الهيكل الفضائي الفولاذي مقابل الهيكل الشبكي الفولاذي في البناء المعدني: كيف تختار؟

تتكون الهياكل الفضائية الفولاذية عادةً من شبكات أو وحدات صغيرة متشابهة وتُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الأسقف. غالبًا ما تكون هذه الهياكل الشبكية الفولاذية مزدوجة الطبقات (لضمان الصلابة المطلوبة)، وفي بعض الحالات يمكن أن تكون ثلاثية الطبقات. تتميز الهياكل المسطحة الشبكية ببساطة التصميم والحساب والتنفيذ، مما يجعلها خيارًا مثاليًا لأنظمة الأسقف بمسافات مختلفة.

يُعد الهيكل الفضائي الفولاذي نظاماً خفيف الوزن وصلباً بتصميم هندسي ثلاثي الأبعاد. يستخدم إطار المفاصل الكروية قضبان شد وضغط موزعة في اتجاهات متعددة، مما يخلق نظاماً خاضعاً لإجهادات ثلاثية الأبعاد. بغض النظر عن نوع الهيكل الشبكي الفولاذي، فإنه قادر على تحمل الأحمال من جميع الاتجاهات ويوفر أداءً ممتازًا في مقاومة الزلازل للمباني ذات البحور الكبيرة.

نظرة عامة على الهيكل الفضائي والنظام الشبكي التقليدي

الهيكل الفضائي الفولاذي هو هيكل فراغي عالي التحديد يتميز بصلابة مكانية كبيرة وتكامل قوي وقدرة ممتازة على مقاومة الزلازل وتحمل آثار الهبوط غير المنتظم للأساسات.
يُعد الهيكل الفضائي الفولاذي خفيفاً ويستهلك كمية أقل من الفولاذ وله نطاق واسع من التطبيقات، حيث يمكن استخدامه في المباني ذات البحور الصغيرة والمتوسطة والكبيرة بأشكال مختلفة مثل المستطيلات والدوائر والمضلعات.
وهو مثالي للمباني التي تحتوي على شبكات أعمدة واسعة، مما يوفر مساحة كافية لتوزيع الوظائف المختلفة حسب الحاجة.

وبفضل هذه الخصائص، يُستخدم الهيكل الفضائي الفولاذي على نطاق واسع في أنواع متعددة من المباني، بما في ذلك الصالات الرياضية والنوادي وقاعات المعارض والمسارح وصالات انتظار المحطات. كما تُستخدم الهياكل الشبكية الفولاذية في المباني الصناعية والمستودعات وورش العمل والمصانع كدعامات رئيسية.

طريقة ربط القضبان في الشبكة تعتمد على المفاصل، بينما في الهيكل الشبكي الفولاذي تكون الوصلات عند الجسور والعقد النهائية فقط. وعلى الرغم من أن القضبان الرئيسية منفصلة عند العقد، إلا أنها في الواقع متصلة بشكل صلب، مما يجعل النموذج قريباً من الوضع الفعلي في البناء الحقيقي.

الهيكل الشبكي هو هيكل هندسي ثابت يتكون من إطارات مثلثة مصنوعة من قضبان مستقيمة. وتُسمى نقاط الالتقاء بين القضبان بالعُقَد.
وبناءً على محور القضبان وتوزيع القوى الخارجية، يمكن تصنيف الهيكل الشبكي إلى هيكل مستوٍ أو فضائي.
تشمل الهياكل الفضائية، مثل أسقف الصالات أو الجسور، سلسلة من الهياكل الشبكية المتوازية. وإذا كانت الأحمال تُطبق في مستوى واحد فقط، يمكن تبسيطها كهيكل شبكي مستوٍ لغرض الحساب.

تُعتبر الهياكل الشبكية الفولاذية التقليدية هياكل صلبة تتكون من وحدات مثلثة الشكل تتحمل القوى المحورية شدًا وضغطًا، وتتميز بكفاءة عالية في الأداء.
وتتميز بقدرتها الكبيرة على التكيف مع الكوابيل والبحور الواسعة.
أما الهيكل الفضائي الفولاذي فيختلف من حيث التكوين الهندسي ثلاثي الأبعاد، إذ يتكون من جسور وعناصر عرضية تشكل أشكالاً هندسية مثلثية أو مستطيلة.
ويكمن الفرق الأساسي في أن الهيكل الشبكي الفضائي يحتوي على اتجاهات رئيسية وثانوية واضحة، في حين أن الهيكل الشبكي التقليدي لا يمتلك اتجاهات محددة بوضوح.

