تاپ‌دان یک روش اجرایی برای پیشبرد هم‌زمان گودبرداری و اجرای سازه است و برخلاف تصور رایج، به یک سیستم سازه‌ای مشخص محدود نمی‌شود. در این روش می‌توان از ترکیب‌های مختلفی از سازه‌های فولادی، بتنی و مرکب استفاده کرد و انتخاب سیستم مناسب به شرایط فنی و اجرایی پروژه وابسته است.
به همین دلیل، مقایسه تاپ دان بتنی و فولادی را نمی‌توان صرفاً به مقایسه بتن و فولاد محدود کرد. نوع ستون‌ها، سیستم باربر، نحوه اتصال اجزای سازه، روش اجرای سقف‌ها، تجهیزات مورد نیاز و حتی توالی گودبرداری و اجرای سازه، همگی می‌توانند از پروژه‌ای به پروژه دیگر متفاوت باشند.
در انتخاب سیستم مناسب، عواملی مانند عمق و ابعاد گود، مشخصات خاک، سطح آب زیرزمینی، بارهای سازه‌ای، شرایط ساختمان‌های مجاور، محدودیت فضای کارگاه، دسترسی به تجهیزات، سرعت مورد نیاز اجرا و هزینه‌های مستقیم و غیرمستقیم پروژه باید هم‌زمان بررسی شوند.
در این مقاله، ضمن بررسی تفاوت‌های اجرایی و سازه‌ای سیستم‌های بتنی، فولادی و مرکب در روش تاپ‌دان، مزایا، محدودیت‌ها و الزامات هر یک بررسی می‌شود تا انتخاب سیستم مناسب بر اساس شرایط واقعی پروژه انجام گیرد.
تاپ دان بتنی و فولادی در یک نگاه
در روش تاپ‌دان، گودبرداری و اجرای سازه به‌صورت مرحله‌ای و هم‌زمان پیش می‌روند و اجزای سازه‌ای اجرا شده در ترازهای مختلف، علاوه بر ایفای نقش در سیستم باربر ساختمان، می‌توانند به‌عنوان تکیه‌گاه‌های افقی برای دیوارهای پیرامونی گود عمل کنند. به این ترتیب، سیستم سازه‌ای ساختمان بخشی از سیستم پایدارسازی گود نیز محسوب می‌شود و انتخاب آن باید هم‌زمان با ملاحظات سازه‌ای و ژئوتکنیکی انجام گیرد.
از نظر مصالح و سیستم باربر، سازه تاپ‌دان می‌تواند به‌صورت بتنی، فولادی یا مرکب فولاد و بتن طراحی و اجرا شود. با این حال، «تاپ‌دان بتنی» الزاماً به معنای اجرای تمام اجزای سازه با بتن مسلح نیست. در این سیستم، بسته به الزامات پروژه، می‌توان از بتن درجا، قطعات بتنی پیش‌ساخته، اعضای مرکب و ترکیب آنها استفاده کرد. همچنین ممکن است بخشی از اعضای سازه‌ای، به‌ویژه ستون‌ها، دارای مغزه یا مقطع فولادی باشند و بتن در عملکرد مرکب عضو نقش داشته باشد.
در برخی پروژه‌ها نیز سیستم سازه‌ای در تمام ارتفاع یکسان نیست و می‌توان از سیستم‌های ترکیبی در ترازهای مختلف استفاده کرد؛ برای مثال، ستون‌های فولادی یا مرکب در ترازهای پایین گود و سازه بتنی در طبقات بالاتر. چنین آرایشی می‌تواند با توجه به محدودیت‌های اجرایی، الزامات باربری، ابعاد مقاطع، فضای کارگاه و توالی اجرای گود و سازه انتخاب شود.
بنابراین، طبقه‌بندی سیستم تاپ‌دان صرفاً بر اساس «بتنی» یا «فولادی» بودن آن کافی نیست. نوع ستون و تیر، سیستم سقف، نحوه اتصال اعضا، روش انتقال بار، روش اجرای اجزا، میزان استفاده از قطعات پیش‌ساخته و درجا، تجهیزات مورد نیاز و توالی عملیات اجرایی، همگی در تعریف و عملکرد سیستم نهایی مؤثر هستند.
