سازه فضا کار چیست؛ انواع و کاربردهای آن
سازه فضاکار یا سازه فضایی (Space frame structure) سازه‌ای سه‌بعدی، سبک و با شبکه‌ای از اعضای خرپایی است. این سازه همچون میله‌های کوچک باتوجه‌به فشاری که می‌بایست تحمل کنند به‌شکل دقیق ایجاد شده و به‌یکدیگر وصل می‌شوند. سازههای فضاکار به‌دلیل اجرا در اشکال هندسی گزینه مناسبی برای نمایشگاه‌ها و پاساژهای بزرگ به‌حساب می‌آیند. این سازه توسط الکساندر گراهام بل در بازه زمانی ۱۸۹۸ الی ۱۹۰۸ بر مبنای هندسه چهارضلعی ایجاد شد. دلیل ساخت آن توسط گراهام بل هم علاقه‌اش به تولید قاب‌های سخت و مقاوم برای مهندسی دریایی و هوانوردی بازمی‌گردد. بعد از آن، سیستم شبکه فضایی معروف بهMERO توسط دکتر Mengeringhausen در سال ۱۹۴۳ گسترش داده شد و درنهایت، بکارگیری خرپاهای فضایی در معماری به‌تدریج افزایش یافت. درادامه قصد معرفی کامل سازه فضاکار و انواع آن را داریم.
اجزا و ساختار سازه فضاکار
سازه فضایی متشکل از چند جزء اصلی است که هر یک از آن‌ها بر میزان مقاومت، دوام و کارکردش تاثیر می‌گذارند. در قسمت زیر، ابتدا به اعضای محوری و سپس، به ویژگی‌های ساختاری آن پرداخته شده است:
- اعضای محوری و اتصالات
اعضای محوری شامل میله، لوله و پروفیل می‌شود که بارها را هدایت می‌کنند. این اعضا اغلب از جنس فولاد، آلومینیوم و در برخی موارد، چوب هستند. از اتصالات آن‌ها هم می‌توان به‌گره‌ای ساده، چندبازویی و گنبدی اشاره کرد. درکل، میزان مقاومت نقاط اتصال بسیار مهم است و باید توجه ویژه‌ای به آن‌ها شود؛ زیرا تاثیر چشمگیری بر پایداری سازه می‌گذارند.
- ویژگی‌های ساختاری
طراحی سازه فضایی باید به‌گونه‌ای باشد که ویژگی‌های ساختاری مانند توزیع بارهای کششی و فشاری را داشته باشد. برای این منظور، باید مهارت‌های لازم را داشت و سازه را به بهترین شکل ممکن پیاده‌سازی کرد تا فشارهای وارده در ساختار کلی آن پخش شده و فشار مضاعفی به‌قسمت خاصی وارد نشود. در این بین، طرح مثلث‌بندی به توزیع بار و استحکام‌بخشی سازه کمک می‌کند.
انواع سازه فضاکار
سازه فضایی یا فضاکار قابل اجرا در مدل‌های مختلف است و تنوع بالایی دارد. در یک دسته‌بندی، انواع سازه فضاکار ازنظر فرم و شکل هندسی شامل موارد زیر می‌شود:
- سازه فضاکار صاف
سازه فضایی صاف دارای ظاهری تخت، مسطح و یکنواخت است و سطوح بالا و پایین آن با هم موازی بوده و در موازات زمین قرار می‌گیرند. در تعریف دیگر، این سازه سیستمی یک الی چند وجهی با تعدادی لایه واحد شبکه است. به‌طورکلی، سازه فضایی صاف یا تخت امکان داشتن یک، دو، سه و حتی بیش از چند لایه را دارد؛ اما بااین‌حال، اغلب به‌صورت دو لایه اجرا می‌شود.
- سازه فضاکار منحنی
سازه فضایی منحنی به‌عنوان یکی دیگر از انواع سازه فضاکار متشکل از زیرساخت‌های مسطح است. این سازه به صفحه‌ای شباهت دارد که در آن، انحرافات توسط میله‌های افقی کنترل می‌شود و نیروهای برشی هم تحت پشتیبانی بخش‌های مورب قرار دارند. درکل، سازه منحنی دارای نمای ساده و کاربردی است و درعین‌حال، مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد.