لذلك، على الرغم من وجود اختلافات في تصميم وتنفيذ الهيكل الشبكي الفضائي الفولاذي والهيكل الشبكي التقليدي، إلا أن كليهما يشتركان في الخصائص الهندسية وطريقة الربط بالعُقَد.
كلاهما يركّز على الاستقرار والقدرة التحميلية ويضمن السلامة والموثوقية من خلال الأشكال الهندسية الدقيقة وطرق الربط السليمة.

ومن الجدير بالذكر أنه سواء كان الهيكل الفضائي الفولاذي أو الهيكل الشبكي الفولاذي، يجب مراعاة اختيار المواد وتقنيات البناء المناسبة لضمان الاستقرار والمتانة.
كما تلعب هذه الأشكال الإنشائية دوراً متزايد الأهمية في العمارة الحديثة، حيث لا توفر فقط كفاءة تحميل عالية، بل تلبي أيضاً متطلبات الجمال والمرونة المكانية في التصميمات المعمارية الحديثة.

التخطيط الهيكلي: الأطر ثلاثية وثنائية الأبعاد

تُعرف الشبكات والأغطية الشبكية معًا باسم الهيكل الفضائي الفولاذي.
هذا النوع من الهياكل يقوم على ربط العديد من القضبان عبر عقد وفق أشكال هندسية منتظمة، مما يسمح بالاستفادة الكاملة من المزايا المكانية ثلاثية الأبعاد وتبسيط مسار نقل القوى، وهو مثالي للمباني ذات البحور الكبيرة.
تُسمى الهياكل المكونة من شبكات مسطحة مزدوجة أو متعددة الطبقات “هياكل فضائية”، بينما تُسمى الهياكل المكونة من شبكات منحنية أحادية أو مزدوجة الطبقة “أغطية شبكية”.

من الناحية الهندسية، تقع جميع القضبان والعُقَد في الهيكل الشبكي الفولاذي ثنائي الأبعاد في نفس المستوى، مما يشكل شبكة مسطحة مثل الجمالون في أسقف المباني أو الجسور.
أما في الهيكل الفضائي الفولاذي ثلاثي الأبعاد، فتكون القضبان والعُقَد موزعة في الفراغ لتكوين شبكة هندسية ثلاثية الأبعاد ذات ارتفاع وعرض وعمق، مثل سقف الصالات الرياضية أو أبراج النقل.

تتكون الهياكل الفضائية ذات البحور الكبيرة عادة من عدة أجزاء مترابطة، وقد تؤثر هذه الأجزاء على بعضها البعض.
ولذلك فإن تحليل الحساسية يُعد أداة مهمة لتقييم أهمية كل عامل وتحسين التصميم.
ومن خلال النمذجة البارامترية، يمكن للمصممين تحديد العوامل الأكثر تأثيراً على الأداء الهيكلي وتحسين الكفاءة العامة للنظام من خلال ضبط تلك المعايير.

على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تغيير ظروف الدعم في نقاط رئيسية أو تعديل أبعاد بعض القضبان إلى تحسين كبير في استقرار الهيكل الفضائي الفولاذي وقدرته على التحمل.
ومن خلال دراسات التصميم البارامترية، يمكن اكتشاف المزايا والعيوب في الخطط المختلفة واختيار الحل الأكثر أمانًا واقتصادية، مما يساعد على تجنب التعقيد غير الضروري وهدر المواد.
يساعد هذا التحليل المهندسين على تحسين الكفاءة التصميمية وتقليل المخاطر وضمان تحقيق التوازن الأمثل في الأداء الإنشائي.

