المبانى الفراغية

مقدمة Introduction
لقد تطور الفكر المعماري .. فاندمجت الأقاليم فيما بينها وترابطت المدن مع بعضها واتصلت الدول بغيرها .. فقربت الفوارق الزمنية والمكانية وتوسعت دوائر الأنشطة وازدادت الاحتياجات العلية للبحور الواسعة والفراغات الانتفاعية الكبيرة تبعا للاحتياجات المختلفة والمتنوعة للنشطة سواء أكانت هذه الأنشطة تمارس على مستويات دولية INTERNATIONAL ACTIVITIES .
كالأولمبياد الدولية ( القرية الأوليمبية بميونخ دورة سول المرتقبة ) أو على المستوى الوطني national activities معارض ، صالات متعددة الأغراض أو على المستوى القومي REGIONAL ACTIVITES ... مراكز ثقافية أو على مستوى المجاورة السكنية NEIGBORTHOOD .. فباختلاف حجم الأنشطة تبعا للمستويات المختلفة فلكل منها متطلباته الوظيفية التي تتطلب بحورا إنشائية وفراغات انتفاعيه ، ولتحقيق البحور المختلفة والفراغات المتنوعة كان السعي الدائم لتطوير الفكر المعماري في شتى اتجاهاته ... التصميمية والتنفيذية ليواكب حركة التطور المتزايدة للأنشطة المختلفة ... فتطورت طرق التشييد وساهمت فى تطور الفكر المعماري لتصميم الفراغات المعمارية للبحور الواسعة فتنوعت نظم الإنشاء وحققت المزيد من المرونة فى تشكيل الفراغات ، ولانت المواد الإنشائية واستحدث الجديد منها لتساعد على التشكيل الإنشائي للفراغات المختلفة على تنوعها .

أنواع الفراغات :
تنوعت الفراغات لتلائم الاستخدامات المختلفة ولتفي بالمتطلبات الوظيفية ولتحتوى على الأنشطة المتنوعة سواء بالامتداد EXTENSION الرأسي أو الأفقي للفراغات المطلوبة في عصرنا اليوم ويقع في نطاق ذلك الفراغ السكنى والتجاري والتعليمي والثقافي ... ويحدد ذلك الاحتياجات المتغيرة للمتطلبات المنفعية لكل فراغ واختلاف التكوينات المختلفة بأبعادها المتغيرة فمنها فراغات صغيرة تتناسب مع الاحتياجات المتعددة والفردية للإنسان وأخرى فراغات أكبر تتناسب مع الاحتياجات المختلفة للأنشطة والتي تفرض مسطحات وأبعاد كبيرة لتلك الفراغات ويترتب على ذلك اختيار طرق تشييد إنشائية تتناسب مع الأشكال المختلفة و التكوينات الفراغية ذات التشكيلات التكعيبية أو البلاستيكية المتعددة فكلما كبرت تلك الفراغات كان الاحتياج لنظم إنشائية تتناسب وتشكيل التكوينات الفراغية ، لذا كان هناك ضرورة لتحديد مجال الدراسة من خلال تحديد المقصود بالبحور الواسعة وبالتالي تحديد مجال البحث ومن خلال ذلك تم تقسيم الفراغات إلى ثلاث أنواع تبعا لأقل عرض ( بحر ) في الفراغ :
فراغ عادى ( بحر حتى 20 م ) NORMAL SPAN ( UP TO 20M )
فراغ كبير ( بحر من 21حتى 100 م ) LARGE SPAN ( FROM 21-100M )
فراغ ضخم ( بحر أكثر من 100 م )MEGA LARGE SPAN ( MORE THAN 100M )
وتلعب المواد الإنشائية على تنوعها دورا أساسيا في تكوين تلك الفراغات