- سازه فضاکار گنبدی
سازه فضایی گنبدی همانطور که از نامش پیداست، به یک گنبد بیضی شکل شباهت دارد. این سازه را با اتصال میله‌های کوچک و بزرگ به‌حالت مثلثی ایجاد می‌کنند که پیوند میان این مثلث‌ها شبیه‌به یک سازه گنبدی است. سازه گنبدی ظاهر بسیار زیبایی دارد و معمولا برای پروژه‌هایی با معماری ویژه مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- سازه فضاکار چلیک
سازه فضایی چلیک که به‌قوسی هم معروف است، به‌صورتی طراحی و اجرا می‌شود که نمای داخلی و بیرونی آن به‌شکل کمانی و دایره‌ای باشد. فرم قوسی آن هم می‌تواند به‌حالت کامل یا ناقص باشد و محدودیتی در این زمینه وجود ندارد. بعلاوه سازه چلیک ازنظر اقتصادی به‌صرفه است و آن را با هزینه مناسبی می‌توان اجرا کرد.
- سازه فضاکار سینوسی
سازه فضایی سینوسی نمای زیبایی دارد و در آن، سازهها به‌شکل مجزا قرار گرفته و در چند نقطه به‌هم وصل می‌شوند. این نقاط که به نقطه عطف معروف هستند، طراحی و اجرای آن‌ها اغلب با یک قوس کوچک همراه است. درمجموع، سازه سینوسی یکی از زیباترین نمونه‌ها بوده که حتی به زیبایی محیط می‌افزایند.
- سازه فضاکار هرمی
سازه فضایی هرمی مانند مدل قبلی نمای زیبا و خاصی دارد. بعلاوه این سازه دارای مقاومت و پایداری بالایی است و آن را می‌توان در دهانه‌های بزرگ بیش از ۳۰ متر بکار گرفت. درکل، زیبایی چشم‌نواز و مقاوم بودن از مزایای سازه فضایی هرمی است. درمقابل، این سازه موجب افزایش مساحت شبکه فضاکار می‌شود و اجرای آن چندان مقرون‌به‌صرفه نیست.
- سازه فضاکار نیم‌قوسی
این سازه مناسب زمانی است که ستونهای اول و آخر قوس هم ارتفاع نیستند و هدف، اجرای سقف قوسی شکل است. درواقع، در برخی پروژه‌ها ممکن است معماری سازه یا شیب زمین به‌صورتی باشد که شرایط لازم جهت نصب پایه‌هایی با ارتفاع یکسان در هر دو سمت وجود نداشته باشد. در این حالت، ستونهای یک سمت کوتاه‌تر از طرف دیگر می‌شوند.
- سازه فضاکار دیسکی
سازه فضایی دیسکی، دایره‌ای شکل است و شمایل تختی دارد. از این سازه معمولا در پروژه‌هایی که ستون‌گذاری به شکل دایره‌ای است، استفاده می‌کنند. سازه فضایی با فرم دیسکی جزو سازههای بسیار زیبا است؛ اما پیاده‌سازی آن مشمول هزینه زیادی می‌شود. همچنین، این سازه ازنظر عملکرد هم به‌مدل‌های تخت شباهت دارد.
- سازه فضاکار تخت شیبدار
سازه فضایی تخت شیبدار ازنظر ظاهری به‌مدل هرمی شباهت دارد؛ اما شیب آن ملایم‌تر است. درواقع، این سازه را به‌صورتی طراحی می‌کنند که دو سقف شیبدار در یک نقطه به‌یکدیگر وصل شوند. از سازه فضایی تخت شیبدار اغلب در سقف سوله‌های صنعتی و گلخانه‌ها استفاده می‌کنند. درواقع، این سازه در سوله‌های صنعتی به‌صورت گسترده مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- سازه فضاکار فرم آزاد
معماران در طراحی سازه فضایی فرم آزاد می‌توانند از اشکال پیچیده و خاص استفاده کنند. اصولا، بکارگیری اشکال غیر منظم باعث ایجاد طرح‌های جذاب می‌شود؛ اما درکل، اجرای سختی دارد. این سازه فضایی معمولا در پروژه‌های فرهنگی ویژه، موزه‌ها و برج‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. به‌این‌ترتیب، ظاهر سازه فضایی فرم آزاد بسیار جذاب و منحصربه‌فرد است؛ ولی ساخت‌وساز سختی داشته که این موضوع باعث شده زیاد بکار گرفته نشود.
