:: ศูนย์ความรู้ ::

Building Physics นวัตกรรมในการออกแบบอาคารสมัยใหม่

       Building Physics เป็นนวัตกรรมที่ประยุกต์หลักการทางฟิสิกส์ในการออกแบบอาคารสมัยใหม่ที่เป็น Iconic Tower หรือ อาคารที่เป็นสัญลักษณ์ของเมืองหรือของประเทศ เช่น อาคาร National Aquatic Center หรือที่รู้จักกันในชื่อว่า “Water Cube” หรือสนามกีฬา Beijing National Stadium หรือ “The Bird nest” ซึ่งได้ใช้ Building Physics ในการออกแบบทำให้การก่อสร้างที่ยากและท้าทายประสบความสำเร็จได้อย่างไม่น่าเชื่อ จนบรรลุเป้าหมายและความคาดหวังของเจ้าของโครงการได้อย่างสมบูรณ์

รูปที่ 1: The Water Cube

รูปที่ 2: The Bird Nest

       Building Physics เป็นการนำเอาเทคโนโลยีด้านคอมพิวเตอร์มาช่วยศึกษารายละเอียดในเชิงลึก (in – dept study) เพื่อทำให้เกิดความเข้าใจในสภาวะแวดล้อมและสภาพทางกายภาพของวัสดุที่ส่งผลกระทบต่อสมรรถนะของอาคาร โดยการใช้แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ (computer modeling) เพื่อศึกษาการหมุนเวียนของอากาศภายในอาคาร (internal airflow) การควบแน่นเป็นหยดน้ำ (condensation) การทำความร้อน การระบายอากาศด้วยวิธีธรรมชาติ (natural ventilation) การใช้พลังงานภายในอาคาร (energy use) การนำแสงธรรมชาติมาใช้ (daylight) และการบังเงา (shading) ผลที่ได้จากการนำเอา Building Physics มาใช้ในการออกแบบจะทำให้อาคารที่มีรูปทรงสมัยใหม่เป็นอาคารที่มีความยั่งยืน (sustainable development) มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ (energy – efficient) สามารถลดความเสี่ยงในการใช้งานอาคาร (reduce risk) เกิดประโยชน์ใช้สอยได้อย่างเต็มที่ (more usable) และเกิดความสะดวกสบายในการอยู่อาศัยและใช้อาคาร (more comfortable)
       ในบทความฉบับนี้จะนำเสนอรายละเอียดที่น่าสนใจของ Building Physics และการประยุกต์ใช้งานเพื่อออกแบบอาคารสมัยใหม่ที่ทำให้เกิดอาคารต่างๆที่มีความยั่งยืน ติดตามรายละเอียดได้เลยครับ

       เราใช้ Building Physics ทำอะไรได้บ้าง
      
เราสามารถใช้ Building Physics ในการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์เพื่อวิเคราะห์สมรรถนะของอาคาร (building performance) ในด้านต่างๆดังนี้


      1. การสร้างแบบจำลองการใช้พลังงาน (Energy modelling)
เพื่อช่วยในการออกแบบงานระบบระบายอากาศ ระบบทำความร้อน และระบบปรับอากาศที่มีประสิทธิภาพ ช่วยในการพิจารณาหาทางเลือกของระบบต่างๆให้เหมาะสมกับการใช้งานของอาคาร ลองดูตัวอย่างครับ



รูปที่ 3: Energy modelling

       กรณีศึกษา: ศูนย์ฝึกอบรมของรัฐบาล (Government Training Center, Germany)
ศูนย์ฝึกอบรมของรัฐบาล (Government Training Center, Germany) เป็นอาคารขนาดใหญ่ที่ทำด้วยกระจกที่ครอบเอาอาคาร education building และ อาคาร public building อีกสองอาคารไว้ภายใน โดยมีแนวความคิดของการออกแบบว่าต้องสามารถป้องกันไม่ให้สภาวะแวดล้อมของอากาศภายนอก (external climate) ส่งผลกระทบต่อสภาวะแวดล้อมภายในอาคารโดยออกแบบให้มีโซนกันชน หรือ buffer zone อาคารแห่งนี้ยังมีหลังคาขนาด 8,400 ตารางเมตร เพื่อใช้ติดตั้งแผงเซลแสงอาทิตย์ (PV panel) เพื่อผลิตไฟฟ้า และใช้พลังงานทดแทนจากเมทานอลที่ผลิตได้จากเหมืองเก่าที่อยู่ใกล้เคียงในการผลิดพลังงานความร้อน แบบจำลองคอมพิวเตอร์ได้แสดงให้เห็นว่าการใช้พลังงานของอาคารตลอดทั้งปีซึ่งประกอบด้วยพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ การปรับปรุงฉนวนของอาคาร ลดลงได้ถึง 20%


