بررسی کامل اجرای ساختمان از بالا به پایین (Top-Down)

مقدمه

آیا تابه‌حال در مورد روش تاپ دان یا ساخت از بالابه‌پایین شنیده‌اید؟! آیا می‌دانید روش تاپ داون یک روش ساخت سازه است نه صرفاً یک روش پایدارسازی گود؟!

معمولاً روش تاپ داون برای افرادی که از آن اطلاعی ندارند، بسیار گنگ و عجیب است؛ چون همیشه اجراهای متداول از پایین‌به‌بالا را دیده‌اند. ما در این مقاله با زبانی بسیار ساده، صفر تا صد مراحل اجرای تاپ دان یا ساخت از بالابه‌پایین را شرح می‌دهیم تا به‌راحتی به جواب تمام سؤالات خود برسید.

1. روش تاپ دان چیست؟

روش ساخت از بالابه‌پایین به‌عنوان تحول عظیمی در ساخت سازه‌های بزرگ زیر زمینی (تونل)، برای اولین‌بار در دهه ۷۰ میلادی، در ساخت ایستگاه‌های متروی شهرهای پاریس و میلان مورداستفاده قرار گرفت و به نام روش (Cut & cover) شناخته شد. اساس این روش بر مبنای پیشرفت سازه تونل درون گودبرداری و سپس پرکردن محیط خارجی تونل با مصالح خاکریزی پس از تکمیل سازه تونل است. این روش ساخت بیشتر برای ساخت تونل‌های سطحی اقتصادی، و قابل‌قبول است.

عملیات تونل‌سازی به روش (Cut & cover) به دو نوع مختلف معرفی شده است:

• روش ساخت از بالابه‌پایین (top-down)
• پایین‌به‌بالا (bottom-up)

در سال 1935 میلادی در توکیو ژاپن، گودبرداری یک ساختمان دارای زیر زمین به علت افزایش سرعت ساخت، با این روش انجام شد. در سال 1950 میلادی در شهر میلان ایتالیا کمپانی ICOS ترکیب دیوار دیافراگرامی و ساخت بالابه‌پایین را اجرا نمود. به‌مرورزمان تحقیقات بسیاری در امریکا، اروپا و بخصوص شرق آسیا در این زمینه صورت گرفت. این روش نوین ساخت‌وساز، تاکنون در کشورهای مختلفی چون انگلستان، امریکا، فنلاند، چین، روسیه، ویتنام، سنگاپور و ایران متناسب با نوع نیاز ساختگاه، در پروژه‌های زیرزمینی (تونل و مترو) و برج‌های بلند دارای زیرزمین‌های متعدد، مورداستفاده قرار گرفته است.

2. تاریخچه روش ساخت از بالابه‌پایین (تاپ دان)

برای اولین‌بار در دهه 70 میلادی، روش ساخت از بالابه‌پایین (تاپ دان) در ساخت ایستگاه های متروی شهرهای پاریس و میلان مورداستفاده قرار گرفت و به نام روش برش و پوشش (Cut & cover) معروف شد. در این روش ابتدا سازه تونل ساخته شده و سپس محیط خارجی تونل با مصالح خاکریزی پر می گردد.

جهت افزایش سرعت ساخت یک ساختمان، در سال ۱۹۳۵ در توکیو، از روش ساخت از بالابه‌پایین استفاده گردید. در سال ۱۹۵۰ در شهر میلان، ترکیب دیوار دیافراگمی و تاپ دان توسط شرکت  ICOS اجرا گردید. به‌مرورزمان این روش در کشورهای مختلفی از جمله ایران مورداستفاده قرار گرفته است.

3. پروژه‌های اجرا شده با روش تاپ دان

در این بخش برخی از پروژه‌های مهمی که در دنیا و همچنین در ایران به این روش ساخته شده‌اند، معرفی شده است.

1. برج تجاری اداری هرون لندن (Heron Tower):

یک آسمان‌خراش ۴۶ طبقه به ارتفاع ۲۰۲ متر (۶۶۳ فوت) و مساحت زیربنای آن ۴۶۱۴۷۸ فوت‌مربع (۴۳۰۰۰ مترمربع)، با کاربری اداری – تجاری است که در شهر لندن، بریتانیا مستقر است. پروژه ساخت این ساختمان در سال ۲۰۰۷ آغاز شد و در سال ۲۰۱۱ تکمیل و افتتاح گردید.

