تقاضای جهانی برای سازه‌های مهندسی عمران مقاوم، پایدار و کارآمد، منجر به توسعه روش‌های نوین ساخت‌وساز شده است. در سال 2025، سیستم‌های سازه‌ای تطبیقی الهام‌گرفته از طبیعت (BIASS) به‌عنوان رویکردی تحول‌آفرین ظهور کرده‌اند که اصول طراحی الهام‌گرفته از طبیعت، مدل‌سازی محاسباتی پیشرفته، مواد هوشمند و تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی) را ادغام می‌کند. این مقاله به معرفی BIASS می‌پردازد و مبانی نظری، روش‌های طراحی، نوآوری‌های مواد و کاربردهای آن در مهندسی عمران را با تمرکز بر مناطق زلزله‌خیز مانند ژاپن شرح می‌دهد. با تقلید از خواص سلسله‌مراتبی و تطبیقی ساختارهای زیستی، BIASS راه‌حل‌هایی سبک، بادوام و سازگار با محیط‌زیست برای ساختمان‌ها، پل‌ها و سکوهای فراساحلی ارائه می‌دهد. ادغام نظارت بر سلامت سازه در زمان واقعی و مکانیزم‌های پاسخ تطبیقی، مقاومت در برابر بارهای دینامیکی مانند زلزله و شرایط جوی شدید را افزایش می‌دهد. این مقاله مروری جامع بر BIASS ارائه می‌دهد که با داده‌های تجربی، شبیه‌سازی‌های محاسباتی و مطالعات موردی پشتیبانی شده و آن را به‌عنوان یکی از ستون‌های اصلی آینده مهندسی سازه معرفی می‌کند.
مهندسی عمران در قرن بیست‌ویکم با چالش‌های بی‌سابقه‌ای مواجه است، از جمله نیاز به رسیدگی به زیرساخت‌های فرسوده، کاهش اثرات زیست‌محیطی و تضمین مقاومت در برابر بلایای طبیعی. در ژاپن، جایی که فعالیت‌های لرزه‌ای تهدیدی دائمی است، روش‌های طراحی سازه‌ای سنتی اغلب در ایجاد تعادل بین استحکام، وزن و پایداری ناکام می‌مانند. سیستم‌های سازه‌ای تطبیقی الهام‌گرفته از طبیعت (BIASS) که در سال 2025 به‌عنوان رویکردی پیشرو ظهور کرده‌اند، از سیستم‌های طبیعی الهام می‌گیرند تا سازه‌هایی سبک، تطبیقی و پایدار ایجاد کنند. این روش، تکنیک‌های محاسباتی پیشرفته، مواد هوشمند و تولید افزایشی را برای متحول کردن طراحی و ساخت اسکلت‌های سازه‌ای ادغام می‌کند.
ژاپن به دلیل شرایط جغرافیایی و زیست‌محیطی منحصربه‌فرد خود به رویکردهای نوین در مهندسی سازه نیاز دارد. تاریخچه زلزله‌های این کشور، مانند زلزله بزرگ کانتو در سال 1923 و زلزله بزرگ هانشین-آواجی در سال 1995، پیشرفت‌هایی را در طراحی مقاوم در برابر زلزله به دنبال داشته است. BIASS با بهره‌گیری از اصول الهام‌گرفته از طبیعت، مانند ساختار سلسله‌مراتبی استخوان و انعطاف‌پذیری تطبیقی دیواره‌های سلولی گیاهان، به این تلاش‌ها کمک می‌کند تا سازه‌هایی مقاوم در برابر بارهای دینامیکی ایجاد کند و در عین حال مصرف مواد و اثرات زیست‌محیطی را به حداقل برساند.
این مقاله با هدف ارائه معرفی جامعی از BIASS، شامل مبانی نظری، روش‌های طراحی، نوآوری‌های مواد و کاربردهای عملی آن است. این مقاله به بررسی چگونگی رفع چالش‌های مهندسی عمران مدرن توسط BIASS، با تمرکز بر مقاومت لرزه‌ای، پایداری و کارایی می‌پردازد. ساختار مقاله به شرح زیر است: بخش دوم مبانی نظری BIASS را شرح می‌دهد، بخش سوم روش‌های طراحی و محاسباتی را توضیح می‌دهد، بخش چهارم نوآوری‌های مواد را بررسی می‌کند، بخش پنجم کاربردها و مطالعات موردی را ارائه می‌دهد و بخش ششم با جهت‌گیری‌های آینده به پایان می‌رسد.
