مرحباً بكم جميعاً، أنا مهتم جداً بمجال الهندسة، واليوم أقدم لكم مشروع ناتج عن اهتمام عميق بمجالات الهندسة والتصميم الرقمي، حيث يعتمد العمل في هذا المشروع على خبرة تمتد لعامين في استخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) وبشكل خاص برنامج Fusion360، فقد قمت بتوظيف هذه المهارات في تصميم عناصر مختلفة لأغراض تطبيقية وترفيهية، بما في ذلك أعمال الطباعة ثلاثية الأبعاد، والآن هي فرصة مثالية لتطبيق هذه الخبرات في مشروع مبتكر.
يتضمن مشروعي المقدم جسراً تم تصميمه من خلال استخدام محاكاة اختبار الأحمال الإنشائية وبمساعدة التصميم التوليدي، بالإضافة إلى ذلك قمت بتصميم البيئة المحيطة على أمل تمثيل الاتصال بالطبيعة الذي يمكن أن يوفره الجسر للمجتمع المحيط، حيث يربط هذا الجسر منطقة سكنية بمسار طويل كان غير مستغل بالشكل الكافي بسبب تدهور هيكل الجسر القائم مسبقاً.
كما تم تجهيز الجسر بأجهزة استشعار لتتبع معدلات الاستخدام، حيث تم تمثيل نموذج مصغر لكيفية عمل هذا النظام من خلال استخدام لوحة أردوينو، فإن هذا المشروع يجمع بين الهندسة المدنية المتقدمة وإنترنت الأشياء، مما يخلق حلًا مستداماً وذكياً يعزز التفاعل بين المجتمع والبيئة الطبيعية المحيطة.
لقد كتبت هذا المشروع ليس فقط لتفصيل عملية تصميمي، ولكن أيضاً على أمل تعليم المشاهدين الأدوات والوظائف المتنوعة التي توفرها برامج التصميم بمساعدة الحاسوب، حيث أنه في هذا الدليل سأعرض كيفية استخدام محاكاة الأحمال الإنشائية، والتصميم التوليدي، وعمليات تحويل النماذج ثلاثية الأبعاد (3D Models) إلى صور أو مشاهد واقعية باستخدام برامج متخصصة، والنمذجة لرفع مستوى التصاميم إلى آفاق جديدة، مع تضمين صور توضح الخطوات التي اتبعتها لتنفيذ هذه المهام.
وأخيراً آمل أن تستفيدوا ولو بالقليل من هذا الدليل التعليمي، وحتى لو لم تحصلوا على فائدة عملية، أتمنى أن تكونوا قد استمتعتم بمشاهدة العملية الكاملة لتصميمي، استمتعوا.
لتنفيذ هذا المشروع، ستحتاج إلى ما يلي:
الأدوات الأساسية:
الأدوات الاختيارية:
(هذه الأدوات مطلوبة فقط إذا كنت ترغب في إعادة إنشاء نظام الاستشعار الخاص بالجسر).
يمثل اختيار الموقع الأمثل حجر الأساس في عملية تصميم الجسور، حيث يتطلب دراسة متأنية للجوانب الوظيفية والجمالية على حد سواء، وفي هذا المشروع تم التركيز على توفير وصلة آمنة ومريحة للمشاة بين تجمع سكني ومنطقة طبيعية غنية بالغطاء النباتي، تفصل بينهما مجرى مائي طبيعي.
وتأتي أهمية هذا الجسر من كونه يحل مشكلة رئيسية تتمثل في بعد المسافة بين ضفتي النهر، حيث تصل المسافة إلى ما يقارب 3 كيلو مترات للوصول إلى أقرب معبر مخصص أساساً لحركة المركبات، فإن هذا الوضع الحالي يشكل عائقاً أمام سكان المنطقة الذين يرغبون في الوصول إلى المساحات الخضراء لممارسة الأنشطة الترفيهية أو الاستمتاع بالطبيعة.
ومن الناحية التصميمية يسعى المشروع إلى تحقيق انسجام تام بين المنشأة الهندسية والمحيط الطبيعي بحيث يصبح الجسر جزءاً عضوياً من المشهد دون أن يشكل عنصراً غريباً أو مزعجاً للعين، كما يأخذ التصميم في الاعتبار الحفاظ على الخصائص البيئية للمنطقة وتقليل التدخل في النظام البيئي القائم.
