فرق بنا و زیر بنا

در دنیای مهندسی عمران و ساخت وساز هر سازه از یک خانه مسکونی کوچک گرفته تا یک آسمان خراش عظیم بر دو بخش اساسی استوار است : زیربنا و روبنا (یا بنا). این دو بخش اگرچه از دیدگاه ظاهری و عملکردی متفاوت به نظر می رسند اما در کنار هم پایداری ایمنی و کارایی نهایی سازه را تضمین می کنند. درک دقیق تفاوت های بنیادین و عملکرد متقابل این دو بخش برای مهندسان معماران پیمانکاران و حتی صاحبان ساختمان امری حیاتی است.

فرق بنا و زیر بنا 

به گفته بهترین یاب : فرق بنا و زیر بنا چیست ؟ در صنعت ساختمان ‌سازی دو واژه «بنا» و «زیر بنا» به طور مکرر استفاده می‌شوند و فهم تفاوت میان این دو اصطلاح می‌تواند به ‌ویژه برای کسانی که در زمینه مهندسی یا معماری فعالیت دارند حائز اهمیت باشد. 

مفهوم	تعریف
بنا	کل ساختار یک ساختمان شامل تمامی طبقات دیوارها سقف و فضاهای داخلی و خارجی.
زیربنا	مجموع مساحت تمامی طبقات ساختمان که شامل فضای اشغال‌شده توسط دیوارها و سازه‌های داخلی می‌شود.
کاربرد	بنا بیشتر در محاسبات کلی ساختمان‌سازی مطرح می‌شود درحالی‌که زیربنا برای تعیین هزینه‌های ساخت و اخذ مجوزهای ساخت کاربرد دارد.

تعریف زیربنا و بنا

زیربنا (Substructure)

که گاهی اوقات به آن شالوده یا فونداسیون نیز گفته می شود به بخش زیرین و پنهان سازه اطلاق می گردد که مستقیماً با زمین در تماس است. عملکرد اصلی زیربنا انتقال بارهای ناشی از روبنا و بارهای وارده از محیط (مانند بارهای زلزله و باد) به زمین و توزیع این بارها به گونه ای ایمن و یکنواخت است. به عبارت دیگر زیربنا نقش تکیه گاه و پایه را برای کل سازه ایفا می کند و از نشست نامتقارن واژگونی و سایر خرابی های احتمالی جلوگیری می نماید. زیربنا باید به گونه ای طراحی و اجرا شود که بتواند تنش های فشاری کششی و برشی ناشی از بارهای وارده را تحمل کند و از مقاومت کافی در برابر عوامل محیطی مخرب مانند رطوبت مواد شیمیایی موجود در خاک و تغییرات دما برخوردار باشد.

بنا (Superstructure)

که به آن بنا نیز گفته می شود بخش قابل مشاهده و بالای سطح زمین سازه است که اهداف اصلی کاربری ساختمان را برآورده می سازد. روبنا شامل تمامی اجزای سازه ای و غیرسازه ای است که فضای مفید ساختمان را شکل می دهند و امکان سکونت کار تولید یا سایر فعالیت ها را فراهم می آورند. اجزای اصلی روبنا شامل ستون ها تیرها دیوارها سقف ها کف ها پله ها نما و تاسیسات مکانیکی و الکتریکی است. عملکرد روبنا تحمل بارهای ثقلی (وزن خود و بارهای بهره برداری) بارهای جانبی (باد و زلزله) و انتقال این بارها به زیربنا است. علاوه بر استحکام و پایداری روبنا باید از نظر معماری زیبایی شناسی و کاربری نیز مطابق با نیازها و انتظارات طراحی شده باشد.

به طور خلاصه می توان گفت که زیربنا بستر و پایه ی استحکام سازه است در حالی که روبنا بدنه و هویت کاربری آن را شکل می دهد. این دو بخش به شدت به هم وابسته هستند و طراحی و اجرای صحیح هر دو برای عملکرد ایمن و بلندمدت سازه ضروری است.

