في مجال هندسة البناء، أصبحت الهياكل الفولاذية خيارًا هامًا للمباني الحديثة بفضل كفاءتها الميكانيكية ومرونتها في النمذجة. يُعدّ إتقان الأشكال الإنشائية الأساسية للهياكل الفولاذية ومنطق اختيارها مفتاحًا لدخول هذا المجال المهني. لنتعرف على خمسة هياكل نموذجية: إطار البوابة الفولاذية الخفيفة، والإطار الفولاذي، والشبكة الفولاذية، والغشاء الكابلي، وجملون الأنابيب، لنساعدك على بناء نظام معرفي سريع.

1. هيكل إطار البوابة الفولاذي الخفيف - خيار فعال من حيث التكلفة للمباني الصغيرة والمتوسطة الحجم

البنية الأساسية والخصائص الميكانيكية
يتكون إطار البوابة الفولاذي الخفيف من هيكل بوابة (وصلات صلبة من عوارض وأعمدة فولاذية مقطعها H)، ونظام أعمدة (فولاذ مقطعه C/Z)، ونظام دعامات للهياكل الفولاذية، مما يُشكل نظام هياكل فولاذية مستوية تتحمل القوة. تكمن ميزته الأساسية في تصميم المقطع العرضي المتغير - حيث تُحسّن المقاطع العرضية للعوارض وأعمدة الهياكل الفولاذية وفقًا لتغيرات القوة الداخلية لتحقيق كفاءة استخدام المواد؛ كما أن سقف وجدران الهياكل الفولاذية مصنوعة من صفائح فولاذية خفيفة الوزن (بوزن ذاتي يتراوح بين 0.1 و0.3 كيلو نيوتن/م³ فقط)، مما يُقلل حمل الأساس بنسبة 40%-60% مقارنةً بالهياكل الخرسانية.

سيناريوهات التطبيق النموذجية
مناسب للمباني الصناعية (الهياكل الفولاذية والورش الخفيفة والتخزين والخدمات اللوجستية) والمرافق التجارية (قاعات المعارض، والمرائب) بامتداد واحد يتراوح بين 20 و30 مترًا، وارتفاع سقف لا يتجاوز 10 أمتار. تشمل المشاريع النموذجية هياكل جيه دي الخدمات اللوجستية الفولاذية والمستودعات وورش الإنتاج للشركات الصغيرة والمتوسطة، بفترة بناء تتراوح بين 4 و8 أسابيع فقط، وبتكلفة أقل بنسبة 20% إلى 30% من تكلفة الهياكل الخرسانية.

ثلاثة عوامل رئيسية للاختيار
التحكم في الامتداد: عندما يتجاوز الامتداد 30 مترًا، يجب اعتماد إطارات صلبة من النوع الشبكي أو دعامات منتصف الامتداد لتجنب الزيادة المفرطة في المقاطع العرضية للعوارض والأعمدة.
التكيف مع الحمل: بالنسبة لأحمال الرافعة ≤20 طنًا، يتم تفضيل الإطارات الصلبة ذات الشبكة الصلبة؛ بالنسبة للأحمال الزائدة، يتم التبديل إلى أنظمة الإطارات الفولاذية.
تصميم المفصل: تحتاج مفاصل العارضة والعمود الصلبة إلى التحقق من قدرة نقل عزم الانحناء؛ والمفاصل المفصلية مناسبة فقط للسيناريوهات التي لا تحتوي على رافعات أو ذات أحمال خفيفة. 

2. هيكل الإطار الفولاذي - ساحر الفضاء للمباني متعددة الطوابق

الخصائص الهيكلية ومزايا النظام
يتألف هذا النظام من أعمدة فولاذية (هياكل فولاذية مقطعها H/أنابيب فولاذية دائرية) وعوارض فولاذية (هياكل فولاذية مقطعها H/عوارض مركبة) عبر وصلات صلبة (هياكل فولاذية ملحومة بالكامل/وصلات هجينة ملحومة بالبراغي)، مما يُشكل نظامًا يتحمل قوة مكانية، مما يُتيح تحقيق تباعد كبير للأعمدة يزيد عن 9 أمتار (مثل شبكات أعمدة الهياكل الفولاذية بطول 8.4 متر، والتي تُستخدم عادةً في المباني المكتبية). بفضل الوصلات المفصلية وأنظمة التدعيم، يُمكنه التكيف بمرونة مع مختلف متطلبات التحصين الزلزالي (حتى تحصين بزاوية 8 درجات).