لضمان تحقيق أعلى مستويات الدقة في تصميم الجسر قمت بإجراء قياسات دقيقة للممشى الحالي بهدف ضمان التكامل السلس للجسر الجديد مع المسار القائم، وقد أظهرت القياسات أن عرض الممشى الحالي يبلغ حوالي 2.68 متراً.
مواصفات ممشى الجسر الخرساني:
تم تزويد الممشى الخرساني بنقاط تمدد مدروسة بعناية، بحيث تسمح هذه النقاط للخرسانة بالتمدد أو الانكماش بحرية، حيث يأتي هذا التصميم استجابة للتقلبات الحرارية الكبيرة في هذه المنطقة، حيث تختلف درجات الحرارة بشكل كبير بين شهور الصيف والشتاء، وهذه التغيرات تؤدي إلى تمدد أو انكماش حراري للخرسانة، وبدون نقاط التمدد هذه تكون الخرسانة عرضة للتشقق والتصدع وبالتالي فقدان السلامة الإنشائية للجسر وزيادة تكاليف الصيانة بشكل كبير، وكذلك تقصير العمر الافتراضي للجسر.
توضح هذه الخطوة العملية المحاكاة والاختبارات التي يخضع لها المهندسون المدنيون أثناء عملية تصميم المنشآت، مع وجود صور توضح هذه العملية، فقد قمت باستخدام خاصية المحاكاة في برنامج Fusion360 لمحاكاة انحرافات الكمرات تحت أحمال وأبعاد محددة، وذلك لتحديد الهيكل الداعم الأمثل لممشى الجسر.
والجدير بالذكر أنه في مجال الهندسة المدنية يعد قياس انحراف الكمرات لمعرفة ما إذا كان ضمن النطاق المقبول أحد الطرق الأساسية لتقييم المتانة الإنشائية للتصميم، وتحديد ما إذا كان كافيًا وآمنًا للاستخدام العملي أم لا.
نتائج الاختبارات:
تظهر لقطتا الشاشة 1 و2 انحراف كمرة بأبعاد 200 مم × 300 مم × 20000 مم.
وعند تعريض الكمرة لحمل رأسي مقداره 6000 رطل (~26700 نيوتن) بلغ مقدار الانحراف 15.7 مم فقط، ويقع هذا الانحراف ضمن النطاق المقبول بالنسبة لطول الكمرة الكلي.
ومع ذلك فإن الأبعاد المستخدمة في الكمرة كبيرة جدًا وستستهلك كمية مواد تفوق الاحتياجات الفعلية، فقد أشار برنامج Fusion360 أن التصميم مبالغ فيه (Overbuilt) لغرض حمل الجسر، ويمكن تحقيق نفس الأداء بأبعاد أصغر، فإن هذا التصميم غير اقتصادي من حيث استهلاك المواد.
وبناءً على ذلك تم اختبار كمرة بأبعاد 100 مم × 100 مم × 20000 مم (أصغر من الكمرة السابقة) تحت نفس الحمل (كما يظهر في لقطتي الشاشة 3 و4)، وفي هذه الحالة بلغ الحد الأقصى لانحراف الكمرة 299.8 مم (عند نقطة المنتصف)، وهذا المقدار من الانحراف يتجاوز القيمة المقبولة عمومًا لانحرافات الكمرات، والتي تبلغ حوالي 1/180 من طول الكمرة، وتوضح هذه النتائج التحدي الرئيسي في التصميم، وهو الحاجة إلى تحقيق توازن دقيق بين متطلبات المتانة الإنشائية اللازمة لتحمل وزن الجسر والمشاة، وبين ضرورة عدم الإسراف في استخدام المواد الإنشائية.
ومن الواضح أن ضمان الاستقرار الإنشائي يتطلب استخدام كمرات ذات أبعاد كبيرة بشكل ملحوظ في حالة الاعتماد على كمرات مستقيمة تقليدية، ولحل هذه المعضلة قررت تطبيق نظام جمالوني يتكون من عدة كمرات أصغر حجماً بدلاً من الاعتماد على كمرة واحدة كبيرة، حيث يقدم هذا النظام عدة مزايا رئيسية تشمل زيادة مقاومة الانحناء تحت تأثير الأحمال، وتقليل كمية المواد الإنشائية المستخدمة مع الحفاظ على كفاءة إنشائية عالية.
