چکیده

در دهه های اخیر روش های نوین طراحی،آنالیز و اجرای سازه های فضاکار در ساخت آثار نوین معماری بالاخص سبک وزن تاثیرات چشمگیری داشته است.آشنایی کامل برخی از معماران با رفتار مکانیکی این سازه ها از یک سو و امکانات محاسباتی فراهم شده در فناوری های مدل سازی کامپیوتری از سوی دیگر دست به دست یکدیگر داده و فرم های بدیعی را خلق نموده است.

بسیاری از چنین محصولات معماری-سازه ای،نتیجه ی آگاهی مهندسین معماری و عمران بر قابلیت های سازه های فضایی و توانایی درک رفتار سازه ای آن ها در انتقال نیروها بوده است. بی شک معماران امروزی برای نیل به ایده های شکلی نوین در طراحی خود می بایست تسلط کافی را بر مفاهیم انتقال نیروها در چنین سازه هایی داشته باشند.

نگارندگان این مقاله پژوهش خویش را در زمینه ی روش های طراحی فرمی سازه های فضاکار شروع کرده اند و بر این تلاش هستند که دسته بندی مناسبی از فرم های چنین سازه هایی را ارائه دهند.امکانات،قابلیت ها،روش های اجرا،مزایا ومحدودیت های هر کدام مورد تحلیل و ارزیابی قرار گیرد تا شیوه نامه ای مختصر از انتخاب گزینه های گوناگون سازه های فضایی برای مهندسان فراهم آید.

مقدمه

آن چه سازه های فضاکار را از دیگر سازه های متداول ساختمانی تفکیک می نماید آن است که

1)      پایداری و ایستایی آن ها نسبت به سازه های مشابه بالاخص در برابر نیروی زلزله بهتر می باشد.

2)      ماندگاری این سازه ها و مدت عمر مفیدشان بسیار زیاد است.

3)      تکنولوژی ساخت آن ها به روز است و دائما در حال پیشرفت می باشند.

4)      سازه های فضاکار به عنوان ساختارهای ساختمانی سبک وزن تلقی می شوند که به همین جهت گرایش دست اندرکاران ساخت به چنین سیستم هایی رو به افزایش است.

5)      پیش ساخته بودن اکثر اجزای این سازه ها اطمینان مهندسین را در اجرای دقیق و بدون نقص آن ها به خود جلب نموده است.

6)      تنوع و گوناگونی شکلی آن ها،دامنه ی کاربرشان را از نظر کاربردشان را از نظر کاربری های فضاهای معماری،عناصر و جزئیات کاربردی ساختمانی و نیز مصالح به کار رفته در تشکیل چنین ساختارهایی بالا برده است.

هرچند فرآیند طراحی و اجرای سازه های فضایی با افزایش تنوع در فرم ،مشکل تر می شود اما از آنجا که نتایج حاصل از به کارگیری این سازه ها معمولا در حد قابل قبولی مورد تایید کاربران و ساکنین این فضاها بوده است،بهره برداری از آن ها مطلوب مهندسان معمار ،عمران می باشد و کاربردشان روز به روز در حال گسترش است.

به منظور به کارگیری مناسب چنین سازه هایی لازم است که معماران اولا به رفتار سازه های فضاکار به همراه قابلیت های سازه ای و کاربردهای فضایی ارائه گردد.بدیهی است که طبقه بندی مذکور کاملا نظری بوده و براساس نمونه های واقعی می باشد که تاکنون طراحی و اجراگردیده است. لذا ممکن است دیگر صاحب نظران این رشته بتوانند دسته بندی های جدیدی در این مجموعه بیان کرده و یا مواردی را بدان اضافه نمایند.