1. برج تجاری ویتنام (Bitexco Financial Tower)

یک آسمان‌خراش به ارتفاع 5/262 متر و با 68 طبقه و سه زیر زمین واقع در شهر Ho Chi Minh City ویتنام که در سال 2011 میلادی تکمیل و افتتاح شد

1. برج شانگهای چین (Shanghai Tower)

یک آسمان‌خراش ۱۲۱ طبقه به ارتفاع ۵۶۷ متر، با کاربری اداری – تجاری است که در شهر شانگهای چین  مستقر است. پروژه ساخت این ساختمان در سال ۲۰۰۸ آغاز شد و در سال ۲۰۱۶ به اتمام رسید. این ساختمان هم‌اکنون بلندترین ساختمان چین و دومین ساختمان بلند جهان به شمار می‌آید.

1. مجتمع (Marina Bay Sands) سنگاپور (2010 میلادی)

مساحت مجتمع تفریحی – استراحتی مارینا بی سندز 38 هکتار بوده که معماری آن به‌صورت سه برج 57 طبقه به ارتفاع ۱۹۴ متر است. این مجتمع چندین منظوره دارای هتل، کازینو، موزه و مغازه‌های تجاری است. ۳ برج این مجموعه توسط یک تراس آسمان ۱ هکتاری بر روی سقف آنها به یکدیگر متصل شده‌اند. نام این تراس آسمان ” پارک آسمان شن‌ها ” است.

همچنین در بالای این مجموعه یک پارک هوایی با ظرفیت ۳۹۰۰ نفر قرار دارد که شامل یک استخر ۱۵۰ متری می­شود. استخری که ۱۹۱ متر از سطح زمین بالاتر است. مساحت کل این مجموعه ۲۰ هکتار است. تاریخ افتتاح رسمی این مجموعه سال ۲۰۱۰ بود.

4. آیین‌نامه روش ساخت از بالابه‌پایین (تاپ دان)

اجرای روش ساخت از بالابه‌پایین (تاپ دان) در آیین‌نامه BS:8002:1994 انگلستان برای سازه‌های نگهبان ارائه شده است.

5. تاپ دان فلزی

در ساخت‌وساز به روش تاپ دان، اسکلت سازه ممکن است به‌صورت اسکلت فلزی بوده و از ستون‌ها و سیستم سقف‌های فولادی استفاده شود. در سازه‌های فلزی، سیستم سقف ممکن است از نوع تیرچه‌بلوک و یا سقف مختلط (ترکیب بتن و فولاد) با دال ساده یا عرشه فولادی باشد.

البته استفاده از سیستم سقف‌های تیرچه‌بلوک برای بخش زیرزمینی سازه در روش ساخت تاپ دان، مخصوصاً اگر تعداد طبقات زیرسازه زیاد باشد، مناسب نیست. علت این امر آن است که در دیافراگم سقف طبقات زیرزمین، به علت وجود فشار جانبی خاک، نیروهای درون صفحه ایجاد می‌شود.

بنابراین، در صورت استفاده از اسکلت فلزی، استفاده از سیستم سقف مختلط با عرشه فولادی برای روش تاپ دان یا بالا پایین مناسب‌تر است. همچنین استفاده از ستون‌های فولادی در اسکلت سازه، می‌تواند باعث کاهش وزن ساختمان شود.

ضمناً ستون‌های فلزی را می‌توان با استفاده از جرثقیل های با ظرفیت پایین نصب کرد. مشکل اصلی استفاده از ستون‌های فولادی، هزینه بالای مصالح به دلیل قیمت بالاتر فولاد نسبت به بتن مسلح است. همچنین استفاده از ستون‌های با مقطع مختلط CFT نیز می‌تواند گزینه مناسبی برای اجرای اسکلت فلزی در روش بالا پایین یا تاپدان باشد.

