معماری با خاک کوبیده

ترجمه­ ی ساناز جعفری

معماری معاصر جهان: مقالات

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

خاک کوبیده قرن­ ها در سراسر جهان به‌ عنوان یکی از شیوه­ های سنتی ساخت دیوار متداول بوده است. فونداسیون­ هایی از خاک کوبیده در آشور یافت شده ­اند که قدمت آنها به 5000 سال قبل از میلاد باز می­ گردد. در این شیوه، خاک مرطوب را در لایه­ هایی به ضخامت 15 سانتیمتر در قالب می‌ریزند و سپس با کوبیدن آن را فشرده و متراکم می­کنند. قالب­ ها معمولاً از دو صفحه تشکیل می­شوند که توسط اتصالاتی به هم وصل شده­اند (تصویر1). این تکنیک ساخت را در فرانسه pise’ de terre و یا terrepise’ می­نامند، نام اسپانیایی آن barroapisonao یا tapial است و به زبان آلمانی به آن stampflehmbau می­گویند. تکنیک­ های سنتی خاک کوبیده هنوز در بسیاری از کشور های در‌ حال‌ توسعه استفاده می­شود اما از طرف دیگر هم استفاده از سیستم ­های قالب­ بندی الکتریکی و پتک­ های بادی در روش ­های امروزی، نیاز به کارگر و نیروی انسانی را به طرز چشم گیری کاهش داده و سبب رواج این شیوه ­ی ساخت‌ و‌ ساز در کشور های صنعتی و پیشرفته شده است. گاهی تکنیک مکانیزه ­ی خاک کوبیده، به ‌ویژه در کشورهای صنعتی که از نظر ایزولاسیون و عایق­ بندی حرارتی دچار مشکل هستند، به لحاظ اقلیمی و اقتصادی در مقایسه با بنّایی سنتی کار آمدتر است. شرکت­ های بسیاری درجنوب ‌غرب آمریکا و نیز در استرالیا از این تکنولوژی استفاده می کنند. خاک کوبیده در مقایسه با تکنیک­ هایی که در آنها از خاک و گِل مرطوب و نرم استفاده می­شود، انقباض و در نتیجه ترکِ کمتری داشته و مقاومت بالاتری دارد و به‌علت ساختار یکپارچه‌ ای که دارد، در مقایسه با خشت نیز دوام و ماندگاری بیشتری ایجاد می­کند.

قالب ­بندی
در شیوه­ ی سنتی، تخته­ های قالب توسط اتصالاتی از طرفین به هم متصل می­شدند (این اتصالات در دیوار حفره­ هایی ایجاد می­کنند که پس از برداشتن قالب­ ها باید پر شوند). در لابراتوار تحقیقاتی ساختمان BRL برای رفع این مشکل ابتدا قالب هایی با اتصالات بسیار باریک طراحی کردند و سپس برای بهبود مقاومت دیوار، قالب­ هایی بدون اتصالت طراحی شد. زیرا حفره ­هایی که در روش ­های قدیمی قالب­ بندی ایجاد می  ­شدند، دیوار را از ناحیه­ ی اتصالات ضعیف می‌کرد.
همان ‌طور که در تصویر 2 می­بینید قالب­ های بدون اتصالات که به دو تخته‌ی کناری وصل شده­اند، به فضای باز و محوطه‌­ای برای حرکت آسان نیاز دارند. به ‌علاوه گوشه­ های گرد و دیوار­های منحنی را نیز می­توان با استفاده از قالب­ های خاص اجرا کرد (تصویر3). ساختمان دایر ه­ای ‌شکل مزرعه­ ای که در سال 1831 در بلبرگ آلمان ساخته شده بود و در تصویر 4 دیده می‌شود، یک نمونه از همین شیوه‌ی اجرایی ست. اگر چه سیستم ­های قالب‌ بندی بتون نیز می­توانند برای خاک کوبیده استفاده شوند ولی معمولاً خیلی گران تمام می­شوند. در اروپا برای این کار اغلب از پنل­ های الواری به ضخامت 19 میلیمتر استفاده می­شود. این تخته ­ها باید در فواصل 75 سانتیمتری با عناصر افقی ثابت شوند. در غیر این­ صورت، حین کوبیدن خاک به بیرون خمیدگی پیدا خواهند کرد. بنابراین استفاده از تخته ­های کلفت ‌تری به ضخامت 45-30 میلیمتر که می­توان آنها را در فواصل 100 تا 150 سانتیمتری ثابت کرد، باصرفه­ تر است.
اگر خاک، رُس زیادی داشته باشد، قالب ­ها نباید به بیرون متمایل شوند، بلکه باید اندکی به داخل شیب داشته باشند تا خاک به‌ آسانی در آن جای بگیرد. همچنین خاک را به ‌آرامی در قالب ­ها پخش می­کنند تا جداره در اثر فشار وارده از سمت دانه­ های خاک رس، خراب نشود.