       2.  การสร้างแบบจำลองเพื่อวิเคราะห์ความร้อนและความชื้น (dynamic thermal & moisture variation analysis) ที่เปลี่ยนแปลงภายในอาคาร แบบจำลองนี้มีความสำคัญอย่างมากในการออกแบบระบบระบายอากาศด้วยวิธีธรรมชาติ (natural – ventilation) และการระบายอากาศด้วยวิธีผสมกับลมกลับ (mixed mode ventilation) รวมถีงการนำเอาเทคนิคแบบ exposed thermal mass โดยวัสดุของอาคารที่มีคุณสมบัติดูดความร้อน/ความเย็น ในเวลากลางคืน และคายความร้อน / ความเย็นออกมาในเวลากลางวัน เป็นต้น ลองดูตัวอย่างครับ


รูปที่ 4: Dynamic thermal analysis


       รณีศึกษา: อาคาร Antwerp Law Courts, Belgium
      
แนวความคิดของการออกแบบอาคารแห่งนี้ต้องการหลีกเลี่ยงการใช้ระบบปรับอากาศภายในอาคาร แต่ต้องการที่ใช้การหมุนเวียนด้วยวิธีธรรมชาติ และการระบายอากาศทางกล เพื่อควบคุมไม่ให้เกิดความร้อนสูง (overheating) ภายในอาคาร โดยใช้แบบจำลอง dynamic thermal analysis ในการวิเคราะห์การระบายในเวลากลางคืน (night ventilation) ว่าสามารถทำความเย็นเบื้องต้น (pre – cooled ) ให้กับเพดานคอนกรีตได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่นอกจากนี้ยังมีการวิเคราะห์ว่าภายในห้องพิพากษาจะมีการระบายอากาศที่ดีหรือไม่ โดยการใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ (CFD) เพื่อแสดงเห็นการหมุนเวียนของอากาศที่ดี รวมถึงแสดงความสบาย (comfort conditions) ในทุกฤดูกาลตลอดปี จากผลการศีกษาทำให้พบว่า ระบบระบายอากาศชนิด displacement ventilation สามารถสร้างความสบายให้เกิดขึ้นภายในอาคารได้อย่างเหมาะสม


       3.  การศึกษาการใช้แสงธรรมชาติ (day-lighting) การออกแบบระบบแสงสว่าง (artificial lighting) ที่เหมาะสม และการบังเงา (shading) โดยระบบแสงสว่างภายในอาคารเป็นระบบๆหนึ่งที่ทำให้เกิดความสบายภายในอาคาร แสงสว่างที่สบายตามีส่วนทำให้ประสิทธิผลในการทำงานเพิ่มมากขึ้น การใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ช่วยในการศึกษาแสงธรรมชาติ ระบบแสงสว่าง การบังเงา และการควบคุมการเกิดแสงจ้าแยงตา (glare control) จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่ทำให้เกิดความส่องสว่างที่มีคุณภาพ


รูปที่ 5: Daylighting , lighting and shading study


       กรณีศึกษา: พิพิธภัณฑ์ Victoria and Albert Museum (V&A) , UK
      
ในการออกแบบระบบแสงสว่างของพิพิธภัณฑ์ V&A ในกรุงลอนดอนได้ใช้เทคนิคการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ในการคำนวณหาระดับการส่องสว่างจากแสงธรรมชาติ (natural light level) เพื่อรักษาวัตถุที่นำมาแสดงที่ไวต่อแสง นอกจากนี้แบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์นี้ยังเปลี่ยนวิธีการแสดงผลจากเส้นกราฟหรือแสดงโทนสี ให้กลายเป็นภาพสามมิติแสดงแสงและสี (Visualize) ภายในพิพิธภัณฑ์และที่วัตถุที่จัดแสดง ทำให้ผู้เกี่ยวข้อเกิดความเข้าใจในระบบแสงสว่าง การส่องสว่าง และการให้สีกับวัตถุอีกด้วย


       4.  การสร้างแบบจำลองเพื่อศีกษาการควบแน่นเป็นหยดน้ำ (condensation modelling) การเกิดการควบแน่นเป็นหยดน้ำหรือปรากฏการณ์ condensation นั้นอาจจะเกิดขึ้นภายในอาคารที่มีการปรับอากาศได้หากว่าไม่ได้มีการศึกษา วิเคราะห์ และออกแบบอย่างเหมาะสม เราสามารถใช้แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ในการวิเคราะห์และระบุตำแหน่งและความถี่ที่จะเกิดปรากฏการณ์การควบแน่นเป็นหยดน้ำขึ้น