اجزای اصلی بنا

زیربنا از اجزای مختلفی تشکیل شده است که هر کدام وظایف خاصی را بر عهده دارند و بر اساس اصول مهندسی ژئوتکنیک و سازه عمل می کنند. مهم ترین اجزای زیربنا عبارتند از :

• پی (Foundation) : پی اصلی ترین جزء زیربنا است که مستقیماً بار سازه را به زمین منتقل می کند. انواع مختلفی از پی وجود دارد که بر اساس نوع خاک میزان بار سازه و شرایط محیطی انتخاب می شوند. انواع رایج پی شامل موارد زیر است :
  • پی های منفرد (Isolated Footings) : برای تحمل بار ستون های منفرد استفاده می شوند و به شکل مربع مستطیل یا دایره طراحی می گردند. عملکرد این پی ها بر اساس توزیع بار ستون در سطح وسیع تری از خاک استوار است تا تنش وارده به خاک از ظرفیت باربری مجاز آن تجاوز نکند.
  • پی های نواری (Strip Footings) : برای تحمل بارهای خطی مانند دیوارهای باربر استفاده می شوند و به صورت نوارهای ممتد در زیر دیوارها اجرا می گردند. عملکرد این پی ها نیز مشابه پی های منفرد است با این تفاوت که توزیع بار در امتداد یک خط صورت می گیرد.
  • پی های گسترده (Mat Foundations or Raft Foundations) : زمانی استفاده می شوند که خاک زیر سازه ضعیف باشد یا بار سازه بسیار زیاد باشد. در این حالت کل سطح زیر سازه با یک دال بتنی مسلح پوشانده می شود تا بار سازه به طور یکنواخت در سطح وسیعی از خاک توزیع گردد. عملکرد پی های گسترده بر اساس افزایش سطح تماس با خاک و کاهش تنش وارده به خاک استوار است.
  • شمع ها (Piles) : اعضای بلند و باریک عمودی هستند که به صورت کوبشی درجا ریز یا حفاری شده در زمین اجرا می شوند. شمع ها بار سازه را از طریق مقاومت نوک شمع و مقاومت جداره شمع به لایه های عمیق تر خاک منتقل می کنند. انواع مختلفی از شمع ها بر اساس جنس (بتنی فولادی چوبی) روش اجرا و مکانیزم انتقال بار وجود دارد.
  • چاه ها (Caissons) : پی های استوانه ای یا جعبه ای شکل توخالی هستند که به صورت درجا ریز یا پیش ساخته اجرا می شوند. چاه ها معمولاً برای تحمل بارهای بسیار سنگین و در شرایط خاک های بسیار ضعیف استفاده می شوند. عملکرد چاه ها مشابه شمع ها است با این تفاوت که ابعاد بزرگ تر و ظرفیت باربری بالاتری دارند.
  • دیوارهای حائل (Retaining Walls) : سازه هایی هستند که برای حفظ اختلاف سطح بین دو تراز خاک و جلوگیری از رانش خاک استفاده می شوند. دیوارهای حائل معمولاً در زیرزمین ها محوطه سازی و پروژه های راهسازی کاربرد دارند. عملکرد دیوارهای حائل بر اساس مقاومت در برابر فشار جانبی خاک و حفظ پایداری شیب خاک استوار است.
• پی های سطحی (Shallow Foundations) : این نوع پی ها برای سازه های سبک و خاک های با مقاومت مناسب استفاده می شوند. پی های سطحی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند :
• پی های عمیق (Deep Foundations) : زمانی استفاده می شوند که خاک های سطحی ضعیف و غیرقابل اعتماد باشند و نیاز به انتقال بار به لایه های عمیق تر و مقاوم تر خاک باشد. انواع رایج پی های عمیق شامل موارد زیر است :
• کف زیرزمین (Basement Slab) : در ساختمان های دارای زیرزمین کف زیرزمین به عنوان بخشی از زیربنا عمل می کند و بارهای ناشی از کف سازی و بارهای بهره برداری را به خاک منتقل می نماید. کف زیرزمین همچنین نقش مهمی در آب بندی و عایق بندی رطوبتی زیرزمین ایفا می کند.
• دیوارهای زیرزمین (Basement Walls) : دیوارهای زیرزمین علاوه بر تحمل بارهای روبنا فشار جانبی خاک و آب را نیز تحمل می کنند. این دیوارها باید به گونه ای طراحی و اجرا شوند که در برابر فشار خاک فشار آب زیرزمینی و نفوذ رطوبت مقاوم باشند.

