بررسی اجمالی سازه برج‌باغ مسکونی Sky Habitat سنگاپور
معرفی پروژه
برج‌باغ مسکونی Sky Habitat در منطقه Bishan شهر سنگاپور واقع شده و یکی از پروژه‌های شاخص معماری و سازه‌ای این شهر محسوب می‌شود. طراحی معماری پروژه توسط Safdie Architects انجام شده و مهندسی سازه آن بر عهده شرکت RSP Architects Planners & Engineers بوده است. پروژه در سال 2015 تکمیل شده و شامل دو برج مسکونی 38 طبقه با ارتفاع تقریبی 133 متر و مجموع زیربنای حدود 65,000 مترمربع است. این مجموعه در مجموع 509 واحد مسکونی دارد.
ایده اصلی پروژه، ایجاد نوعی «باغ عمودی» در مقیاس یک مجتمع مسکونی مرتفع است. برخلاف یک برج مسکونی متعارف با پلان و نمای تقریباً یکنواخت، دو برج Sky Habitat به صورت پلکانی و با عقب‌نشستگی‌های متعدد طراحی شده‌اند. این عقب‌نشستگی‌ها علاوه بر ایجاد تراس و فضای سبز برای واحدها، باعث ایجاد فرم سه‌بعدی و نسبتاً پیچیده‌ای در ساختمان شده‌اند. سه پل هوایی در ترازهای 14، 26 و 38 دو برج را به یکدیگر متصل می‌کنند و در تراز بالایی نیز یک استخر و فضای عمومی قرار گرفته است.
سیستم سازه‌ای اصلی
Sky Habitat را می‌توان عمدتاً یک سازه بتن‌آرمه دانست. بر اساس اطلاعات CTBUH، سیستم اصلی ساختمان از نوعAll-Concrete است؛ یعنی عناصر اصلی باربر قائم و جانبی و سیستم کف عمدتاً از بتن تشکیل شده‌اند.
در این پروژه، سیستم سازه‌ای تنها برای تحمل بارهای ثقلی طراحی نشده، بلکه باید در برابر بارهای جانبی، به‌خصوص باد، نیز سختی و پایداری کافی ایجاد کند. یکی از عناصر مهم سیستم باربر جانبی، دیوارهای برشی بتن‌آرمه هستند. فرم معماری خاص پروژه باعث شده است که برخی از دیوارهای سازه‌ای در قسمت پایین ساختمان به صورت مایل و بازشونده طراحی شوند. این دیوارها در پایه با زاویه‌ای حدود 72.65 درجه نسبت به وضعیت متعارف قرار گرفته‌اند و یکی از مهم‌ترین چالش‌های مهندسی پروژه محسوب می‌شوند.
به بیان ساده، ساختمان در قسمت‌های بالایی دارای آرایش منظم‌تری از واحدهای مسکونی است، اما با حرکت به سمت پایین، بخشی از هندسه سازه تغییر می‌کند و مسیر انتقال بار نیز پیچیده‌تر می‌شود. بنابراین مسئله اصلی، صرفاً مقاومت اعضا نیست؛ بلکه تأمین مسیر پیوسته و قابل اطمینان برای انتقال بار از طبقات فوقانی به فونداسیون اهمیت زیادی دارد.
دیوارهای مایل و مسئله انتقال بار
یکی از جذاب‌ترین قسمت‌های سازه Sky Habitat، دیوارهای برشی مایل در قسمت پایین ساختمان است. در یک ساختمان متعارف، بارهای ثقلی طبقات معمولاً از دال‌ها به تیرها یا دیوارها و سپس به ستون‌ها و فونداسیون منتقل می‌شوند. اما در Sky Habitat به دلیل فرم پلکانی و دیوارهای مایل، مسیر بار در بعضی قسمت‌ها مستقیم و قائم نیست.
مهندسان برای حل این مسئله از مفهوم Tension–Compression Tie استفاده کرده‌اند. در این سیستم، نیروهای کششی و فشاری ایجادشده در اثر هندسه خاص دیوارها توسط اعضای انتقالی کنترل می‌شوند. در تراز 14 یک تیر مهاری فشاری و در پایین‌ترین تراز B2 یک تیر مهاری کششی پس‌کشیده (Post-Tensioned) به کار گرفته شده است. هدف اصلی این سیستم، ایجاد یک مسیر بسته و کنترل‌شده برای نیروهای ناشی از عملکرد دیوارهای مایل و انتقال آن‌ها به سمت فونداسیون است.
این موضوع نشان می‌دهد که فرم معماری ساختمان مستقیماً بر رفتار سازه‌ای آن اثر گذاشته است. در واقع، اگر فرم پلکانی و دیوارهای مایل حذف شوند، بخش قابل توجهی از پیچیدگی سازه‌ای پروژه نیز از بین می‌رود.
طبقات انتقالی و خرپاهای سازه‌ای
یکی دیگر از چالش‌های اصلی، تغییر آرایش واحدها و شبکه سازه‌ای در ارتفاع ساختمان است. تراس‌ها و حجم‌های پلکانی باعث شده‌اند که شبکه باربر در بعضی طبقات با شبکه طبقات بالا و پایین یکسان نباشد. در نتیجه، نمی‌توان بار تمام طبقات را مستقیماً توسط یک سیستم قائم و پیوسته به زمین منتقل کرد.
برای حل این مشکل، در برخی ترازهای بحرانی از خرپاهای انتقالی فولادی (Structural Steel Transfer Trusses) به همراه دیوارهای بتنی استفاده شده است. این خرپاها وظیفه دارند بارهای قابل توجهی را که از طبقات فوقانی می‌آیند دریافت کرده و به عناصر باربر زیرین منتقل کنند.
این قسمت از پروژه از دیدگاه مهندسی سازه اهمیت زیادی دارد؛ زیرا طبقات انتقالی معمولاً محل تمرکز نیروها، تغییر سختی و تغییر مسیر بار هستند. بنابراین طراحی آن‌ها باید با کنترل دقیق نیروهای محوری، خمشی و برشی، تغییرشکل‌ها و همچنین جزئیات اتصال انجام شود.
سیستم کف و ارتباط آن با دیوارهای باربر
در ساختمان از دال‌های بتنی و سیستم بتن‌آرمه استفاده شده است. وجود واحدهای مسکونی متعدد و نیاز به انعطاف‌پذیری در معماری باعث شده که استفاده از ستون‌های متعدد در نمای ساختمان مطلوب نباشد. در نتیجه، بخش مهمی از انتقال نیرو و تأمین سختی جانبی به وسیله دیوارهای سازه‌ای انجام می‌شود. این رویکرد از نظر معماری نیز مزیت دارد؛ زیرا حذف یا کاهش تعداد ستون‌های نمایان در داخل واحدهای مسکونی، آزادی بیشتری برای سازمان‌دهی فضا ایجاد می‌کند. از طرف دیگر، وجود دیوارهای سازه‌ای در محل‌های مشخص، سختی ساختمان را افزایش داده و به کنترل تغییرمکان جانبی کمک می‌کند.
پل‌های هوایی Sky Bridge
سه پل هوایی در ترازهای 14، 26 و 38 یکی از شاخص‌ترین عناصر پروژه هستند. این پل‌ها فقط یک عنصر معماری نیستند، بلکه از نظر سازه‌ای نیز یک چالش مهم محسوب می‌شوند. برای پل‌های هوایی از سازه فولادی سبک استفاده شده است. یکی از پل‌های اصلی دارای دهانه آزاد تقریباً 29 متر است. سیستم پل به گونه‌ای طراحی شده که در محل اتصال به دو برج، امکان حرکت نسبی کنترل‌شده وجود داشته باشد؛ به همین دلیل اتصال‌ها با شرایط Pin–Roller مدل‌سازی شده‌اند. این موضوع به پل اجازه می‌دهد در اثر تغییرشکل و حرکت نسبی دو برج، نیروهای نامطلوب زیادی به سازه‌های اصلی منتقل نکند. از نظر اجرایی نیز پل‌ها در سطح زمین پیش‌ساخته و سپس به محل نهایی خود در ارتفاع منتقل شده‌اند. این روش باعث افزایش کیفیت ساخت و کاهش ریسک عملیات پیچیده در ارتفاع شده است.
