روش تاپ داون تکنیک ساخت ساختمان از بالا به پایین

به طور کلی، در ساختمان سازی برای حفاری‌های عمیق و بزرگ، دو روش وجود دارد:

1. روش پایین به بالا که شامل روش‌هایی مانند سولجر پایل است و ساخت ساختمان از پایین، یعنی از فونداسیون آغاز شده و به سمت طبقات بالایی ادامه پیدا کرده و خاتمه می‌یابد.
2. روش بالا به پایین که در اصطلاح تاپ داون نام دارد و روشی بر خلاف روش پایین به بالا است.

در ساخت یک ساختمان، روش معمول این است که ابتدا گود برداری انجام می‌شود. سپس پایدارسازی دیواره های گود صورت گرفته و نوبت به اجرای فونداسیون می‌رسد. تا زمانی که فونداسیون، ستون‌ها و دال‌ها کامل نشود، نمی‌توان کف سازی را انجام داد. اما گاه می‌توان روند ساخت سازه را به طور معکوس انجام داد. یعنی بجای آنکه ساخت و ساز را از فونداسیون به طرف بالا انجام دهیم، از بالا به پایین اجرا کنیم. به این روش از ساخت پروژه‌های ساختمانی، اجرای سازه معکوس یا تاپ داون (TDM) گفته می‌شود.

در روش تاپ داون برخلاف روش‌های مرسوم، می‌توان عملیات حفاری و ساخت ساختمان را به طور همزمان انجام داد. در این صورت، ساخت سازه از بالا به پایین، از دال طبقه بالا به دال طبقه پایین انجام می‌شود. تکنیک حفاری از بالا به پایین در مقایسه با دیگر روش‌های متداول، به گزینه‌ای جذاب تبدیل شده است. زیرا این روش برای راه اندازی فضای زیرزمینی مثل ایستگاه‌های مترو و زیرگذرها کارآمد است. به ویژه در مناطق متراکم شهری که چنین فضاهای زیر زمینی بسیار مهم تر و کارآمد هستند، استفاده از تکنیک TDM در کشورهای پیشرفته به طور فزاینده‌ای افزایش داشته است.

TDM را می‌توان در ساخت ساختمان‌های بلند نیز اجرا کرد. به ویژه در پروژه‌هایی که در ساخت آن‌ها، محدودیت فضایی وجود دارد و در عین حال، عمق گودبرداری زیاد است. در شرایطی که سطح آب زیرزمینی بالا باشد نیز این روش کارآمد است. زیرا می‌توان با استفاده از دیوار دیافراگمی و شمع‌های عمیق از بالا بودن تراز آب زیر زمینی رهایی جست.

روش ساخت بالا به پایین را می‌توان برای ساخت ساختمان های بلند مرتبه استفاده کرد. یک برج مرتفع با کاربری مختلط در طبقات مختلفِ خود، کاربری‌های متعدد دارد. به عنوان مثال، در طبقات فوقانی امکاناتی مثل استخر شنا و سالن بدن‌سازی وجود دارد. کاربری طبقات میانی آپارتمان های مسکونی است و سپس واحدهایی تجاری در سکو و در نهایت همه این‌ها، بالای یک لابی ورودی بزرگ در طبقه همکف باشد.

با توجه به اینکه کاربری این برج متنوع و متفاوت است، آرایش و چیدمان ستون‌های مربوط به هر کاربری نیز متفاوت و متناسب با آن کاربری است. اگر یک طبقه آپارتمان بدون ستون اجرا شود، نبود ستون باعث می‌شود که دال‌های کف برج بسیار ضخیم شود که این خود به معنای هزینه و جرم قابل توجهی برای ساختمان است. با این حال، اگر برای ساخت لابی ورودی در اجرای ستون زیاده‌روی شود، تأثیر منفی خواهد داشت. این اغلب منجر به ایجاد ساختمانی با ساختار انتقالی پیچیده در طبقات سکو می‌شود. علت آن هم عدم تراز در آرایش شبکه بین طبقه همکف و سطوح برج است. ساختار انتقال ممکن است خرپاهایی با عمق کامل، تیرهای انتقال بسیار عمیق یا دیوارهای انتقال چند سطحی (multi level transfer walls) باشد. ساخت سازه‌های انتقال می‌تواند پرهزینه و زمان‌بَر باشد.