در فرآیند اجرای تاپ‌دان، پس از اجرای هر تراز سازه‌ای، دال‌ها یا سایر اعضای افقی می‌توانند نیروهای جانبی ناشی از فشار خاک و آب را از طریق اتصالات و سیستم پیرامونی به سازه منتقل کنند. این اعضا با محدود کردن جابه‌جایی جانبی دیوارهای گود، در کنترل تغییرشکل و تأمین پایداری سیستم نگهبان نقش دارند. بنابراین، طراحی و اجرای سیستم سازه‌ای تاپ‌دان باید به‌صورت یکپارچه با طراحی سازه نگهبان، توالی گودبرداری و مراحل اجرای ساختمان انجام شود.
در نهایت، انتخاب سیستم مناسب تابع یک عامل واحد نیست و باید بر اساس مجموعه‌ای از پارامترهای فنی و اجرایی از جمله عمق و هندسه گود، شرایط و پارامترهای ژئوتکنیکی سایت پروژه، سطح آب زیرزمینی، مشخصات و حساسیت ساختمان‌های مجاور، محدودیت فضای کارگاه، ظرفیت تجهیزات اجرایی، سرعت مورد نیاز پروژه، محدودیت‌های معماری، شرایط تأمین مصالح و هزینه‌های ساخت انجام شود.
جدول مقایسه فنی سیستم‌های سازه‌ای در تاپ‌دان
مقایسه سیستم‌های سازه‌ای مورد استفاده در روش تاپ‌دان باید هم‌زمان از جنبه‌های سازه‌ای، اجرایی و اقتصادی انجام شود. در این مقایسه، نمی‌توان صرفاً بر اساس جنس مصالح، یک سیستم را مقاوم‌تر، سریع‌تر یا اقتصادی‌تر از سیستم دیگر دانست؛ زیرا عملکرد نهایی به عواملی مانند آرایش سیستم باربر، ابعاد و نوع اعضا، جزئیات اتصالات، روش اجرای اجزا، تجهیزات کارگاه، کیفیت اجرا و شرایط واقعی پروژه وابسته است.
از نظر مقاومت و عملکرد سازه‌ای، استفاده از بتن یا فولاد به‌تنهایی تعیین‌کننده ظرفیت نهایی سازه نیست. ظرفیت باربری، سختی و رفتار سیستم تحت بارهای ثقلی و جانبی تابع طراحی اعضا و اتصالات، مشخصات مصالح، شرایط تکیه‌گاهی و نحوه انتقال نیرو در کل سیستم است. در سیستم‌های مرکب نیز عملکرد مشترک فولاد و بتن می‌تواند مبنای طراحی قرار گیرد.
از نظر سرعت اجرا، سیستم‌های فولادی و برخی سیستم‌های پیش‌ساخته بتنی می‌توانند با انتقال بخش قابل توجهی از عملیات ساخت به خارج از کارگاه، زمان اجرای عملیات در محل را تا حدی کاهش دهند. در مقابل، اجرای بتن درجا به تجهیز کارگاه، آرماتوربندی، قالب‌بندی، بتن‌ریزی و تأمین زمان لازم برای کسب مقاومت بتن نیاز دارد. با این حال، سرعت واقعی پروژه به توالی عملیات، فضای کارگاه، دسترسی تجهیزات، شرایط حمل و نصب و امکان اجرای هم‌زمان جبهه‌های کاری نیز وابسته است.
از نظر هزینه نیز نمی‌توان برای تمام پروژه‌ها یک برتری ثابت تعیین کرد. هزینه مصالح، ساخت و حمل قطعات، تجهیزات نصب، نیروی انسانی، قالب‌بندی، آرماتوربندی، شرایط کارگاه، مدت پروژه و هزینه‌های ناشی از محدودیت‌های اجرایی، همگی می‌توانند هزینه نهایی هر سیستم را تغییر دهند.
