مقارنة وتحليل المساكن ذات الهياكل الفولاذية خفيفة الوزن

مقارنة وتحليل الهياكل الفولاذية خفيفة الوزن للمساكن السكنية

ملخص - تتميز المباني السكنية ذات الهياكل الفولاذية خفيفة الوزن بخصائص صديقة للبيئة، وموفرة للطاقة، وصديقة للبيئة. في العقود القليلة الماضية، تزايد الاهتمام باستخدام الهياكل الفولاذية المشكلة على البارد في جميع جوانب تشييد المباني، وشهدت العديد من الدول المتقدمة تطورات ملحوظة في هذا المجال. ومع ذلك، لا تزال هذه المباني السكنية ذات الهياكل الفولاذية خفيفة الوزن قيد الاستخدام في بعض الدول النامية. في هذه الورقة، نستعرض بعض خصائص المباني السكنية ذات الهياكل الفولاذية خفيفة الوزن والوضع البحثي الحالي. بناءً على ذلك، نحلل وندرس هذه المباني السكنية ذات الهياكل الفولاذية خفيفة الوزن في أمريكا الشمالية واليابان وأوروبا بالتفصيل، ونستعرض بعض ميزاتها. بعد ذلك، نستعرض، وفقًا للظروف الخاصة في الصين، حالة التطوير وخصائص المباني السكنية ذات الهياكل الفولاذية خفيفة الوزن، بما في ذلك بعض مفاهيم الإسكان التقليدية، والمباني السكنية ذات الهياكل الفولاذية المكثفة. بناءً على هذه الدراسات، نطرح بعض الاقتراحات والإجراءات المضادة. يُعتقد أن هذه المباني مهمة ومفيدة لتعزيز التصنيع السكني في الصين.

الكلمات المفتاحية - هيكل فولاذي خفيف الوزن؛ مكون؛ مبنى سكني؛ هيكل مشكل على البارد؛ متعدد الطبقات منخفض

أولا: المقدمة

مع تطور صناعة البناء، أصبح تغيير أنظمة ومواد البناء هو الاتجاه السائد في تطوير المباني السكنية. في السنوات الأخيرة، ومع التحسن المستمر في مستوى معيشة الناس، ازدادت متطلبات السكن والاستقرار، وخاصةً في المباني منخفضة الارتفاع، مما استدعى البحث والتطوير والترويج لأنظمة بناء سكنية أنيقة، تتميز بالأداء الهيكلي الممتاز، مع مراعاة الراحة وسرعة البناء والاقتصاد في التكاليف، لتحل محل المباني القائمة.

تعتمد هياكل الفولاذ الخفيفة على عناصر فولاذية اقتصادية كهيكل داعم، مع استخدام ألواح ضغط أو صفائح خفيفة الوزن كغلاف جداري، ومسامير عالية القوة، وموصلات، ومواد مانعة للتسرب، ومكونات أخرى داعمة، مثل مكونات غلاف المبنى، مثل المباني السكنية الجاهزة المُجمّعة في الموقع [1]. يُلاحظ أن مادة البناء الرئيسية لهياكل الفولاذ الخفيفة هي عارضة فولاذية خفيفة الوزن مُجلفنة كمكونات هيكلية رئيسية. ومن أهم مزايا استخدام هذه المادة ضمان خصائص سكنية جيدة، بالإضافة إلى ضمان بناء منزل بوزن خفيف، ودرجة عالية من التصنيع المسبق، وسرعة في البناء، وكثافة عمالة منخفضة [2،3]. تتميز هياكل الفولاذ الخفيفة السكنية، مقارنةً بالهياكل التقليدية السابقة، بالمزايا التالية: هيكل مستقر، تكلفة منخفضة، مساحة أكبر من المباني الخرسانية، ومقاومة ممتازة للتآكل، ومتانة عالية، وعمر افتراضي طويل. مع ذلك، لا تزال هياكل الفولاذ الخفيفة في الصين في مرحلة التطوير، ولا تزال هناك بعض المشاكل الخطيرة في عملية تصميم المساكن التي تحتاج إلى مزيد من الدراسة. ولتحقيق هذا الهدف، تُحلّل هذه الورقة وتُقارن بين المساكن الفولاذية الخفيفة، وتُقدّم خصائص المساكن الفولاذية الخفيفة الأجنبية والمحلية. كما تُقدّم بعض الاقتراحات المُناسبة.