اتصال ستون‌های فولادی با شمع های بتنی زیر ستون‌ها می‌تواند به دو صورت انجام شود. در روش اول بخش انتهایی ستون به برشگیر مسلح شده و داخل شمع قرار می‌گیرد. در روش دوم یک صفحه‌ستون بر روی شمع نصب شده و سپس ستون فلزی بر آن اجرا می‌شود.

یکی از نکاتی که در طراحی و اجرای ستون‌های فولادی پیرامونی باید به آن توجه کرد این است که دیوار حائل، بخشی از فشار خاکی که تحمل می‌کند را به ستون‌های پیرامونی انتقال می‌دهد.

بنابراین، بین دیوار حائل و ستون‌های پیرامونی باید اتصال مناسبی برقرار باشد. به این جهت در طول ستون‌های پیرامونی از برشگیر استفاده می‌شود. برشگیرها ممکن است از نوع گل‌میخ و یا مقطع ناودانی باشند.

6. مراحل اجرای روش تاپ دان

برای هر پروژه متناسب با نوع و شرایط خاص آن ممکن است روند اجرای تاپ دان اندکی متفاوت باشد. به‌طورکلی مراحل اجرای تاپ دان به شرح زیر است:

1.6. مرحله اول: اجرای دیوارهای حائل محیطی:

به‌منظور پایدارسازی خاک دیواره گود، ابتدا دیوارهای حائل محیطی زیر زمین تا عمق مشخصی پایین‌تر از تراز زیر پی اجرا می‌شوند تا به سنگ‌بستر با ظرفیت باربری مدنظر برسند. این دیوارها که در ابتدا نقش سازه نگهبان موقت را دارند، در مراحل بعدی به‌عنوان دیوار سازه‌ای دائمی مورداستفاده قرار می‌گیرند. در صورت بالابودن تراز آب‌های زیرزمینی در این مرحله سیستم آب‌بندی (Water Proof) نیز اجرا می­گردد.

بسته به شرایط پروژه، مقتضیات طرح و مطالعات ژئوتکنیک، جهت ممانعت از ریزش خاک، دیوارهای حائل محیطی می‌توانند با یکی از روش‌های زیر اجرا شوند:

1. دیوار بتن‌آرمه درجا
2. دیوارهای دیافراگمی پیش‌ساخته بتنی با استفاده از روش دوغاب بنتونیت
3. شمع‌های سکانتی
4. شمع‌های پیوسته
5. سپری‌های فولادی
6. ستون‌های جت گروتینگ (Jet-Grouting)

دیوار حائل دیافراگمی به دلیل مزایای فراوان آن نسبت به سایر روش‌های اجرایی در ساخت دیوارهای محیطی سازه زیرزمینی، کاربرد بیشتری دارد.

به‌منظور اتصال دیوارهای حائل به دال سقف زیر زمین‌ها، باید در ترازهای مشخص، صفحات انتظار برای اتصالات بعدی پیش‌بینی شوند.

2.6. مرحله دوم: حفاری محل شمع‌های باربر میانی از زیر تراز ستون‌ها و دیوارهای همکف و نصب ستون‌های باربر میانی

شمع‌ها که به‌عنوان فونداسیون سازه هستند، با روش‌های مرسوم تا عمق مشخص حفاری شده و تا تراز فونداسیون بتن‌ریزی می‌شوند. بسته به نوع پروژه، در صورت نیاز افزایش ظرفیت باربری ستون، لازم است تا از شمع‌های با انتهای پدستالی استفاده شود. این شمع‌ها دارای عمق مدفون مناسب برای انتقال بار سازه به بستر سنگی مناسب هستند.

ستون‌های باربر میانی سازه زیر زمینی، به کمک یکی از تکنیک‌های زیر، در بالای شمع‌ها اجرا می­شوند:

1. ستون بتنی‌ درجا با مقاطع مربع، مستطیل و یا دایره‌ای بر اساس تجهیزات حفاری موجود
2. ستون‌ بتنی پیش‌ساخته
3. ترکیب ستون‌های لاغر با ژاکت بتنی در حین ساخت سازه اصلی
4. ستون­ مرکب فولادی

3.6. مرحله سوم: اجرای دال همکف (سقف نهایی سازه زیر زمینی)

پس از اجرای ستون‌های باربر میانی، کف زمین رگلاژ شده و با درنظرگرفتن محل بازشوهای دسترسی به طبقات پایین، بتن مگر و آرماتوربندی دال کف طبقه همکف در تراز بالای شمع‌ها و دیوارهای پیرامونی اجرا شده و بتن‌ریزی دال طبقه همکف بر روی زمین طبیعی انجام می‌شود. در واقع این دال بتنی و ستون‌های میانی در حکم فونداسیون موقت سازه است.