รูปที่ 6: Condensation modelling

       กรณีศึกษา : อาคาร Cedar Rapids Courthouse , USA
      
ในเบื้องต้นสถาปนิกได้ออกแบบงานเปลือกนอกที่ห่อหุ้มอาคารชนิด  point – fixed double – glazed façade โดยมีอุณหภูมิแตกต่างที่ 45 K ระหว่างภายในและภายนอกอาคาร โดยมีการวิเคราะห์ว่าจะมีโอกาสเกิดการควบแน่นเป็นหยดน้ำเกิดขึ้นที่กระจกหุ้มอาคาร (glazed enclosure) หรือไม่  แบบจำลอง heat flow ใช้ศีกษาความเป็นไปได้ที่จุดจับยึดรูปตัว H ที่มีฉนวนรองรับ จากการวิเคราะห์พบว่าต้องใช้กระจกชนิด thermally broken glass spacer  เพื่อไม่ให้เกิดการส่งผ่านความร้อนจนเกิดการควบแน่นเป็นหยดน้ำขึ้น

       5.  การศึกษาสมรรถนะของรูปด้านอาคาร (Façade performance) การออกแบบอาคารสมัยใหม่มักจะใช้กระจกเป็นเปลือกนอกของอาคารเพื่อทำให้อาคารมีความโดดเด่น การใช้กระจกเป็นเปลือกนอกของอาคารนี้ต้องคำนึงการส่งผ่านความร้อนภายนอกเข้าสู่ภายในอาคาร ระบบปรับอากาศต้องรับภาระความเย็นเพิ่มขึ้น รวมถีงมีค่าก่อสร้างที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับอาคารทั่วๆไป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการศึกษาด้านการใช้พลังงานและความสบายของอาคารที่มีห่อหุ้มด้วยกระจกเป็นเปลือกนอกของอาคาร


รูปที่ 7: Facade performance study – The Shard , UK

       กรณีศึกษา : อาคาร The Shard , UK
       อาคาร The Shard, UK มีความสูงเสียดฟ้า 300 เมตร เป็นอาคาร landmark ของเมือง เป็นอาคารใช้งานอเนกประสงค์  (mixed – use Tall building) ได้ใช้ building physics เพื่อศึกษาถึงการใช้กระจกหลายชั้น (multi – layered glass) และเทคนิคต่างๆเพื่ออกแบบ Façade engineering design ที่เหมาะสม นอกจากนี้ยังมีการศึกษาถึงการใช้แสงธรรมชาติเพื่อส่องสว่างภายใน และคำนึงการใช้พลังงานที่ต่ำ (low energy design) ตลอดทั้งฤดูหนาวและฤดูร้อน ผลการศึกษาพบว่าการออกแบบรูปด้านของอาคารต้องใช้กระจกใส (clear glass) สามชั้นจะมีความเหมาะสมที่สุด โดยชั้นในสุด (inner layer) จะมีช่องว่าง (cavity) เพื่อติดตั้งมู่ลี่ที่เลื่อนขึ้นลง (movable blind) รวมถีงเป็นช่องที่ระบายลมกลับ (return air) กลับไปที่เครื่องส่งลมเย็นอีกด้วย

       6.  การศึกษาถึงผลกระทบของภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง (Climate change impact assessment) ปัญหาภาวะโลกร้อนเป็นปัญหาที่มีผลกระทบต่อภูมิอากาศโลก ทำให้ภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง การออกแบบอาคารจึงต้องคำนึงถึงผลของภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลง วิศวกรออกแบบสามารถ Building Physics ศึกษาถึงผลกระทบที่จะเกิดขึ้นในอนาคตนี้ได้

รูปที่ 8: The Study of Whole life performance of housing


       กรณีศึกษา : Whole life performance of housing
       การก่อสร้างอาคารนั้นสภาวะแวดล้อมภายในอาคารเป็นสิ่งสำคัญ วิศวกรเครื่องกลต้องออกแบบอุณหภูมิภายในอาคาร (indoor temperature) ที่เหมาะสมมีความสบาย แต่ผลที่เกิดจากภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลงอาจจะทำให้อุณหภูมิภายในอาคารสูงขึ้นได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนเกิน (overheating) เราสามารถใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ศึกษาถึงผลที่จะเกิดขึ้นได้ในอนาคต เพื่อเป็นประโยชน์ในการออกแบบและวางแผนต่อไป


