دليل شامل لتفاصيل نظام هيكل الدعامات الفضائية

ما هو نظام الهياكل الفضائية المتشابكة؟

الهياكل الفضائية المتشابكة، المعروفة أيضًا باسم الهياكل الكروية المتشابكة، هي هياكل خفيفة الوزن وصلبة تشكل نمطًا هندسيًا. عادةً ما تستخدم الهياكل الكروية المتشابكة نظام تباعد متعدد الاتجاهات يتكون من قضبان شد وقضبان ضغط.

تعمل هذه الهياكل تحت ظروف أحمال ثلاثية الأبعاد، مما يُمكّنها من تحمّل الأحمال من جميع الاتجاهات. وهي فعّالة بشكل خاص في المباني المقاومة للزلازل ذات الامتدادات الكبيرة. هناك ثلاثة أنواع: الجمالونات المستوية، وإطارات الجمالونات الكروية المنحنية، وإطارات الجمالونات الكروية ذات السقف المسطح. ومن مزاياها خفة وزنها وإمكانية تشكيلها بأشكال متنوعة. تقع جميع أعضائها وعقدها في مستوى، بينما تمتد أعضاؤها وعقدها في إطارات الجمالونات الكروية إلى مستويات ثلاثية الأبعاد.

عندما لا تكون محاور أعضاء الجمالون والقوى الخارجية التي تتعرض لها في نفس المستوى، فإن الهيكل المتشكل عن طريق توصيل قضبان مستقيمة في نهاياتها لتشكيل هيكل مقاوم للانحناء بشكل أساسي يسمى هيكل الجمالون الفضائي، والمعروف أيضًا باسم هيكل الجمالون ثلاثي الأبعاد. يتكون بشكل عام من جمالونين مستويين متصلين على مسافة معينة.

تتمتع الجمالونات المستوية بأداء جيد لتحمل الأحمال داخل المستوى، ولكن صلابتها منخفضة نسبيًا خارج المستوى. لضمان سلامة الهيكل، يجب تثبيت دعامات مختلفة. غالبًا ما يستهلك ترتيب هيكل الدعم الكثير من المواد ويجب التحكم فيه من خلال نسبة النحافة، مما يمنع الاستفادة الكاملة من قوة المادة. يمكن للجمالونات الفضائية تجنب هذه العيوب بشكل فعال ويمكن تقسيمها إلى مثلثات منتظمة ومثلثات مقلوبة ومستطيلات وفقًا لشكل مقطعها العرضي.

المكونات والمواد المستخدمة في دعامات الفضاء

بالمقارنة مع المقاطع العرضية المستطيلة، يمكن للجمالونات الفراغية ذات المقطع العرضي المثلثي تقليل عدد قضبان التوصيل. عندما يكون الامتداد كبيرًا، يكون للوتر العلوي ضغط كبير ومقطع عرضي كبير، لذلك يمكن تقسيم الوتر العلوي إلى قسمين لتشكيل جمالون فضائي مثلث مقلوب؛ عندما يكون الامتداد صغيرًا، يكون للوتر العلوي مقطع عرضي صغير، لذلك من الأفضل تقسيم الوتر السفلي إلى قسمين لتشكيل جمالون فضائي مثلث منتظم. عندما يتقاطع الوتران السفليان عند نقطة في عقدة الدعم، يتشكل شكل مكوك ذو أطراف مدببة، يُعرف أيضًا باسم جمالون المكوك.

تتميز الجمالونات الفراغية بمزايا الصلابة الكبيرة خارج المستوى، وسهولة الرفع والاستخدام، وتوفير الفولاذ الداعم. ومع ذلك، غالبًا ما تكون الحسابات مرهقة، وعادةً ما تكون الزوايا المكانية للقضبان غير صحيحة، وهيكل العقدة معقد، ومتطلبات اللحام عالية، والإنتاج معقد. بغض النظر عن نوع الجمالون، فإنه يتحمل الأحمال من جميع الاتجاهات، وهو أكثر فعالية للمباني ذات مسافات الانهيار الكبيرة المقاومة للزلازل. تشمل الوحدات الأساسية الشائعة الاستخدام وحدات هرمية رباعية الزوايا ووحدات هرمية مثلثية، وتشكل هذه الوحدات الأساسية نظام إطار كروي متكامل.