موقعیت و ابعاد بازشو‌های دسترسی دال کف، باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که علاوه بر تأمین قابلیت مانور ماشین‌آلات حفاری و حمل‌ونقل، دسترسی مناسب به‌تمامی طبقات پایین‌تر برای بتن‌ریزی و عملیات اجرایی وجود داشته باشد و حتی‌الامکان هیچ‌یک از ستون‌ها یا اعضای باربر سازه‌ای، درون محدوده بازشو قرار نگیرد.

در اطراف بازشوها، باید تمهیدات لازم جهت آرماتوربندی و بتن‌ریزی نهایی دال جهت بستن بازشو، پس از تکمیل فونداسیون و خروج ماشین‌آلات در نظر گرفته شود. ‌دال بتنی با سختی زیاد علاوه بر اینکه به‌عنوان یک مهار متقابل قوی در مدت انجام خاک‌برداری عمل می‌کند، مانع انتقال صدا نیز به محیط اطراف می‌شود.

4.6. مرحله چهارم: شروع خاک‌برداری از طبقه زیر همکف 

پس از تکمیل سقف نهایی و رسیدن دال بتنی به مقاومت موردنظر، با قرارگرفتن ماشین‌آلات حفاری در محل بازشو‌ها، عملیات گودبرداری تا تراز اجرایی سقف پایین‌تر، ادامه می‌یابد. در ابتدای حفاری عمدتاً از بیل مکانیکی معکوس جهت سرعت دهی به امر خاک‌برداری استفاده می‌شود و با ایجاد رمپ با شیب مناسب، راهی برای عبور و مرور ماشین‌آلات حمل و خروج مصالح ایجاد می‌گردد. روش خروج مصالح از درون بازشو‌ها بر اساس عمق و ابعاد سازه زیرزمینی و بدون ایجاد رمپ نیز امکان‌پذیر است.

پس از رسیدن به تراز‌ موردنظر برای اجرای دال سقف، با رگلاژ نمودن کف زمین طبیعی و اجرای بتن مگر، مراحل اجرای سقف بعدی با آرماتور‌بندی و بتن‌ریزی بر روی زمین طبیعی اجرا می‌شود. اتصال سقف به ستون‌ها و دیوارهای محیطی با استفاده از یکی از تکنیک‌های اتصالات جوشی یا مکانیکی روی صفحات انتظار تعیین شده از قبل، انجام می‌گیرد. وضعیت زمین‌شناسی لایه‌های خاک، ارتفاع دقیق حفاری و انتخاب نوع ماشین‌آلات با ارتفاع کوتاه‌تر و توان بیشتر از نکاتی است که در زمان اجرای این مرحله باید موردتوجه قرار گیرد.

در این مرحله ساخت سازه بالای تراز زمین به طور موازی و هم‌زمان می‌تواند آغاز شود. نکته حائز اهمیت در اجرای روسازه این است که در همه مراحل اجرایی باید تعادل بارگذاری روسازه و تحمل سازه باربر زیرزمینی در نظر گرفته شود. این بدین معنی است که متناسب با تعداد زیرزمین‌های اجرا شده، ارتفاع روسازه افزایش یابد.

5.6. مرحله پنجم: تکرار مرحله ۴ تا رسیدن به اجرای فونداسیون

فرایند ذکر شده در گام قبل برای سایر ترازها تا رسیدن به پایین‌ترین تراز سازه تکرار خواهد شد.