همه این موارد باعث می‌شود تا ساخت و ساز به روش تاپ داون به یک راه حل ایده آل برای کاهش زمان ساخت برج‌های چند منظوره محسوب شود. هدف، تسریع ساخت و ساز است. سطوح انتقال و طبقات برج به طور همزمان به صورت موازی ساخته می‌شوند.

1. اجرای دیوارهای حائل محیطی.
2. حفاری محل شمع های باربر میانی از زیر تراز ستون ها و دیوارهای همکف و نصب ستون‌های باربر میانی.
3. اجرای دال همکف (سقف نهایی سازه زیر زمینی).
4. آغاز خاکبرداری از طبقه زیر همکف.
5. تکرار مرحلۀ 4 تا رسیدن به اجرای فونداسیون.
6. اجرای آرماتوربندی و بتن ریزی لایه تکمیلی دیوارهای پیرامونی و ستون‌های میانی.

1- مرحلۀ اول: اجرای دیوارهای حائل محیطی

اجرای دیوارهای حائل به منظور پایدارسازی خاک دیوارۀ گود، صورت می گیرد. دیوار حائل تا عمق مشخصی پایین تر از تراز زیر پی اجرا می‌شود تا اینکه به سنگ بستر، با ظرفیت باربری مورد نظر برسد. دیوار حائل در ابتدا نقش سازه نگهبان موقت را دارد اما در ادامه کار، به عنوان دیوار سازه‌های دائمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر تراز آب زیر زمینی بالا باشد، لازم است تا در زمان اجرای دیوارهای حائل، سیستم آب بندی نیز اعمال شود. برای اجرای دیوار حائل روش‌های مختلفی وجود دارد:

• روش سپری های فولادی
• شمع های سکانتی
• شمع های پیوسته
• دیوار بتن آرمۀ درجا
• دیوارهای دیافراگمی پیش ساخته بتنی با استفاده از روش دوغاب بنتونیت

دیوار حائل دیافراگمی مزیت های بیشتری نسبت به دیگر دیوارهای حائل دارد و از این رو، در اجرای روش های حساسی مثل تاپ داون، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای اتصال دیوارهای حائل به دال سقف زیر زمین ها، لازم است تا در ترازهای مشخص، صفحات انتظار برای اتصالات بعدی پیش‌بینی شوند.

2- مرحلۀ دوم اجرای روش تاپ داون

حفاری محل شمع های باربر میانی از زیر تراز ستون‌ها و دیوارهای همکف و نصب ستون‌های باربر میانی، مرحلۀ دوم اجرای ساخت بالا به پایین است. در صورت نیاز به افزایش ظرفیت باربری ستون، لازم است از شمع‌های با انتهای پد استالی استفاده شود. شمع‌های انتها پد استالی برای انتقال بار سازه به بستر سنگی مناسب هستند.

3- مرحلۀ سوم: اجرای دال همکف

پس از اجرای ستون های باربر میانی، کف زمین رگلاژ می‌شود. جهت دسترسی به طبقات پایین، محل بازشوها تعیین می‌گردد. در مورد طبقۀ همکف، بتن مگر و آرماتوربندی دال کف طبقه همکف در تراز بالای شمع‌ها و دیوارهای پیرامونی اجرا می شود و بتن‌ریزی دال طبقۀ همکف بر روی زمین طبیعی انجام می‌‎گیرد. ستون‌های میانی که در مرحلۀ قبل اجرا شد و دال بتنی که در این مرحله اجرا شد، حکم فونداسیون موقت سازه را دارند. دال بتنی همچنین به عنوان یک عایق عمل کرده و انتقال صدا به محیط اطراف را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.

ابعاد و موقعیت بازشوهای دسترسی دال کف باید طوری انتخاب شود که:

• دسترسی راحت و مناسبی به طبقات پایین تر ایجاد کند.
• تا حد امکان، هیچ یک از ستون ها یا اعضای باربر سازه‌ای در محدودۀ بازشوها قرار نگیرند.
• دسترسی به طبقات پایین تر، به نحوی باشد که در عملیات بتن‌ریزی و کارهای اجرایی تداخل ایجاد نشود. همچنین فضای کافی برای حرکت و مانور ماشین آلات حفاری وجود داشته باشد.
• تمهیدات لازم برای آرماتوربندی و بتن ریزی نهایی دال جهت بستن بازشو، پس از تکمیل فونداسیون و خروج ماشین آلات در نظر گرفته شود.