أنواع هياكل الجمالون الفضائية

التصنيف حسب التركيب الهيكلي

: الجمالونات المستوية: تقع جميع الأعضاء والعقد في نفس المستوى، وتُستخدم غالبًا في الهياكل المبسطة أو الدعامات الموضعية (مثل جمالونات أسقف المباني). جميع الأعضاء والعقد متحدة المستوى، ولا تتحمل سوى الأحمال داخل هذا المستوى، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات الأحمال المركزة داخل المستوى والمسافات الصغيرة. تتميز هذه الجمالونات ببنية بسيطة، وسهولة تصنيع، وتكلفة منخفضة؛ فالقوى المؤثرة على الأعضاء محددة بوضوح (القوى المحورية فقط)، مما يؤدي إلى كفاءة عالية في استخدام المواد.

الجمالونات الفضائية: تُدمج الأعضاء والعقد في ثلاثة أبعاد لتكوين هيكل مكاني مستقر، مناسب للتطبيقات ذات المسافات الكبيرة والأحمال المعقدة (مثل الملاعب ودعامات المركبات الفضائية). يسمح ترتيب الأعضاء والعقد في ثلاثة أبعاد لها بتحمل الأحمال متعددة الاتجاهات، مثل تأثيرات الرياح والزلازل، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات المسافات الكبيرة والأحمال المعقدة. كما توفر ثباتًا كليًا قويًا، ويمكنها مقاومة التشوهات خارج المستوى بفعالية. يُقلل الجمع المكاني للعناصر عدد العناصر الداعمة ويزيد المساحة الصالحة للاستخدام.

التصنيف حسب الشكل الهندسي

: أنظمة الأهرامات المثلثية: تتكون من وحدات هرمية مثلثية، وتوفر ثباتًا عاليًا (الاستقرار المتأصل في المثلثات)، وتُستخدم عادةً في الهياكل ذات الأحمال الثقيلة (مثل المنشآت الصناعية).

• الهياكل ذات الأحمال الثقيلة: المنشآت الصناعية ، ودعم المعدات الثقيلة (مثل ورش أفران الصهر في مصانع الصلب، والتي تحتاج إلى تحمل أحمال تزيد عن 50 كيلو نيوتن/م²)
• متطلبات المساحات الكبيرة: العوارض الرئيسية للملاعب (المدى ≥ 60 مترًا)، وأسطح محطات المطارات
• استقرار عالي: يجعل الشكل الهندسي المثلث العقد متوترة بالتساوي، وتصل الصلابة الجانبية إلى 1/150~1/200 من نسبة الامتداد
• توزيع الأحمال: تُستخدم عناصر المخروط لتحويل الأحمال الرأسية إلى قوى محورية، مما يقلل من لحظات الانحناء في الأعضاء (على سبيل المثال، تستخدم قاعة العرض المركزية في المركز الوطني للمعارض والمؤتمرات نظام مخروطي مثلث مقلوب، مما يقلل من استهلاك الفولاذ بنسبة 25%)

نظام الهرم الرباعي: يتكون من وحدات هرمية رباعية ويمكن دمجها عن طريق الوضع المستقيم، والوضع المائل، والإخلاء، وما إلى ذلك، وهو مناسب لمتطلبات الامتداد المختلفة (مثل قاعات المعارض والمطارات).