6.6. مرحله ششم: اجرای آرماتوربندی و بتن‌ریزی لایه تکمیلی دیوارهای پیرامونی و ستون‌های میانی

پس از تکمیل عملیات گودبرداری و اجرای فونداسیون و خروج ماشین‌آلات، اقدام به آرماتوربندی و اجرای بتن لایه دوم اطراف ستون‌های فولادی و بخش داخلی دیوار دیافراگمی جهت باربری دائمی سازه می‌شود. استفاده از فونداسیون متکی بر شمع در این روش، توصیه شده است.

7. ملاحظات ژئوتکنیک در روش ساخت از بالابه‌پایین

در اجرای سازه به روش تاپ دان (Top-down) لازم اســت تــا عــلاوه بر کنترل‌هــای متداول ســازه‌ای، به‌صورت هم‌زمان، ملاحظات ژئوتکنیکی توسط مهندسین سازه و ژئوتکنیــک در فرایند طراحی و اجرای ســازه در نظر گرفته شود. هر گونه خطــا در برداشــت و تفسیر داده‌های ژئوتکنیکی، کنترل مشخصه‌های تغییر شکل‌های خاک و سازه و عدم طراحی سازه نگهبان مناسب، منجر به ریزش‌هــای دیواره‌ها و تخریب هم‌جواری‌ها خواهد شد. هرچه ابعاد گودبرداری بزرگ‌تر و عمیق‌تر باشد و پروژه روی خاک مسئله‌دار قرار داشته باشد، چالش‌های بیشــتری برای محققــان، طراحان و ســازندگان حفاری‌های عمیق ایجاد خواهد شد؛ لذا قبل و حین عملیات گودبرداری باید با تجهیزات دقیق، نسبت به پایش و کنترل تغییر شکل‌های دیوارهای حائل اهتمام ورزید.

8. نکات اجرای روش تاپ دان

1. کنترل دقیق، مدل‌ســازی صحیح و درنظرگرفتن هم‌زمان ملاحظات ژئوتکنیکی و سازه‌ای در این روش نقش حیاتی دارد.
2. اعمال ضریب‌های اطمینان در طراحی برای مقابله با عوامل ایجاد گسیختگی در سیستم پایدارسازی گود از جمله شرایط پیش‌بینی نشده خاک، گسیخته شــدن ناگهانی سیستم مهــاری به‌عنوان‌مثال کمانــش یا عدم اتصال کافــی به دیوار و خطاهای محتمل در ساخت دیوار.
3. درنظرگرفتن رفتار زهکشی نشده رس ســاختگاه در مرحله طراحی. دلیل این موضوع این است که طی بازه زمانی اجرای پروژه، فرصت زهکشی برای آب حفره‌ای وجود نداشته و این رفتار زهکشــی نشده منجر به تغییر شکل‌های بزرگ‌تر دیواره و در نتیجه ایجاد لنگر خمشی و نیروهای بزرگ‌تر در مهارها خواهد شد.
4. بررسی احتمال گســیختگی اتصــالات مهارهــا با دیوارهای پیرامونی در زمان طراحی.
5. از دیگر ایراداتی که ممکن است به وجود آیند عبارت‌اند از: عدم اجرای شــالوده شمعی مناسب زیر ستون‌های سازه، عدم اتصال و تکمیل ســقف‌های طبقات در مراحل گودبرداری، عدم اجرای زهکش مناسب و خارج‌کردن نشــت فاضلاب همسایه، اجرای نادرســت اتصالات پنل‌های بتنی دیوار حائل به ســتون‌ها و ســقف و در نتیجه توزیع نامناسب بار خاک به سازه که می‌تواند منجر به شکست پروژه گردد.
6. معمولاً سرعت اجرای زیر سازه به دلیل محدودیت‌ها و صعوبت کار در زیر سطح زمین کمتر از سازه فوقانی است؛ لذا باید به تعادل بین تعداد طبقات اجرا شده بر روی زمین و طبقات زیر زمین توجه شود. زیرا ستون­ها و دال‌های میانی در هر مرحله، نقش فونداسیون موقت سازه را دارند؛ لذا نباید کل وزن سازه فوقانی به یکباره بر سازه تحتانی وارد شود.
7. ازآنجاکه با پیشرفت تعداد طبقات بالایی، آسانسورها و تأسیسات مکانیکی و برقی و تجهیزات دیگر به طور موازی اجرا می‌شوند باید در طراحی، وزن دقیق اعمالی به ستون‌های پایینی در هر مرحله در نظر گرفته شود.
8. در طراحی برج‌ها با زیرزمین‌ها متعدد، در ستون‌های فولادی باید احتمال فشرده‌شدن آنها در اثر بار قائم سازه و کاهش طول آنها در نظر گرفته شود و در صورت نیاز ستون­ها بلندتر اجرا شوند. حتی ممکن است این میزان فشردگی در همه ستون‌ها یکسان نبوده که بدین منظور هم باید با مدل‌سازی صحیح، مقدار افت دقیق هر ستون معین شود.
9. برای اتصال کامل و دقیق دال بتنی به دیوارهای حائل و ستون­ها نیاز به‌دقت بسیاری در طراحی و اجرا است. امکان نفوذ آب به داخل گود در صورت عدم آب‌بندی کامل این درزهای سازه‌ای وجود دارد.
10. لازم است در حین ساخت زیر زمین، کنترل دقیق جهت قرارگیری درست دال روی تکیه‌گاه‌های ستون‌ها و دیوارها انجام شده و میزان تغییر شکل‌های سازه زیرزمینی به طور مرتب پایش شود.
11. ممکن است متناسب با شرایط پروژه نیاز به تعبیه بازشوها و رمپ‌های مختلفی در طبقات مختلف باشد که باید در مرحله طراحی و اجرا به آن دقت شود.
12. در طراحی برج‌ها با زیرزمین‌ها متعدد، باید رفتار دینامیکی سازه فوقانی به دلیل نیروی جانبی باد یا زلزله و اثر آن بر زیر سازه در نظر گرفته شود.