طراحی الهام‌گرفته از طبیعت ریشه در مطالعه سیستم‌های طبیعی دارد که طی میلیون‌ها سال برای بهینه‌سازی استحکام، انعطاف‌پذیری و کارایی تکامل یافته‌اند. روش BIASS از ساختارهایی مانند استخوان، که معماری سلسله‌مراتبی و متخلخل را با نسبت استحکام به وزن بالا ترکیب می‌کند، و دیواره‌های سلولی گیاهان، که از طریق پیکربندی مجدد دینامیکی به تنش‌های خارجی پاسخ می‌دهند، الهام می‌گیرد. این سیستم‌های طبیعی الگویی برای ایجاد سازه‌های مهندسی عمران ارائه می‌دهند که هم مقاوم و هم کارآمد در مصرف منابع هستند.
طراحی سلسله‌مراتبی BIASS از سازماندهی چندمقیاسی مواد زیستی تقلید می‌کند. برای مثال، استخوان در مقیاس ماکرو دارای ساختار متخلخل ترابکولار است که توسط فیبرهای کلاژن و کریستال‌های هیدروکسی‌آپاتیت در مقیاس میکرو تقویت می‌شود. به طور مشابه، BIASS اسکلت‌های سازه‌ای را با چارچوبی شبه‌لاتیس در مقیاس ماکرو طراحی می‌کند که توسط توزیع بهینه مواد در مقیاس میکرو پشتیبانی می‌شود. این رویکرد مصرف مواد را کاهش می‌دهد و در عین حال یکپارچگی سازه‌ای را حفظ می‌کند، که آن را برای کاربردهایی مانند ساختمان‌های بلند و پل‌ها ایده‌آل می‌سازد.
ویژگی کلیدی BIASS توانایی آن در تطبیق با بارهای خارجی در زمان واقعی است. با ادغام حسگرها و محرک‌ها در اسکلت سازه‌ای، BIASS به سازه‌ها امکان نظارت بر سلامت خود و تنظیم خواصشان به صورت دینامیکی را می‌دهد. برای مثال، آلیاژهای حافظه‌دار شکلی (SMAs) می‌توانند پس از تغییر شکل به شکل اولیه خود بازگردند، در حالی که حسگرهای پیزوالکتریک تمرکز تنش را تشخیص داده و پاسخ‌های تطبیقی را فعال می‌کنند. این تطبیق‌پذیری به‌ویژه در مناطق زلزله‌خیز، جایی که سازه‌ها باید در برابر بارهای دینامیکی غیرقابل پیش‌بینی مقاومت کنند، ارزشمند است.
پایداری یکی از اصول اصلی BIASS است. با بهینه‌سازی توزیع مواد و استفاده از موادی با کربن پایین، مانند سیمان‌های بازیافتی و کامپوزیت‌های زیستی، BIASS اثرات زیست‌محیطی ساخت‌وساز را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، استفاده از تولید افزایشی ضایعات مواد را به حداقل می‌رساند و پایداری را بیشتر تقویت می‌کند.
بهینه‌سازی توپولوژی سنگ بنای طراحی BIASS است که به مهندسان امکان می‌دهد هندسه‌های پیچیده الهام‌گرفته از طبیعت را ایجاد کنند که کارایی سازه‌ای را به حداکثر می‌رسانند. این روش محاسباتی از الگوریتم‌هایی برای توزیع مواد در فضای طراحی استفاده می‌کند و وزن را به حداقل می‌رساند در حالی که محدودیت‌های عملکردی را برآورده می‌کند. برای مثال، بهینه‌سازی توپولوژی می‌تواند اسکلت‌های سازه‌ای شبه‌لاتیس را ایجاد کند که تخلخل استخوان را تقلید کرده و نسبت استحکام به وزن بالایی را به دست می‌آورد.
روش المان محدود (FEM) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای شبیه‌سازی رفتار BIASS تحت بارهای مختلف، مانند زلزله، باد و تنش‌های حرارتی، استفاده می‌شوند. FEM پاسخ سازه‌ای هندسه‌های پیچیده را مدل‌سازی می‌کند، در حالی که CFD تعاملات آیرودینامیکی را به‌ویژه برای پل‌ها و ساختمان‌های بلند تحلیل می‌کند. این شبیه‌سازی‌ها اطمینان می‌دهند که طراحی‌های BIASS در شرایط واقعی قوی و قابل اعتماد هستند.
