دليل شامل لتفاصيل نظام هيكل الدعامات الفضائية

ما هو نظام هيكل الجمالون الفضائي؟

هياكل الجمالون الفضائي، والمعروفة أيضًا باسم هياكل الجمالون الكروي، هي أنظمة خفيفة الوزن وصلبة تشكل نمطًا هندسيًا ثلاثي الأبعاد. يستخدم نظام هيكل الجمالون الفضائي قضبان الشد والضغط الموزعة في اتجاهات متعددة لتحقيق الاستقرار العالي.

تعمل هذه الهياكل تحت ظروف تحميل ثلاثية الأبعاد، مما يسمح لها بتحمل الأحمال القادمة من جميع الاتجاهات. وتُستخدم بشكل خاص في المباني المقاومة للزلازل ذات الفتحات الكبيرة. هناك ثلاثة أنواع رئيسية: الجمالونات المستوية، وإطارات الجمالون الكروية المنحنية، وإطارات الجمالون الكروية ذات الأسطح المستوية. وتشمل مزاياها خفة البناء والقدرة على التشكيل في أنماط مختلفة. في الجمالونات المستوية، تكون جميع الأعضاء والعُقد في مستوى واحد، بينما في الهياكل الكروية يمكن أن تمتد العناصر في مستويات ثلاثية الأبعاد.

عندما لا تكون محاور عناصر الجمالون والقوى الخارجية الواقعة عليها في نفس المستوى، فإن الهيكل الناتج عن ربط القضبان المستقيمة في نهاياتها لتكوين هيكل مقاوم للانحناء يُعرف باسم نظام هيكل الجمالون الفضائي، ويُطلق عليه أيضًا هيكل الجمالون ثلاثي الأبعاد. يتكون عادة من جملونين مستويين متصلين على مسافة محددة. تتميز الجمالونات المستوية بأداء جيد داخل المستوى، لكنها أقل صلابة خارج المستوى.

ولضمان تكامل نظام هيكل الجمالون الفضائي، يجب تركيب دعامات مختلفة. ومع ذلك، فإن ترتيب هذه الدعامات يستهلك كمية كبيرة من المواد ويجب التحكم به وفق نسبة النحافة، مما يمنع الاستفادة الكاملة من قوة المادة. يمكن لهياكل الجمالون الفضائي أن تتجنب هذه العيوب بفعالية، وتنقسم وفق الشكل المقطعي إلى مثلثات منتظمة ومقلوبة ومستطيلات.

المكونات والمواد المستخدمة في نظام هيكل الجمالون الفضائي

بالمقارنة مع المقاطع المستطيلة، يمكن للجمالونات المثلثة في نظام هيكل الجمالون الفضائي تقليل عدد قضبان الربط. عندما تكون الفتحة كبيرة، يكون الشد على الحبل العلوي مرتفعًا ومقطعُه كبيرًا، لذلك يمكن تقسيمه إلى قسمين لتشكيل هيكل مثلثي مقلوب. وعندما تكون الفتحة صغيرة، يمكن تقسيم الحبل السفلي إلى قسمين لتشكيل هيكل مثلثي منتظم. وعندما يتقاطع الحبلان السفليان في نقطة واحدة عند عقدة الدعم، يتشكل شكل مغزلي يُعرف باسم “جمالون مغزلي”.

يتميز نظام هيكل الجمالون الفضائي بصلابة عالية خارج المستوى وسهولة التركيب وتوفير في الفولاذ المستخدم للدعامات. ومع ذلك، فإن الحسابات الهندسية غالبًا معقدة، وزوايا القضبان ليست عددية صحيحة، وتصميم العقد معقد، ومتطلبات اللحام عالية. ومع ذلك، يمكن لكل نوع من أنواع نظام هيكل الجمالون الفضائي أن يتحمل الأحمال من جميع الاتجاهات، مما يجعله مناسبًا للمباني ذات المسافات الكبيرة المقاومة للزلازل. تشمل الوحدات الأساسية الشائعة الوحدات الهرمية المربعة والوحدات الهرمية المثلثة، وتشكل هذه الوحدات نظام إطار كروي متكامل.