انواع شکلی سازه های فضایی

فرم های گوناگون که سازه های فضاکار می توانند داشته باشند،در قالب پنج گروه کلی طبقه بندی می شود:

1. سازه های فضاکار با عناصر سازه های متداول
2. سازه های فضاکار با فرم های تخت غیر مسطح
3. سازه های فضاکار با سطوح مدور
4. سازه های فضاکار با فرم های آزاد
5. سازه های فضاکار با فرم های پیچیده

سازه های فضاکار با فرم عناصر سازه ای متداول

نظام سازه ای بیشتر ساختمان های موجود در جوامع حرفه ای امروزی از الگوی واحدی پیروی می کند که تقریبا همه مهندسین ساختمان با آن آشنایی دارند. این نظام از بالا به پایین ابتدا نیروهای سقف را به تیرها و سپس از تیرها به ستون ها و در نهایت از ستون ها به پی منتقل می کند. عناصر سازه که در این سیستم به کار می روند خود می توانند به شیوه ی فضاکار طراحی واجرا شوند که در این صورت توانایی باربری و مقاومت بالاتری در برابر نیروها و لنگرهای وارده به ساختمان به وجود خواهند آورد.یکی دیگر از وِیژگی های چنین ساختارهایی معمولا عدم نیاز به مهاربند در مقابله با نیروهای جانبی است.

1-      فرم های تخت و مسطح

از فرم های تخت و غیر شیب دار به منظور پوشانیدن سقف های بزرگ استفاده می شود که مزیت این سقف ها حذف عضو “تیرچه” و باربری یکنواخت سقف است.این فرم ها می توانند مستقیما بارخود را بر ستون وارد کنند که در این صورت نیازی به طراحی تیرهای ساختمانی نخواهد بود.همچنین طراحان می توانند آن گونه پیش بینی نمایند که بارهای این سقف ها به تیرها وارد شود.

2-      تیرهای فضاکار

سقف های بزرگ و سنگین ساختمان به دلیل انتقال نیروی زیاد به تیرها موجب افزایش لنگر خمشی در آن ها می شوند،که در این صورت حساسیت طراحی چنین تیرهایی افزایش می یابد.در چنین مواردی یکی از گزینه های مطلوب برای بارگذاری دهانه های سنگین و یا با طول زیاد به کارگیری تیرهایی به شکل سازه های فضاکار دو بعدی است که اصطلاحا به خرپای دو بعدی مشهورند.

3-      فرم های کارکردی در نقش ستون

اعمال بار زیاد بر ستون های ساختمان و یا استفاده از ستون های با طول زیاد بدون اتصال به اجزای دیگر موجب افزایش کمانش در آنها می شود که باعث بالا رفتن ویژگی لاغری و کاهش پایداری این عناصر در برابر نیروهای قائم ساختمان خواهند شد.در چنین اوضاعی پیشنهاد می شود که از ستون های فضاکار استفاده شود.عموما این ستون ها به صورت فضایی و سه بعدی طراحی و اجرا می شود و کمتر مواردی است که آن ها را به صورت دو بعدی به کار برند و این به دلیل آن است که کمانش در هر جهتی ممکن است در آنها به وجود آید.

4-      اعضای پشتیبان

سازه های فضاکار جز آن که در نقش اعضای سازه ای اصلی به کار گرفته می شوند،به دلیل مقاومت بالا و پایداری مطلوبی که در برابر انواع نیروهای وارده به ساختمان از خود نشان می دهند می توانند نگهدارنده ی برخی اعضای فرعی دیگر باشند.این اعضا ممکن است دیوار رانشی در گودبرداری(سازه ی نگهبان )،دیوار حایل در شیب،نگهدارنده ی شیشه ها،اعضای کابلی کششی و یا طره های بزرگ باشند. در این شرایط طراحان می توانند سازه ی مستقل فضاکاری به منظور پشتیبانی این اجزاء طراحی نمایند و یا بعضا از اعضای طراحی شده به عنوان سقف،تیر و ستون به صورت چند منظوره استفاده کنند.

سازه های فضاکار با فرم های تخت غیر مسطح

فرم های شیب دار و غیر مسطح ساختمانی ویژگی خاصی در سازه به وجود می آورند که در نتیجه یکی از گزینه های مطلوب در اجرای آن ها به کارگیری سازه های فضاکار خواهد بود. در چنین فرم هایی انتقال بار به صورت غیریکنواخت خطی افزاینده در طول سازه اتفاق می افتد و بخشی از نیرو نیز به شکل نیروی محوری در آن انتقال می یابد.