لقد انتشر الإنشاء القشري في أوائل القرن التاسع عشر فى أوروبا بعد ابتكار طريقة زايس – ديفيداج DYWIDAG ZEISS للإنشاء القشري ، إذ كان أول سقف قشري لبحر واسع حوالي 23.00م كما في صالة عرض بدسلدورف عام 1962 ، ثم بعد ذلك انتشر الإنشاء القشري فى كافة أنحاء أوروبا ، فكان استعمال القباب الطولية كما في صالة السوق في مدينة فرانكفورت FRANK FURT بطول 720 قدم وعرض 141 قدم وارتفاع 75 قدم ، كما بنيت في نفس المدينة فرانكفورت سنة 1928 قبة دائرية لصالة مبنى الكهرباء بقطر 85 قدم وهكذا بدأ الإنشاء القشري يحقق المزيد من المشاريع ذات بحور إنشائية لفراغات إنتفاعية كبيرة قام بتصميمها المهندسان داشنجر ريتر DASCHINGER & RITTER كما استخدم فريسته الأسطح المضلعة الرقيقة في بناء حظائر الطائرات في مطار اورلى بفرنسا ، فكان استعمالا ناجحا للمنشآت القشري المضلعة محققا فكرة إنشائية جديدة في الاستخدام القشري .
وتعتبر صالة مبنى الكهرباء – فرانكفورت من الاستخدامات الأولية للإنشاء القشري في تشييد البحور الواسعة في أوروبا فقد حقق الإنشاء القشري المزيد من مفهوم الفراغات الانتفاعية التي تتفق والمتطلبات الوظيفية للفراغ الداخلي .
ولقد استخدام الإنشاء القشري لتغطية سقف مسرح جامعة فرجينيا حيث يبلغ قطر السقف 90 مترا وبنفس مادة الإنشاء " الخرسانة " أمكن تحقيق فراغات معمارية انتفاعي لبحور إنشائية أكبر وتتفق والمتطلبات الوظيفية للفراغ .
كما جاء تصميم صالة معرض تورينو بإيطاليا 1948 بفكر انشائى جديد فلقد تمكن المهندس الايطالى نيرفى NERVI من تغطية صالة المعرض .
إذ بلغ عرضها حوالي 95.00 م ، وذلك باستخدام وحدات أسمنتية مسلحة ومموجة .
CORRUGATED SHEETS & R.C وسابقة التجهيز ، تحقق فكرا معماريا متميزا في إيجاد فراغات إنتفاعية لبحور إنشائية وبأشكال معمارية جمالية AESTHETIC FORMS تفي وتحقق الاحتياجات الداخلية للفراغ مزيدا من التقدم والانتشار باستخدام سابق التجهيز في نشاء البحور الواسعة وكذلك كان للمهندس الفرنسي برنارد لافاى أعمال ذات أهمية تاريخية في تطوير الإنشاء القشري ، وأيضا المهندس اوارد تروخا E.TORROJA استخدم الوحدات القشرية في تغطية سقف مقاعد حلقة سباق زارزويلا بمدريد 1935 .
فاستخدام وبنجاح الصدفات القشرية المفردة ، ومن المزدوجة في العديد من مشروعاته .
وباستمرار حركة التطور العلمي ، وبزيادة حجم الأنشطة ، فقد اخذ الإنشاء القشري خطا وفيرا من البحث العلمي ، وبتطويع الخرسانة المسلحة كمادة إنشائية لها قدراتها وخواصها المميزة لها ، فقد مر الإنشاء القشري بمراحل عديدة من التطور فاستخدام سابق التجهيز مع الإنشاء القشرى وذلك بتجزئة المنشأ لوحدات مديولية متكررة .
وكما استخدم سابق الإجهاد فى البحور الواسعة بنجاح ، فقد تمكن المهندس بيير لويجى نيرفى NERVI من الجمع بين سابق التجهيز والصب فى الموقع كما فى قصر الرياضة الصغير بروما وقد أصبح من المنشآت المعمارية الرياضية المميزة .
ومن خلال المادة بإمكانياتها المختلفة وطرق التشييد المنفذة اختلفت الإنشاءات ومسمياتها طبقا للاجهادات الواقعة عليها فى مجالات العمارة ما بين منشآت تقليدية وقشرية وكابلية وفراغية وخيامية ومنفوخة لكل نوع إمكانياته الإنشائية المميزة له .
أنواع المنشآت :