أنواع نظام هيكل الجمالون الفضائي

التصنيف وفق التركيب الإنشائي

الجمالونات المستوية: جميع الأعضاء والعُقد تقع في نفس المستوى، وغالبًا ما تُستخدم للهياكل المبسطة أو الدعم الموضعي (مثل جمالونات الأسقف). جميع العناصر والعقد متحدة المستوى ويمكنها فقط تحمل الأحمال داخل هذا المستوى، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات الأحمال المركزة والفتحات الصغيرة. تتميز ببنية بسيطة، وسهولة التصنيع، وانخفاض التكلفة، وكفاءة مادية عالية.

الجمالونات الفضائية: تتكون من عناصر وعُقد مدمجة في ثلاثة أبعاد لتشكيل هيكل مستقر، مناسب للتطبيقات ذات الفتحات الكبيرة والأحمال المعقدة (مثل الملاعب ودعامات المركبات الفضائية). يسمح الترتيب ثلاثي الأبعاد بتحمل الأحمال من عدة اتجاهات مثل الرياح والزلازل. تتمتع هذه الهياكل باستقرار عام قوي وقدرة فعالة على مقاومة التشوه خارج المستوى.

التصنيف وفق الشكل الهندسي

أنظمة الهرم الثلاثي: تتكون من وحدات هرمية مثلثة وتتميز باستقرار عالي بفضل الشكل المثلث، وتُستخدم عادة في الهياكل ذات الأحمال الثقيلة مثل المصانع الصناعية.

• الهياكل الثقيلة: المصانع الصناعية، ودعامات المعدات الثقيلة (مثل ورش الأفران العالية التي تتحمل أكثر من 50 كيلو نيوتن/م²)
• الفتحات الكبيرة: الجمالونات الرئيسية للملاعب (الفتحة ≥ 60 مترًا)، وأسقف محطات المطارات
• الاستقرار العالي: يوزع الشكل المثلث الأحمال بشكل متساوٍ وتصل الصلابة الجانبية إلى 1/150~1/200 من نسبة الفتحة
• توزيع الأحمال: تُستخدم العناصر المخروطية لتحويل الأحمال الرأسية إلى قوى محورية، مما يقلل من عزوم الانحناء (على سبيل المثال، قاعة المعرض المركزي في مركز المعارض الوطني تستخدم نظام مخروط مقلوب يقلل من استهلاك الفولاذ بنسبة 25%)

أنظمة الهرم المربع: تتكون من وحدات هرمية مربعة، ويمكن دمجها بوضع عمودي أو مائل أو متدرج لتناسب متطلبات الفتحات المختلفة (مثل قاعات المعارض والمطارات).

• تحسين الصلابة ثنائي الاتجاه: من خلال ضبط زاوية ميل المخروط (30°~60°)، يتم تحقيق توازن في الصلابة داخل وخارج المستوى. على سبيل المثال، يستخدم سقف مطار تشنغدو تيانفو الدولي هرمًا مربعًا مائلًا بزاوية 45° مما يقلل معامل اهتزاز الرياح بنسبة 30%.
• تحسين الكفاءة الاقتصادية: تقليل استهلاك الفولاذ بنسبة 15%~20% مقارنة بالهياكل الشبكية التقليدية (مثل مركز مؤتمرات قوانغتشو بايون الدولي).
• نظام السطح الحر: شكل هندسي غير منتظم مع قضبان منحنية تشكل دعامات منحنية للمباني ذات الأشكال الخاصة (مثل المتاحف).
• النمذجة البارامترية: استنادًا إلى تقنية BIM يمكن تحقيق أشكال معقدة (مثل دقة سطح العمود على شكل C في مطار بكين داشينغ ±2 مم).
• قدرة التكيف مع الأحمال: يتم تحسين معامل شكل ضغط الرياح (μs≤0.8) من خلال تعديل الانحناء. على سبيل المثال، تصل قيمة ضغط الرياح لجمالون برج شنغهاي المنحني إلى 1.2 كيلو باسكال.