وفي الاختبارات الأولية التي أجريت على نموذج جمالوني بسيط كما هو موضح في لقطة الشاشة رقم 5، لوحظ انخفاض ملحوظ في مقدار الانحراف بلغ حوالي 31 مم مقارنةً بأداء الكمرة المفردة تحت نفس الحمل، ويعود هذا التحسن إلى قدرة النظام الجمالوني على توزيع الأحمال بشكل أكثر انتظاماً على مختلف عناصر الهيكل، وتشير هذه النتائج الواعدة إلى إمكانية تحقيق انخفاض أكبر في الانحراف الأقصى من خلال تطبيق تصميم جمالوني أكثر تعقيداً وتطوراً.
وفي المرحلة التالية من التطوير سيتم إخضاع التصميم الجمالوني النهائي لاختبارات متكررة تحت تأثير نفس الأحمال أو أحمال أكبر، وذلك بهدف تقييم أدائه الإنشائي بدقة، وسوف تركز هذه الاختبارات على التحقق من تحقيق معايير السلامة الإنشائية المطلوبة مع ضمان الكفاءة في استخدام المواد الإنشائية، حيث تمثل هذه العملية جزءاً أساسياً من منهجية التصميم المتكاملة التي تعتمد على التكرار والتحسين التدريجي للوصول إلى الحل الأمثل.
بعد جمع القياسات والبيانات من الخطوتين الثالثة والرابعة تم الشروع في تصميم وبناء الممشى الرئيسي للجسر مع نظام الدعم الجمالوني، وقد اعتمد التصميم النهائي على هياكل جمالونية داعمة تم تركيبها على طول حواف منشور مستطيل الشكل يتكون من عدة كمرات متعددة، ولضمان كفاءة التصميم تم اختبار جزء من التركيبة الجمالونية النهائية تحت نفس الأحمال التي استخدمت في اختبار الكمرات في الخطوة الرابعة.
وقد أظهرت النتائج تحسناً ملحوظاً في نسبة الانحراف إلى الطول مقارنةً بالكمرة ذات الأبعاد 200 مم × 300 مم × 20000 مم مع استخدام كمية أقل بكثير من المواد الإنشائية، ويعزى هذا التحسن إلى قدرة النظام الجمالوني على توزيع القوى المركزية الناتجة عن الأحمال بشكل متوازن على كامل الهيكل الإنشائي، وقد أسفرت هذه الكفاءة عن خفض تكلفة بناء الجسر بشكل ملحوظ دون المساس بسلامته الإنشائية أو متانته.
يشمل التصميم النهائي عدة مميزات ذكية، حيث تم تزويد قاعدة الممشى بأقواس تعمل على تحسين قدرة تحمل الأحمال، وفي نفس الوقت تقلل من كمية المواد المطلوبة للتنفيذ، وحرصاً على إتاحة إمكانية إعادة تنفيذ التصميم، تم توثيق الأبعاد والتفاصيل الفنية في لقطات الشاشة 3 و4 و5، والتي تضم صوراً للممشى النهائي، ومقطعاً عرضياً يظهر التكامل بين الممشى والتصميم الجمالوني، بالإضافة إلى مخطط تفصيلي يحتوي على القياسات الأساسية.
يتميز هذا التصميم بدمج الذكاء الإنشائي مع الكفاءة الاقتصادية، حيث استطاع تحقيق أهداف المشروع المتمثلة في توفير هيكل قوي وآمن للمشاة، مع تقليل استهلاك المواد إلى أدنى حد ممكن، وقد أثبتت الاختبارات المتكررة كفاءة النظام الجمالوني في تحمل الأحمال المختلفة مع الحفاظ على استقرار الهيكل، مما يجعله حلاً مثالياً للجسور المخصصة للمشاة في المناطق الريفية والحضرية على حد سواء.