4- مرحلۀ چهارم: آغاز خاکبرداری از طبقۀ زیر همکف

در شروع عملیات خاکبرداری، از بیل مکانیکی معکوس برای حفاری و خاکبرداری استفاده می شود تا سرعت کار بالا رود. همچنان که حفاری انجام می شود، رمپ‌هایی در اطراف محوطه گود ایجاد می‌شود تا مسیری برای رفت و آمد ماشین آلات حمل و خروج مصالح ایجاد گردد. ساخت سازه از بالای تراز زمین را می‌توان طی این مرحله، به طور موازی و همزمان با خاکبرداری طبقۀ زیر همکف انجام داد. نکته مهم اینکه در این مرحله باید تعادل بین بارگذاری رو سازه و تحمل سازه باربر زیر زمینی رعایت شود. به بیان دیگر، ارتفاع روسازه، متناسب با تعدا زیر زمین‌های اجرا شده افزایش یابد. در خاکبرداری طبقۀ زیر همکف موارد مهمی وجود دارد که باید به آن‌ها توجه شود:

• وضعیت لایه های خاک به لحاظ زمین شناسی.
• عمق دقیق خاکبرداری.
• انتخاب ماشین آلات با ارتفاع کوتاه تر.
• انتخاب ماشین آلات با توان بیشتر.

5- مرحلۀ پنجم: اجرای روش تاپ داون

در مرحلۀ پنجم، تمامی کارهایی که در مرحلۀ چهارم انجام شد تکرار می‌شود تا دسترسی به پایین‌ترین تراز سازه حاصل گردد.

6- مرحلۀ ششم

در مرحلۀ ششم از ساخت ساختمان به روش تاپ داون، نوبت به آرماتوربندی و بتن‌ریزی لایۀ تکمیلی دیوارهای پیرامونی و ستون‌های میانی است. همۀ این کارها پس از تکمیل شدن فونداسیون و خارج شدن ماشین آلات از محوطه گود انجام می‌شود.

در ساخت پروژه های زیر زمینی (مثل مترو یا زیرگذرها) به روش تاپ داون، اولین مرحله، اجرای دیوارهای حائل است. دیوار حائل زیر زمینی معمولاً یک دیوار دیافراگمی بتنی یا شمع است. ساخت شمع، در سطح زمین طبیعی انجام می‌شود. پس از اینکه مرحلۀ شمع بندی دیواره تکمیل شد و به اتمام رسید، نوبت به ساخت و راه اندازی ستون‌ها است. پس از ساخت ستون‌ها، دال طبقه همکف ریخته می‌شود. یک یا چند دهانه (بازشو) دسترسی موقت در طبقه همکف برای خروج مواد خاکبرداری شده و نصب مصالح ساختمانی در داخل و خارج از زیرزمین فراهم شده است. پس از آنکه ساخت دال طبقۀ همکف تکمیل شد، می‌توان گودبرداری زیر زمین را از زیر دال شروع کرد. از آنجا که حفاری باید به طور کامل انجام شود، برای حمایت موقت دیوارهای زیر زمین، باید از انکر بولت های موقت استفاده و آن ها را اجرا کرد.

مراحل اجرای پروژۀ های زیر زمینی به روش تاپ داون به اختصار به صورت زیر است:

1. اجرای دیوارهای حائل محیطی.
2. نصب وادار فولادی.
3. گودبرداری تا تراز زیر دال بتنی (مرحلۀ اول گودبرداری). خاکبرداری تا زیر تراز سقف سازه انجام می گیرد.
4. احداث دال بتنی و تعبیه بازشوی دسترسی
5. تکرار مرحلۀ قبل تا رسیدن به تراز فونداسیون
6. تکمیل فونداسیون و دیوارهای سازه ای داخلی تونل
7. بستن بازشوهای دسترسی دال سقف.
8. خاکریزی نهایی سطح فوقانی تونل.