تم تنظيم الورقة البحثية على النحو التالي. يصف القسم الثاني خصائص المساكن الفولاذية الخفيفة في الخارج. ويصف القسم الثالث التطور الحالي للفولاذ الخفيف وخصائص المساكن الفولاذية في الصين. ويرد في القسم الأخير الاستنتاج.

II. مساكن الفولاذ الخفيف في الخارج

أ. مساكن الفولاذ الخفيف في أمريكا الشمالية. تُصنع مساكن الفولاذ الخفيف في أمريكا الشمالية من هياكل خشبية تتميز بخفة وزنها. وتمثل 20% من حصة السوق السكنية في أمريكا الشمالية [4]. يتكون هيكل المساكن بشكل رئيسي من نظام عارضة فولاذية على شكل حرف C مُشكلة على البارد، وعادةً ما تُبنى مساكن فيلات من طابق إلى طابقين في المناطق التي تشهد زلازل بكثرة في كاليفورنيا ومناطق أخرى. يوضح الشكل 1 بعض مساكن الفولاذ الخفيف في أمريكا الشمالية.

في الواقع، لقد أصبح نظام الفولاذ خفيف الوزن هذا ناضجًا للغاية في أمريكا الشمالية. والآن، يمكنهم بناء مبنى سكني متعدد الطوابق باستخدام هذه التقنية من خمس طبقات إلى ست طبقات. ومن الجدير بالذكر أن الجزء الأكثر نشاطًا من الأبحاث في الولايات المتحدة هو على الهياكل الفولاذية المشكلة على البارد. والأسباب وراء ذلك هي توسع الصناعة الداعمة، وخاصة في مجال المساكن العائلية الفردية وارتفاع تكلفة الخشب. وبالتالي، أصبحت المنازل ذات الإطارات الفولاذية أكثر وأكثر اقتصادية [5]. يذكر بيكوز [6] أنه في الولايات المتحدة، تم بناء حوالي 500 منزل من الفولاذ خفيف الوزن في عام 1992. وارتفع هذا العدد إلى 15000 في عام 1993 و75000 في عام 1994. ومن المتوقع حدوث زيادة أخرى بمقدار خمسة أضعاف بحلول عام 2002. وعناصر الإطار الأساسية لهذا الشكل من البناء هي أعمدة الجدران الفولاذية المشكلة على البارد وعوارض الأرضية. كما تُستخدم أيضًا دعامات أو عوارض السقف الفولاذية خفيفة الوزن. وفي الوقت الحاضر، أنتجت الولايات المتحدة مثل هذا النظام العارضة لمائة شركة. من بينها، شركة مشهورة هي شركة Dietrich، وهي شركة تابعة لشركة Worthington Industrial Company. لقد طوروا نظام DBS لبناء مساكن فولاذية خفيفة متعددة الطوابق [4]. باستخدام نظام تكنولوجيا DBS يمكن بناء هيكل فولاذي خفيف سكني متعدد الطوابق. يستخدم جداره ألواح جبسية ذات قناة C على كلا الجانبين وتستخدم الأرضية عارضة فولاذية خفيفة من النوع C بسمك 20 مم، ومملوءة بفاصل عازل من الصوف الزجاجي، مما يصدر تأثيرًا صوتيًا. في الولايات المتحدة، تُستخدم المقاطع C المشكلة على البارد بشكل شائع كأعضاء في جملونات السقف [7]. في الواقع، كانت أشكال البورلين المبكرة عبارة عن قنوات ذات شفة بسيطة وأقسام Zed. تطورت القناة البسيطة إلى Multibeam Marks