خصائص التحميل والاختلاف بين الأبعاد

في الهيكل الشبكي الفولاذي ثنائي الأبعاد، تتحمل القضبان الأحمال الواقعة في مستوى واحد فقط مثل الوزن الذاتي أو القوى الأفقية، وتعمل القوى الداخلية على شكل شد وضغط في المستوى دون قوى خارجية؛
بينما يتحمل الهيكل الفضائي الفولاذي ثلاثي الأبعاد الأحمال في الاتجاهات الثلاثة (x وy وz)، بما في ذلك الأحمال الرأسية وأحمال الرياح الجانبية والدفع الأفقي.
وتوازن القضبان الداخلية هذه القوى المتعددة الاتجاهات لتعمل ضمن نظام محوري ثلاثي الأبعاد متكامل.

كل من الهيكل الفضائي الفولاذي والهيكل الشبكي الفولاذي هما أنظمة مكانية، لكنهما يختلفان بوضوح في التكوين الهندسي وخصائص العقد والأداء الهيكلي وسيناريوهات الاستخدام.
فالأول يتكون عادةً من شبكة ثلاثية الأبعاد مزدوجة أو متعددة الطبقات مؤلفة من وحدات قصيرة ومتجانسة تشكل “قشرة ثلاثية الأبعاد”،
أما الثاني فهو مكون من مجموعات من القضبان الرئيسية المتقاطعة المتصلة بعُقَد لتكوين إطار ثلاثي الأبعاد خطي مثل الجمالونات المتقاطعة.

المكونات التفصيلية للهياكل الفضائية والهياكل الشبكية

النوع الأول من الهيكل الفضائي الفولاذي

يتكون من نظام جمالونات مستوية.

• الشبكة المتعامدة ثنائية الاتجاه: تتألف من مجموعتين من الجمالونات المستوية تتقاطع بزاوية 90°، لتشكّل شبكة مربعة أو مستطيلة الشكل.
• الشبكة المائلة ثنائية الاتجاه: يتم الحصول عليها بتدوير الشبكة المتعامدة 45° على المستوى الأفقي؛ تبقى الزاوية 90°، لكن الجمالونات لا تكون موازية لمحور المبنى بل مائلة بزاوية 45°.
• الشبكة ثلاثية الاتجاه: تمتاز بصلابة أكبر من الشبكة ثنائية الاتجاه وتُستخدم في الهياكل ذات البحور الكبيرة، ومناسبة للأشكال الهندسية مثل المثلثات والمضلعات السداسية والدائرية.

النوع الثاني: هيكل فضائي فولاذي مكوّن من أهرامات رباعية القواعد

تتكوّن من أربعة قضبان علوية تشكل قاعدة مربعة، ويتواجد رأس الهرم أسفل مركز القاعدة. ترتبط الأعمدة الأربعة من زوايا القاعدة إلى الرأس لتشكّل هرماً رباعي الأضلاع. يؤدي ربط الأهرامات وفق نمط محدد إلى إنشاء شبكة هرمية رباعية.

• الشبكة الهرمية القائمة: قواعد الأهرامات موازية لمحور المبنى وتشكل القضبان العليا، بينما تشكل القمم القضبان السفلية، ويكون التباعد بين الطبقات نصف فتحة.

النوع الثالث: هيكل فضائي فولاذي مكوّن من أهرامات مثلثة

الوحدة الأساسية عبارة عن هرم مثلث منتظم يتألف من ثلاثة قضبان رئيسية وثلاثة قضبان قطرية. يمكن وضعه في الوضع الطبيعي أو المقلوب.

• شبكة الأهرامات المثلثة: ترتبط زوايا الأهرامات بحيث تتكون الأسطح العلوية والسفلية من مثلثات متساوية الأضلاع.
• شبكة خلايا النحل المثلثة: تتكوّن أيضاً من وحدات هرمية مثلثة، ولكن ترتبط فيها القضبان العلوية والسفلية في نفس المستوى العمودي، ويتصل كل عقدة بستة قضبان. هذا النوع من الهيكل الشبكي الفولاذي يقلل كمية الفولاذ ويوزع القوى بشكل أكثر توازناً، رغم أن الشكل السداسي قد يصعّب تصميم ألواح السقف.