فونداسیون و انتقال بار به زمین
با توجه به ارتفاع ساختمان، وزن قابل توجه سازه و وجود نیروهای پیچیده ناشی از دیوارهای مایل و سیستم انتقالی، انتقال ایمن نیروها به زمین اهمیت ویژه‌ای دارد. اطلاعات منتشرشده برای پروژه استفاده از سیستم‌هایی مانند شمع‌های بتن‌آرمه و/یا شمع‌های حفاری‌شده (Bored Piles) و سیستم‌های فونداسیون بتن‌آرمه را مطرح می‌کنند. در طراحی فونداسیون، علاوه بر بارهای قائم، باید مؤلفه‌های افقی و لنگرهای ناشی از عملکرد دیوارهای برشی، باد و هندسه نامتقارن سازه نیز در نظر گرفته شوند. بنابراین فونداسیون این پروژه صرفاً یک سیستم انتقال بار ثقلی نیست، بلکه بخشی از سیستم کلی پایداری ساختمان محسوب می‌شود.
جمع‌بندی سازه‌ای
مهم‌ترین ویژگی Sky Habitat این است که سازه و معماری از یکدیگر جدا نیستند. فرم پلکانی، تراس‌ها، دیوارهای مایل و سه پل هوایی، همگی مستقیماً بر سیستم سازه‌ای تأثیر گذاشته‌اند.
از دیدگاه مهندسی سازه، مهم‌ترین نکات پروژه را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:
- دو برج بتن‌آرمه 38 طبقه به عنوان سازه اصلی پروژه عمل می‌کنند.
- دیوارهای برشی بتن‌آرمه نقش مهمی در تأمین مقاومت و سختی جانبی دارند.
- دیوارهای مایل در پایین ساختمان یکی از اصلی‌ترین چالش‌های انتقال بار هستند.
- برای کنترل نیروهای ناشی از دیوارهای مایل، از سیستم کششی–فشاری و تیرهای مهاری استفاده شده است.
- تغییر شبکه سازه‌ای در برخی طبقات موجب استفاده از خرپاهای انتقالی فولادی شده است.
- سه Sky Bridge با سازه فولادی، دو برج را به هم متصل می‌کنند و به دلیل دهانه حدود 29 متر و امکان حرکت نسبی دو برج، طراحی اتصال آن‌ها اهمیت زیادی دارد.
- فونداسیون عمیق و سیستم انتقال بار به زمین باید نیروهای قائم، جانبی و ناشی از هندسه خاص ساختمان را تحمل کند.
- مهم‌ترین درس سازه‌ای پروژه این است که در ساختمان‌های بلند با فرم معماری پیچیده، مسیر انتقال بار (Load Path) باید از همان مراحل اولیه طراحی معماری و سازه به صورت یکپارچه بررسی شود.
در مجموع، Sky Habitat را می‌توان نمونه‌ای موفق از ترکیب سازه بتن‌آرمه، سیستم‌های انتقالی فولادی، دیوارهای برشی مایل و سازه‌های فولادی پل‌های هوایی دانست. پیچیدگی اصلی پروژه نه صرفاً در ارتفاع 133 متری آن، بلکه در تغییرات هندسی، انتقال بارهای بزرگ در ترازهای خاص و ایجاد ارتباط سازه‌ای کنترل‌شده بین دو برج است. همین ویژگی‌ها باعث شده Sky Habitat از منظر مهندسی سازه، نمونه ارزشمندی برای مطالعه رفتار ساختمان‌های بلند با فرم معماری غیرمتعارف باشد.