1-      فرم های شیب دار

ساده ترین شکل چنین سازه هایی سقف هایی هستند که به دلایل کارکردی،اقلیمی،محیطی و یا توپوگرافی زمین به صورت مایل اجرا می شوند و به دلیل رانشی که در جهت شیب به وجود می آورند امکان استفاده از تیرچه ها و حتی تیرها سازه ای در آن محدود و پیچیده خواهد شد. لذا این سقف ها عموما به صورت خرپاهای دوبعدی و یا سه بعدی طراحی و اجرا می گردند.

2-      فرم های هرمی

رفتار سازه ای فرم های هرمی شبیه به سازه های شیب دار است با این تفاوت که معمولا حداقل دو شیب معکوس در این فرم ها به یکدیگر تکیه می کنند و به دلیل انتقال ساده تر نیروها از نقطه ی اوج سازه به بخش های تحتانی،شکل های فضاکار آن ها سبک تر و با مقاومت کمتری می توانند طراحی شوند. این مجموعه ها اغلب دارای فرم های متقارنی هستند که زیبایی بصری را نیز همراه دارند.

3-      فرم های شکسته

در طراحی معماری برخی بناها،به دلایل ایده های فرمی و تصورات کلی خاص ذهنی معمار، برخی از تولیدات ساختمانی دارای پوسته ی شکسته و بعضا نامنظمی هستند تا بتوانند اهداف ایده پردازانه ی طراح را به صورت بصری به نمایش بگذارند.در چنین شرایطی یکی از بهترین راه کارهای سازه ای موجود استفاده ی از فرم های پیوسته ی فضاکاری است که در نقاط مورد نظر شکستگی را به وجود آورده اند. در این سازه ها عموما به دلیل پیوستگی فضایی،سقف،دیوار،ستون و دیگر اعضای سازه ای با یکدیگر یک پارچه و بعضا غیرقابل تفکیک می شوند.

سازه های فضاکار با سطوح مدور

به نظر می رسد به دلیل ویژگی های شکلی و نوع انتقال بار در سازه های فضاکار،فرم های این سازه ها عموما به صورت مستقیم و مسطح قابل اجراست. اما با امکانات شبیه سازی رایانه ای و توانایی آلیاژهای مورد استفاده امروزه می توان فرم های غیرمسطح و با بدنه های منحنی و در عین حال منظم برای سازه های فضاکار طراحی نمود.این فرم ها را در سه گروه قوسی،گنبدی و کروی تقسیم می کنند.

1-      فرم های قوسی

فرم های قوسی به دلیل تبدیل نیروهای قائم به نیروهای داخلی فشاری در سازه،از دیرباز در بیشتر شیوه های ساخت و ساز متداول بوده اند که انواع طاق ها در معماری سنتی از آن قبیل می باشند. از مزایای طراحی چنین سازه هایی وسیع شدن دهانه ها و سادگی طراحی فنی آن ها است.امروزه با امکانات موجود،چنین قوس هایی را در مقیاس بزرگ تر و با استفاده از سیستم های فضایی طراحی و اجرا می کنند.

از آن جا که چنین فرم هایی در صورت اجرای فضایی،به شیوه ی مدولار طراحی می شوند،بسیاری از قطعات
آنان می تواند به صورت پیش ساخته تولید شود و با اتصال به یکدیگر فرم نهایی یک قوس را ایجاد کنند. شیب این قوس ها در نقطه ی اتصال به تکیه گاه می تواند زیاد باشد که در این صورت قوس به فرم نیم دایره نزدیک خواهد شد. چنین قوس هایی به نسبت دهانه ای که می پوشانند دارای ارتفاع بیشتری نسبت به نمونه های مشابه می باشند.

2-      فرم های گنبدی

تمامی ویژگی هایی که برای سازه های قوسی ذکر شد در فرم های گنبدی نیز وجود دارد،تقریبا تنها تفاوتی که در این میان موجود است آن است که در قوس ها تقارن محوری شکل می گیرد در حالی که در فرم های گنبدی تقارن مرکزی به وجود می آید و به جای آن که کلیه ی بارهای قائم در دو تکیه گاه خطی وارد شود،در یک سطح مدور توزیع می گردد.