انواع ستون در ساخت پروژه های زیر زمینی به روش تاپ داون

در روش تاپ داون، دو گزینه برای ساخت ستون ها وجود دارد:

1. ستون شمع (Pile columns)
2. ستون پلانژ (Plunge Columns)

1- ستون شمع

ستون شمع به سادگی یک شمع معمولی است که هم به عنوان پایه شمع و هم به عنوان ستون طراحی شده است. شمع‌ها از سطح زمین ساخته شده و به اندازه کافی عمیق ساخته می‌شوند که فراتر از پایین‌ترین سطح زیرزمین باشند و طول سوکت برای پشتیبانی از فونداسیون کافی باشد. در طول شمع، به اندازه کافی آرماتور کار می‌شود تا بعد از حفاری خاک، این شمع‌ها به عنوان ستونی در طبقات زیر زمین عمل کند. نقطه ضعف ستون‌های شمع این است که آن‌ها اغلب قطر زیادی دارند. از طرف دیگر، به دلیل بتن‌ریزی، سطح زبر و خشن به خود می‌گیرند؛ به عبارت دیگر، پوشش بتنی خشنی دارند. همچنین، تلرانس بیشتری دارند؛ به این معنا که مکان نهایی ستون در داخل ساختمان، ممکن است به اندازۀ کافی دقیق نباشد.

2- ستون پلانژ

تکنیک ستون پلانژ نسبت به ستون شمع، اندکی متفاوت و به صورت زیر است.

1. سوراخ شمع تا سطح مورد نیاز حفر می‌شود.
2. در سوراخ حفر شده بتن مرطوب ریخته می‌شود. بتن ریزی تا سطح مورد نیاز و همچنین تا قفس آرماتور انجام می‌شود.
3. در اطراف سوراخ شمع، یک قاب ستون پلانژ نصب می شود. این قاب کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که ستون نصب شده بعدی تراز و شاقول است.
4. ستون به قاب ستون پلانژ متصل می‌شود و به سمت بتن مرطوب، پایین رانده می‌شود.
5. برای اطمینان از اینکه ستون در موقعیت مورد نیاز قرار گرفته است، تنظیمات نهایی در قاب ستون پلانژ انجام می‌شود.
6. پس از آنکه بتن سفت شد، نوبت به شن‌ریزی است. شن در اطراف ستون (بین ستون و سوراخ شمع حفر شده) پر می‌شود تا از شاقول ماندن ستون اطمینان حاصل شود.
7. در مرحلۀ آخر، قاب ستون پلانژ برداشته می‌شود. حالا، ستون پلانژ کامل شده و ساخت آن به اتمام رسیده است.

بزرگترین مزیت ساخت و ساز به روش TDM این است که زمان ساخت را می‌توان تا حد زیادی کاهش داد، مشروط بر اینکه شرایط خاک، ارتفاع ساختمان و هندسه یا ژئومتری آن، برای اجرای این نوع توالی ساخت و ساز مناسب باشد. روش ساخت و ساز بالا به پایین، برای هر پروژه‌ای مناسب نیست. اما در مورد پروژه‌هایی که استفاده از این روش کارآمد است، مزیت‌هایی وجود دارد.