اگر قالب­ ها برای این شیوه ­ی ساخت مناسب نباشند، 30% از نیروی کل کار صرف چیدن و نصب و برچیدن قالب­ ها می­شود. بنابراین بهتر است که نکات زیر را در مورد قالب­ بندی به خاطر بسپاریم :
_ تخته ­ها باید طوری ثابت شوند که در هنگام کوبیدن به بیرون خم نشوند.
_تمامی قسمت­­ ها باید آنقدر سبک باشند­که توسط دو کارگر قابل حمل باشند.
_قالب­ ها قابلیت نصب شدن در دو جهت افقی و عمودی را داشته باشند.
_تفاوت ضخامت­ دیوارها با دامنه­ ی تغییر خاصی، قابل کنترل باشد.
بهتر است که برای اجرای گوشه­ ها به قالب ­های خاصی نیاز نباشد که در این صورت قالب ­ها باید قابلیت اجرای دیوار هایی با طول ­های مختلف را داشته باشند.

ابزار آلات
در گذشته خاک را توسط پتک­ هایی با مقطع گوه که مخروطی‌ شکل و تخت بود، به‌ صورت دستی می­کوبیدند (تصویر 5). حسن استفاده از پتک با مقطع گوه و مخروطی این است که تمامی لایه ­ها با نَمی که دارند بهتر باهم مخلوط می­شوند و چسبندگی بیشتری ایجاد می­کنند ولی در‌عین‌حال، استفاده از این مقاطع نسبت به مقاطع تخت، زمان­ بَرتر است. دیوارهایی که با پتک تخت کوبیده می­شوند توانایی تحمل تنش­ ها و ترک ­های خارجی کمتری را دارند، بنابراین فقط باید به‌ شکل افقی بارگذاری شوند.
علاوه بر اینها، مقطع پتک نباید خیلی تیز باشد تا اگر قالب کار از جنس چوب بود، آسیبی نبیند و همچنین باید مساحتی بین 200-60 سانتیمتر مربع داشته باشد. وزن کل پتک بین 9-5 کیلوگرم است. توصیه می‌کنیم از یک پتک دو سر استفاده کنید که یک سر دایره­ای و یک سر گوشه­ دار داشته باشد. دوسر بودن پتک این امکان را می­دهد که از آن برای کارهای مختلف استفاده شود و سر مربعی آن گوشه­ ها را بهتر فشرده می­کند. چنین پتک­ هایی امروزه نیز در اکوادور به کار می­روند (تصویر 6).
پتک­ های الکتریکی و بادی در ربع دوم قرن بیستم در آلمان، فرانسه و استرالیا مورد استفاده قرار ­گرفتند. آنها پیش‌تر اغلب برای خاک کوبیده از پتک‌ های الکتریکی استفاده می­کردند و در مورد آن مطالب زیادی نوشته­ اند. تصویر 7 نمونه­ ای از این پتک را که توسط شرکت آلمانی ؤاکر ساخته شده، نشان می‌دهد. این پتک مانند چکش عمل می­کند، 33 میلیمتر بالا می­ آید و با فرکانس 540 ضربه در دقیقه خاک را می­کوبد. این ابزار مزایای زیادی دارد ولی تنها مشکلش، خوش‌دست نبودن آن است که آن هم به دلیل وزن 24 کیلوگرمی پتک می­باشد