اساس شکلی فرم های گنبدی در سازه های فضاکار می تواند

1)      به صورت صفحات شکسته ای باشد که بخشی از یک چندوجهی منتظم را تشکیل می دهند و اصطلاحا بدان گنبد ژنودزیک گویند و یا

2)      از اعضای فشاری منظم و مرکزگرایی تشکیل شده باشد که در یک سیستم پیچیده ی رو به پایین،بارها را به تکیه گاه می کنند.

3-      فرم های کروی

4-      چنان چه سیستم های سازه ای گنبدی زاویه ی فضایی بیش از 180 درجه را بپوشانند فرم های کروی تشکیل می گردد. در واقع فرم های کروی یا یک سازه ی کروی کامل اند و یا بخش بزرگی از سازه ی کروی را به خود اختصاص می دهند . استفاده از این فرم ها به دلیل فضای غیرمفیدی که اشغال می نمایند ،کمتر از سیستم گنبدی کاربرد دارد. به هر حال طراحی و اجرای هر دو فرم گنبدی و کروی،جز از روش های سازهای فضاکار،به سادگی امکان پذیر نیست.انتقال بار سازه های کروی کامل به زمین چون تکیه گاه مشخصی برای اتصال به سطوح زیرین ندارند،با مشکلاتی روبه روست،بنابراین لازم است که یک سازه ی کمکی به منظور نگهداری این کره ها طراحی گردد.

سازه های فضاکار با فرم های آزاد

طراحی سازه های فضاکار تنها به فرم های مسطح یا مدور منظم محدود نمی شود.امروزه می توان تمام تخیلات ذهنی معماران را در خلق پوسته ی بیرونی ساختمان به روش های گوناگونی به اجرا درآورد.یکی از این شیوه ها استفاده از سازه های فضاکار است.با استفاده از شبیه سازی رایانه ای،امکان طراحی بیشتر فرم های آزاد فضایی با به کارگیری این سازه ها فراهم شده است.هرچند هنوز مدل های واقعی ساخته شده اندک می باشند.

1-      فرم های آزاد منظم

           اگرچه فرم های آزاد می توانند به هر شکلی که ایستایی کلی سازه را تامین کنند،طراحی شوند،اما چنان چه نظمی عمومی                     در اجزای آن برقرار باشد،طراحی و اجرای آن ساده تر خواهد بود.در عین حال فرم های آزاد منظم،احساس پایداری بیشتری به بیننده القاء می کنند.نظم این فرم ها می توانند از جنس تقارن(محوری و مرکزی)باشد و یا از فرم های پوسته ای پایدار تبعیت کند(که عموما در سازه های کششی چادری به کار می روند). همچنین می توان با تکرار منظم یک شکل نامنظم باز هم این هدف را تامین نمود.

2-      فرم های آزاد نامنظم

در بررسی که میان نمونه های اجرا شده از فرم های آزاد سازه های فضایی به عمل آمد،به نظر می رسد که علاقه ی معماران در این نمونه ها آن است که حتی الامکان از محدودیت هایی چون نظم و تقارن خارج شوند .بنابراین نمونه های قابل توجهی از سازه های فضاکار با فرم های نامنظم وجود دارد.از آن جا که در این سازه ها نظم هماهنگی دیده نمی شود،شکل های بسیار متنوعی به خود می گیرند.بعضی از این فرم ها در واقع شکلی منظم بوده اند که قسمتی از آن بریده شده یا تغییری در جهت مخالف نظم سازه در آن به وجودآمده است.

سازه های فضاکار با فرم های پیچیده

ایده های خلاق معماران در طراحی سازه های فضاکار تنها به شکل های واحد و یا منظم بسنده نکرده و همان گونه که در قسمت 4-2 مشاهده شد،به تغییراتی در فرم های متداول دست زده است. گونه های دیگری از این سازه ها نیز هستند که پیشتر رفته و از ابتدا با سیمای پیچیده ای طراحی شده اند.این نمونه ها را به سادگی نمی توان در گروه های فوق الذکر قرار داد.بنابراین به دلیل خاص بودن شکل فضایی شان در گروه جدیدی قرار گرفته اند.