منشآت تقليدية CONVENTIONAL STRUCTURES
منشآت قشرية ********************************L STRUCTURES
منشآت كابلية TENSILE STRUCTURES
منشآت فراغية (حديدية) SPACE TRUSS STRUCTURES
منشآت خيامية (غشائية) FABRIC STRUCTURES TENT
منشآت منفوخة PNEUMATIC STRUCTURES
ومن خلال ذلك يمكن تصنيف هذه المنشآت طبقا للاجهادات الواقعة عليها .
منشآت تقاوم القوى بتشكيلها FORM-ACTIVE STRUCTURES
منشآت تقاوم القوى بتحليلها فى اتجاه أعضائهاVECTOR -ACTIVE STRUCTURES
منشآت تقاوم القوى بكتلتها BULK ACTIVE STRUCTURES
منشآت تقاوم القوى بقشرتها SURFACE-ACTIVE STRUCTURES
منشآت رأسية VERTICAL STRUCTURES
يتدرج تحت التصنيفات المختلفة للنظم الخمسة العديد من التسميات ، يقع بعضها تحت نطاق مجالات البحث ، وهذا سوف نتناوله فى الأبواب التالية من البحث .
1. منشآت تقاوم القوى بتشكيلها SYSTEMS FORM-ACTIVE STRUCTURES
منشآت تقاوم القوى والاجهادات الواقعة على التكوين الإنشائي المغلف للفراغ بتشكيلها بعد تحليلها إلى قوى ( الشد أو الضغط ) ومن أمثلة ذلك المنشآت الكابلية CABLE STRUCTURES و المنشآت الخيامية TENT FBRIC STRUCTURES والمنشآت المفتوحة PNEUMATIC STRUCRES والمنشآت المعقودة ARCH STRUCTURES
2. منشآت تقاوم القوى بتحليلها فى اتجاه أعضائها : SYSTEMS VECTOR-ACTIVE STRUCTURES
منشآت يقوم التكوين الإنشائي المغلف للفراغ بتحليل القوى والاجهادات المعرض لها التكوين الفراغي بتحليلها إلى قوى الشد والضغط ومن أمثلة ذلك الجمالون المستوى FLAT TRUSS SYSTEMS والجمالون المنحنى CURVED TRUSS SYSTEMS والجمالون الفراغي SPACE TRUSS SYSTEMS
3. منشآت تقاوم القوى بكتلتها : SYSTEMS BULK -ACTIVE STRUCTURES
منشآت تقاوم القوى والاجهادات المعرض لها التشكيل الفراغي ما بين قوى الشد والضغط عزوم الانحناء ومنها نظام الكمرات BEAM SYSTEMS ونظام الإطارات FRAME SYSTEMS
المنشآت القشرية
تصنف تحت نوع المنشآت التي تقاوم القوى بقشرتها الخارجية . وهى عبارة عن أسطح هندسية تحدد الفراغ داخليا وخارجيا حسنت خواصها بحيث تستطيع تحمل الأحمال محللة للقوى الواقعة عليها الى قوى الضغط والشد والقص .
وهى عبارة عن قشرة رقيقة ( من الخرسانة المسلحة فى معظم الأحيان ) ثم تشكيلها بحيث تكتسب هذه القشرة الرقيقة عزم قص ذاتي وذلك سواء بتطبيقها فى صورة منشورية أو هرمية أو سواء بحديتها فى اتجاه واحد أو بتشكيلها باستعمال راسم يدور حول محور دوران أو غيره من الأشكال التي لا يمكن تصنيفها تحت مسمى واحد .
وتعد المنشآت القشرية من أحسن المنشآت الثابتة الدائمة الخرسانية ، خفة فى الوزن وتعبيرا عن المنشأ سواء من الداخل و من الخارج .
تصنيف المنشآت القشرية
تندرج المنشآت القشرية تحت المنشآت التي تقاوم الاجهادات الواقعة عليها بقشرتها SURFACE - ACTIVE CONDITION
وتنقسم المنشآت القشرية الى عدة تصنيفات عرفت فى الأوساط المعمارية فمنها منشآت قشرية أحادية الانحناء ، دورانية الانحناء ، غير مصنفة ، منشورية وهرمية وتندرج تحت كل من هذه التصنيفات العديد من المسميات حققت جميعها فراغات إنتفاعية لبحوث إنشائية واسعة ، تميزت بأشكال معمارية متميزة ، نستعرض بعض الأمثلة التى توضح أهم المسميات المختلفة للمنشآت القشرية .