از نظر دقت اجرایی و کنترل کیفیت، در سیستم‌های فولادی، بخش بیشتری از ساخت می‌تواند در محیط کنترل‌شده کارخانه انجام شود؛ در مقابل، سیستم‌های بتن درجا کنترل دقیق عملیات آرماتوربندی، قالب‌بندی، بتن‌ریزی، تراکم و عمل‌آوری را در محل پروژه ضروری می‌کنند. در هر دو حالت، کنترل ابعادی، کنترل اتصالات و انطباق اجرای واقعی با نقشه‌های سازه‌ای و توالی طراحی‌شده اهمیت اساسی دارد.
بنابراین، انتخاب سیستم مناسب در روش تاپ‌دان باید بر اساس مجموعه‌ای از شاخص‌های فنی، اجرایی و اقتصادی و متناسب با شرایط هر پروژه انجام شود، نه صرفاً بر مبنای جنس سازه.
| سیستم‌های مرکب | سیستم‌های بتنی | سیستم‌های فولادی | معیار |
| تابع عملکرد مشترک فولاد و بتن و جزئیات اتصال | وابسته به طراحی مقاطع، آرماتورگذاری، اتصالات و کیفیت بتن | وابسته به مشخصات مقاطع، اتصالات و کیفیت ساخت و نصب | عملکرد سازه‌ای |
| بسته به ترکیب و توالی اجرای اجزا است اما در مجموع در طبقات روی زمین اگه اسکلت بتنی انتخاب شود سرعت اجرا نسبت به فولادی کمتر است. | در بتن درجا معمولاً وابسته به آرماتوربندی، قالب‌بندی و بتن‌ریزی اما در مقایسه با سیستم فولادی در طبقات روی زمین کندتر پیش می‌رود | امکان ساخت خارج از کارگاه و نصب سریع‌تر اجزا | سرعت اجرا |
| تابع هزینه و سهم هر یک از دو مصالح | تحت تأثیر بتن، میلگرد، قالب و نیروی اجرایی | تحت تأثیر قیمت فولاد، ساخت، حمل و نصب است. با توجه به هزینه تامین فولاد نسبت به مرکب و بتنی گران‌تر است. | هزینه |
| وابسته به کیفیت ساخت، نصب و اجرای بخش‌های بتنی و فولادی | نیازمند کنترل دقیق عملیات اجرایی در محل | امکان کنترل دقیق‌تر بخشی از ساخت در کارخانه | دقت اجرایی |
| ترکیبی از تجهیزات دو سیستم | قالب، تجهیزات آرماتوربندی و بتن‌ریزی | تجهیزات حمل، بلندکردن و نصب | تجهیزات اجرایی |
| امکان تطبیق سیستم با نیازهای مختلف پروژه | مناسب برای برخی هندسه‌ها و جزئیات پیچیده | مناسب برای ساخت و نصب سریع اعضای سازه‌ای | انعطاف‌پذیری اجرایی |
مقایسه هزینه اسکلت بتنی در برابر فولادی
هزینه اسکلت بتنی در برابر فولادی را نمی‌توان فقط با مقایسه قیمت بتن و فولاد مشخص کرد. بلکه باید هزینه بتنآرماتور، نیروی انسانی، تجهیزات، ساخت، حمل و نقل و زمان اجرای پروژه را هم در برآورد قیمت لحاظ کرد. بنابراین قیمت واحد مصالح به‌تنهایی معیار مناسبی برای انتخاب سیستم نیست.
یک مطالعه منتشر شده در سال ۲۰۲۴، با بررسی ۱۰ مدل سازه زیرزمینی در عمق‌های ۸ تا ۴۰ متر، هزینه و مدت اجرای روش‌های تاپ داون و پایین به بالا را مقایسه کرد. نتایج مدل‌ها نشان داد که در عمق ۸ متر، پایین به بالا با ستون بتن مسلح و دال بتن مسلح کم‌هزینه‌ترین گزینه بود؛ در حالی که در عمق‌های ۱۶ تا ۴۰ متر، سیستم بالا به پایین با ستون فولادی مغروق و دال بتن مسلح، کمترین هزینه را در میان گزینه‌های بررسی‌شده داشت.