- سازه فضاکار ترتیبی
سازه فضایی ترتیبی باتوجه‌به لایه‌های مختلف شبکه‌ای شامل سه دسته زیر می‌شود:
- شبکه تک لایه: در این سازه تمام اعضا بر روی سطح تعبیه شده و فاقد پیچیدگی مدل منحنی است. درمجموع، این مدل از یک لایه مشبک ایجاد شده و اغلب در محیط‌های کوچک مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- شبکه دو لایه: این مدل یکی از سازههای فضایی پرمصرف و پرطرفدار است. برای ایجاد این سازه صفحات موازی را در مجاورت هم قرار می‌دهند و با لایه‌ها و عناصر میانی به‌هم وصل می‌کنند. این مدل متشکل از دو لایه مشبک است و در پروژه‌های بزرگتر نیازمند مقاومت بالا بکار گرفته می‌شود.
- شبکه سه لایه: این مدل متشکل از سه قسمت در سقف سازه فولادی است. شبکه فضایی در سقف‌های سه لایه یا سه بعدی توسط دو صفحه بالایی و پایینی در سقف و یک صفحه میانی ایجاد می‌شود. شبکه سه لایه باتوجه‌به ساختاری که دارد در سازه‌هایی با دهانه بزرگ مورداستفاده قرار می‌گیرد و اصولا، در پروژه‌های بزرگ، سنگین و پیچیده کارایی دارد.
مزایا و محدودیت‌ها سازه فضاکار
سازه فضایی یا فضاکار مانند سایر سازهها مزایا و معایبی دارد که قبل از اجرا باید نسبت‌به آن‌ها آگاه بود. درادامه لیستی از مزایا و محدودیت‌های سازه فضاکار آورده شده است. از مزایای سازه فضاکار می‌توان به‌موارد زیر اشاره کرد:
- سبک بودن
وزن سبک یکی از مشخصات باارزش سازههای فضاکار است. از دلایل سبک بودن آن می‌توان به مدل طراحی و مواد مورداستفاده در ساخت سازه اشاره کرد. درکل، کم بودن وزن سازهها در دنیای ساخت‌وساز حائز اهمیت است که این سازه چنین ویژگی دارد.
- استحکام بالا
سازه فضایی با وجود وزن سبک مقاومت بی‌نظیری دارد. این استقامت به‌دلیل سبک سه بعدی و شرکت تمام اجزای یک قطعه جهت تحمل نیروی وارده حاصل شده است. به‌این‌ترتیب، سازههای فضاکار بسیار مقاوم هستند و توانایی تحمل بارهای سنگین را دارند.
- قابلیت پوشش دهانه‌های بزرگ
قابلیت پوشش دهانه‌های بزرگ یکی دیگر از مزایای سازههای فضاکار است. این سازهها می‌توانند شرایط لازم جهت ایجاد دهانه‌های بزرگ به‌حالت کاملا ایمن را فراهم کنند. باتوجه‌به این موضوع، برای سازههای بزرگ مانند فرودگاه‌ها مناسب هستند.
- جذابیت بصری
جذابیت بصری سازههای فضاکار منجربه محبوبیت آن‌ها در صنعت ساخت‌وساز شده است. این سازهها شمایل بسیار زیبا و جذابی دارند؛ به‌همین‌دلیل، در پروژه‌هایی که زیبایی اهمیت دارد، بکار گرفته می‌شوند. درکل، طراحی زیبای سازه فضاکار باعث استفاده از آن در نماسازی پروژه‌های عمرانی شده است.
- نصب سریع
نصب سریع به‌عنوان یکی دیگر از مزایای سازههای فضاکار بر محبوبیت آن‌ها افزوده است. این سازهها بسته‌به نوعی که دارند، ممکن است اجرای پیچیده‌ای داشته باشند؛ اما در صورت سپردن آن‌ها به نیروهای ماهر در زمان کمی قابل نصب و اجرا هستند.
- اقتصادی بودن
همانطور که گفتیم، نصب سازه فضاکار سریع است که این سرعت بالا به‌نوعی باعث صرفه‌جویی اقتصادی می‌شود. قطعات سازههای فضایی به‌شکل پیش‌ساخته تولید شده و آن‌ها را در مکان موردنظر با سرعت بالایی مونتاژ می‌کنند. این موضوع باعث کاهش هزینه نیروی کار می‌شود. معایب و محدودیت‌های سازه فضاکار نیز شامل موارد زیر می‌شود:
- پیچیدگی در طراحی و اجرا
همانطور که مشخص است، سازه فضاکار در طراحی و اجرا پیچیدگی‌های خاص خود را دارد که تنها افراد متخصص از عهده آن برمی‌آیند. برای طراحی آن هم از نرم‌افزارهای مختلفی مانند نرم‌افزار ABAQUS استفاده می‌کنند تا نتیجه نهایی، رضایت‌آمیز باشد.