• تحسين الصلابة ثنائية الاتجاه: بتعديل زاوية ميل المخروط (30°~60°)، يتم موازنة الصلابة داخل/خارج المستوى. على سبيل المثال، يستخدم سقف مطار تشنغدو تيانفو الدولي شكل هرمي مربع مائل بزاوية 45°، مما يقلل معامل اهتزاز الرياح بنسبة 30%.
• تحسين الاقتصاد: يتم استخدام فولاذ أقل بنسبة 15% إلى 20% من الهياكل الشبكية التقليدية (على سبيل المثال، مركز مؤتمرات قوانغتشو باييون الدولي)
• نظام السطح الحر: شكل هندسي غير منتظم، مع قضبان منحنية تشكل دعامات سطحية منحنية، ويستخدم للمباني ذات الأشكال الخاصة (مثل المتاحف).
• النمذجة البارامترية: بناءً على تقنية BIM، يمكن تحقيق أشكال معقدة (مثل دقة سطح العمود على شكل حرف C لمطار بكين داشينغ التي تصل إلى ±2 مم).
• القدرة على التكيف مع الأحمال: يُحسَّن معامل شكل حمل الرياح (μs≤0.8) من خلال تعديل الانحناء. على سبيل المثال، تصل قيمة تصميم ضغط الرياح للجملون المنحني لقاعة مراقبة برج شنغهاي إلى 1.2 كيلو باسكال.

التصنيف حسب بُعد التمدد

: التمدد أحادي البعد: يُستخدم للدعامات الخطية (مثل الجسور والأبراج). يُنشئ هذا بنيةً تشبه العارضة تمتد في اتجاه واحد، وهي مناسبة للدعامات الخطية والفواصل الصغيرة. كما يُوفر بنيةً بسيطةً وسهولةً في البناء، مما يسمح بالتركيب السريع لهياكل الدعم المؤقتة. ومن الأمثلة على ذلك الجمالونات الداعمة لجسور المشاة (مثل عوارض الجمالونات الفولاذية لجسور المشاة في المدن)، ودعامات أسقف المباني المؤقتة.

التمدد ثنائي الأبعاد: يُستخدم للدعامات المسطحة أو المنحنية (مثل الأرضيات والقباب). يُنشئ هذا بنيةً تشبه الصفائح تتمدد داخل مستوى، وهي مناسبة للدعامات المسطحة أو المنحنية التي تتطلب مساحات تغطية واسعة. كما يُمكنه إنشاء سطح دعم مستمر، مما يُقلل من عدد العقد، وهو مناسب للهياكل المسطحة مثل الأرضيات والقباب. على سبيل المثال، تستخدم قاعات المعارض ذات الأسطح الخالية من الأعمدة في مراكز التسوق الكبيرة جمالونات ثنائية الأبعاد للدعم المستمر، وكذلك مظلات المنصات في محطات القطارات.

التوسع ثلاثي الأبعاد: يُستخدم للتوصيلات في التكوينات المعقدة (مثل دعامات محطة الفضاء ومصفوفات الهوائيات الكبيرة). يُنشئ هذا هيكلًا يملأ الفراغات ويمكن توصيله في ثلاثة أبعاد وهو مناسب للتكوينات المعقدة والمسافات الكبيرة. يوفر صلابة مكانية عالية ويمكنه تحمل الأحمال متعددة الاتجاهات. يمكن تجميعه في شكل وحدات لسهولة التوسع. تشمل الأمثلة دعامات محطة الفضاء ومصفوفات الهوائيات الكبيرة: دعامات دعم الهوائي المكافئ لمحطات استقبال الأقمار الصناعية الأرضية (باستخدام دعامة ثلاثية الأبعاد لتشكيل شكل مكافئ مستقر). دعامات قابلة للتوسيع

مصنفة حسب الوظائف الخاصة.