همچنین تاپ دان در هر ۱۰ مدل، مدت اجرای کوتاه‌تری نشان داد. با این حال، نتایج به فرضیات مدل‌ها، شرایط ژئوتکنیکی، سیستم سازه‌ای و قیمت‌های مورد استفاده در مطالعه وابسته است و نمی‌توان آستانه ۱۶ متر را به‌عنوان یک قاعده عمومی برای همه پروژه‌ها در نظر گرفت.
مقایسه سرعت و زمان اجرا
یکی از ویژگی‌های مهم تاپ دان، امکان هم‌پوشانی عملیات است. در این روش پس از اجرای عناصر اولیه، خاکبرداری و اجرای بخش‌هایی از سازه به‌صورت هم‌زمان و مرحله‌ای ادامه پیدا می‌کنند. همچنین وابستگی عملیات سازه به اتمام کل گودبرداری وجود ندارد. این توالی به‌ویژه برای پروژه‌هایی که برنامه زمانی فشرده دارند، اهمیت پیدا می‌کند.
در سیستم فولادی، بخشی از قطعات خارج از کارگاه آماده و سپس به محل پروژه منتقل می‌شوند. این فرایند سرعت اجرای برخی مراحل را افزایش می‌دهد. با این‌حال، سرعت واقعی به ظرفیت تولید و تامین فولاد، حمل‌و‌نقل، جرثقیل، جزئیات اتصالات، بتن‌ریزی دال‌ها و شرایط دسترسی وابسته است.
بنابراین نمی‌توان گفت که یک سیستم همیشه سریع‌تر است. در مطالعه مقایسه‌ای ۲۰۲۴، گزینه تاپ دان با ستون فولادی و دال بتن مسلح در همه عمق‌های مدل‌شده کوتاه‌ترین زمان اجرا را داشت، اما این نتایج هم مربوط به همان مدل‌ها و قابل تغییر است. اما به‌طور کلی می‌توان گفت با توجه به سرعت نصب اسکلت فولادی در طبقات روی زمین، این انتظار وجود دارد که سرعت بهره‌برداری در طبقات روی زمین برای سازه با اسکلت فولادی بیشتر از سازه با اسکلت بتنی در طبقات روی زمین باشد.
کدام روش برای گودبرداری عمیق مناسب‌تر است؟
برای گودهای عمیق، انتخاب روش اجرا به عمق گود، شرایط خاک، سطح آب زیرزمینی و میزان حساسیت ساختمان‌ها و تاسیسات اطراف بستگی دارد. در روش تاپ دان، دال‌های زیرزمین هم‌زمان با پیشروی گودبرداری اجرا می‌شوند و در ترازهای مختلف نقش مهاربند افقی دیواره گود را دارند. این ویژگی به کنترل تغییر شکل دیواره و کاهش اثر گودبرداری بر محیط اطراف کمک می‌کند.
در یک مطالعه موردی در شانگهای، روش تاپ دان برای ساخت یک مجموعه زیرزمینی با گودبرداری حدود ۲۴ متر در خاک نرم و محیط شهری متراکم به کار رفت. در این پروژه، دیوار دیافراگمی و دال‌های طبقات زیرزمین برای مهار گود استفاده شدند و ستون‌های فولادی داخل شمع‌های حفاری‌شده بار قائم سازه را تحمل می‌کردند. نتایج پایش، کنترل مناسب تغییر شکل دیواره گود و محیط اطراف را نشان داد.
کدام روش برای فضای شهری محدود مناسب‌تر است؟
محدودیت فضای کارگاه یکی از شرایط مهم در انتخاب روش اجرای گود است. در تاپ دان، پس از اجرای دال در ترازهای بالاتر، امکان ادامه عملیات در زیر دال وجود دارد. همین ویژگی استفاده از سطح زمین را در طول پروژه تسهیل می‌کند. در پروژه‌های شهری، چنین توالی می‌تواند در مدیریت فضای کارگاه و برنامه عملیات موثر باشد.
بااین‌حال، فضای محدود فقط به سطح زمین مربوط نیست. دسترسی ماشین‌آلات، مسیر خروج خاک، امکان ورود مصالح و فضای لازم برای اجرای اتصالات و بتن‌ریزی در زیر دال هم باید بررسی شوند. بنابراین پیش از انتخاب نوع اسکلت، محدودیت‌های اجرایی هر دو سیستم بررسی و در برنامه ساخت لحاظ می‌شوند.