1-      فرم های تکرار شونده

گروهی از سازه های فضایی پیچیده هستند که به دلایل عملکردی با برخی محدودیت ها در اجرای توده های سازه ای بزرگ،به صورت تکرار یک فرم سازه ای فضاکار که بعضا خیلی پیچیده هم نیست طراحی می گردند.نکته ی پیچیده در طراحی چنین سازه هایی پیش بینی چگونگی اتصال هر دو قطعه ای است که باید در کنار هم بنشینند.تکرار این فرم ها می توانند هم در یک طول اتفاق بیافتد و هم حول یک مرکز به وجود آید.

2-      فرم های طولی

سازه های فضایی هستند که یک بعد آن ها نسبت به وجوه دیگر کشیدگی بیشتری دارد.عموما این سازه ها به منظور طراحی پل ها و ساختمان های کشیده ای چون ایستگاه قطار و مترو به کار گرفته می شوند.

3-      فرم های ترکیبی

می توان برخی فرم های سازه های فضاکار را که با هم همخوانی بیشتری دارند به دلایل عملکردی،فرمی،توسعه و یا موقعیت قرارگیری در کنار برخی همسایگی ها با یکدیگر ترکیب نمود و فرم های جدیدی حاصل کرد. مثلا ترکیب فرم گنبدی با سطوح مدور یا فرم قوسی با فرم های تخت عمودی که در نمونه های زیر مشاهده می شود،روشی است برای به دست آوردن فرم های ترکیبی که معمار را به اهداف ایده ای و کارکردی اش نزدیک کرده است.

4-      فرم های متکی بر هم

در بعضی سازه های فضاکار به منظور تامین ارتفاع بیشتر در بدنه ی خارجی یا توسعه فضای قابل استفاده در زیر آن و یا بی نیازی از به کارگیری دیگر اجزای سازه ای غیرفضایی،بخش هایی از سازه را برهم تکیه می دهند.این گونه اتکا موجب می شود تا پایداری این سازه ها در برابر نیروهای قائم و جانبی بالا رفته و گاه مقاومت آن ها در جهات متقابل نیز به طور یکسانی افزایش یابد.

سخن پایانی

گوناگونی شکلی سازه های فضاکار محبوبیت و کاربری آن ها را در میان مهندسان بالا برده است.به جرات می توان گفت اکثر ایده های معماری امروزه به خوبی با سازه های فضایی قابل اجرا هستند.یکی از علت های این تنوع خلاق،سبکی مجموعه ی اجرا شده در برابر نمونه های مشابه از سازه های سنتی متداول است.همچنین به کارگیری روش های نوین شبیه سازی و تحلیل نیرو ها،طراحی آن ها را مسیر و تسریع نموده است.

به نظر می رسد بهترین روش استفاده از سازه های متنوع فضاکار در طراحی معماری،مشاهده نمونه های عملی اجرا شده در جای جای دنیای پیشرفته می باشد. توانایی شرکت های بزرگ سازه ای امروزه به حدی افزایش یافته است که کمتر می توان فرم های مشابه و تکراری در موارد ساخته شده را مشاهده نمود.از سوی دیگر درک انتقال نیروها در چنین سیستم های سازه ای نیاز به عمیق شدن مهندسان در همان نمونه های موجود دارد.بنابراین به نظر می رسد نیکوست که بانکی جامع از اطلاعات مدون تصویری و فنی چنین تجربیاتی برای استفاده ی معماران و مهندسین عمران جمع آوری شود و حتی نمونه های کوچکی از آن به صورت آزمایشگاهی در دانشگاه و مراکز تحقیقاتی ساخته و مورد بررسی قرار گیرد.

تهیه کنندگان:دکتر علی اکبر حیدری،مهندس محمد فرخ زاده