تدعم العقد المعيارية (مثل العقد الكروية) وتصميمات التوصيل السريع التجميع في المدار أو التوسع في الموقع (مثل دعامات المركبات الفضائية ومباني الطوارئ). تدعم العقد المعيارية وتصميمات التوصيل السريع التجميع في المدار أو التوسع في الموقع، مما يجعلها مناسبة للمباني المؤقتة أو مشاريع الطوارئ أو السيناريوهات التي تتطلب بناءً سريعًا. يُقصّر التصميم المعياري دورات البناء، ويسمح بإعادة الاستخدام، ويُخفّض التكاليف، ويتكيّف مع التضاريس المعقدة.

الجمالونات المشدودة: عند دمجها مع الكابلات المشدودة، يُعزّز الإجهاد المسبق الثبات، مما يجعلها مناسبة للهياكل خفيفة الوزن واسعة الامتداد (مثل مظلات الملاعب والأسقف واسعة الامتداد). يُعوّض الإجهاد المسبق التشوه الناتج عن الأحمال، مما يُقلّل من استخدام المواد؛ الهيكل خفيف الوزن وذو مظهر جمالي.

توزيع الأحمال والأداء الهيكلي:

باعتبارها شكلاً إنشائيًا مكانيًا فعالًا، تتميز هياكل الجمالون الفولاذية المكانية واسعة النطاق بخصائص تحمل فريدة. فعند تعرضها للحمل، تتحمل أجزاؤها بشكل رئيسي شدًا أو ضغطًا محوريًا، مما ينتج عنه توزيع إجهاد متساوٍ نسبيًا عبر المقطع العرضي. على سبيل المثال، جمالون فولاذي مثلثي شائع، عند تعرضه لحمل رأسي موزع بالتساوي، يكون الوتر العلوي تحت ضغط، والوتر السفلي تحت شد، وتتحمل الشبكات، حسب ترتيبها، إما شدًا أو ضغطًا. يسمح هذا التوزيع للحمل للمادة باستغلال قوتها بالكامل. بالمقارنة مع عارضة صلبة معرضة للانحناء، يمكن للجمالون الفولاذي أن يغطي مساحة أكبر باستخدام مواد أقل في ظل نفس ظروف الحمل. على سبيل المثال، في بعض الملاعب الكبيرة، يمكن للجمالونات الفولاذية تحقيق امتدادات تتجاوز مئات الأمتار مع الحفاظ على وزن منخفض نسبيًا.

من حيث خصائص المادة، يتميز الفولاذ بمزايا القوة العالية والمرونة والمتانة. هذه القوة العالية تُمكّن الجمالونات الفولاذية من تحمل الأحمال الكبيرة، مما يُلبي متطلبات تحمل الأحمال في المباني واسعة النطاق. تضمن هذه اللدونة والمتانة قدرة الهيكل على امتصاص الطاقة من خلال التشوه البلاستيكي عند تعرضه للأحمال الديناميكية (مثل الزلازل واهتزازات الرياح)، مما يجنبه الانهيار المفاجئ والهش، ويعزز مقاومته للزلازل والرياح. على سبيل المثال، في المباني طويلة الامتداد في المناطق المعرضة للزلازل، تحافظ الهياكل الفولاذية، بفضل لدونتها ومتانتها الممتازتين، على سلامة الهيكل وتقلل من الأضرار أثناء الزلازل. علاوة على ذلك، تُسهّل قابلية تشغيل الفولاذ الممتازة التصنيع المسبق في المصانع، مما يُحسّن كفاءة البناء ودقته. تُوفر الجمالونات الفضائية، وهي جمالونات ضمن مستوى واحد، امتدادات أكبر وترتيبات مكانية أكثر مرونة، مما يجعلها تُستخدم على نطاق واسع في المباني الكبيرة مثل الملاعب وقاعات المعارض ومحطات المطارات.