لتصميم هذا الجسر اخترت استخدام مزيج من الدعامات الخازوقية والكبلات الداعمة، حيث تكمن الوظيفة الأساسية للخوازيق في القاعدة بتوزيع الأحمال الواقعة على سطح الجسر بشكل فعال نحو الأرض، أما استخدام الكابلات الداعمة فيقلل من الحاجة لعدد كبير من الخوازيق، مما يعزز الجماليات البصرية للجسر ويقلل من التأثير على البيئة المحيطة والقاع المائي للبركة التي يقع فوقها.
وقد اعتمدت في التصميم على نظام "خازوقين" بسيطين مع هيكل جمالوني يربط بين العارضتين الرئيسيتين لزيادة الاستقرار، وسيتم تثبيت الكابلات الداعمة مباشرة القوس إلى ممشى الجسر، ولكن بدلاً من وضع القوس بالكامل فوق الجسر سيمتد معظمه أسفل الجسر لتقليل حجب الرؤية للمنطقة الطبيعية المحيطة، وسيكون تصميم القوس والكابلات أكثر وضوحاً في المراحل اللاحقة عند تجميع جميع مكونات الجسر معاً.
ومن المهم عمل خطوات الرندرة داخل البرنامج بشكل صحيح، فهي طريقة جيدة للحصول على فكرة مبدئية عن الشكل النهائي للمشروع، فقد تم التركيز في هذا التصميم على تحقيق التوازن بين المتانة الإنشائية والجماليات البصرية، مع الحرص على تقليل التأثير البيئي، حيث يعتمد نظام الدعم المختار على مبادئ هندسية تسمح بتوزيع الأحمال بشكل متوازن، مع الحفاظ على الانسجام مع البيئة الطبيعية المحيطة، وتظهر الصور المصورة جودة التصميم ومدى تكامله مع الموقع المخصص له مما يجعله نموذجاً ناجحاً للجسور المعلقة ذات التأثير البصري المحدود على المناظر الطبيعية.
لقد استخدمت التصميم التوليدي في عملية تصميم المقاعد ومناطق الجلوس الموجودة على الجسر، حيث تعد مناطق الجلوس عنصراً مهماً لأنها توفر مساحات يمكن للناس من خلالها التواصل الاجتماعي والاستمتاع بالطبيعة في نفس الوقت، فأنا أسعى من خلال استخدام التصميم التوليدي إلى تقليل كمية المواد المستخدمة، وفي نفس الوقت تعزيز الجاذبية الجمالية للمقاعد، حيث يشيع استخدام التصميم التوليدي في قطاعات صناعية مثل السيارات والفضاء ويهدف إلى تقليل عدد الأجزاء المطلوبة لتصنيع القطع المختلفة.
نظرة عامة حول كيفية عمل التصميم التوليدي، كما يلي:
يبدأ المصمم أو المهندس بإنشاء تمثيل مبسط للقطعة مع تحديد معايير التصميم مثل نوع المادة، الحجم، الوزن، القوى المؤثرة، التكلفة وغيرها.
ثم يقوم البرنامج الحاسوبي بعد ذلك بتحليل هذه "القواعد" ويولد عدداً كبيراً من الحلول التصميمية المحتملة في وقت قصير نسبياً (أقل بكثير مما يمكننا تخيله).
ومن المهم ملاحظة أنه كلما زادت القيود والشروط الموضوعة على التصاميم المولدة أصبحت هذه التصاميم أكثر قابلية للتنبؤ.
بعد ذلك يتم اختيار التصميم الذي يحقق الغرض المطلوب بأفضل طريقة ويناسب توقعات المهندس أو المصمم.
سيكون هذا الجسر مجهزاً بمستشعر أزرار/لمس مثبت أسفل إحدى لوحات سطحه لتتبع عدد الأشخاص الذين يعبرون الجسر، حيث أنه في البداية كنت قد فكرت في استخدام مستشعر حركة لكنه معرض لأن يتلف وتتسبب الأتربة والحطام الذي قد يتراكم مع الوقت في إعاقة عمله.