- نیاز به‌اتصالات دقیق
نیازبه اتصالات دقیق یکی دیگر از موضوعات مهم در اجرای سازههای فضاکار است. چنانچه اتصالات به‌خوبی انجام نشود، ممکن است به‌سازه آسیب جدی وارد شود. درکل، سازه فضایی باتوجه‌به ساختارش باید اتصالات محکم و دقیقی داشته باشد.
- هزینه‌های ویژه
همانطور که اشاره شد، سازه فضایی به‌دلیل پیش‌ساخته بودن به نیروهای کمتری نیاز دارد که این موضوع به‌معنای صرفه‌جویی در هزینه‌های ساخت‌وساز است؛ اما ازطرفی، مشمول هزینه‌های ویژه می‌شود. برای مثال، طراحی آن سخت است و باید هزینه نسبتا زیادی را برای این موضوع در نظر گرفت.
مصالح مصرفی سازه فضاکار
متریال و مصالح مصرفی سازه فضاکار به‌مدل و کاربرد آن بستگی دارد. از مواد اولیه و مصالح مصرفی در ساخت سازههای فضایی می‌توان به‌موارد زیر اشاره کرد:
- فولاد
فولاد یکی از رایج‌ترین مواد اولیه مورداستفاده در ساخت سازههای فضایی است که به‌دلیل مقاومت و انعطاف‌پذیری بالا طرفداران زیادی دارد. از مشخصات بارز آن می‌توان به‌وزن سبک، سختی بالا، قابلیت جوش‌پذیری و قیمت مناسب اشاره کرد. درکل، سازههای فضاکار ایجادشده با فولاد مقاومت بالایی در محیط‌های سخت دارند. همچنین، آن‌ها اغلب در پروژه‌های صنعتی و بزرگ استفاده می‌شوند.
- آلومینیوم
آلومینیوم یکی دیگر از مواد مصرفی قابل استفاده در سازههای فضاکار است. سازههای فضاکار آلومینیومی، مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند و سبک وزن هستند. برهمین‌اساس، از آن‌ها در پروژه‌های نیازمند مقاومت و وزن کم استفاده می‌کنند. درمجموع، آلومینیوم در ساختمان‌های مدرن و پروژه‌های موقت مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- ورق گالوانیزه
ورق گالوانیزه یکی از متریال مورداستفاده در پوشش سازههای فضاکار است. این ورق به‌دلیل زیبایی و مقاومتی که دارد به‌صورت گسترده جهت پوشش‌دهی سازههای فضایی بکار گرفته می‌شود. اصولا، از ورق گالوانیزه در پروژه‌هایی که ظاهر و مقاومت اهمیت زیادی دارد، استفاده می‌کنند.
- شیشه
شیشه نیز مانند ورق گالوانیزه جهت پوشش سازههای فضاکار استفاده می‌شود. شیشه‌ها می‌توانند نور را به‌خوبی بازتاب دهند و یکی از بهترین گزینه‌ها در این زمینه هستند. ضمن اینکه شیشه‌ها ازلحاظ عبور نور به‌دو گروه معمولی و سکوریت تقسیم می‌شوند. انتخاب نوع شیشه هم به‌سازه موردنظر بستگی دارد.
- چوب و ترکیبی از پانل‌های ساندویچی
از ساير مصالح مصرفی سازه فضایی می‌توان به‌چوب و ترکیبی از پانل‌های ساندویچی اشاره کرد. سازههای فضاکار چوبی چندان مرسوم نیستند و معمولا در پروژه‌های اماکن طبیعی بکار گرفته می‌شوند.ساندویچ پانل هم از مصالح مدرنی هستند که در سه لایه شامل ورق رو، فوم عایق و ورق زیر ساخته شده و اغلب در بناهای فولادی مورداستفاده قرار می‌گیرند.
کاربردها و نمونه‌های سازه فضاکار
سازه فضایی به‌دلیل ظاهر جذاب و ساختار مقاومی که دارد در بسیاری از حوزه‌ها قابل پیاده‌سازی است. درادامه مهم‌ترین کاربردهای سازه فضاکار را معرفی کرده‌ایم:
- پارکینگ‌ها و پمپ بنزین‌ها: سقف‌های مستحکم برای پوشش فضاهای باز
- فرودگاه‌ها و پایانه‌ها: رمپ‌های مسافربری، سالن‌های انتظار و سایبان‌های بزرگ در ترمینال‌ها
- اماکن صنعتی و تجاری: ساخت انبارهای بزرگ، پوشش سوله‌ها و کارگاه‌های صنعتی با دهانه بزرگ
- سالن‌های ورزشی: ساخت ورزشگاه‌های فاقد ستون مرکزی، سالن‌های چندمنظوره و سقف استادیوم‌ها
- مراکز فرهنگی و نمایشگاهی: غرفه‌های نمایشگاهی، گالری‌های مختلف، سازههای گنبدی مخصوص موزه‌ها
- گنبدهای ژئودزیک: متشکل از شبکه‌ای از مثلث‌ها هستند و قابل اجرا در پناهگاه‌های اضطراری و نظامی، زمین‌های بازی کودکان، سالن‌های نمایشگاه و...
تحلیل رفتار سازه فضاکار
سازه فضایی یا همان فضاکار با وجود مزایایی که دارد ولی معمولا جهت پوشش سقف‌هایی با دهانه بزرگ اجرا می‌شود. درهرصورت، این سازه به‌دلیل مکانیزم پخش بار رفتار استاتیکی و دینامیکی مناسبی در زمان خمش، زلزله و ارتعاشات دارد. به‌همین‌دلیل، در بسیاری از مراکز هم از فرودگاه‌ها گرفته تا مراکز نظامی نصب می‌شود و حتی جایگزین خوبی برای استفاده در عرشه پل‌ها است. درواقع، با تحلیل رفتار سازه فضاکار می‌توان به‌مقاومت عالی آن در زمان اعمال بارهای مرده و زنده پی برد. این سازه در صورت پیاده‌سازی با آخرین تکنولوژی ازنظر فنی و قیمتی در زمره بهترین‌ها قرار خواهد گرفت و عملکرد فوقالعادهای دارد.
نرم‌افزارها و روش‌های طراحی سازه فضاکار
همانطور که قبلا اشاره شد، طراحی سازه فضاکار تقریبا سخت است و به‌مهارت زیادی نیاز دارد. برای طراحی این سازه از نرم‌افزارها و روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. از نرم‌افزارهای مورداستفاده می‌توان به‌نرم‌افزار Formain برای مدل‌سازی اولیه، نرم‌افزار Autocad برای ویرایش نقشه و تایید نهایی و همین‌طور، نرم‌افزار ABAQUS برای مدل‌سازی اتصالات اشاره کرد. با استفاده از این نرم‌افزارهای ویژه طراحی و تحلیل می‌توان سازههای فضاکار درجه یکی را ساخت. همچنین، استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی ازجمله جستجوی گرانشی و شبکه عصبی مرسوم است. درکل، این سازه به‌صورت پیش‌ساخته در مرکز تولید ایجاد شده و در محل موردنظر نصب می‌شود.
مزایا، چالش‌ها و آینده‌نگری در طراحی سازههای فضاکار
سازه فضاکار یا فضایی نوعی سازه سه بعدی و سبک است که تحت اشکال مختلفی مانند منحنی، گنبدی، هرمی و... طراحی و اجرا می‌شود. این سازه تغییرات چشمگیری را در دنیای مهندسی ایجاد کرده است و بر اساس آن، سازههای زیبا و بی‌نظیری دایر شده‌اند. به‌طورکلی، از مزایای سازههای فضاکار می‌توان به‌وزن کم، مقاومت بالا، جذابیت بصری، نصب سریع و امکان پوشش دهانه‌های بزرگ اشاره کرد. درمقابل، این سازهها چالش‌هایی هم دارند؛ برای مثال، طراحی و اجرای آن‌ها کمی پیچیده است. با این وجود، چشم‌انداز بکارگیری سازه فضایی کاملا روشن بوده و در آینده شاهد استفاده از آن در صنایع مختلف خواهیم بود. معمولا، این سازه در فرودگاه‌ها، استادیوم‌ها و سالن‌های ورزشی، مراکز فرهنگی و نمایشگاه‌ها، گلخانه‌ها، اماکن صنعتی و تجاری و... مورداستفاده قرار می‌گیرد و درمجموع، کاربردهای مهمی دارد.