عملية التصميم والتصنيع والتركيب

بناءً على الأبعاد الخارجية، وإحداثيات العقد، وجداول الأعضاء التي وفرها معهد التصميم، استُخدمت برامج التصميم التفصيلي للهياكل الفولاذية وبرامج الرسم لتقسيم الجمالون بشكل منطقي وتصميم العقد. قُسِّم الهيكل الرئيسي بأكمله إلى عناصر ومكونات فردية، ثم رُسمت كل منها على حدة. يتضمن التصميم التفصيلي للبناء بشكل رئيسي المحتويات التالية: مخطط تخطيط عام لتجميع العقد، ومخطط تسلسل تجميع العقد، ومخطط الأعضاء، ومخطط العقد، وقائمة المواد.

القطع:

قُطع الهيكل الرئيسي من أنبوب فولاذي، وكانت جميع الأجزاء عند عقد المكونات عبارة عن وصلات متقاطعة. قُطعت الأنابيب الفولاذية إلى قطع صغيرة قياسية على طول خطوط التقاطع، مما سهّل لحام مجموعة الجمالون لاحقًا، وقلّل من مشاكل الأبعاد.

آلة القطع السلكية هي جهاز صناعي يُستخدم لقطع أطراف وثقوب وأكواع الخطوط المتقاطعة تلقائيًا على الأنابيب المعدنية الدائرية أو المربعة أو المُشكَّلة. تُستخدم بشكل رئيسي في صناعات مثل البناء وبناء السفن والهندسة الميكانيكية. تُناسب نماذج البلازما مجموعة متنوعة من المواد المعدنية، بينما تُتيح نماذج الليزر قطعًا دقيقًا بزاوية مائلة.

تجميع المكوناتيتم توصيل المكونات وتثبيتها باستخدام ألواح التوصيل. تشمل بنود الفحص انحراف المحور، والفجوة، وعدم المحاذاة عند الواجهات، وطول العضو، والانحراف الجانبي والتشوه، والطول، والزاوية.

يجب أن يلتزم التصنيع بدقة بمتطلبات فحص المواد ودقة المعالجة والحماية من التآكل. يُجرى القطع باستخدام تقنية القطع بالبلازما CNC، ويجب أن يتوافق الثني والتشكيل مع منحنيات القالب، مثل عملية الثني البارد لأكواع الأنابيب المستديرة. تتطلب وصلات اللحام تجميعًا مسبقًا على قالب، باستخدام اللحام بالقوس المغمور أو اللحام المحمي بغاز ثاني أكسيد الكربون، يليه اختبار غير إتلافي بعد اللحام.

تسلسل اللحام: بالنسبة لعناصر الوتر العلوية والسفلية، يُلحم بالترتيب التالي: اللحام الرأسي ← اللحام الأفقي ← اللحام العلوي؛ أما بالنسبة للوصلات بين عناصر الوتر العلوية والسفلية وعناصر النسيج، فيُرتب تسلسل اللحام بناءً على نتائج القياس. عادةً، يُلحم عنصر النسيج بالوتر السفلي أولًا، ثم يُلحم بالوتر العلوي، مع الاستمرار في القياس لضبط تسلسل اللحام والتحكم في التشوه.

تركيب الجمالون في الموقع:

أولاً، استخدم رافعةً لوضع المكونات على القالب وتثبيت العناصر وفقًا لتفاصيل بناء الجمالون. إذا تجاوز انحراف معالجة العناصر النطاق المسموح به، يُسمح بتصحيح تسخين العناصر، بشرط ألا تتجاوز درجة حرارة التسخين درجة الحرارة الطبيعية. بعد تصحيح التسخين، يجب تبريد العناصر ببطء. بعد ذلك، لُحمت وصلات الأوتار العلوية والسفلية، وأخيرًا، جُمّع عناصر النسيج والدعامات بين الأوتار العلوية والسفلية. أثناء التجميع، يجب مراقبة الأبعاد بدقة لضمان دقة عملية التركيب اللاحقة.