أنواع المباني المعمول بها
المباني التجارية متعددة الطوابق: مباني المكاتب ذات الهياكل الفولاذية المكونة من 5 إلى 15 طابقًا (مثل سلسلة سوهو)، مع طائرات قابلة للتقسيم بحرية لتلبية احتياجات المكاتب المفتوحة.
المباني الصناعية: الهياكل الفولاذية الورش الثقيلة (مثل ورش المعالجة الميكانيكية)، والتي يمكنها حمل الرافعات العلوية التي يصل وزنها إلى 50 طنًا أو أكثر.
المباني المقاومة للزلازل: تتمتع هذه المباني بمرونة عالية تجعلها الخيار الأول للمناطق المعرضة للزلازل (مثل سيتشوان باليابان).

المعايير الرئيسية للاختيار
حد نسبة الارتفاع إلى العرض: عند تجاوز 1:5، يجب ضبط الأنابيب الأساسية/الدعائم للتحكم في نسبة الانجراف بين الطوابق ≤1/250.
شكل المفصل: في المناطق الزلزالية، يتم إعطاء الأولوية لتصميم العضو الضعيف للمفصل دي دي اتش سترونج، ويتم تحسين قدرة تبديد الطاقة من خلال ألواح تقوية منطقة المفصل.
ألواح الأرضيات المركبة: يمكن لألواح الأرضيات المركبة المصنوعة من صفائح الفولاذ المقطعة (سمكها 80-150 مم) أن تقلل من ارتفاع عوارض الفولاذ وتحسن استغلال ارتفاع الأرضية.

3. هيكل شبكي فولاذي - نموذج يتحمل القوة المكانية للمباني ذات الامتدادات الكبيرة

التركيب الهندسي والمزايا الميكانيكية
تتكون من أنابيب فولاذية (φ48-φ325) متصلة بوصلات كروية (هياكل فولاذية ملحومة على شكل كرات مجوفة/كرات مثبتة بمسامير) مرتبة في نمط شبكي منتظم (هياكل فولاذية على شكل هرم مربع، هرم مثلث، إلخ)، مما يُشكل نظامًا شبكيًا يتحمل قوة الانحناء في الهياكل الفولاذية، محققًا صلابة انحناء ثنائية الاتجاه متوازنة. يبلغ سمك الشبكات المسطحة حوالي 1/10-1/15 من طول الامتداد، بينما يبلغ ارتفاع الشبكات المنحنية (مثل القباب) 1/6-1/8 من طول الامتداد، مع استهلاك إجمالي للهياكل الفولاذية يتراوح بين 30 و50 كجم/م² فقط.

سيناريوهات تطبيق المعالم
المباني الرياضية: الهياكل الفولاذية للصالات الرياضية (مثل الهيكل الخارجي لصيانة عش الطائر)، وحمامات السباحة ذات الهياكل الفولاذية، والتي تغطي مساحات كبيرة للغاية تتراوح بين 80 إلى 150 مترًا.
مراكز النقل: الهياكل الفولاذية ومحطات المطار (سقف الممر في مطار بكين داشينغ الدولي)، وتحقيق مساحة شفافة خالية من الأعمدة.
ورش العمل الصناعية: الهياكل الفولاذية ورش تصنيع الطائرات (التي تتطلب امتدادًا واضحًا يزيد عن 300 متر)، جنبًا إلى جنب مع أنظمة الرافعات المعلقة.

النقاط الفنية للاختيار
التكيف مع المستوى: يتم اختيار شبكات هرمية مربعة للمستويات المستطيلة؛ ويتم اختيار شبكات ثلاثية الاتجاهات أو هياكل قبة للمستويات الدائرية.
اختيار المفصل: بالنسبة للمسافات ≤60 مترًا، يتم استخدام المفاصل الكروية المثبتة بمسامير (مصنعة مسبقًا، وسهلة التركيب)؛ بالنسبة للمسافات الكبيرة جدًا، يتم استخدام المفاصل الكروية الملحومة (مع قدرة تحمل أعلى).
حمل السقف: يجب التحقق من حمل انزلاق الثلوج بالنسبة لأسقف الجدران الزجاجية؛ ويجب مراعاة شفط الرياح (الضغط السلبي المحلي حتى -1.5 كيلو باسكال) بالنسبة للهياكل الفولاذية والأسقف المعدنية.