مزیت ها

• از نظر ایمنی، ساخت از بالا به پایین حفاظت بهتری را برای عموم مردم فراهم می‌کند. زیرا قبل از شروع حفاری در زیرزمین، دال طبقه همکفی که ساخته می‌شود، یک درپوش محافظ فراهم می‌کند که از دسترسی ناخواسته به زیرزمین جلوگیری می کند.
• به دلیل ایجاد درپوش یا کلاهک بر روی گودبرداری، در اقلیم ها و فصول مرطوب‌تر، عملیات گودبرداری تحت تأثیر آب و هوای نامساعد قرار نمی‌گیرد.
• کلاهک طبقه زیرین زیر زمین باعث می شود تا گرد و غبار و سر و صدای ناشی از عملیات حفاری کمتر شود.
• احتمال نشست خاک زیر فونداسیون که ممکن است به دلیل بار مرده ساختمان رخ دهد، کاهش می یابد. زیرا اجرای فونداسیون در آخرین مرحله صورت می‌گیرد.
• در شرایطی که عمق گودبرداری زیاد و سطح آب زیرزمینی بالا است، اجرای روش تاپ داون می تواند مفید باشد.
• در مورد ساختمان های بلند مرتبه، می توان عملیات حفاری و ساخت و ساز را به طور همزمان انجام داد. همین امر، بر سرعت پیشرفت پروژه تأثیر مثبت دارد و از هزینه‌های احتمالی ناشی از کندی روند کار می‌کاهد.
• برخلاف روش نیلینگ، اجرای روش TDM به اجازۀ همسایگان نیاز ندارد.
• نیازی به سازه نگهبان‌های موقت نیست.
• اگر در شرایط خاص که شمع‌ها به ‌عنوان سیستم فونداسیون پیشنهاد شوند، اجرای شمع دست و پا گیر نخواهد شد. زیرا اولاً تجهیزات شمع‌بندی نیازی به جابجایی بین ساخت دیوار زیرزمین و ساخت فونداسیون ندارد. این امر می‌تواند فرآیند شمع بندی را کارآمدتر کند، به خصوص اگر دسترسی به تجهیزات شمع بندی برای شما محدود باشد. از طرف دیگر، نیازی به قرار دادن تجهیزات شمع بندی در سوراخ‌های حفاری شده در زیر زمین نیست.

ساخت و ساز به روش TDM نسبت به دیگر تکنیک‌های ساخت و ساز، کمتر استفاده می‌شود. زیرا اجرای آن نیازمند یک تیم متخصص و حرفه‌ای است. در کنار نیروهای انسانی متخصص، شرایط زمین نیز باید برای اجرای این روش مطلوب باشد. از این رو، اجرای سازه به روش تاپ داون با محدودیت هایی همراه است و معایب خود را دارد.

• در مواردی که محدودیت دسترسی به محل پروژۀ ساخت و ساز وجود دارد، نمی‌توان از روش تاپ داون استفاده کرد.
• اگر ساخت قسمت بالا به پایین پروژه را نتوان به طور دقیق به موازات بخش‌های پایین به بالای پروژه انجام داد، ارزش کار از بین می‌رود.
• تدارکات و مدیریت و کنترل پروژه این نوع ساخت و ساز، نسبت به سایر روش‌ها پیچیده‌تر است.
• اجرای آن مستلزم نیروهای کار متخصص، حرفه‌ای و با تجربه است.
• روش تاپ داون در مورد پروژه‌های ساختمانی بزرگ مقیاس، بهتر عمل می‌کند.
• هزینه‌هایی که به دلیل پیچیدگی و سختی اجرای این روش وجود دارد، با صرفه جویی زمانی اجرای آن، جبران نمی‌شود. به این نکته توجه کنید که ساخت basement به روش بالا به پایین در مقایسه با توالی ساخت و سازهای معمولی، زمان بیشتری می‌برد.
• برای ساخت پروژه‌های زیر زمینی، در حین ساخت طبقات زیرزمین، ستون‌ها باید بزرگتر شوند، که منجر به اضافه شدن هزینه بیشتر به سازه می‌شود.
• نیاز به تهویه مناسب جهت خروج گرد و غبار و آلودگی‌های ناشی از عملیات خاکبرداری و ماشین آلات حفاری وجود دارد.
• لزوم ایجاد یک جدایی بین کارگاه زیرزمینی و رو زمینی و امکان دسترسی به فضاهای زیر زمین فقط از طریق بازشوها وجود دارد.

نمونه‌های جهانی:

• برج کراون سیدنی (The Crown Sydney) در استرالیا به ارتفاع 271.27 متر (890 فوت).
• برج شانگهای (Shanghai Tower) در چین به ارتفاع 567 متر.
• برج تجاری – اداری هرون لندن (Heron Tower) به ارتفاع 202 متر.
• برج فاینانشال بیتسکو (Bitexco Financial Tower) در ویتنام به ارتفاع 5262 متر.
• مجتمع مارینا بای سندز (Marina Bay Sands) در سنگاپور به ارتفاع 194 متر.
• ایستگاه مترو Buona Vista MRT Station در سنگاپور.

نمونه‌های ایران:

• پروژۀ چهار باغ تبریز.
• پروژۀ ساختمانی شیخ بهایی.
• مجتمع تجاری لاهور اصفهان.