اگرچه طراحی یک ساختمان در شرایط عادی پیچیدگی‌های متعددی را به همراه دارد، هنگام توسعه در یک محیط سخت همچون مکان‌هایی با دمای بسیار بالا یا پایین، مکان‌هایی که در معرض تحلیل، تشعشع و موارد این‌چنینی هستند، با پیچیدگی‌ها و چالش‌های بیشتری روبه‌رو می‌شود.

ساختمان‌ها باید در برابر اثرات طبیعت مقاوم باشند و سرپناهی ایمن برای ساکنان فراهم کنند. اگرچه اساس روند طراحی و معماری به همین صورت است اما، دستیابی به این مهم در محیط‌های چالش‌برانگیز مستلزم در نظر گرفتن جنبه‌های مختلفی مانند عملکرد، تهویه، عایق، فرم، مصالح ساختمانی، مقاوم‌سازی در برابر زلزله، سرمای سخت و سایر شرایط سخت و همچنین زیبایی‌شناسی است. برای رسیدن به این هدف لازم است خلاقیت و علم با هم ادغام شوند تا علاوه بر ظاهر و عملکردی متعادل، اطمینان حاصل شود که ساختمان بادوام و پایدار است.

یک رویکرد کلیدی در طراحی این قبیل ساختمان‌ها، استفاده از تکنیک‌های طراحی غیرفعال است که از منابع تجدیدپذیر استفاده می‌کند و نیاز به سیستم‌های گرمایش و سرمایش فعال را به حداقل می‌رساند. برای مثال، ساختمان‌ها در مناطق بسیار سرد باید برای برقراری هماهنگی بین به حداکثر رساندن قرار گرفتن در معرض خورشید و به حداقل رساندن اتلاف گرما طراحی شوند، در حالی که در مناطق بیابانی باید از دیوارهای ضخیم و سیستم‌های سایه‌انداز برای جلوگیری از ورود گرمای بیش از حد استفاده کنند.

علاوه بر این، طراحان می‌توانند از مواد و فناوری‌های پیشرفته برای ایجاد ساختمان‌های پایدارتر و کاربردی در محیط‌های خشن استفاده کنند. استفاده از مواد عایق پیشرفته در سازه‌ها موجب افزایش بهره‌وری انرژی در ساختمان‌های واقع در سرمای شدید می‌شود و استفاده از پنل‌های خورشیدی و سایر منابع انرژی تجدید پذیر در مناطق بیابانی می‌توانند وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد. فناوری‌های ساختمان‌سازی همچون سازه‌های ماژولار و پیش‌ساخته علاوه بر سرعت بخشیدن به فرایند ساخت‌وساز، میزان ریسک و قرارگرفتن در معرض خطرات را کاهش می‌دهد.

مصالح و تجهیزاتی که برای شرایط سخت طراحی شده‌اند به روش‌های نگهداری و تعمیر خاصی نیاز دارند که باید به‌صورت واضح به اپراتورها اطلاع داده شود و اطلاعات مربوط به آن‌ها در مکان مناسب مستند شود. در ادامه چالش‌ها و راهکارهای اصلی برای معماری در شرایط سخت بررسی می‌شود.

*آب‌وهوای سرد

در مناطقی با دمای بسیار پایین مثل قطب شمال و قطب جنوب، ممکن است مصالح ساختمانی انعطاف‌پذیری خود را از دست بدهند و بیشتر در معرض شکستگی و ترک خوردن قرار گیرند و ماشین‌آلات نیز دچار اختلال شوند. به‌علاوه کارگران با خطرات سلامتی مانند سرمازدگی و هایپوترمی مواجه هستند. در بعضی از مکان‌ها که زمین همواره منجمد و یخ‌زده است، مشکلات قابل‌توجهی برای ساخت فونداسیون ایجاد می‌شود و عملیات باید با احتیاط کامل انجام شود.

برای کاهش این چالش‌ها، مؤثرترین راهبرد طراحی یک محفظه حرارتی با کیفیت بالا است که می‌تواند ترکیبی از عایق، درزگیری هوا و پنجره‌های با اندازه مناسب باشد. مواد نوآورانه‌ای مانند ایروژل می‌توانند اتلاف حرارت را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهند. پنجره‌های سه‌جداره نیز با ایجاد یک سد مؤثر در برابر سرمای بیرون به حفظ گرما کمک می‌کنند.

بتن مسلح و فولاد مخصوص به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در مقابل شرایط سرمای شدید مقاومت کنند و در عین حال یکپارچگی ساختاری خود را حفظ کنند. استفاده از فناوری‌های ساخت‌وساز ماژولار نیز در این شرایط سودمند است که امکان ساخت اجزای پیش‌ساخته را در محیط‌های کنترل‌شده فراهم می‌کند. در این روش ماژول‌های پیش‌ساخته به‌سرعت در محل مونتاژ می‌شوند و از قرار گرفتن کارگران در معرض سرمای شدید تا حد زیادی جلوگیری می‌شود.

در نهایت، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر سازگار با آب‌وهوای سرد همچون گرمایش زمین‌گرمایی (ژئوترمال) و خورشیدی، می‌تواند به ساخت‌وسازهای پایدار و کارآمد کمک کند. برای مثال، سیستم‌های گرمایش زمین‌گرمایی از گرمای زیرزمینی بهره می‌برند که با وجود یخ‌زدگی در سطح، از دمای پایداری در اعماق زمین استفاده می‌کند و منبع ثابت و قابل‌اعتمادی را برای گرمایش ساختمان فراهم می‌کند.

*آب‌وهوای گرم

در مناطقی با درجه حرارت بسیار بالا مثل بیابان‌ها و مناطق گرمسیری، مصالح ساختمانی می‌توانند با سرعت بیشتری انبساط یابند و خراب شوند. عملکرد ماشین‌آلات نیز در دمای بیش از حد گرم با اختلال مواجه می‌شود. کارگران با خطرات سلامتی مانند گرمازدگی و کم‌آبی مواجه هستند که باید از شیفت کاری ایمن برای آنها اطمینان حاصل شود. علاوه بر این، نیاز دائمی به سرمایش یک چالش مهم برای بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها در این مناطق است.

ساختمان‌های چوبی یا فلزی با وزن کم برای کاهش چالش‌های آب‌وهوای گرم و مرطوب گرمسیری ایده‌آل هستند. دیوارهای عظیم و سنگین برای آب‌وهوای معتدل یا جاهایی بهتر است که دما بین روز و شب تفاوت قابل‌توجهی دارد. استفاده از محلول‌های عایق حرارتی کارآمد نیز کمک بزرگی به کاهش چالش‌های بهره‌وری انرژی می‌کند.

مواد نوآورانه همچون پوشش‌های بازتابنده، می‌تواند جذب گرما را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد. لعاب‌کاری با محافظ خورشیدی می‌تواند با مسدود کردن مقدار قابل‌توجهی از تابش خورشیدی به پایین نگه داشتن دمای داخلی ساختمان کمک کند. سیستم‌های تهویه طبیعی، مانند دالان‌ها، نورگیرها و کف‌پوش‌های بریس با بهبود گردش هوای داخل ساختمان، نیاز به سیستم‌های تهویه را کاهش می‌دهند و محیط داخلی خنک‌تر و راحت‌تری را ایجاد می‌کنند.

*محیط‌های دریایی

هوای دریا سرشار از نمک و رطوبت است که خوردگی مواد را تسریع می‌کند و تهدیدی قابل‌توجه برای مصالح ساختمانی به‌حساب می‌آید. برای مبارزه با این موضوع، باید از موادی استفاده کرد که در برابر خوردگی مقاومت بالاتری دارند. فولادهای ضدزنگ و آلومینیوم برای مصارف دریایی به دلیل وزن سبک و مقاوم در برابر خوردگی بسیار کاربردی هستند. پوشش‌های محافظ پیشرفته همچون رنگ‌های اپوکسی و پلی‌اورتان موانع بیشتری در برابر عناصر خورنده دریا ایجاد می‌کنند.

موادی مانند فولاد گالوانیزه که با لایه‌ای از روی پوشانده شده باشد، مقاومت بیشتری در برابر زنگ‌زدگی و اکسیداسیون دارند. علاوه بر این، مواد کامپوزیتی پیشرفته مثل پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف، بدون نیاز به پوشش‌ها یا عملیات اضافی مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند و گزینه‌ای مؤثر برای ساخت‌وساز در محیط‌های دریایی هستند. استفاده از مواد با خوردگی قابل‌کنترل، یعنی لایه‌های اکسیدشده که از اکسیداسیون داخل یک عنصر محافظت می‌کنند، مثل مس و روی نیز می‌تواند در این محیط‌ها کارآیی داشته باشد.

*باد و باران شدید

در مناطقی که در معرض باد و باران شدید قرار دارند، مصالح ساختمانی باید در برابر نیروهای شدید و نفوذ آب مقاوم باشند. برای کاهش این چالش‌ها، استفاده از موادی که مقاومت و نفوذناپذیری بالایی دارند ضروری است. بتن مسلح و فولاد سازه‌ای به دلیل توانایی آن‌ها در مقاومت در برابر بادهای شدید و ضربه‌های ناشی از آوار، عناصر کلیدی ساخت‌وساز در این مناطق هستند. همچنین سیستم‌های لنگر مقاوم و تکنیک‌های ساخت‌وساز مقاوم در برابر طوفان برای افزایش پایداری این سازه‌ها استفاده می‌شود.

مواد ضدآب مانند پوسته‌های ضدآب و پوشش‌های پلیمری برای جلوگیری از نفوذ آب، محافظت از پایه‌ها و سایر قسمت‌های آسیب‌پذیر ساختمان استفاده می‌شود. پنجره‌ها و درهای مقاوم در برابر ضربه، همراه با کرکره‌های مقاوم در برابر طوفان، محافظت بیشتری در برابر باد و باران شدید ایجاد می‌کنند. تکنیک‌های زهکشی کارآمد مثل ناودان‌ها و زیرساخت‌های مناسب برای مدیریت آب باران و جلوگیری از آسیب‌های ساختاری نیز در این مناطق ضروری هستند.

*ارتفاعات بالا

در مناطقی که در ارتفاعات بسیار بالا قرار دارند، چالش‌ها شامل فشار کم اتمسفر، تغییرات شدید دما، قرار گرفتن در معرض تابش شدید خورشید و نیاز به محافظت در برابر بهمن و سایر پدیده‌های طبیعی است. طراحی ساختمان‌ها در این شرایط مستلزم ملاحظات طراحی و مصالح خاص برای اطمینان از ایمنی، آسایش و بهره‌وری انرژی است.

عایق‌ها و عملکرد حرارتی کارآمد از ملاحظات حیاتی ساخت‌وساز در این مناطق است. پنجره‌های دو یا سه‌جداره عایق اضافی را فراهم می‌کنند و به حفظ دمای داخلی پایدار کمک می‌کنند. مواد با جرم حرارتی بالا مثل بتن و سنگ می‌توانند گرما را جذب و آزاد کنند و به افزایش بهره‌وری ساختمان کمک کنند.

یکپارچگی ساختاری یکی دیگر از نگرانی‌های مهم در این مناطق است. انعطاف‌پذیری سازه‌های فولادی آن‌ها را برای مناطقی با بارهای سنگین برف و بادهای قوی مناسب می‌کند. مواد کامپوزیت پیشرفته با وزن کم و استحکام بالا یکی دیگر از راه‌حل‌هایی مقاومت در برابر شرایط آب‌وهوایی شدید هستند که در عین حال هزینه‌های حمل‌ونقل را نیز کاهش می‌دهند.