I وII وIII، والأخيرة لها شفة مركبة. يمكن ملاحظة اتجاه مماثل في تطور Zed إلى أشكال Zeta وUltrazed، كما هو موضح في الشكل 2 [6]. يمكن إنتاج الأعضاء المشكلة على البارد في مجموعة واسعة من مقاطع المقاطع. المكونات الأكثر استخدامًا هي قنوات C والمقاطع Z الموضحة في الشكل 3[10]. يُستخدم هذا الفولاذ خفيف الوزن في أمريكا الشمالية في المباني المستقلة أو المنازل متعددة الطوابق نظرًا لضعف عزله الصوتي. لمقاومة أحمال الرياح الجانبية والزلازل، يعتمد نظام المباني السكنية متعدد الهياكل الفولاذية الخفيفة في الولايات المتحدة على طريقتين: استخدام جدران القص الفولاذية الخفيفة أو هيكل دعم إطار فولاذي متقاطع. تُرتّب جدران القص الفولاذية الخفيفة عادةً في المنازل، باستخدام صفائح فولاذية مجلفنة بسمك 0.5 مم من منغوليا في ألواح الجبس، ثم تُثبّت على أعمدة الجدار الفولاذية الخفيفة. يشبه تكوين إجهاد القص في هيكل الطبقة الخارجية وجود مكون خاص لجدار القص بين كل طبقة لربط الطابقين العلوي والسفلي لنقل القص الأفقي والشد الناتج عن القوة الأفقية المؤثرة على أعمدة الجدار الناتجة بفعالية. في منطقة الزلازل، ولضمان السلامة الهيكلية، يُستخدم دعامة الرأس المتقاطعة كهيكل إطار فولاذي مقاوم للقوى الجانبية لتشكيل نظام معماري هجين، حيث يتحمل الفولاذ الخفيف الأحمال الرأسية ويتحمل الفولاذ العادي الأحمال الأفقية. لضمان عزل الجدران، تُلصق طبقة عازلة على مادة الجدار الخارجي، بالإضافة إلى أعمدة الجدار المملوءة بالألياف الزجاجية. بهذه الطريقة، يتم فصل الجسر الحراري بفعالية بين أعمدة الجدار وألواحه.

ب. بناء المساكن باستخدام صفائح الفولاذ في اليابان

نظرًا لأن اليابان منطقة معرضة للزلازل وأن الفولاذ خفيف الوزن يتمتع بخصائص جيدة للتأثيرات الزلزالية، فإن الفولاذ خفيف الوزن يحظى بشعبية محلية. ووفقًا لخصائصها الفريدة، تبني اليابان مساكن فولاذية خفيفة، وهي مساكن صفائح الفولاذ، كما هو موضح في الشكل 4 أدناه [8،9]. يستخدم هذا الهيكل عملية بناء جديدة، أي يستخدم مزيجًا من الفولاذ المجلفن غير الملحوم والمشكل على البارد، والمعروف أيضًا باسم الفولاذ 2 × 4، وهو عبارة عن حرفة سكنية ذات هيكل ضلع صفيحي. الهيكل هو شكل معماري من أمريكا الشمالية السابقة. يتم بناء ألواح الجدران والأرضية باستخدام الخشب القائم على الصندوق. ومع ذلك، في مساكن صفائح الفولاذ، يتم استبدال مادة الصفائح بالفولاذ، الذي يبلغ سمكه 1.0 مم أو نحو ذلك. يتم تثبيت ألواح الجبس خفيفة الوزن على الجانبين. وبهذه الطريقة، يتم تحقيق الأداء العام للهيكل مثل الثبات والمتانة والعزل الحراري وخصائص عزل الصوت وما إلى ذلك.