اصول کارکرد اجزای زیربنا بر مبنای مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک استوار است. طراحی زیربنا شامل مراحل مختلفی از جمله مطالعات ژئوتکنیک (تعیین مشخصات خاک و آب زیرزمینی) محاسبات بارگذاری (تعیین بارهای وارده از روبنا و محیط) انتخاب نوع پی (بر اساس شرایط خاک و بار سازه) طراحی سازه ای پی (محاسبه ابعاد و آرماتورگذاری پی) و اجرای صحیح و با کیفیت پی است. در طراحی زیربنا رعایت ظرفیت باربری خاک نشست مجاز سازه و پایداری کلی سازه از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

اجزای اصلی سازه

روبنا بخش قابل مشاهده و کاربردی ساختمان از اجزای متنوعی تشکیل شده است که هر کدام وظایف سازه ای و معماری خاصی را انجام می دهند. اجزای اصلی روبنا عبارتند از :

• ستون ها (Columns) : اعضای عمودی سازه هستند که بارهای ثقلی (وزن سقف ها کف ها و دیوارها) را از طبقات بالا به زیربنا منتقل می کنند. ستون ها عمدتاً تحت فشار محوری قرار دارند و باید به گونه ای طراحی شوند که در برابر کمانش و خردشدگی مقاوم باشند. ستون ها معمولاً از بتن مسلح فولاد یا ترکیبی از هر دو ساخته می شوند.
• تیرها (Beams) : اعضای افقی سازه هستند که بارهای ثقلی (وزن سقف ها و کف ها) را از دال ها یا دیوارها به ستون ها منتقل می کنند. تیرها عمدتاً تحت خمش و برش قرار دارند و باید به گونه ای طراحی شوند که در برابر خمش برش و پیچش مقاوم باشند. تیرها نیز معمولاً از بتن مسلح فولاد یا ترکیبی از هر دو ساخته می شوند.
• دال ها (Slabs) : اعضای صفحه ای افقی سازه هستند که بارهای ثقلی (بارهای بهره برداری و وزن خود دال) را به تیرها یا دیوارها منتقل می کنند. دال ها عمدتاً تحت خمش دوطرفه قرار دارند و باید به گونه ای طراحی شوند که در برابر خمش و برش مقاوم باشند. دال ها معمولاً از بتن مسلح ساخته می شوند اما در برخی موارد از دال های کامپوزیتی یا فولادی نیز استفاده می گردد.
• دیوارها (Walls) : اعضای قائم سازه هستند که هم بارهای ثقلی (وزن سقف ها و طبقات بالا) و هم بارهای جانبی (باد و زلزله) را تحمل می کنند. دیوارها می توانند باربر یا غیرباربر باشند. دیوارهای باربر علاوه بر تحمل وزن خود بارهای سازه ای را نیز منتقل می کنند در حالی که دیوارهای غیرباربر فقط نقش جداکننده فضا را دارند. دیوارها می توانند از مصالح مختلفی مانند آجر بلوک سیمانی بتن فولاد یا چوب ساخته شوند.
• سقف (Roof) : پوشش بالایی ساختمان است که از سازه در برابر عوامل جوی (باران برف باد نور خورشید) محافظت می کند. سقف ها می توانند به شکل های مختلفی طراحی شوند (شیب دار تخت گنبدی و غیره) و از مصالح گوناگونی (تیرچه بلوک دال بتنی سقف های فلزی سقف های چوبی و غیره) ساخته شوند. سقف باید علاوه بر استحکام سازه ای عایق حرارتی و عایق رطوبتی مناسبی نیز داشته باشد.
• پله ها (Stairs) : وسیله ارتباط عمودی بین طبقات مختلف ساختمان هستند. پله ها باید به گونه ای طراحی شوند که علاوه بر ایمنی و راحتی استفاده استحکام سازه ای کافی نیز داشته باشند. پله ها معمولاً از بتن مسلح فولاد یا چوب ساخته می شوند.

اصول کارکرد اجزای روبنا بر مبنای مکانیک جامدات و مهندسی سازه استوار است. طراحی روبنا شامل مراحل مختلفی از جمله محاسبات بارگذاری (تعیین بارهای ثقلی و جانبی وارده به سازه) تحلیل سازه ای (تعیین نیروها و تنش های داخلی در اجزای سازه) طراحی اعضا (محاسبه ابعاد و مشخصات مصالح اعضای سازه) تهیه نقشه های اجرایی و اجرای صحیح و با کیفیت سازه است. در طراحی روبنا رعایت مقاومت پایداری صلبیت و شکل پذیری سازه در برابر بارهای مختلف از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین رعایت استانداردهای طراحی لرزه ای در مناطق زلزله خیز و استانداردهای طراحی باد در مناطق بادخیز ضروری است.

درک تفاوت بنا و زیر بنا 

درک تفاوت و عملکرد زیربنا و روبنا در صنایع مختلف و پروژه های گوناگون ساختمانی کاربردهای گسترده ای دارد. در ادامه به چند مثال از صنایع مختلف اشاره می شود :

• صنعت ساختمان سازی مسکونی : در ساخت خانه ها و آپارتمان های مسکونی طراحی و اجرای صحیح زیربنا (پی و فونداسیون) از اهمیت حیاتی برخوردار است. انتخاب نوع پی مناسب (پی سطحی یا عمیق) بر اساس مطالعات خاک شناسی و وزن ساختمان انجام می گیرد. روبنای ساختمان های مسکونی شامل اسکلت سازه (بتنی یا فولادی) دیوارها سقف ها کف ها و تاسیسات است که بر اساس نقشه های معماری و محاسبات سازه ای اجرا می شوند. در این صنعت رعایت استانداردهای ملی ساختمان و مقررات ایمنی از الزامات اساسی است.
• صنعت پل سازی : در ساخت پل ها زیربنا (پایه ها و کوله ها) نقش تحمل بارهای بسیار سنگین ناشی از روبنا (عرشه پل و بارهای ترافیکی) را بر عهده دارد. پایه های پل معمولاً از پی های عمیق (شمع یا چاه) تشکیل می شوند که به لایه های مقاوم خاک یا سنگ بستر می رسند. روبنای پل شامل عرشه تیرهای اصلی شاه تیرها و سیستم روسازی است که بر اساس محاسبات هیدرولیکی (برای پل های روی رودخانه) محاسبات ترافیکی و محاسبات سازه ای طراحی می گردد. در صنعت پل سازی رعایت استانداردهای بین المللی طراحی پل (مانند AASHTO LRFD Bridge Design Specifications) و استانداردهای ایمنی بسیار حیاتی است.
• صنعت ساختمان های بلندمرتبه : در ساخت آسمان خراش ها زیربنا (فونداسیون) با چالش های ویژه ای روبرو است زیرا باید بارهای بسیار عظیم ناشی از وزن ساختمان و بارهای جانبی (باد و زلزله) را تحمل کند. در این نوع ساختمان ها معمولاً از پی های عمیق بسیار قوی (شمع های با قطر بزرگ چاه ها یا پی های ترکیبی) استفاده می شود. روبنای ساختمان های بلندمرتبه شامل اسکلت فولادی یا بتنی بسیار مقاوم سیستم های مهاربندی جانبی (دیوارهای برشی قاب های خمشی) و تاسیسات پیچیده است. در طراحی و ساخت آسمان خراش ها رعایت استانداردهای طراحی ساختمان های بلندمرتبه (مانند CTBUH guidelines) و استانداردهای ایمنی آتش نشانی بسیار حائز اهمیت است.
• صنعت سازه های صنعتی : در ساخت کارخانه ها نیروگاه ها و سایر سازه های صنعتی زیربنا باید قادر به تحمل بارهای سنگین ماشین آلات تجهیزات و مواد اولیه باشد. در این صنعت ممکن است از پی های خاص (پی های ماشین آلات پی های مخازن) با طراحی ویژه استفاده شود. روبنای سازه های صنعتی معمولاً شامل اسکلت فلزی سقف های صنعتی دیوارها و سیستم های تهویه و تاسیسات صنعتی است. در طراحی سازه های صنعتی رعایت استانداردهای طراحی سازه های صنعتی (مانند ASCE ۷) و استانداردهای ایمنی صنعتی ضروری است.
• صنعت زیرساخت های حمل و نقل : در ساخت فرودگاه ها راه آهن ها و بنادر زیربنا (روسازی فرودگاه زیرسازی راه آهن اسکله ها و موج شکن ها) نقش مهمی در تحمل بارهای ترافیکی سنگین و شرایط محیطی سخت دارد. در این صنعت طراحی زیربنا بر اساس مطالعات ترافیکی مطالعات ژئوتکنیک و مطالعات هیدرولیکی انجام می گیرد. روبنا در این صنعت ممکن است شامل ترمینال های فرودگاهی ایستگاه های راه آهن انبارهای بندری و تجهیزات حمل و نقل باشد. رعایت استانداردهای طراحی زیرساخت های حمل و نقل (مانند FAA standards for airports, AREMA standards for railways) و استانداردهای ایمنی حمل و نقل بسیار مهم است.

چالش ها و محدودیت های فنی

طراحی و اجرای زیربنا و روبنا همواره با چالش ها و محدودیت های فنی متعددی روبرو است. برخی از مهم ترین چالش ها و محدودیت ها عبارتند از :

• عدم قطعیت های خاک : خاک یک ماده طبیعی پیچیده و ناهمگن است و مشخصات مکانیکی آن می تواند در نقاط مختلف یک سایت ساختمانی به طور قابل توجهی متفاوت باشد. این عدم قطعیت ها در مشخصات خاک طراحی پی را با چالش روبرو می کند و نیاز به مطالعات ژئوتکنیک دقیق و استفاده از ضرایب اطمینان مناسب در طراحی را ضروری می سازد.
• شرایط محیطی سخت : شرایط محیطی سخت مانند خاک های خورنده سطح بالای آب زیرزمینی مناطق زلزله خیز مناطق بادخیز و مناطق با تغییرات دمایی شدید طراحی و اجرای زیربنا و روبنا را با چالش های ویژه ای روبرو می کند و نیاز به استفاده از مصالح مقاوم روش های اجرایی خاص و رعایت الزامات استانداردها و مقررات مربوطه را ضروری می سازد.
• محدودیت های فضایی و دسترسی : در پروژه های ساختمانی شهری و مناطق پرتراکم محدودیت های فضایی و دسترسی می تواند اجرای زیربنا و روبنا را با چالش های لجستیکی و فنی روبرو کند. در این شرایط ممکن است نیاز به استفاده از روش های اجرایی خاص مانند اجرای پی به روش بالا به پایین (Top-Down Construction) یا استفاده از ماشین آلات و تجهیزات خاص باشد.
• پیچیدگی های طراحی سازه ای : طراحی سازه های پیچیده مانند ساختمان های بلندمرتبه پل های بزرگ و سازه های صنعتی خاص نیازمند دانش فنی تخصصی استفاده از نرم افزارهای تحلیل سازه ای پیشرفته و رعایت استانداردهای طراحی دقیق است. خطاهای طراحی سازه ای می تواند منجر به خرابی های جدی و خسارات مالی و جانی گردد.
• کیفیت اجرا و کنترل کیفیت : اجرای صحیح و با کیفیت زیربنا و روبنا نقش حیاتی در عملکرد و ایمنی سازه دارد. عدم رعایت مشخصات فنی استفاده از مصالح غیراستاندارد و کیفیت پایین اجرا می تواند منجر به ضعف سازه کاهش عمر مفید و افزایش هزینه های نگهداری و تعمیرات گردد. کنترل کیفیت دقیق در تمامی مراحل اجرا از آماده سازی بستر پی تا اجرای روبنا از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