يوفر جمع البيانات عن عدد مستخدمي الجسر رؤى قيّمة حول الطلب الفعلي عليه، والذي يمثل في هذه الحالة عدد الأشخاص الراغبين في الوصول إلى الممر الموجود على الطرف الآخر كما ذكرنا في الخطوة الأولى، حيث تكمن أهمية عد عدد المستخدمين بشكل رئيسي في الحصول على تمويل مستقبلي، حيث تستخدم هذه البيانات عادة عند التقدم بطلب للحصول على منح تمويلية، فإذا أظهرت البيانات أن عدد مستخدمي الجسر مرتفع نسبياً، فقد يتم تخصيص مزيد من الموارد أو رأس المال لصيانة المنطقة وتطويرها ببنية تحتية تعزز وصول الناس إلى الطبيعة.
ويمكن أن تقدم بيانات المستخدمين أيضاً رؤى حول الغرض من استخدام الجسر، فعلى سبيل المثال إذا أظهرت البيانات المجمعة أن عدد المستخدمين في عطلة نهاية الأسبوع أكثر منه في باقي أيام الأسبوع فقد يشير ذلك إلى أن الجسر يستخدم بشكل رئيسي للترفيه والاستمتاع، أما إذا كان الاستخدام مرتفعاً طوال أيام الأسبوع فقد يدل ذلك على أنه طريق شائع للتنقل من وإلى العمل أو أماكن أخرى ضرورية، كما يمكن أيضاً توسيع نطاق جمع البيانات كل ساعة، مما يوضح الأوقات التي يشهد فيها الجسر أكبر إقبال.
أما بالنسبة لكيفية عمل نظام العد الخاص بي فسيكون هناك لوح على الجسر مزود بمستشعر ضغط/زر ينشط كلما اجتاز شخص ما الجسر، وبالتأكيد سيحدث بعض التعداد المزدوج حيث يعبر الناس الجسر في كلا الاتجاهين، لكنه يظل يفي بالغرض والاحتياجات المذكورة أعلاه.
يتكون النموذج المصغر للمستشعر الذي قمت بتصميمه من زر أردوينو وصمام ضوئي مع لوح ملصق بالشمع الساخن على الزر ليمثل "لوح الأرضية" المصغر للجسر، تم إرفاق كود الأردوينو أدناه وبعض الصور.
لنسخ كود الأردوينو اضغط هنـــا.
قمت بتصميم ونمذجة وتنفيذ سياج جانبي لضمان سلامة المشاة بالإضافة إلى أنظمة الدعم مع تخصيص مساحات استراحة على طول الجسر تتيح للزوار الاسترخاء والتمتع بالطبيعة المحيطة، كما تم تزويد هذه المساحات بأسقف واقية تسمح باستخدامها في مختلف الظروف الجوية، بما في ذلك الأمطار والثلوج.
وقد تم توثيق جميع المراحل بدءاً من المفهوم الأولي وصولاً إلى النموذج النهائي، فقد حرصت على تضمين بعض العناصر التصميمية التي استبعدت أو خضعت للتعديل خلال العملية، وذلك لتسليط الضوء على تعقيدات مرحلة التصميم والنمذجة في أي مشروع سواء على أرض الواقع أو باستخدام برنامج Fusion360.
لإعطاء تصور أوضح عن كيفية دمج الجسر مع المجتمع المحيط قررت أن أتحدى نفسي وأقوم بتصميم المشهد الطبيعي المحيط والمباني والمناظر الطبيعية (ويمكنك أنت أيضاً فعل ذلك)، حيث بدأت أولاً بتصميم وإنشاء عدد من المنازل الريفية لتمثيل المجتمع المستهدف في المنطقة ثم أضفت على الجانب المقابل منطقة غابات يغلب عليها الأشجار الخضراء الدائمة، إذ تعد هذه الأشجار النوع الغالب في هذه المنطقة، كما تم إنشاء بعض التلال باستخدام نمذجة الأشكال داخل المنطقة، وأخيراً أضفت النهر الذي يمر أسفل الجسر.
وبهذا نكون قد وصلنا إلى نهاية هذا الدليل التعليمي، أود أن أشكركم جميعاً على الوقت الذي خصصتموه لمتابعة عملية التصميم الخاصة بي، لقد كان هذا المشروع تحدياً ممتعاً ومليئاً بالتعلم، وآمل أن يكون مصدر إلهام لكم في مشاريعكم المستقبلية.
تسجيل الدخول مطلوب
يجب عليك تسجيل الدخول لإضافة تعليق.
تسجيل الدخول