تصنيف المكونات الأساسية للهياكل الشبكية

• نظام القضبان: يتكوّن من القضبان العليا والسفلى والقضبان القطرية أو الرأسية، وغالباً ما تُصنع من أنابيب فولاذية دائرية أو مربعة. تتصل عبر العُقَد لتشكّل وحدات مثلثية أو متعددة الأضلاع، مما يتيح توزيع الأحمال ثلاثي الأبعاد بفعالية.
• بنية العُقَد: تشمل العُقَد الملحومة أو المثبّتة بالبراغي أو المفصلية. على سبيل المثال، يستخدم ممر المعلومات المالية الوطني في بكين نظام وصلات مفصلية مع دعامات منزلقة لضمان دقة التركيب على ارتفاعات عالية.
• نظام الدعم: يُقسّم إلى دعم ثابت، انزلاقي أحادي الاتجاه، أو انزلاقي ثنائي الاتجاه. يهدف إلى تحقيق توازن الأحمال والتشوهات. تستخدم الجمالونات مسبقة الشد في مركز المؤتمرات بفندق الشرق في قوانغتشو نظام تثبيت محوري قادر على تحمل قوة 4500 كيلو نيوتن.

الأداء الهيكلي وتوزيع الأحمال

تختلف الهياكل الفضائية الفولاذية عن الهياكل الشبكية الفولاذية في الأداء وطريقة نقل القوى.
فالهياكل الشبكية ثلاثية الأبعاد عبارة عن أنظمة قوى مكانية تتحمل الأحمال من اتجاهات متعددة، وتعمل قضبانها تحت تأثير قوى محورية، مما يمنحها صلابة عالية واستقراراً ممتازاً.
على سبيل المثال، تساعد الخصائص ثنائية الاتجاه للشبكات في توزيع الأحمال بفعالية في المباني ذات البحور الواسعة مثل الملاعب أو صالات المحطات.
أما العُقَد الكروية الملحومة أو المثبّتة بالبراغي فتوفر محاور متقاطعة للقضبان عند مركز العقدة، مما يقلل العزوم ويحسن الصلابة الإجمالية للهيكل.

في المقابل، تتكوّن الهياكل الشبكية الفولاذية من أنظمة مستوية أو فضائية أحادية الاتجاه مؤلفة من قضبان تتحمل الشد أو الضغط فقط.
يتحمّل القضيب العلوي القوى المحورية الناتجة عن العزوم، بينما تنقل القضبان القطرية قوى القص.
نظرًا لانخفاض الصلابة الجانبية، تحتاج هذه الهياكل إلى دعامات إضافية لزيادة الثبات.

مرونة التصميم والإمكانات الجمالية

يتيح الهيكل الفضائي الفولاذي تقليل عدد الأعمدة والجدران الحاملة.
فمقارنة بالهياكل التقليدية، يوفر مقاومة وصلابة أعلى، ويزيد من المساحة القابلة للاستخدام وحرية التوزيع الداخلي.
يؤدي تقليل الدعامات الداخلية إلى خلق مساحات مفتوحة ذات تهوية وإضاءة أفضل، مما يحسن من راحة المستخدمين.

كما تسمح القوة العالية لمواد الفولاذ بإنشاء أسقف ذات بحور كبيرة دون الحاجة إلى أعمدة وسيطة.
في حين تقسم الهياكل التقليدية المساحة إلى وحدات صغيرة، فإن الهيكل الشبكي الفولاذي يقلل النقاط الحاملة، ما يجعل المساحات الداخلية أكثر انسيابية وإضاءةً.

تتميز مكونات الهيكل الفضائي الفولاذي بالمرونة والإمكانية العالية لإعادة التركيب.
فهي مصممة ومعيّرة لتسهيل الفك والتركيب بما يتناسب مع المتطلبات الوظيفية المستقبلية.
يمكن تفكيك الهيكل وإعادة تركيبه عند الحاجة لتعديل المساحات، مما يزيد من مرونة المبنى وقدرته على التكيف.

سرعة البناء والتركيب

يتيح الهيكل الفضائي الفولاذي إنشاء مبانٍ بطريقة معيارية وسريعة التنفيذ.
بفضل التصنيع المسبق في المصانع، يتم تقليل الأعمال الميدانية وفترة الإنشاء.
يتم تصنيع الشبكات وتجميعها مسبقاً في الورش، ثم تُنقل إلى الموقع للتركيب، مما يوفر وقتاً وجهداً كبيرين مقارنة بالبناء التقليدي.
كما يُتيح التصميم المعياري توسيع المباني أو إعادة تشكيلها بسهولة عند الحاجة، مما يعزز قابلية إعادة الاستخدام.