التطبيقات النموذجية في الصناعات المختلفة

تُستخدم اليوم على نطاق واسع في الهياكل الكبيرة ذات الأشكال الفريدة، مثل الجسور والملاعب والمطارات ومحطات القطارات. وتُعد الجمالونات الفضائية تقنية بناء شائعة بشكل متزايد، خاصةً لأغطية الأسقف الكبيرة، مثل أفاريز مداخل المباني التجارية والصناعية. وغالبًا ما تستخدم المسارح المحمولة الأكبر حجمًا ووحدات الإضاءة اليوم جمالونات كروية وثمانية الاتجاهات. كما تُستخدم الجمالونات الكروية الأنبوبية على نطاق واسع في إنتاج الدراجات النارية والسيارات الحديثة، على الرغم من أن الهياكل أحادية الهيكل أكثر شيوعًا.

ومن الأمثلة البارزة على الجمالونات الكروية في المباني:

• الجسر: جسر فورث للسكك الحديدية

كان جسر سكة حديد مزدوج المسار من أوائل التطبيقات واسعة النطاق لهياكل الجمالونات الفضائية في العالم. تألف الامتداد الرئيسي من ثلاثة جمالونات فضائية ضخمة كابولية، تمتد من البرجين على كلا الجانبين، ويتصل بها جمالون أقصر في المنتصف. تميز الهيكل بأوتار مزدوجة (أوتار أنبوبية علوية وسفلية) متصلة بشبكات أنبوبية، مما شكل إطارًا ثلاثي الأبعاد شديد الصلابة بدلًا من الجمالون المسطح. قاوم هذا التصميم بفعالية أحمال الرياح الهائلة المؤثرة على الهيكل، مستوفيًا بذلك متطلبات السلامة الصارمة.

• الملعب: قبة هيوستن

لكونه أول ملعب داخلي كبير الحجم ومكيف بقبة في العالم، وأول ملعب متعدد الأغراض بقبة، فقد كان إنجازًا رائدًا. هيكل سقفه عبارة عن قبة جيوديسية دائرية مزدوجة الطبقات، يبلغ قطرها حوالي 218 مترًا (واتسعت بعد التوسعات اللاحقة). يتكون هذا الهيكل الشبكي المكاني من سلسلة من عناصر الشبكة المتصلة بواسطة وصلات كروية مثبتة بمسامير أو ملحومة، ويمتد على كامل الملعب، خاليًا من أي أعمدة داخلية، مما يوفر مساحة واسعة خالية من الأعمدة للأنشطة في الموقع.

• المطار: مطار باريس شارل ديغول المبنى رقم 1

يتكون جوهر المبنى الرئيسي من عدة أهرامات خرسانية مسلحة مقلوبة. تعتمد هياكل السقف والجدران الجانبية لهذه الأهرامات بشكل مكثف على نظام جملوني فضائي ثلاثي الأبعاد (شبكة). لا يقتصر هذا النظام على تحقيق امتداد كبير، مما يلبي متطلبات الخلوص الجوي المهمة فحسب، بل يُضفي أيضًا مظهرًا معماريًا مميزًا. كما يوفر تصميم “الجملون الداخلي + الغلاف الخارجي” مساحة ميزانين للمعدات والأنابيب.

خاتمة

بخبرة تزيد عن عقدين من الزمن، انخرطت شركة XTD Steel Structure بعمق في مجال الهياكل الفولاذية الجاهزة. من ناطحات السحاب إلى الجسور العابرة للأنهار، ومن الملاعب الرياضية النابضة بالحياة إلى مراكز المعارض الحديثة، ومن المصانع الموحدة إلى مختلف المشاريع الضخمة، نجحنا في تنفيذ آلاف المشاريع الرائدة. نبني القوة بالحرفية ونُعرّف الجودة بالاحترافية، ونطمح إلى نشر جمال الهياكل الفولاذية الجاهزة في كل أنحاء العالم.