التصنيف وفق البعد الهندسي

التمدد أحادي البعد: يُستخدم للدعامات الخطية مثل الجسور والأبراج. يُكوّن هذا النوع من نظام هيكل الجمالون الفضائي هيكلًا يشبه العارضة يمتد في اتجاه واحد، ومناسب للدعامات الخطية والفتحات الصغيرة. يتميز ببنية بسيطة وسهولة في التركيب، مما يسمح ببناء سريع للهياكل المؤقتة مثل الجسور للمشاة وهياكل الأسقف المؤقتة.

التمدد ثنائي الأبعاد: يُستخدم للأسطح المستوية أو المنحنية مثل الأرضيات والقباب. يُنشئ نظام هيكل الجمالون الفضائي سطح دعم مستمر داخل المستوى، مما يقلل من عدد العقد ويسمح بتغطية مساحات واسعة. يُستخدم هذا النظام في أسقف القاعات والمعارض ومحطات القطار والمجمعات التجارية بدون أعمدة داخلية.

التمدد ثلاثي الأبعاد: يُستخدم في التركيبات المعقدة مثل محطات الفضاء وهوائيات الاتصالات العملاقة. يربط هذا نظام هيكل الجمالون الفضائي العناصر في ثلاثة اتجاهات، مما يوفر صلابة فضائية عالية ومقاومة للأحمال متعددة الاتجاهات. يمكن تجميعه كوحدات معيارية، مما يسهل النقل والتوسيع. ومن الأمثلة على ذلك الهياكل الداعمة للهوائيات المكافئة ومحطات استقبال الأقمار الصناعية.

التصنيف وفق الوظائف الخاصة

العُقد المعيارية (مثل العُقد الكروية) والتصميمات سريعة الاتصال تدعم التركيب في المدار أو في الموقع، مما يجعل نظام هيكل الجمالون الفضائي مثاليًا للمباني المؤقتة أو الطارئة. يقلل هذا النظام من التكاليف ودورات البناء، ويسمح بإعادة الاستخدام والتكيف مع التضاريس الصعبة.

الجمالونات المشدودة: يتم دمجها مع كابلات شد لتحسين الاستقرار من خلال الإجهاد المسبق. يجعل هذا نظام هيكل الجمالون الفضائي مثاليًا للأسقف خفيفة الوزن ذات الفتحات الكبيرة مثل الملاعب والمرافق العامة. يعوض الإجهاد المسبق التشوهات الناتجة عن الأحمال، ويقلل من استخدام المواد مع الحفاظ على الجمال المعماري.

توزيع الأحمال والأداء الإنشائي

يُعد نظام هيكل الجمالون الفضائي شكلًا إنشائيًا فعالًا يتمتع بخصائص فريدة في توزيع الأحمال. عندما يتعرض للأحمال، تتحمل أعضاؤه قوى شد وضغط محورية، مما يوزع الإجهادات بشكل متساوٍ. في الجمالون المثلثي، يكون الحبل العلوي مضغوطًا، والسفلي مشدودًا، بينما تتحمل الأعضاء المائلة قوى شد أو ضغط حسب الاتجاه.

هذا التوزيع يسمح بالاستخدام الكامل لقوة المادة. بالمقارنة مع العارضة الصلبة، يمكن لـ نظام هيكل الجمالون الفضائي تغطية مساحات أكبر باستخدام كمية أقل من المواد. في بعض الملاعب الكبرى، يمكن أن تمتد الفتحات إلى مئات الأمتار مع وزن منخفض نسبيًا.

يوفر الفولاذ مقاومة عالية ومرونة ومتانة. تمكن هذه الخصائص نظام هيكل الجمالون الفضائي من تحمل الأحمال الكبيرة والحفاظ على الأداء الممتاز تحت تأثير الزلازل أو الرياح. تمتص المادة الطاقة من خلال التشوه اللدن، مما يمنع الانهيار الهش ويحسن السلامة الإنشائية.