في الواقع، يجمع هذا الهيكل الفولاذي الهيكلي بين قوة ومزايا عملية أضلاع الفولاذ والصفائح. وقد أثبتت تجارب الجهات المعنية بالبناء تمتعه بخصائص أداء ممتازة، مثل مقاومة الزلازل، وأداء أحمال الرياح، وأداء أحمال الثلوج. في عام ٢٠٠٣، استُبدلت مادة البناء اليابانية من الخشب إلى عارضة فولاذية رقيقة. وحرصًا على مراعاة السمات المعمارية، وقوانين البناء اليابانية، والتعليمات الخاصة عند بناء المبنى، تم وضع أنظمة إطفاء حريق أوتوماتيكية، ونظام عادم أوتوماتيكي، وديكورات داخلية تُقلل من انتقال الحرارة بين جدران المنزل.

ج. المباني السكنية الموفرة للطاقة في أوروبا

بدأت ألمانيا في تطبيق مواصفات الطاقة الجديدة للمباني منذ عام 2002 [9]. ويتمثل جوهرها في تحديد كمية استهلاك الطاقة. ويُطلب من كل منزل معرفة استهلاك الطاقة من أجل تقديم حسابات طاقة المبنى إلى الجهات المختصة كوثائق ضرورية للمنازل. ولها تأثير كبير على سوق التطوير السكني ومواد البناء في البلاد. وفي المباني السكنية الموفرة للطاقة، تستخدم السويد الطاقة المتجددة قدر الإمكان، بما في ذلك طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية ومصادر الطاقة الأخرى، وتدمج هذه التقنيات. باختصار، تركز الدول الأوروبية بشكل أكبر على دراسة كفاءة الطاقة والبناء الأخضر. والآن، يمكن تجميع مكونات الفولاذ المشكل على البارد بسرعة ودقة في وحدات هيكلية كاملة لتسليمها إلى الموقع. وفي المملكة المتحدة، تُبنى معظم الفنادق والموتيلات خارج المدينة بهذه الطريقة الآن. ويستخدم قطاع البناء في المملكة المتحدة حاليًا أكثر من 300000 طن من منتجات الفولاذ المشكل على البارد سنويًا، وينمو معدل الاستهلاك هذا باطراد [10].

ثالثًا. الإسكان الفولاذي الخفيف في الصين

أ. حالة تطوير الإسكان الفولاذي الخفيف

لفترة طويلة، كان البناء السكني في الصين يعتمد بشكل أساسي على الخرسانة. لم يعد هذا البناء مناسبًا لموضوع المباني الخضراء اليوم لأنه يتطلب مواد كبيرة وفترة بناء طويلة. ونظرًا لأن الصين كانت أكبر منتج للصلب في العالم منذ عام 1996، كما هو موضح في الشكل 5، فقد بدأت حكومة الولاية في تشجيع استخدام الفولاذ في صناعة الهندسة المدنية. ومع نمو صناعة معالجة الفولاذ الإنشائي يومًا بعد يوم، دخل بناء الهياكل الفولاذية في الصين فترة تطور عالية السرعة [11]. من الهيكل الخرساني إلى المباني الفولاذية العادية ومن المباني الفولاذية العادية إلى الهياكل الفولاذية الخفيفة. لا يسعى تطوير المباني السكنية الفولاذية إلى التكنولوجيا المتقدمة والأدوات الخاصة، ويجب أن يركز على تكنولوجيا الإسكان الناضجة والمتكاملة والعملية مثل الدول الأوروبية. في عملية التكامل، يكمن المفتاح في الهيكل التفصيلي والتقارب المتبادل.