تصنيف المنشآت القشرية
********************************l Structures classification



















القشرية أحادية الانحناء : Single curved ********************************l structure systems
ويكون التشكيل المعماري للمشروع باستخدام وحدات قشرية ذات انحناء في اتجاه واحد كما في مدرجات زارزويلا وكذلك مسرح مدينة تالاهاس . فلوريدا ، وقد تحقق بها العديد من المشروعات ذات الفراغات الإنتفاعية والبحور الإنشائية الواسعة وكلها مشاريع تعبر عن فكر متميز في تشكيل الفراغات المتنوعة ، فهي فراغات تنبع من المعايشة الفعلية للاحتياجات المعمارية وبمزيد من تطويع المادة الإنشائية نفذت مشاريع ازدواجية
الانحناء ، كما في مبنى أوبرا سيدنى . أستراليا .

القشرة دورانية الانحناء : Rotational ********************************l structure system
ويكون التشكيل الإنشائي للقشرة المغلفة للفراغ دوراني الشكل كما في مطار أبو ظبي الدولي وقاعة كبار الزوار بمطار أبو ظبي . فحققت المنشآت القشرية الدورانية فراغات داخلية تتسم بالاحتواء الداخلي للأنشطة المعمارية في الفراغ مما يبين مرونة المادة الإنشائية على التشكيل .




القشرية غير مصنفة الانحناء : Anticlastic ********************************l structure systems
ويجمع التكوين الإنشائي للقشرة المغلفة بين أكثر من انحناء كما في مطار الملك فهد الدولي ، فباستخدام المنشآت القشرية الغير مصنفة أمكن التحرر من الجود في القشرة المغلفة للفراغ " ديناميكية التشكيل القشري " وتحقيق أقصى انتفاع داخلي للفراغ فالمادة الإنشائية غزيرة العطاء أدت إلى مزيد من المرونة في التشكيل المغلف .


منشآت قشرية منشورية منطبقة : Prismatic folded Structures system
يكون التشكيل الإنشائي للقشرة المغلفة للفراغ على شكل منشور أو جزء منه كما هو في منصة العرض العسكري النصب التذكاري بمدينة نصر ، أعطت المنشآت المنشورية المنطبقة حرية وتنوعاً في التشكيل القشري مع إعطاء صفات تكوينه للفراغ تتسم بالتتابع والتناقص في القشرة المغلفة







منشآت قشرية هرمية منطبقة : Primary folded Structures systems
يتخذ التكوين الإنشائي للقشرة الشكل الهرمي ، فبدراسة وإدراك المصمم للاحتياجات الفعلية للفراغ ، يكون الإيحاء باتجاه تصميمي في تشكيل الفراغ حسب الاحتياجات الوظيفية الفعلية للفراغ .





