن لحظه، هر جزء فوراً نقش خود را ایفا کرد، گویی کلید برق زده شده است، جریان تنش در سراسر فضای داخلی گردش و یکپارچه می‌شود و به کل «پوسته تخم‌مرغی» اجازه می‌دهد تا صلبیت سازه‌ای خود را به دست آورد. با برداشتن قالب و داربست، بافت اصیل بتن نمایان در بازی نور و سایه در سراسر سطوح موج‌دار جاری شد و سرزندگی معماری سرانجام آشکار شد.

در گوشه‌های شمال شرقی و جنوب غربی ساختمان، طره‌های بزرگ ۲۷ متری چالش‌های سختی را در مورد تغییر شکل ایجاد کردند. به دلیل ویژگی‌های خزش بتن، سازه یک انتقال پویا را تجربه کرد: از انحراف فوری در طول بارگذاری اولیه خاک بام تا نشست تدریجی که در عرض یک سال تثبیت شد. برای کنترل عرض ترک‌ها و برآوردن محدودیت‌های جابه‌جایی بوش‌های بالای دیوار پرده، دو ستون فولادی شبکه‌ای در انتهای طره‌ها نصب شد تا منحصراً بارهای عمودی را تحمل کنند. برای یکپارچگی بصری، این ستون‌ها مقیاس و ترکیب مولیون‌های دیوار پرده را منعکس می‌کنند و به سیستم ناهمگن اجازه می‌دهند به‌صورت بصری در کل پنهان شود. داده‌های پایش تأیید می‌کند که نشست نهایی دقیقاً در محدوده طراحی قرار دارد.

به‌جز دیوارهای پرده شیشه‌ای و شیب‌های چمن، ساختمان قرار گرفتن بافت بتن‌ریزی‌شده درجا را در هر دو سطح داخلی و خارجی به حداکثر می‌رساند و تنها از جزئیات ظریف برای تمایز فضاها استفاده می‌کند. یک پوشش محافظ بتن نیمه‌شفاف بر نماهای آلاچیق موج، دیوارهای برشی محیطی و هسته‌ها اعمال شد. در پوسته بالایی، پوشش محافظ خاکستری تیره به‌طور یکنواخت زیرین و مجراهای تاسیسات را می‌پوشاند و سقفی «آیرودینامیک» را که توسط لوله‌های آلومینیومی نقره‌ای-سفید تشکیل شده برجسته می‌کند. برای زیرین پوسته پایینی، یک پوشش محافظ رنگین‌کمانی که از طریق فرآیندی چندمرحله‌ای به دست آمده، از بازتاب‌های سطوح منحنی پیوسته بهره می‌برد تا نور و سایه پویا را به «خلأ طاقی» کم‌نور وارد کند.

تجربه غوطه‌وری

طرح عملیات فضایی پس از سه تکرار متوالی اصلاح چندجانبه به اجماع نهایی رسید. طبقه دوم به سه قلمرو متمایز سازماندهی شده است: در شمال شرقی «منطقه تاریک» محوری قرار دارد، یک «جعبه سیاه» کاملاً محصور که برای لنگر انداختن روایت عمیق علمی-تخیلی «سه‌گانه سه‌جسم» طراحی شده است؛ در غرب، «منطقه روشن» رو به دریاچه جین‌های است و گستره خود را به روی فعالیت‌های عمومی می‌گشاید. در حالی که هر دو قلمرو تاریک و روشن توسط Fengyuzhu مدیریت و نظارت می‌شوند، بخش جنوبی یک ذخیره فضایی انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند و در انتظار آرام امکانات نمایشگاهی آینده است.