مزايا التصنيع المسبق والتجميع بالبراغي

تُعد العقد في الهيكل الفضائي الفولاذي عناصر رئيسية في نقل القوى.
تشمل الأنواع الشائعة العقد الكروية الملحومة (المصنوعة بالضغط الساخن) والعقد الكروية المثبّتة بالبراغي.
توفر الأولى قوة لحام تصل إلى 95٪ من المادة الأصلية، وتُستخدم في الهياكل الثقيلة ذات البحور الواسعة، بينما تُعد الثانية مثالية للهياكل الشبكية المتوسطة بفضل دقة التركيب ±0.5 مم وسرعة التنفيذ في الموقع.

تعقيد الموقع ومتطلبات التركيب

عادة ما يتم تجميع الهيكل الفضائي الفولاذي على ارتفاعات عالية بعملية بسيطة لا تتطلب معدات رفع ضخمة.
ويكمن المفتاح في تركيب “الإطار الابتدائي”، الذي يتم الانطلاق منه لبناء بقية الهيكل بواسطة أهرامات صغيرة رباعية القواعد حتى يكتمل النظام بالكامل.

التكلفة وكفاءة المواد والقيمة طويلة الأمد

في الهندسة المعدنية الحديثة، يتميّز كل من الهيكل الفضائي الفولاذي والهيكل الشبكي الفولاذي بأداء إنشائي قوي وكفاءة عالية في التكلفة واستخدام المواد.
كلاهما يجسّد مفهوم “الأداء العالي والاستهلاك المنخفض” في العمارة المعاصرة.

من حيث استغلال المواد، يعتمد كلا النظامين على مكونات فولاذية معيارية تحقق أقصى قدرة تحميل باستخدام أقل كمية ممكنة من الفولاذ.
في حين يستخدم الهيكل الفضائي الفولاذي قضبان قصيرة وكثيفة لتوزيع القوى، يعتمد الهيكل الشبكي الفولاذي على قضبان طويلة رئيسية وثانوية لتحقيق قدرة عالية مع مكونات أقل.
يحقق النظامان أداءً إنشائياً ممتازاً مع تقليل استهلاك الفولاذ وخفض التكلفة.

تتميز الهياكل الفولاذية أيضاً بسرعة التنفيذ بفضل التصنيع المسبق والمعيارية العالية؛
يتم إنتاج المكونات بدقة في المصانع ثم تركيبها بكفاءة في الموقع، مما يقلل زمن البناء والتكاليف الناتجة عن التأخير أو الظروف الجوية.
كما أن مكونات الفولاذ سهلة الاستبدال والصيانة دون الحاجة إلى تفكيك الهيكل بالكامل.

أما من حيث العمر الافتراضي ومقاومة العوامل البيئية، فإن الهيكل الفضائي الفولاذي والهيكل الشبكي الفولاذي يقدمان أداءً ممتازاً ضد التآكل ودرجات الحرارة العالية.
فبعد معالجة السطح بطلاءات مقاومة للصدأ والأكسدة، يمكنهما الصمود أمام الرياح والأمطار وأشعة الشمس لفترات طويلة مع الحفاظ على استقرارهما الهيكلي.
كما يمكن إعادة تدوير مكونات الفولاذ بعد انتهاء عمر المبنى، مما يقلل النفايات ويعزز مفهوم “البناء الأخضر”.

الخاتمة

لقد غيّر كل من الهيكل الفضائي الفولاذي والهيكل الشبكي الفولاذي حدود العمارة التقليدية بفضل أدائهما العالي ومرونتهما في التصميم.
فمن خلال تقليل الدعامات الداخلية، يوفران مساحات أوسع وأكثر حرية، في حين تُساهم التركيبية المعيارية في تسريع التنفيذ وتحقيق الاستدامة، مما يتماشى مع توجهات “المباني الخضراء”.

في شركة XTD Steel Structure نقدم حلولاً متكاملة ومتقدمة في الهياكل الفولاذية تجمع بين الجمال والوظيفة والابتكار.
اختيارك لـ XTD يعني شريكاً موثوقاً يواكب المستقبل.
دعونا نبني معاً فضاءات أكثر إبداعاً وقيمة.