نظراً لسهولة إنتاج مكونات الفولاذ الخفيف في المصانع، ومستوى عالٍ من الميكنة، ودرجة عالية من التسويق، وسرعة عالية في البناء في الموقع، وعدم تأثيره على السكان المجاورين، وجاذبيته للبناء الحضاري عالية. يُعد الفولاذ الخفيف منتجاً صديقاً للبيئة، ومُستداماً، ومؤشراته الاقتصادية الشاملة لا تتجاوز هياكل الخرسانة المسلحة. لذلك، يجب أن يصبح خفة وزن مباني الفولاذ الخفيف، وأدائها الزلزالي الجيد، هو السائد في صناعة البناء. يشهد قطاع البناء حالياً تحولاً جذرياً.

ب. خصائص غلاف الفولاذ الخفيف

يُعدّ الفولاذ الخفيف مفهومًا جديدًا في البداية. ومع تحسن مستوى معيشة الناس، دخل تدريجيًا في حياتهم. في بعض المدن الصينية الكبرى، مثل بكين وشنغهاي وغيرها، نشأت مباني سكنية بهياكل فولاذية خفيفة بفضل إدخال تقنيات من أمريكا الشمالية واليابان. حاليًا، تنتمي معظم مساكن الفولاذ الخفيف في الصين إلى مساكن خفيفة موفرة للطاقة، تستخدم أنظمة بناء الهياكل الفولاذية، والجدران، والأرضيات، والأسقف الخفيفة. باستخدام فولاذ اللحام العادي على شكل حرف H، أو مقطع صغير من فولاذ على شكل حرف H مدرفل على الساخن، أو مقطع مستقيم، مع الجمع بين عامل القوة الجانبية للجدار المقاوم للتشكيل، يمكن بناء هياكل متعددة الطبقات. يتوافق هذا مع نظام المواصفات الحالي لدينا، ويلبي متطلبات الزلازل [9]. في عام 2011، أصدرت الصين وطبقت "اللوائح الفنية لبناء المباني الفولاذية منخفضة المستوى المشكلة على البارد"، التي تجمع بين نظام عارضة الفولاذ المشكلة على البارد في أمريكا الشمالية، وتروج لهذا النظام. في عملية التصميم باستخدام الفولاذ المشكل على البارد على شكل قناة C والفولاذ على شكل حرف U، تتكون الجدران الحاملة من عمود وشعاع توجيه علوي وسفلي وشعاع توجيه ودعامة ودعامات وألواح جدارية ومكونات هيكلية أخرى [12]، كما هو موضح في الشكل 6 أدناه. على الرغم من أحكام المواصفات ذات الصلة، إلا أن هذا الهيكل لا يزال غير شائع. على الرغم من أن الهيكل الفولاذي الخفيف له بعض المزايا، على سبيل المثال، الوزن الخفيف والأداء الزلزالي الممتاز وفترة البناء القصيرة والاستقرار الهيكلي وخصائص أخرى، إلا أنه يعاني أيضًا من بعض المشكلات التي يجب معالجتها بشكل أكبر، مثل الضوضاء الكبيرة والحرارة الضعيفة. لم يتم التعرف على فترة البناء القصيرة للمبنى الآن من قبل الناس ولم يتم التحقق من سلامته وموثوقيته.

لكن هذا البناء الفولاذي الخفيف يمثل اتجاهًا صاعدًا في تطوير العمارة الصينية، ويحتاج إلى مزيد من الباحثين لدراسة سلامته وموثوقيته ومتانته. باختصار، لا تزال الصين في بداية عهد المباني السكنية خفيفة الوزن المصنوعة من الهياكل الفولاذية، وما زال أمامها طريق طويل. بالمقارنة مع الدول المتقدمة، لا تزال هناك العديد من التساؤلات، ولا تزال الصين متأخرة كثيرًا في هذا المجال. يحتاج هذا البناء إلى التحسين والتطوير المستمر [13].