على سبيل المثال، في المناطق الزلزالية، تحافظ إطارات الفولاذ ذات المرونة العالية على سلامة الهيكل وتقلل الأضرار أثناء الزلازل. كما تسمح قابلية تصنيع الفولاذ العالية بالتصنيع المسبق في المصانع، مما يزيد من دقة وسرعة البناء. لذلك، تُستخدم أنظمة الجمالون الفضائي على نطاق واسع في الملاعب وقاعات المعارض والمطارات.

التصميم والتصنيع والتركيب

استنادًا إلى الأبعاد الخارجية وإحداثيات العقد وجداول الأعضاء التي يقدمها معهد التصميم، يتم استخدام برامج التصميم التفصيلي لتقسيم نظام هيكل الجمالون الفضائي إلى مكونات مناسبة. يشمل التصميم التفصيلي الرسومات العامة، وتسلسل التجميع، ورسومات الأعضاء، ورسومات العقد، وقائمة المواد.

القطع

يتم قطع الهيكل الرئيسي من أنابيب فولاذية حيث تكون نقاط الاتصال متقاطعة بدقة. تُقطع الأنابيب إلى أجزاء صغيرة وفق خطوط التقاطع لتسهيل اللحام وتقليل الانحرافات.

تُستخدم آلات القطع بالسلك أو البلازما أو الليزر لأداء العملية بدقة. يمكن لنماذج البلازما قطع أنواع متعددة من المعادن، بينما توفر النماذج الليزرية قطعًا مائلًا عالي الدقة.

تجميع الموقع

باستخدام الرافعة، يتم وضع مكونات نظام هيكل الجمالون الفضائي على القوالب وتثبيتها وفق الرسومات التفصيلية. إذا تجاوز الانحراف الحد المسموح به، يمكن تصحيح العضو بالتسخين (بشرط عدم تجاوز درجة التطبيع). بعد لحام الحبال والعناصر المائلة، يتم التحقق من الأبعاد بدقة لضمان دقة التركيب.

التطبيقات النموذجية في مختلف الصناعات

اليوم، يُستخدم نظام هيكل الجمالون الفضائي على نطاق واسع في الجسور والملاعب والمطارات ومحطات القطار. كما يُستخدم في الأسقف الكبيرة للمداخل التجارية والصناعية، وفي الهياكل الخفيفة للمسرح والإنارة، وحتى في صناعة الدراجات النارية والسيارات الحديثة.

الجسور: جسر فورث الحديدي

يُعد أحد أوائل التطبيقات الكبيرة لـ نظام هيكل الجمالون الفضائي، وهو جسر سكة حديد مزدوج الممر. يتكون الجسر من ثلاثة جمالونات ضخمة مثبتة من الأبراج الجانبية ومتصلة بجمالون مركزي أقصر. يتميز بهيكل صلب ثلاثي الأبعاد مقاوم للرياح القوية، مما يضمن سلامة عالية.

الاستاد: قبة هيوستن

يُعد أول استاد مغلق مكيف في العالم، بسقف قبة جيوديسية مزدوجة يبلغ قطرها حوالي 218 مترًا. يتكون نظام هيكل الجمالون الفضائي من شبكة مترابطة من العناصر الفولاذية تغطي الملعب بالكامل دون أعمدة داخلية، مما يخلق مساحة ضخمة خالية من العوائق.

المطار: مبنى الركاب 1 بمطار شارل ديغول

يتكون المبنى الرئيسي من أهرامات مقلوبة من الخرسانة المسلحة. يستخدم السقف والجدران نظام هيكل الجمالون الفضائي ثلاثي الأبعاد، مما يحقق فتحات كبيرة وتصميمًا مميزًا، بالإضافة إلى توفير مساحة تقنية بين الطبقات للمعدات والأنظمة.

الخاتمة

بفضل أكثر من عشرين عامًا من الخبرة، تتخصص شركة XTD Steel Structure في تصميم وتصنيع نظام هيكل الجمالون الفضائي. من ناطحات السحاب إلى الجسور والملاعب، أنجزت الشركة آلاف المشاريع المتميزة، مجمعة بين الحرفية والجودة الهندسية العالية لتقديم هياكل فولاذية متقدمة إلى العالم بأسره.