BIASS سیستم‌های نظارت بر سلامت سازه (SHM) در زمان واقعی را ادغام می‌کند که از حسگرهای تعبیه‌شده برای تشخیص آسیب، تنش و تغییر شکل استفاده می‌کنند. الگوریتم‌های یادگیری ماشین داده‌های حسگرها را تحلیل می‌کنند تا نقاط احتمالی خرابی را پیش‌بینی کرده و پاسخ‌های تطبیقی، مانند تنظیم سختی عناصر سازه‌ای، را فعال کنند. این رویکرد پیش‌فعال طول عمر و ایمنی سازه‌ها را افزایش می‌دهد.
تولید افزایشی یا چاپ سه‌بعدی، ساخت هندسه‌های پیچیده BIASS را با دقت بالا امکان‌پذیر می‌کند. با رسوب مواد به صورت لایه‌به‌لایه، چاپ سه‌بعدی ضایعات را به حداقل می‌رساند و امکان ادغام مواد هوشمند، مانند بتن خودترمیم و آلیاژهای حافظه‌دار شکلی را فراهم می‌کند. در ژاپن، عناصر بتنی چاپ‌شده سه‌بعدی در پروژه‌های پل آزمایشی استفاده شده‌اند و امکان‌پذیری BIASS در کاربردهای بزرگ‌مقیاس را نشان داده‌اند.
بتن خودترمیم یکی از اجزای حیاتی BIASS است که قادر به ترمیم خودکار ترک‌های میکروسکوپی است. این ماده شامل کپسول‌های عامل ترمیم، مانند پلیمرها یا باکتری‌ها، است که با تشکیل ترک فعال شده و شکاف‌ها را پر می‌کنند و یکپارچگی سازه‌ای را بازمی‌گردانند. در ژاپن، بتن خودترمیم در مناطق زلزله‌خیز آزمایش شده و نتایج امیدوارکننده‌ای در افزایش طول عمر سازه‌ها نشان داده است.
آلیاژهای حافظه‌دار شکلی (SMAs)، مانند نیکل-تیتانیوم، در BIASS برای افزایش مقاومت سازه‌ای استفاده می‌شوند. SMAs می‌توانند پس از تغییر شکل به شکل اولیه خود بازگردند و برای اتلاف انرژی لرزه‌ای ایده‌آل هستند. برای مثال، دمپرهای مبتنی بر SMA در ساختمان‌های بلند توکیو برای جذب ارتعاشات ناشی از زلزله ادغام شده‌اند.
برای رسیدگی به پایداری، BIASS از کامپوزیت‌های زیستی، مانند پلیمرهای تقویت‌شده با بامبو، و سیمان‌های بازیافتی استفاده می‌کند. این مواد اثرات کربنی ساخت‌وساز را کاهش می‌دهند و در عین حال عملکرد بالایی را حفظ می‌کنند. برای مثال، سیمان‌های بازیافتی نشان داده‌اند که 14٪ از انتشار CO₂ در تولید سیمان را جذب می‌کنند و به اقتصاد کم‌کربن کمک می‌کنند.
مواد نانوساختار، مانند نانولوله‌های کربنی و گرافن، خواص مکانیکی اجزای BIASS را بهبود می‌بخشند. این مواد استحکام کششی و دوام را افزایش می‌دهند و امکان ایجاد اسکلت‌های سازه‌ای سبک اما قوی را فراهم می‌کنند. تحقیقات در دانشگاه کیوتو پتانسیل بتن تقویت‌شده با گرافن را در ساخت پل نشان داده است.
در توکیو، BIASS در طراحی یک ساختمان 50 طبقه استفاده شده است که دارای اسکلت سازه‌ای شبه‌لاتیس بهینه‌شده برای مقاومت لرزه‌ای است. این ساختمان از بتن خودترمیم و دمپرهای مبتنی بر SMA استفاده می‌کند و حسگرهای تعبیه‌شده برای نظارت بر سلامت سازه در زمان واقعی دارد. آزمایش‌های اولیه نشان‌دهنده کاهش 30٪ در مصرف مواد در مقایسه با طراحی‌های سنتی، بدون کاهش ایمنی، است.