معیارهای انتخاب نوع اسکلت بر اساس نوع پروژه ( خاک، عمق گود، بودجه، زمان‌بندی)
انتخاب نوع اسکلت زمانی دقیق‌تر خواهد بود که معیارهای سازه‌ای و اجرایی در کنار هم بررسی شوند. نوع خاک و عمق گود بر رفتار سیستم نگهبان اثر دارند. همچنین بودجه و زمان‌بندی هم روی انتخاب روش اجرا و تجهیزات موثر هستند.
در جدول زیر، این معیارها به‌صورت کاربردی کنار هم قرار گرفته‌اند. این جدول برای تصمیم اولیه مناسب است و جایگزین طراحی سازه، مطالعات ژئوتکنیک و بررسی روش اجرا در پروژه واقعی نیست.
| شرایط پروژه | نکته مهم در انتخاب |
| خاک نرم یا حساس به تغییر شکل و شرایط ژئوتکنیکی پیچیده | کنترل تغییرمکان دیواره، نشست سطح زمین و اثرات آن بر ساختمان‌ها و تأسیسات مجاور باید در طراحی و انتخاب روش اجرا لحاظ شود. |
| گود عمیق | اثر توالی حفاری، نصب اعضای نگهبان، انتقال بار و اجرای تدریجی دال‌ها بر رفتار سازه و خاک باید به‌صورت مرحله‌ای تحلیل شود. |
| سطح آب زیرزمینی بالا | آب‌بندی دیواره، کنترل جریان آب، کاهش فشار آب و روش آبکشی یا آب‌بندی کف می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در انتخاب سیستم داشته باشد. |
| وجود ساختمان‌های حساس به نشست در مجاورت گود | محدودیت تغییرمکان و نشست ممکن است استفاده از سیستم‌های سخت‌تر و روش‌هایی با امکان ایجاد مهار زودهنگام را توجیه کند. |
| فضای شهری محدود | امکان استقرار تجهیزات، دسترسی ماشین‌آلات، مسیر خروج خاک، فضای کارگاهی و امکان ادامه عملیات در زیر دال باید از ابتدا بررسی شود. |
| ترافیک و محدودیت دسترسی به سایت | کاهش نیاز به فضای کارگاهی و امکان انتقال بخشی از عملیات به ترازهای زیرزمین می‌تواند بر انتخاب روش اثرگذار باشد. |
| زمان‌بندی فشرده | امکان هم‌پوشانی عملیات سازه و خاکبرداری، سرعت اجرای دال‌ها و زمان موردنیاز برای رسیدن به ترازهای زیرزمین باید مقایسه شود. |
| هزینه اولیه و نقدینگی پروژه | هزینه دیوار نگهبان، ستون‌ها، دال‌ها، تجهیزات، نیروی انسانی و عملیات خاکی باید در کنار اثر روش اجرا بر جریان نقدینگی پروژه ارزیابی شود. |
| دسترسی به تجهیزات و مصالح تخصصی | امکان تأمین و اجرای شمع، ستون‌های مغروق، مقاطع فولادی، دیوار دیافراگمی و تجهیزات حفاری می‌تواند گزینه‌های اجرایی را محدود یا تسهیل کند. |
| هندسه و معماری زیرزمین | تعداد طبقات، ارتفاع طبقات، دهانه‌ها، محل ستون‌ها، رمپ و نیازهای معماری می‌توانند بر سازگاری روش Top-Down یا Bottom-Up با پروژه اثر بگذارند. |
| نیاز به استفاده زودهنگام از سازه روی زمین | در صورت نیاز به ادامه سریع عملیات سازه‌ای در طبقات بالاتر یا محدودیت زمانی، امکان اجرای هم‌زمان بخش‌های فوقانی و زیرزمین می‌تواند مزیت ایجاد کند. |
| محدودیت شدید تغییر شکل | سختی دیواره و دال‌ها، فاصله ترازهای مهاربندی و توالی اجرای آنها باید با تحلیل اندرکنش خاک و سازه و نتایج پایش کنترل شود. |
| ریسک اجرایی بالا | پیچیدگی توالی اجرا، دسترسی محدود زیر دال، کنترل کیفیت اتصالات و دشواری اصلاح خطاهای اجرایی باید در ارزیابی ریسک لحاظ شود. |
| امکان پایش و کنترل مستمر | برای پروژه‌های حساس، وجود سیستم ابزار دقیق و امکان واکنش سریع به تغییرمکان‌ها و نشست‌های غیرمنتظره، بخش مهمی از استراتژی اجراست. |
این معیارها به‌تنهایی حکم قطعی برای انتخاب سیستم نیستند. برای تصمیم نهایی باید نتایج مطالعات ژئوتکنیک، طراحی سازه، تحلیل سیستم نگهبان، وضعیت آب زیرزمینی، محدودیت‌های کارگاه و برنامه زمان‌بندی در کنار برآورد هزینه بررسی شوند. مطالعات موردی گودهای عمیق هم نشان می‌دهند که رفتار واقعی گود به شرایط خاک، هندسه، توالی اجرا و سیستم نگهبان وابسته است.