تقسيم القشريات :-
أولاً : قشريات مقسومة في اتجاه واحد ********************************l curved in one direction
يجب عمل دعائم أو أضلاع توضع في هذه القشريات لتقويتها على شكل إطارات صلدة لتحويل الأحمال إلى مراكز تحملها أو تكبير سمك حافتيها هذه القشرة لكي تعمل كمرات حافة على طول حافتي القشرة وقد تلغى في حالة زيادة تسليحها ويمكن أن تقسم إلى :
( أ ) قشريات مركز تقوسها تحت القشرة .
 يدخل في نطاقها القشريات البرميلية تنقسم إلى :
- قشرة برميلية قصيرة : ويكون طول القشرة أقل من 3/5 نصف قطر قوسها .
- قشرة برميلية طويلة : ويكون طول القشرة أكبر من 3/5 نصف قطر قوسها ويجب تقويتها برابط تدعيم عند نهايتيها وقد تشيد بكابولى أو بدعائم بارزة لتثبيت الزجاج .
- قشرة الإضاءة الشمالية : وهى جزء من القشرة البرميلية وتعامل مثل القبو القشري إنشائياً .
- قشرة برميلية مائلة : وهى قشرة برميلية موضوعة على المائل .



 القبو القشري Vault ********************************l :
قطاعات تشبه أشكال العقود التي ترتكز على دعامتين ولتدعيمه يجب :
- وضع الكمرتين عند حافتين القبو لتتحمل قوة الرفس .
- ألا يقل سمك القشرة الخرسانية المسلحة عن 6.5 سم .
 المخروط القشرى Coned ********************************l :
هذه القشرة مناسبة في تسقيف الصالات الكبيرة أو المخازن كما يمكن اختيار أماكن مناسبة فى هذه الأسقف لوضع فتحات الإضاءة .
 القشريات الكتفية ********************************l abutments :
دائمة الاستعمال فى تغطية أسقف منصة المشاهدين فى الملاعب والساحات وخلافه .

 القشرة الفراشية Butterfly ********************************l :
تتكون من كابولين يتفرعان من عامود وقد تسمى بالقشرة ذات الكابولى وتستعمل عادة فى أعمال مظلات الأتوبيسات والقطارات .
( ب ) قشريات مركز تقوسها فوق القشرة Center of curvature above ********************************l
يدخل فى نطاقها :
( 1 ) قشريات مقعرة : يكون لها مركز تقوس ثابت .
( 2 ) قشريات مقلوبة : يكون لها مركز تقوس مختلفة .
( ج ) قشريات مراكز تقوسها فوق وتحت القشرة Corrugated ********************************l
يدخل فى نطاقها :
( 1 ) قشريات متعرجة مسطحة : يكون لها مراكز تقوس ثابتة فوق وتحت القشرة .
( 2 ) قشريات متعرجة مقوسة : يكون لها مراكز تقوس متغيرة على حسب تقوس القشرة .

ثانياً : قشريات مقوسة فى اتجاهين ********************************l curved in two direction

أ ) القبة القشرية :
من الأسقف الفراغية ذات السطح الدورانى كما أن هذه القشرة مناسبة للإنشاءات التي يراد تغطية تحورها دون التقيد بأعمدة داخل المبنى قد تشيد من الخشب أو المعدن أو الخرسانة .
ب) قشريات بمصنفات خاصة :-
المكافىء الزائدى القشري يتكون من مزيج تداخل قوس القطع الزائدى مع قوس القطع المكافىء لها تأثير في الأسقف الفراغية ذات الثلاثة أبعاد مثل المسارح وقاعات السينما وصالات المعارض .
 الشمسيا ت القشرية المقلوبة :
تعامل هذه البلاطات معاملة الأسقف القشرية المكافىء الزائدة وقد تحمل هذه الأسقف بعمود واحد أو أكثر ونظرا لعدم وجود حوائط حاملة للسقف لا يمكن وضعها فى أى مكان حسب رغبة الديكور .
الأسطح الإنشائية الفعالة:
الصدفات القشرية المنحنية
مفردة الانحناء Single curvature
-الأقبية البرميلية الطويلة
-توزيع اجهادات ضغط علوي و شد سفلي
-تجميع لعدة وحدات
-وحدات مجمعة لاستقبال الإضاءة العلوية