یک پروژه آزمایشی در اوزاکا شامل یک پل عابر پیاده چاپ‌شده سه‌بعدی است که با استفاده از اصول BIASS ساخته شده است. این پل دارای ساختار لاتیس الهام‌گرفته از طبیعت است که با سیمان بازیافتی و تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی ساخته شده است. شبیه‌سازی‌های CFD پایداری آیرودینامیکی را تضمین کردند، در حالی که سیستم‌های SHM پاسخ پل به بارهای عابر پیاده و شرایط محیطی را نظارت می‌کنند.
BIASS همچنین برای سکوهای فراساحلی در اقیانوس آرام، جایی که سازه‌ها باید در برابر محیط‌های سخت دریایی و فعالیت‌های لرزه‌ای مقاومت کنند، مورد بررسی قرار گرفته است. یک نمونه اولیه سکو، طراحی‌شده با اسکلت سلسله‌مراتبی و بتن خودترمیم، دوام برتر و هزینه‌های نگهداری کاهش‌یافته‌ای را نسبت به طراحی‌های متداول نشان داده است.
در مراکز شهری فرسوده ژاپن، BIASS برای مقاوم‌سازی سازه‌های موجود استفاده می‌شود و مقاومت آن‌ها را بدون تغییرات عمده افزایش می‌دهد. برای مثال، تقویت پیش‌تنیده خارجی، تکنیکی الهام‌گرفته از BIASS، در تیرهای بتنی در هیروشیما اعمال شده و عملکرد برشی را با وزن اضافه حداقل بهبود بخشیده است.
با وجود پتانسیل‌هایش، BIASS با چالش‌هایی مانند هزینه بالای مواد هوشمند و پیچیدگی ادغام سیستم‌های SHM مواجه است. مقیاس‌پذیری همچنان یک نگرانی است، زیرا تولید افزایشی در حال حاضر به اجزای سازه‌ای کوچک‌تر محدود است. تحقیقات در حال انجام به دنبال رفع این مسائل از طریق سنتز مواد مقرون‌به‌صرفه و پیشرفت در فناوری چاپ سه‌بعدی است.
تحقیقات آینده بر بهبود هوش BIASS از طریق یادگیری ماشین و هوش مصنوعی متمرکز خواهد بود. این فناوری‌ها می‌توانند فرآیندهای طراحی را بهینه کرده، رفتار بلندمدت سازه را پیش‌بینی کنند و مکانیزم‌های پاسخ تطبیقی را بهبود بخشند. تلاش‌های مشترک بین دانشگاه‌های ژاپن و مؤسسات بین‌المللی پذیرش جهانی BIASS را تسریع خواهد کرد.
برای ترویج BIASS، سیاست‌گذاران باید مشوق‌هایی برای روش‌های ساخت‌وساز پایدار ارائه دهند و در تحقیق و توسعه سرمایه‌گذاری کنند. دولت ژاپن پیش‌تر ابتکاراتی را برای حمایت از ساخت‌وساز کم‌کربن راه‌اندازی کرده است که با اصول BIASS هم‌راستا هستند.
سیستم‌های سازه‌ای تطبیقی الهام‌گرفته از طبیعت (BIASS) یک تغییر پارادایم در مهندسی عمران را نشان می‌دهند و رویکردی مبتنی بر علم برای ایجاد سازه‌های مقاوم، پایدار و کارآمد ارائه می‌دهند. با ادغام طراحی الهام‌گرفته از طبیعت، روش‌های محاسباتی پیشرفته، مواد هوشمند و تولید افزایشی، BIASS چالش‌های ساخت‌وساز مدرن را، به‌ویژه در مناطق زلزله‌خیز مانند ژاپن، برطرف می‌کند. مطالعات موردی پتانسیل آن را در ساختمان‌های بلند، پل‌ها و سکوهای فراساحلی نشان می‌دهند، در حالی که تحقیقات در حال انجام به دنبال غلبه بر موانع فنی و اقتصادی است. با افزایش تقاضای جهانی برای زیرساخت‌های پایدار، BIASS آماده است تا به یکی از ستون‌های اصلی مهندسی سازه در سال 2025 و پس از آن تبدیل شود.
گروه مهندسی بکتاش بانی در کرج، پیشرو در ارائه اکسسوری‌های معماری مدرن و لوازم دکوری، با خدمات طراحی، نظارت و اجرای پروژه‌های مهندسی عمران فعالیت می‌کند. این گروه با ترکیب طرح‌های سنتی و رنگ‌های زنده، محصولاتی هنری ارائه می‌دهد که از تولیدکنندگان داخلی حمایت می‌کند.
هر خرید، یک اثر هنری. از ایران برای جهان