پوسته‌های موجی سه‌لایه ساختمان یک میدان فضایی سه‌بعدی ایجاد می‌کنند و تجربه‌ای عمیقاً اسرارآمیز و پویا از محصوریت و رهایی برای روایت بزرگ علمی-تخیلی و سناریوهای متعدد آن ارائه می‌دهند. ورودی اصلی این «آکادمی آینده سه‌جسم» در زیر پوسته طره‌ای در گوشه شمال شرقی قرار دارد. با حرکت از دیوار پرده شیشه‌ای پیچیده‌شده در «تپه سبز» به لابی طبقه همکف، فرد گسترش یکپارچه‌ای بین مناظر داخلی و خارجی را درک می‌کند. با ورود به «خلأ تپه‌شنی» پوشیده از شن یا عبور از هسته تخم‌مرغی شکل، بازدیدکنندگان از طریق پله‌برقی از یک راهروی تاریک بالا می‌روند، یک «پرش کرم‌چاله‌ای» یادآور علمی-تخیلی که نشان‌دهنده گذر از واقعیت به اعماق جهان سه‌جسم است. در اینجا، راه رفتن، پرسه زدن است: سیارات در فواصل مختلف، سفینه فضایی معلق «انتخاب طبیعی»، «پروژه دیوارکوب»، «نبرد فضای عمیق»، «کاوشگر روز قیامت» و یک تئاتر گنبدی در زیر طاق‌ها پراکنده شده‌اند و بازدیدکنندگان را به کاوش آزادانه در این فضای تاریک موج‌دار دعوت می‌کنند. در داخل و خارج «تئاتر قطره‌ای» کاسه‌مانند، یک شکاف حلقه‌ای افقی از ساختار عبور می‌کند و افقی بی‌نهایت برای کل فضای اجرا ارائه می‌دهد. فراتر از آستانه‌ای از منطقه تاریک، جهان «منطقه روشن» قرار دارد: اجرام آسمانی عظیم، یک «بانک بذر علمی-تخیلی» و دو منطقه فرورفته برای اوقات فراغت و گفتگو پشت سر هم ظاهر می‌شوند که همگی توسط یک تفرجگاه باز روبان‌مانند به هم متصل شده‌اند. رو به موج‌های درخشان دریاچه جین‌های، فضا احساس حضور در یک سفینه فضایی را برمی‌انگیزد که بر روی یک جهان بیگانه فرود آمده و به چشم‌انداز زمین می‌نگرد.

در بالای پوسته‌های سه‌لایه، چمنزاری موج‌دار از علف و گل‌های وحشی یک «چمنزار بر روی امواج» ایجاد می‌کند. برای متعادل کردن بهینه‌سازی بار سازه‌ای با نیازهای پانوراما، گردش بام به یک حلقه عدد هشت ثابت محدود می‌شود که در گره‌های استراتژیک برای استراحت و مشاهده عریض می‌شود. با تناوب تپه‌های چمن‌دار و چشم‌اندازهای اطراف، بازدیدکنندگان در تجربه‌ای از صعود سنجیده و عمق بی‌کران غوطه‌ور می‌شوند. در میان این لایه‌های موج‌دار، «مکعب موج» به مکعبی از موج سبز در کنار دریاچه تبدیل می‌شود.

معماران: Scenic Architecture Office
پیمانکار عمومی: Shanghai Construction Group Co., Ltd.
مشاور سازه: AND Office
طراحی منظر: Growdesign Co.Ltd.
مدیر طراحی: Zhu Xiaofeng
مدیر سازه: Zhang Zhun
مدیر پروژه Scenic Architecture Office: Li Qitong
تیم طراحی Scenic Architecture Office: Zhang Xuan, Song Yixuan, Chen Xuanxiang, Su Kaiqiang, Sun Jianong, Zhu Xiaoye, Geng Yutong, Hu Siyuan, Shen Ziwei, Zhang Chi
کارآموزان Scenic Architecture Office: Hu Chenghai, Chen Xi, Xu Youlu, Sun Yihan, Li Jing
تیم معماری Tjad: Huang Jianming, Nie Fei, Gao Yun
تیم سازه Tjad: Zhang Jinxiao
تیم تهویه Tjad: Li Weijiang
تیم لوله‌کشی Tjad: Zhao Shiguang
تیم برق Tjad: Xu Chaoqun
تیم روشنایی Tjad: Yang Xiu
مشاور سازه AND Office: Cai Yanming, Pan Jun
عملیات و برنامه‌ریزی داخلی: Shanghai Fengyuzhu Culture Technology Co., Ltd.
موسسه طراحی محلی: Tongji Architectural Design (Group) Co. Ltd
عکس‌ها: Shengliang Su, Guowei Liu

ترجمه و تنظیم: صما