جمع‌بندی
تاپ‌دان را نمی‌توان صرفاً به دو گزینه «بتنی» و «فولادی» محدود کرد. در این روش، انتخاب سیستم سازه‌ای می‌تواند شامل سازه‌های بتنی، فولادی یا مرکب و حتی ترکیبی از این سیستم‌ها در ترازهای مختلف باشد. بنابراین، عملکرد و کارایی هر گزینه بیش از آنکه به جنس مصالح وابسته باشد، به نحوه طراحی سیستم باربر، جزئیات اتصالات، توالی اجرا و هماهنگی میان سازه، گودبرداری و سیستم نگهبان بستگی دارد.
در انتخاب سیستم مناسب، عواملی مانند عمق و هندسه گود، شرایط ژئوتکنیکی، سطح آب زیرزمینی، حساسیت ساختمان‌ها و تأسیسات مجاور، محدودیت فضای کارگاه، تجهیزات و امکانات اجرایی، زمان‌بندی پروژه، الزامات معماری و هزینه کل اجرا باید به‌صورت هم‌زمان بررسی شوند.
مطالعات و پروژه‌های اجراشده نشان می‌دهند که تاپ‌دان، به‌ویژه در گودهای عمیق و پروژه‌های شهری با محدودیت فضا یا حساسیت نسبت به تغییرشکل، می‌تواند امکان هم‌پوشانی عملیات و ایجاد مهارهای افقی در ترازهای زیرزمین را فراهم کند. با این حال، این مزایا به‌معنای برتری مطلق تاپ‌دان یا یک سیستم سازه‌ای خاص در همه پروژه‌ها نیست.
در نهایت، انتخاب بین سیستم بتنی، فولادی یا مرکب باید بر اساس مقایسه فنی، اجرایی و اقتصادیِ گزینه‌های قابل اجرا در همان پروژه انجام شود. تحلیل مرحله‌ای گود و سازه، بررسی توالی اجرا، ارزیابی تغییرشکل‌ها و نشست‌ها، امکان تأمین تجهیزات و مصالح و برآورد زمان و هزینه، مبنای تصمیم‌گیری مهندسی خواهد بود.
به بیان ساده، بهترین سیستم تاپ‌دان، سیستمی نیست که صرفاً از نظر مصالح ارزان‌تر یا سریع‌تر باشد؛ بلکه سیستمی است که با شرایط واقعی گود، سازه، کارگاه و برنامه پروژه بیشترین سازگاری را داشته باشد.
اگر برای پروژه خود بین چند گزینه اجرایی مردد هستید، بررسی شرایط واقعی پروژه توسط تیم فنی ژرفا سازه می‌تواند مبنای دقیق‌تری برای انتخاب سیستم، برآورد هزینه و برنامه‌ریزی اجرای گود و سازه فراهم کند.
منابع
https://www.mdpi.com/2075-5309/14/8/2381
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1226798824003301?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0886779815300560
https://www.sciencedirect.com/org/science/article/pii/S2052615618000388
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705816341273