-الأقبية البرميلية القصيرة
-توزيع الاجهادات
-تجميع الوحدات






 مزدوجة الانحناء :
الشكل المخروطي DOUBLE CURVATURE CONOID
تنويعات للصدفات القشرية ذات الشكل المخروطي

 صدفات قشرية مزدوجة الانحناء DOUBLE CURVATURE ********************************LS
تتكون هندسيا من حركة مستقيم على منحنيين رأسين متشابهين في مستويين متوازيين . وقد يختلف المنحنيان من ناحية الارتفاع والشكل فيتكون عن حركة المستقيم شكل مخروطي CONOIDAL SURFACE . وقد يتحول أحد المنحنيين إلى خط مستقيم فيكون ما يسمى بالكونويد CONOID ، والمنحنى الأخر قد يكون دائريا أو على شكل قطع مكافىء أو قطع ناقص ، وهذا يتوقف على شكل المنحنى الطرفي . والكونويد يعتبر صدفة مزدوجة الانحناء إذا ما نظرنا إلى محاورة الموصلة لأعلى نقطة على المنحنى بطرفي الخط المستقيم وهى تكون منحنيات تتجه إلى أعلى ، في حين أن المحاور الموصلة بين منتصف الخط المستقيم وطرفي المنحنى تكون منحنيات
تتجه إلى أسفل . هذه الاسطوانات أو الأشكال المخروطية بأنواعها المختلفة قد تكون محاورها أفقية أو رأسية ، وفى الحالة الأخيرة تخدم الأسطح القشرية كحوائط رأسية أو مائلة .
التكوينات الإنشائية السابق بحثها ليست للفراغ ، فما زالت هناك أجزاء من الغلاف غير حاملة ، وهذه يلزم تغليفها بأسطح غير مستمرة هندسيا وماديا مع المنشأ الحامل . كما أن أطرافا مثل هذه الوحدات الإنشائية تكون مسطحات تتركز فيها اجهادات الشد والقص مما يجعل من الضروري تقويتها بكمرات لتعويض عدم الاستمرار فى المادة .
وبازدواج الانحناء يزداد المنشأ جساءة وخاصة إذا كان استمرار أحد الانحنائين هندسيا وماديا على شكل دائرة كما هو الشأن فى الصدفات الدورانية . وبازدواج الانحناء يقرب المنشأ من الاستمرار الهندسي والمادي في اتجاهين بدلا من اتجاه واحد ، كما يصبح المنشأ في أقصى حالاته ( الكرة ) مقفلا ويصبح محور المنشأ مضلعا للقوى فى جميع حالات التحميل . وبذلك تتحول جميع الاجهادات إلى اجهادات انضغاط أو شد وتلغى اجهادات الانحناء كلية .
وهناك أنواع كثيرة من الصدفات المزدوجة الانحناء ، وذلك بالنسبة لطريقة تكوينها فى الفراغ وأنواع المنحنيات التي تكونها . ومن الممكن تقسيمها الى نوعين رئيسين بحسب علامات المنحنيات المكونة لها . وقد اصطلح على تسمية المنحنيات المتجهة الى أسفل منحنيات ذات علامة ايجابية والمتجة الى أعلى سلبية .

المنحنيان المختلفا الإشارة DOUBLE CURVATURE OF OPPOSITE SIGNS
الصدفات مزدوجة الانحناء مختلفة الإشارة قد تكون صدفات انتقالية TRANSITIONAL ********************************LS أو دورانية ROTATIONAL .
ومن أهم أمثلة الصدفات الانتقالية القطع الزائدى المكافىء HYPERBOLIC PARABOLOID وهى تنشأ من حركة قطع مكافىء ايجابى على أخر سلبي الاتجاه ، وقطاعه الأفقي يمثل منحنيين منفصلين لقطع زائديHYPERBOLA