نکات کلیدی برای بهینه سازی و بهبود عملکرد

برای بهینه سازی طراحی و بهبود عملکرد زیربنا و روبنا رعایت نکات کلیدی زیر ضروری است :

• مطالعات ژئوتکنیک دقیق و جامع : انجام مطالعات ژئوتکنیک دقیق و جامع در مراحل اولیه پروژه اطلاعات ارزشمندی در مورد مشخصات خاک سطح آب زیرزمینی و شرایط محیطی سایت ارائه می دهد که مبنای طراحی پی مناسب و ایمن را فراهم می سازد.
• انتخاب نوع پی مناسب : انتخاب نوع پی مناسب بر اساس شرایط خاک بار سازه شرایط محیطی و محدودیت های اجرایی نقش مهمی در کاهش هزینه ها بهبود عملکرد و افزایش ایمنی سازه دارد.
• طراحی سازه ای بهینه و کارآمد : طراحی سازه ای بهینه و کارآمد با استفاده از روش های تحلیل سازه ای پیشرفته نرم افزارهای تخصصی و رعایت استانداردهای طراحی امکان کاهش مصرف مصالح بهبود عملکرد سازه و کاهش هزینه های ساخت را فراهم می سازد.
• استفاده از مصالح با کیفیت و استاندارد : استفاده از مصالح ساختمانی با کیفیت و استاندارد نقش مهمی در افزایش دوام مقاومت و ایمنی سازه دارد. انتخاب مصالح مناسب بر اساس شرایط محیطی و الزامات عملکردی سازه از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
• اجرای صحیح و با کیفیت : اجرای صحیح و با کیفیت زیربنا و روبنا مطابق با نقشه های اجرایی و مشخصات فنی نقش حیاتی در عملکرد و ایمنی سازه دارد. به کارگیری نیروی کار ماهر استفاده از تجهیزات مناسب و نظارت دقیق بر اجرای کار از الزامات اساسی برای دستیابی به کیفیت مطلوب است.
• کنترل کیفیت دقیق در تمامی مراحل : انجام آزمایش های کنترل کیفیت مصالح و اجرای سازه در تمامی مراحل ساخت از آماده سازی بستر پی تا تکمیل روبنا امکان شناسایی و رفع مشکلات احتمالی را فراهم می سازد و از بروز خرابی های جدی در آینده جلوگیری می کند.
• رعایت استانداردهای ملی و بین المللی : رعایت استانداردهای ملی و بین المللی مربوط به طراحی و اجرای سازه ها از جمله استانداردهای ایمنی عملکردی و زیست محیطی تضمین کننده کیفیت ایمنی و پایداری سازه است.
• نگهداری و بازرسی دوره ای : انجام بازرسی های دوره ای و نگهداری منظم سازه در طول عمر بهره برداری امکان شناسایی زودهنگام خرابی ها انجام تعمیرات به موقع و افزایش عمر مفید سازه را فراهم می سازد.

نتیجه نهایی

زیربنا و روبنا دو بخش اساسی و مکمل یکدیگر در هر سازه مهندسی هستند. زیربنا به عنوان پایه و تکیه گاه سازه وظیفه انتقال و توزیع بارهای وارده به زمین را بر عهده دارد در حالی که روبنا به عنوان بدنه و هویت کاربری سازه فضای مفید ساختمان را شکل می دهد و اهداف اصلی کاربری را برآورده می سازد.

طراحی و اجرای صحیح هر دو بخش بر اساس اصول مهندسی ژئوتکنیک و سازه رعایت استانداردهای ملی و بین المللی و بهره گیری از فناوری های نوین برای دستیابی به سازه های ایمن پایدار کارآمد و با عمر مفید طولانی امری ضروری است. توجه به چالش ها و محدودیت های فنی بهینه سازی طراحی و اجرا کنترل کیفیت دقیق و نگهداری منظم از نکات کلیدی برای بهبود عملکرد و افزایش دوام سازه ها می باشد.

در نهایت درک عمیق تفاوت ها و تعاملات بین زیربنا و روبنا برای مهندسان معماران و فعالان صنعت ساخت وساز بنیان اصلی ساخت وسازهای پایدار و ایمن را تشکیل می دهد.