در استرالیا در دهه­ ی1950، برای کوبیدن خاک از پتک کمپرسی استفاده می­شد. این پتک مانند دریل فشاری عمل می­کرد، فرکانسی حدود 150 ضربه در دقیقه داشت و وزنش 11 کیلوگرم بود. معمولاً ابزارهایی که برای فشرده کردن خاک در جاده‌ سازی استفاده می­شوند، برای کار با خاک کوبیده مناسب نیستند زیرا فرکانس آنها بسیار بالا ست. ابزارهایی که فقط لرزش دارند ممکن است برای خاک­ های شنی مناسب باشند ولی برای خاک رُس مناسب نیستند. پتک ­های فشاری که در تصویر 8 نشان داده شده، برای کوبیدن خاک بسیار مؤثر هستند. کار با پتک دوجی که توسط شرکت اطلس کوپکو ساخته شده، بسیار راحت است چون سر آن ثابت نگه داشته می­شود. تمامی پتک­ هایی که معرفی کردیم به فشار 6 بار و جریان هوایی به میزان 4/0تا 9/0متر­مربع بر دقیقه نیاز دارند که به دلیل هزینه­ ی بالا، تأسیسات زیربنایی و انرژی‌ ای که برای راه­ اندازی لازم دارند، فقط برای پروژه­ های بزرگ ساختمانی استفاده می‌شوند. اخیراً در لابراتوار تحقیقاتی BRL یک پتک لرزنده­ ی الکتریکی طراحی شده که شرکت هویزِر ساخت آن را به ‌عهده گرفته (تصویرهای 9 و 10) و فرکانس موتور آن به اندازه‌ی 1000 تا 1200 دور در دقیقه است. مهم‌ترین شاخصه ­ی این پتک لرزه­ای، شکل خاص مقطع آن است که می­تواند خاک سست را در لایه هایی به ضخامت 7 سانتیمتر فشرده کند و به کاربر اجازه می­دهد در حین کوبیدن خاک، در راستای قالب با پتک حرکت کند.

تکنیک های جدید ساخت دیوار

تکنیک ساخت
تقریباً در تمامی تکنیک­ های سنتی خاک کوبیده، قالب کار مرحله به مرحله، از لایه­ ی آخر برداشته می­شود و دوباره برای لایه ­ی بعدی کار گذاشته می‌شود. بدین صورت که خاک را در لایه­ هایی به ارتفاع 50 تا 80 سانتیمتر می­کوبند و هر لایه­­ ی جدیدی که ساخته می­شود نسبت به لایه ­ی زیرین خود که تقریباً خشک شده، رطوبت بیشتری دارد. بنابراین لایه­ ی بالایی انقباض بیشتری دارد و این انقباض به صورت ترک ­های افقی در محل­ های اتصال ایجاد می­شود (تصویر 11). این نقاط خطرناک هستند، زیرا رطوبت مویینه ای می­تواند به اینها رخنه کند و باعث تورّم و از‌هم ‌پاشیدگی شود. همان­طور که در شکل می­بینید، ترک های عمودی هم می­توانند در این دیوارها ایجاد شوند. این مشکل با تکنیک فرانسوی pise’ حل شد. به این صورت که قبل از اجرای لایه‌ی جدید، بر روی هر لایه ملاتِ آهک می­ریزند. ملات آهک تا چند هفته و تا زمانی که انقباض گل تمام شود، پلاستیکی باقی می­مانَد و حتی گاهی اوقات محل اتصال ­ های جانبی بین مقاطع طبقات را نیز به ­صورت مایل با ملات آهک پر می­کنند (تصویر 12) روش دیگر برای جلوگیری از ایجاد ترک ­های افقی این است که خاک را افقی بکوبیم و دیوار را کلاً به‌صورت افقی بنا کنیم.

شکل دادن بازشوها
بلافاصله پس از کوبیدن خاک می­توان قالب­ ها را باز کرد. در این هنگام خاک کوبیده‌شده به­ راحتی فرم‌ پذیر و منعطف است و می­شود آن را شکل داد، تراشید و گود کرد. معمولاً برای ساخت بازشوها، قاب­ هایی در قالب کار باقی میماند؛ البته می­توان با نیروی بسیار کمی، به کمک چاقو و یا سیم خاردار، همانند ارّه، هم محل بازشو ها در خاک کوبیده را برید. در این تکنیک امکان ساخت لغاز و کف درگاه وجود دارد (تصویر 13). در این مرحله، خاک کوبیده مقاومت کافی برای نصب میخ‌ها را دارد و بدون استفاده از دریل، میخ‌ها ­در دیوار فرو می­روند.

پنل­ های خاک کوبیده
برای جلوگیری از ایجاد ترک های عمودی که در شیوه‌ ی سنتی در محل قرارگیری لایه­ ها بر روی هم ایجاد می­شد، تکنیک جدیدی در مرکز تحقیقات ساختمان ابداع شده که در آن پنل­ های بلندی به عرض 4/2 متر طراحی شده­اند. این تکنیک فاقد اتصالات عمودی‌ست و اتصالات افقی آن هم دقیقاً پس از انقباض خاک، بسته میشوند. برای ایجاد مقاومت جانبی، اتصالات افقی به­ صورت کام و زبانه ساخته می­شوند. با وجود پنل­­ هایی به این ابعاد، در دیوار هیچ ترکی نداریم و کاهش طول ناشی از انقباض فقط در محل اتصالات دیده می­شود (محل اتصال مانند یک مفصلِ از پیش طراحی‌شده عمل می­کند).
قالب ها از پایین فقط بر روی یک قطعه‌ ی فلزی قرار می­گیرند و این قطعه­ ها پس از بازکردن قالب، فرورفتگی کوچکی ایجاد می­کنند. انتهای این قطعه ­ها هم بالاتر از آخرین سطح دیوار قرار می­گیرد و در پروسه­­ ی کوبیدن وارد نمی­شود. همان­طور که شکل­ ها نشان می­دهند می­توان قالب­ بندی را به شیوه­ ی ساده ­تری انجام داد؛ به این صورت که یک عضو چوبی در بالا قرار گیرد و با اجزای افقی کلاف ­شود. اولین ساختمان با این تکنیک، در سال 1982 و در دانشگاه کاسل ساخته شد (تصویر 14)، خاک آن حاوی 10% رس و حدود 50% ماسه بود و توسط لرزاننده ­ای که در تصاویر 9 و 10 دیده می‌شود، کوبیده شده بود. انقباض خطی این مواد فقط 4/0% بود. محل اتصال لایه ­ها پس از خشک شدن با گل رسی که با روغن برزک 8% مقاوم شده بود، پر می­شد. سقفِ 60 سانتیمتری و دو پایِ ستونِ 50 سانتیمتری بنا، این اطمینان را ایجاد می­کرد که دیوار ساییده نمی‌شود و نیازی به ترمیم سطح ندارد.

تکنیک ­های مکانیزه­
شرکتی به نام اِرث ؤرک، با بهره­ از قالب خاصی که از یک تخته­ ی چندلایه‌ی ضخیم تشکیل شده بود، خانه­ های بسیاری از خاک کوبیده در منطقه‌ی کالیفرنیا ساخت که نمونه­ ی قالب آن در تصویر 15 نشان داده شده است. خاک توسط موتورهای باری مخصوصی درون قالب ریخته و با پتک بادی کوبیده می‌شد.

این روند، سرعت نیروی کار را به 2 ساعت بر متر مکعب رساند و اکنون شرکت­ های بسیاری در استرالیا از این پروسه­ ی بسیار مکانیزه­ ی احداث ساختمان استفاده می­کنند (تصاویر 16 و 17). در ده سال اخیر در قاره ­ی استرالیا صد ­ها ساختمان با خاک کوبیده ساخته شده­ اند. کلیسایی در جانب رودخانه‌ ی مارگارت بنا شده که حتی تیرهای سازه­ای سقف آن هم از خاک کوبیده ساخته شده ­اند (تصویر 18). این کلیسا توسط هوج ؤیلسون طراحی شد و شرکت رَمتِک ساخت آن را بر عهده گرفت.
در سال 1992 هتلی به نام کورالبین وَلِی در استرالیا ساخته شده که در آن تمامی دیوارها از خاک کوبیده و­ بدون اندود هستند.

سازه­ ی قابی و خاک کوبیده به‌ عنوان پرکننده
در مرکز (CEPED) در سالوادورِ برزیل، تکنیک ساده ­ای برای ساخت پنل های نازک از خاک کوبیده طراحی شد که در ساخت چندین پروژه ­ی خانه‌سازی کم هزینه­ در این کشور مورد استفاده قرار گرفت. ستون­ ها و تیرهای دایره ­ای از بتون تقویت‌شده ­ی پیش ‌ساخته طراحی شده بودند و از آنجا که کناره ­های قالب­ های خاک کوبیده، مستقیم بر روی ستون­ ها قرار می­گرفتند، ضخامت دیوار­ها با ضخامت تیر یکسان بود (تصویر 19). در این مورد گل رس با 6 % تا 8 % سیمان، تثبیت و تقویت شده بود.

ساخت دیوار با قالب­ های پنهان
از آنجایی‌که در تکنیک­ های خاک کوبیده، هزینه ­ی قالب کار بسیار زیاد است، در بعضی موارد میتوان از دیوار نازک بنّایی و یا پانل ­های عایق حرارتی که از چوب ساخته شده، به عنوان قالب کارِ مخفی استفاده کرد. در این ­صورت دیوار قالب می­تواند یک ‌طرفه یا دو طرفه اجرا شود و حتی عایق ­های حرارتی موجود در آن هم برای ایزولاسیون بنا مفید خواهند بود و این عامل خود مزیتی خاص برای این شیوه ایجاد می­کند. مقاومت­ این قالب­ های مخفی باید به اندازه ای باشد که سازه در برابر فشارهای جانبی که در اثر کوبیدن ایجاد می­شود، ایستادگی داشته باشد. تصویر 20 مقاطع عمودی دیوار خارجی را نشان می­دهد: دو مورد اول لایه­ ی داخلی را که از خشت­ ها و یا بلوک خاکی ساخته شده و لایه­ ی خارجی آن، خاک کوبیده که از گِل معدنی سبکی ساخته و مستقیماً اندود شده را نشان می­دهد. در اینجا قالب کار فقط برای لایه­ ی خارجی لازم است. مورد دوم نسبت به نمونه­ ای که در لایه­ ی داخلی آن خشت و بلوک خاک به ­کار رفته، مقاوم­تر است و مقاومت آن به این دلیل است که الگوی بندکشی آن بند انگشتی است. در مقطعی که سمت راست نشان داده شده، قالب کار از بلوک­ های خاکی سبکِ تقویت‌شده ساخته شده و در سمت خارجی پنهان است. تصویر 21 مقاطع افقی را از دیوارهای خارجی نشان می­دهد (دو طرف آنها قالب مخفی دارند). لایه­ ی داخلی می­تواند بلوک، خشت، عناصر گلی پیش‌ ساخته، تخته­‌ چند لا، پنل­ های گچی تقویت‌شده با فیبر و یا کربنات منیزیم و یا قطعات چوبی با روکش سیمانی باشد. برای محافظت از سطح دیوار، اندود بنَایی و یا پنل­ های چوبی به‌کار می‌رود.

اولین گنبد با خاک کوبیده در سال 1983 در لابراتوار تحقیقات ساختمان در کاسل آلمان و با استفاده از تکنیک خاصی که همان لابراتوار طراحی کرده بود، ساخته شد. این تکنیک شامل یک قالب دوّار بود که در آن خاک، کوبیده می‌شد (تصویرهای 22، 23 و 24).
ضخامت گنبد در پایین، 18 سانتیمتر و در بالا، 12 سانتیمتر بود. دیوارها که از داخل، یک شش ‌ضلعی تشکیل داده بودند نیز از خاک کوبیده بودند. در اینجا دیوار­های حائلی به دیوار زیر گنبد الحاق شد تا فشار محوری را از گنبد به فونداسیون منتقل کند.
پس از باز کردن قالب­ ها، دقیقاً محل بالای دیوارهای حائل را با یک چاقوی معمولی فرم دادند. قالب دیوار­ها بر اساس پلان گنبد و به‌ صورت دستی طراحی شده بود (تصویر 22). خاک توسط لرزاننده­ ای که قبلاً شرح داده شد، با دست کوبیده می­شد.
طراحی قالب گنبد به­ گونه­ ای بود که از مرکز و لایه به لایه اجرا می­شد و همچنین شاخصی که روی آن نصب شده بود، به‌صورت اتوماتیک، شعاع و زاویه­ ی قالب را تنظیم می­کرد (تصویر 24).
تخمین زمان خشک شدن دیوار خاکی بسیار دشوار است اما پروسه­ ی خشک شدن آن، به نسبت دیوارهای بنَایی و بتونی، سریع­تر است. پس از سپری شدن چند روز و با ایجاد هوای گرم و خشک و جریان هوای کافی، دیگر انقباض نخواهیم داشت و گرچه رطوبت اجزا هنوز از حد تعادل بیشتر است، اما دیوار بعد از سه هفته کاملاً خشک خواهد شد.

نیروی کار
متوسط نیروی کار در ساخت دستی دیوار های خاک کوبیده (شامل آماده ­سازی، جا به‌ جایی و ساخت) از 20 تا 30 ساعت بر متر مکعب می‌باشد. اصلاح سیستم قالب ها و استفاده از لرزاننده  ­­های پیشرفته (تصویر 9) حجم نیروی کار را به 10 ساعت بر متر مکعب کاهش می‌دهد. انتقال و پرکردن قالب در آنها توسط ماشین ­آلات و با استفاده از تکنیک­ های مکانیزه‌ای که پیش‌تر بیان شد انجام می­شود. خاک­ ها با پتک ­های بادی سنگینی فشرده می‌شوند و حجم نیروی کار به 2 ساعت بر متر مکعب تقلیل پیدا می‌کند. لازم به ذکر است که این فقط 10% نیرویی‌ست که در تکنیک سنتی به ‌کار برده می­شد و به طور یقین کمتر از میزانی‌ ست که برای کار بنّایی لازم است.

اندود و نگهداری
ترمیم سطوح دیوارهایی که با تکنیک خاک کوبیده ساخته شده‌اند، در مقایسه با دیگر تکنیک ­ها، به نیرو و مصالح کمتری نیاز دارد ولی به طور کلی، اندود کردن دیوار خاک کوبیده توصیه نمی‌شود. اگر پس از باز کردن قالب­ ها، بلافاصله یک ماله‌ی مرطوب روی سطح دیوار بکشیم، یک سطح صاف خواهیم داشت؛ البته باید توجه داشته باشیم که در هنگام روکش و اندود کردن، با استفاده از قرنیزها و دست اندازهای بلند، از نما در برابر عوامل جوی حفاظت شود و روکش نما به‌ هیچ وجه ترَک نخورد.

حال که جزئیات ساخت و اجرای سازه­ هایی با تکنیک خاک کوبیده شرح داده شد، در ادامه به بیان چند پروژه ­ی ساختمانی و مسکونی با همین شیوه­ ی اجرایی خواهیم پرداخت.