      7.  การศึกษาเพื่อคาดการณ์ถึงความสบาย (Comfort prediction) เป็นอีกหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานด้าน Building Physics กับการออกแบบระบบปรับอากาศที่มีความต้องการพิเศษ (high demanding design) เพื่อก่อให้เกิดความสบาย (comfort) ขึ้นโดยคำนึงถึงเงื่อนไขภายในและภายนอกอาคารเพื่อบรรลุถึงความต้องการของเจ้าของโครงการ

รูปที่ 9: Comfort prediction technique


       กรณีศึกษา: โรงแรม the Battersea West Hotel, UK
       ในการปรับปรุง โรงไฟฟ้า Battersea Power Station เป็นโรงแรมนั้น สถาปนิกได้ออกแบบให้อ่างอาบน้ำในห้องพักอยู่ในตำแหน่งใกล้กับกระจกอาคารด้านทิศตะวันตก จึงมีคำถามตามมาว่า แขกจะมีความสบายตลอดเวลาในการอาบน้ำหรือไม่ ในฤดูหนาวที่กระจกของอาคารจะเย็นแต่แดดอบอุ่น และในฤดูร้อนที่กระจกของอาคารจะร้อนและมีแดดที่แรง จากผลการศึกษาโดยการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงการแลกเปลี่ยนรังสีความร้อน (radiant exchange) ระหว่างแขกที่อาบน้ำและสภาพแวดล้อมรอบๆ ทำให้สามารถจัดทำข้อแนะนำช่วยในการออกแบบกระจกอาคารอย่างเหมาะสม และปัจจัยอื่นๆเพื่อทำให้เกิดความสบายแก่ผู้อาบน้ำอีกด้วย


      8.  การศึกษากระแสลม (Airflow) เป็นการศึกษาเพื่อสร้างความเข้าใจถึงการหมุนเวียนของระบบปรับอากาศและระบายอากาศภายในอากาศ โดยผลที่ได้จะช่วยให้วิศวกรออกแบบสามารถถึงผลที่จะเกิดขึ้นก่อนการติดตั้งจริง และสามารถแก้ปัญหาที่จะเกิดขึ้นในอนาคตได้อีกด้วย



รูปที่ 10: Airflow study

      กรณีศึกษา : Ice hockey Italy
      โครงการ Ice hockey Stadium Olympics 20006 ในเมืองตูริน ประเทศอิตาลี เป็นโครงการที่ต้องมีการควบคุมสภาพอากาศภายในอาคาร (climate control) เพื่อรักษาให้พื้นผิวของน้ำแข็ง (ice surface) ให้อยู่ในเงื่อนไขที่เหมาะสมกับการเล่นกีฬาฮ๊อกกี้น้ำแข็ง และต้องคำนึงถึงความสบายของผู้ชมที่อยู่ในสนามกีฬา วิธีที่มีค่าใช้จ่ายที่ต่ำก็คือการส่งลมที่อุ่น (warm air) จากที่สูงไปยังผู้ชมการศึกษาด้วยการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ CFD เพื่อคาดการณ์ผลของลมอุ่นที่ออกจากหัวจ่ายลมด้วยความเร็วสูง (air jets) ผลการศึกษาสามารถปรับปรุงและลดความเสี่ยงจากการที่ลมร้อน (หรือลมอุ่น) จะมากระทบที่ผิวของน้ำแข็งทำให้เกิดเป็นหมอกบดบังทัศนวิสัยในการแข่งขันกีฬาและการชมกีฬา

      สรุป
      Building Physics สามารถนำมาใช้งานในการออกแบบอาคารสมัยใหม่ที่ครอบคลุมด้านวิศวกรรมโครงสร้าง งานสถาปัตยกรรม งานตกแต่งภายใน และงานระบบไฟฟ้าเครื่องกลประกอบอาคาร ซึ่งเป็นการออกแบบที่สลับซับซ้อนและต้องการการ่วมมืออย่างใกล้ชิดของทีมงานออกแบบ นวัตกรรมด้าน Building Physics สามารถช่วยให้การสื่อสารระหว่างทีมงานเป็นไปตามหลักวิทยาศาสตร์และเกิดความสำเร็จในงานได้อย่างรวดเร็ว


บทความ : ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์         

 อ้างอิง : 1.  www.arup.com            
    2.  Arup Building Physics   
      3.  Arup in Beijing            





อาคาร นันทวัน ชั้น 18 เลขที่ 161 ถ.ราชดำริ แขวงลุมพินี เขตปทุมวัน กรุงเทพมหานคร 10330 โทรศัพท์ : 02-651-8170-3 แฟกซ์ : 02-651-8124

 
  
view