ج. التوصيات والاستراتيجيات

نظراً لما تتميز به المساكن الفولاذية خفيفة الوزن من أداء جيد، وخفة وزن، ودقة تصنيع عالية، وسرعة في البناء، وانخفاض في كثافة العمالة، وغيرها، فقد تطورت تدريجياً في الولايات المتحدة وأوروبا خلال العقود الثلاثة الماضية، وأوجدت مجموعة من التقنيات المتطورة. في الوقت الحالي، تسعى العديد من الشركات المحلية والأجنبية باستمرار إلى نقل تقنية المساكن الفولاذية خفيفة الوزن إلى الصين، لكن هذا التوجه غير مجدٍ. والأسباب هي:

1) لا توجد مواصفات منهجية للصلب خفيف الوزن.

على الرغم من صدور "اللوائح الفنية للهياكل الفولاذية المشكلة على البارد" عام ٢٠١١، إلا أنها لا تُؤخذ في الاعتبار تقريبًا تصنيع مكونات تحمل أوزانًا كبيرة بسماكة فولاذ ٢ مم أو أقل. بالنسبة لنظام طلاء محمل إطار معدني بالزنك، مع الاستخدام الواسع لسماكة جدار تتراوح بين ٠.٨ و١.٦ مم في الخارج، لا يوجد تحليل نظري أو بيانات تجريبية ذات صلة بالهيكل، مما يجعل تصميم الهياكل الفولاذية الخفيفة في الصين أمرًا بالغ الصعوبة.

2) يتطلب المجتمع ككل عملية لقبول نظام الإسكان الجديد.

لا يزال الناس غريبين جدًا بالنسبة لمثل هذا الهيكل وما زالوا يفهمون بشكل سيء أمنه واستقراره وراحته وما إلى ذلك.

3) تكلفة المشروع مرتفعة.

بما أن هذه التكنولوجيا لا تزال في بداياتها، فإن نقص العمالة الماهرة والحاجة إلى مكونات فولاذية خفيفة مستوردة من الخارج يُسببان ارتفاع أسعار المساكن. لحل هذه المشاكل، تُقترح التوصيات والاستراتيجيات التالية:

١) لتحسين مواصفات الفولاذ خفيف الوزن، يُسهم تنفيذ عدد من المشاريع التجريبية في سد هذه الفجوة التكنولوجية. ينبغي دعم الشركات الكبيرة التي تُجري أبحاثًا في هذا المجال.

2) على أساس بناء المشاريع التجريبية والخبرة المكتسبة، ينبغي اغتنام الفرصة لإعداد المعايير والرموز الفنية المناسبة لمنزل الهيكل الفولاذي الخفيف.

3) بمجرد إصدار المعيار الفني، ينبغي دمج نظام التكنولوجيا في المدارس المهنية كمحتوى تعليمي.

٤) الاستفادة من بعض التجارب الناجحة للدول الأجنبية. وتُجرى أبحاث علمية في حالات محددة. وينبغي على الدول وضع سياسات لدعم أبحاث هذه التقنية، بما يُسهم في تعميم استخدام الهياكل الفولاذية الخفيفة تدريجيًا. ومن خلال هذه الطريقة، يُؤمل أن يتعرف عليها المزيد من الناس.

رابعًا: الخاتمة

باختصار، تتمتع المباني السكنية متعددة الطوابق المصنوعة من الفولاذ منخفض الإضاءة في الصين بآفاق واعدة للتطوير، بفضل قلة المواد، وانخفاض التلوث، وقصر مدة البناء، ومواكبتها لاتجاهات تطوير العمارة المحلية. وستُصبح نموذجًا جديدًا للمباني السكنية في الصين. ومع إصدار الإرشادات والمواصفات الفنية للمباني السكنية المصنوعة من الفولاذ، يجب تطوير هذه المباني بشكل أكبر. ومن خلال استيعاب وتطوير تكنولوجيا أنظمة الهياكل الفولاذية الخفيفة في الخارج، وزيادة القدرة الإنتاجية وتطوير قدرات تكنولوجيا الفولاذ، أعتقد أن الهياكل الفولاذية الخفيفة ستُستخدم وتُطور على نطاق واسع في الصين.