9. مزایا و معایب روش تاپ دان

در انتهای مقاله روش ساخت از بالابه‌پایین به بررسی مزایا و معایب آن می‌رسیم.

1.9. مزایای روش ساخت از بالابه‌پایین 

• در روش ساخت از بالابه‌پایین ساخت هم‌زمان سازه اصلی و سازه زیرزمینی باعث کاهش زمان و هزینه ساخت می‌شود.
• ایجاد فضای کاری بیشتر
• ایمنی بیشتر به دلیل سختی بیشتر دال‌های کف در مقایسه با قیدهای فشاری فولادی
• عدم نیاز به اخذ رضایت از همسایه‌های مجاور
• مستقل‌بودن کیفیت اجرا از شرایط جوی

2.9. معایب روش تاپ دان 

• هزینه نسبتاً بالای آن به دلیل اجرای پی‌های عمیق
• اگر مدت‌زمان ساخت سازه زیرزمین افزایش یابد احتمالاً جابه‌جایی افقی دیوار نگهدارنده یا نشست زمین افزایش می‌یابد و دلیل آن افزایش میزان خزش در خاک‌های نرم است.
• کیفیت اجرا می‌تواند تحت‌تأثیر سیستم تهویه هوا و سیستم روشنایی زیر دال‌های کف قرار گیرد؛ یعنی در صورت نبود نور کافی جزئیات اجرایی به‌درستی انجام نمی‌شود.
• به دلیل تخصصی بودن کار، نیاز به اکیپ اجرایی متخصص دارد و سختی کار بالاست.
• نحوه دسترسی به گود فقط از بازشوها انجام می‌شود که این امر باعث صعوبت کار می‌گردد.
• در اسکلت فلزی، زمانی که اتصالات از نوع پیچی باشد، درصورتی‌که اجرا به‌درستی انجام نشده و المان‌ها در جای دقیق خود قرار نگرفته باشند، ممکن است تیر و ستون به‌درستی به همدیگر متصل نشوند.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

جهت آشنایی کامل با  “اجرای ساختمان از بالا به پایین (Top-Down)” به کتاب “اجرای ساختمان” و جهت آشنایی بیشتر با قوانین و ضوابط مربوط به این مقاله به “مبحث نهم: طرح و اجرای ساختمان‌های بتن‌آرمه | ویرایش سال ۱۳۹۹” در پکیج “مباحث مقررات ملی ساختمان” در بخش گنجینه فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید.