รวมข้อมูลโครงสร้างประเภทต่างๆ ที่นิยมใช้ในงานสถาปัตยกรรม (Types of Structure for Architectural Design)

โครงสร้างถือเป็นองค์ประกอบส่วนสำคัญของงานสถาปัตยกรรม และงานวิศวกรรมอาคาร Wazzadu Encyclopedia จึงได้ทำการรวบรวมข้อมูล รูปแบบประเภทโครงสร้างที่นิยมใช้ในงานสถาปัตยกรรม (Types of Structure for Architectural Design) มาเผยแพร่ให้ท่านผู้อ่านได้ชมและศึกษาเพื่อนำไปประยุกต์ต่อยอดใช้ในการทำงานได้อย่างหลากหลายในโอกาสต่างๆ

ซึ่งโครงสร้างแต่ละประเภทจะมีคุณลักษณะ องค์ประกอบ และเหมาะกับการใช้งานในอาคารประเภทไหนบ้างนั้น มาติดตามชมกันได้เลยครับ

รูปแบบประเภทโครงสร้าง ที่นิยมใช้ในงานสถาปัตยกรรม 

โครงถัก หรือ โครงข้อหมุน  (Truss structures) 

โครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures) มีชื่ออีกอย่างหนึ่งที่ชาวสถาปนิกวิศวกรต่างคุ้นหู และนิยมเรียกกันติดปากว่า "โครงทรัส" แต่ในงานโครงสร้างสถาปัตยกรรม โครงถักมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการอีกอย่างหนึ่งว่า "โครงข้อหมุน" ซึ่งเป็นรูปแบบโครงสร้างที่เกิดขึ้นจากการนำเอาชิ้นส่วนวัสดุมาประกอบเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างรูปทรงเรขาคณิตแบบโครงสามเหลี่ยม โดยมีจันทัน และขื่อ คอยเป็นเฟรมภายนอกที่จะเป็นตัวกำหนดขนาดสเกลของโครงสามเหลี่ยม (ค้ำยันแนวดิ่ง และค้ำยันแนวเอียง) ที่อยู่ภายในอีกที

สำหรับการนำชิ้นส่วนมาประกอบเข้าด้วยกันนั้น จะยึดปลายทั้งสองของชิ้นส่วนต่างๆทั้งจันทัน ขื่อ ค้ำยันแนวดิ่ง และค้ำยันแนวเอียงให้ยึดติดกัน และสามารถถ่ายแรงเฉือน แรงตามแนวแกน และโมเมนต์ดัดให้กันได้อย่างทั่วถึงด้วยวิธีการเชื่อม การใช้หมุดย้ำ หรือ การใช้น๊อต

เพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา รับน้ำหนักได้มาก ให้ความสวยงาม และสามารถวางพาดในรูปแบบโครงสร้างช่วงพาดกว้าง หรือ โครงสร้างช่วงยาวได้ โดยไม่ต้องมีเสามาค้ำตรงกลาง

องค์ประกอบของโครงถัก (Truss Structure Specific Detail)

องค์ประกอบสำคัญของโครงถัก คือ ชิ้นส่วนวัสดุหลายชิ้นที่มาประกอบรวมกันเป็นโครงถักในรูปแบบต่างๆ โดยมีชื่อเรียกส่วนประกอบต่างๆ ได้ 4 ชนิด คือ

•  จันทัน (Upper Chord)
•  ขื่อ (Lower Chord)
•  ค้ำยันในแนวดิ่ง (Vertical Web)
• ค้ำยันในแนวเอียง (Diagonal Web)

ประเภทของโครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures Type) 

โดยหลักการออกแบบแล้ว ประเภทของโครงถัก (Truss structures) สามารถแบ่งออกเป็น  2  ประเภท  คือ

- โครงถักอย่างง่าย หรือ โครงถักแบบดีเทอร์มิเนทสแตติกส์ (Statically Determinate Truss) เป็นรูปแบบโครงถักที่สามารถวิเคราะห์หาค่าแรงกระทำต่างๆได้ด้วยสมการสมดุล  

- โครงถักอย่างยาก หรือ โครงถักแบบอินดีเทอร์มิเนทสแตติกส์ (Statically Indeterminate Truss) เป็นรูปแบบโครงถักที่จำเป็นต้องคำนวณหาค่าแรงกระทำต่างๆด้วยหลักการทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง ซึ่งจะแปรผันไปตามรูปแบบของโครงถักในการนำไปใช้งานกับโครงสร้างที่ค่อนข้างมีความซับซ้อน

ในขณะเดียวกันโครงถัก ก็สามารถแบ่งตามลักษณะการใช้งานได้ 3 ลักษณะ คือ 

- โครงถักแบบโครงหลังคา

- โครงถักแบบโครงสะพาน

- โครงถักแบบโค้งประทุน

โครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures) ถูกนำไปใช้ในงานโครงสร้างทางวิศวกรรม และสถาปัตยกรรมประเภทต่างๆมากมาย อย่างเช่น  

- โครงหลังคาโรงอาหาร 

- โครงสร้างรับน้ำหนักอัฒจรรย์  

- โครงสร้างรองรับ Module ชั้นพื้นอาคารขนาดกลาง-ใหญ่พิเศษ

- โครงหลังคาหอประชุม หรือ โรงมหรสพขนาดใหญ่

- โครงหลังคาสนามกีฬาในร่ม 

- โครงหลังคาสนามกีฬากลางแจ้งขนาดใหญ่

- โครงหลังคาห้องโถงนิทรรศการ

- โครงหลังคาโรงงานอุตสาหกรรม

- โครงหลังคาศูนย์จัดแสดงสินค้า

- โครงหลังคาศูนย์การค้า 

- โครงหลังคาสถานีรถไฟ สนามบิน และสถานีขนส่ง

- โครงหลังคาโดมอเนกประสงค์

- โครงสร้างสะพาน 

นอกจากนี้ยังมีการออกแบบโครงถักในรูปแบบเฉพาะ สำหรับอาคารที่มีลักษณะพิเศษต่างจากอาคารทั่วไปอีกด้วย

วัสดุที่นิยมใช้ในการทำโครงถัก (Truss Structures)

โครงถักโดยทั่วไปทำจากเหล็ก และไม้เนื้อแข็ง แต่ส่วนมากแล้วจะนิยมใช้เหล็ก แม้เหล็กจะมีราคาที่สูงกว่าไม้ แต่เนื่องจากเหล็กมีคุณสมบัติ หรือ ศักยภาพที่หลากหลายกว่าไม่ว่าจะเป็นความเหนียว คงทนต่อแรงกระทำในระนาบต่างๆได้ดี ประกอบติดตั้งได้เร็ว มีคุณสมบัติในการต้านภัยธรรมชาติได้ดี  อีกทั้งยังสามารถทำโครงถักสำหรับโครงสร้างช่วงพาดกว้าง หรือ โครงสร้างช่วงยาว ในอาคารขนาดกลาง-ใหญ่พิเศษได้ ซึ่งโครงถักไม้มีข้อจำกัดที่ไม่สามารถทำได้นั่นเอง

ประเภทของเหล็กที่นิยมนำมาใช้ในการทำโครงถัก หรือ โครงข้อหมุน

ประเภทเหล็กรูปพรรณรีดร้อน (Hot Rolled Structural Steel) สามารถต้านทานการตัดโค้ง (Bending) และการบิด (Twisting) ได้ดี จึงนิยมใช้เป็นเสา (Columns), คาน (Beams) และตงพื้น (Bridge girders) และเหมาะที่จะใช้ทำโครงถัก (Truss structures) ในงานก่อสร้าง และงานสถาปัตยกรรมขนาดใหญ่ได้

- เหล็กไอบีม (I-Beam) นิยมใช้ทำโครงถักสะพาน โครงถักรับน้ำหนัก Module ชั้นพื้นในอาคารช่วงพาดกว้างขนาดกลาง - ขนาดใหญ่ โครงถักรองรับหลังคา รวมไปถึงโครงถักสำหรับฟังก์ชั่นการใช้งานของโรงงานอุตสาหกรรม

- เหล็กเอชบีม หรือ ไวด์แฟรงค์  (H-Beam or Wide-Flange) นิยมใช้ทำโครงถักสะพาน โครงถักรับน้ำหนัก Module ชั้นพื้นในอาคารช่วงพาดกว้างขนาดใหญ่ หรือ อาคารที่มีส่วนยื่น (Cantilever) มากเป็นพิเศษ รวมไปถึงโครงถักที่ออกแบบเฉพาะสำหรับอาคารที่ต้องการความแข็งแรงมากเป็นพิเศษ เช่น อาคารที่มีความโน้มเอียง หรือ อาคารที่มีความซับซ้อนหวือหวาทางรูปทรง เป็นต้น

ประเภทเหล็กรูปพรรณรีดเย็น (Cold Formed Structural Steel) นิยมใช้ทำโครงถัก (Truss structures) ในงานก่อสร้าง และงานสถาปัตยกรรมได้ตั้งแต่ขนาดเล็ก ขนาดกลาง ไปจนถึงขนาดใหญ่ได้ (ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเหล็กประเภทนั้นๆ)

- เหล็กท่อกลมดำ (Carbon Steel Tubes) มีรูปทรงหน้าตัดเป็นวงกลม นิยมใช้ในงานโครงถักสะพาน โครงถักหลังคา และโครงถักเฉพาะสำหรับโครงสร้างอาคารในบางจุด 

- เหล็กตัวซี (Light Lip Channel) นิยมใช้ในงานโครงถักหลังคา สำหรับอาคารขนาดเล็กไปจนถึงอาคารขนาดกลาง

- เหล็กกล่องเหลี่ยม และเหล็กกล่องแบน (Carbon Steel Rectangular Pipes) มีรูปทรงหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส ในขณะที่เหล็กกล่องแบน จะมีรูปทรงหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า เหมาะสำหรับงานโครงถักหลังคา และโครงถักสำหรับช่วยรับน้ำหนักภายในอาคาร

รูปแบบของโครงถัก หรือโครงข้อหมุน (Truss structures Pattern) ที่นิยมใช้ในการออกแบบ

โครงสร้างโครงขึง (Cable Structure) 

โครงสร้างโครงขึง (Cable Structure) คือ ลักษณะโครงสร้างอีกรูปแบบหนึ่ง ที่อยู่ในแขนงประเภทของโครงสร้างช่วงพาดกว้าง หรือ โครงสร้างช่วงยาว (Wide Span or Long span Structure) มีลักษณะที่คล้ายคลึงกับโครงสร้างแขวน (Suspension Structure) เป็นรูปแบบโครงสร้างที่สามารถครอบคลุมเนื้อที่ได้กว้างขวาง โดยเฉพาะระนาบกว้าง หรือ ระนาบตามแนวยาว ส่วนมากแล้วนิยมใช้เป็นโครงสร้างทางสถาปัตยกรรมตั้งแต่ขนาดกลางไปจนถึงขนาดใหญ่ รวมไปถึงโครงสร้างทางด้านวิศวกรรมบางประเภท

วัสดุหลักที่นิยมใช้ในการออกแบบก่อสร้างโครงสร้างโครงขึง (Cable Structure)  ประกอบด้วย

• เหล็กรูปพรรณรีดร้อน (เหล็กเอชบีม) ส่วนใหญ่ใช้เป็นโครงสร้างหลักของตัวสถาปัตยกรรม หรือ ใช้เป็นเสาที่คอยตรึงเคเบิลเข้ากับโครงสร้างช่วงพาด
• เหล็กรูปพรรณรีดเย็น (ท่อเหล็กดำ,ท่อเหล็กตะเข็บเกลียว ,เหล็กตัวซี และเหล็กกล่อง) มักใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างช่วงพาด และใช้เป็นเสากระโดงที่คอยตรึงเคเบิลเข้ากับโครงสร้างช่วงพาด หรือ โครงสร้างส่วนยื่น
• เหล็กเสริม (เคเบิล หรือ ลวดเหล็กกล้าแรงดึงสูง) สำหรับใช้ขึงตรึงยึดระหว่างโครงสร้างหลัก เข้ากับชิ้นส่วนโครงสร้างช่วงพาด หรือ โครงสร้างส่วนยื่น

คุณสมบัติเด่นของโครงสร้างขึง คือ ตอบโจทย์ความต้องการในเรื่องของการใช้พื้นที่ได้ดีกว่าโครงสร้างคอนกรีต เนื่องจากโครงสร้างเหล็กสามารถก่อสร้างให้มีช่วงพาดระหว่างเสาได้กว้างกว่าโครงสร้างคอนกรีตได้หลายเท่า ด้านของความสวยงามโครงสร้างคานคอนกรีตจะมีขนาดที่ใหญ่โตทึบตันทำให้บดบังทัศนียภาพ และทำให้พื้นที่การใช้มีขนาดลดลง ในขณะที่โครงสร้างขึง จะมีขนาดหน้าตัดที่เพรียวบาง ดูสวยงามทันสมัย และไม่บดบังทัศนียภาพ นอกจากนี้โยังสามารถก่อสร้างได้เร็วกว่าโครงสร้างคอนกรีต และมีคุณสมบัติในการต้านภัยธรรมชาติได้ดี เนื่องจากเหล็กมีความยืดหยุ่นและรับการบิดได้มากกว่าโครงสร้างคอนกรีตนั่นเอง

องค์ประกอบของโครงสร้างโครงขึง (Cable Structure Detail) ประกอบด้วย

• Anchor and Pin คือ สมอถ่วงพร้อมหูยึด ชิ้นส่วนนี้มักหล่อในรูปแบบตอม่อฝังลึกลงไปใต้ดินพร้อม Base Plate โดยโผล่ขึ้นมาแค่หูยึด หรือในบางรูปแบบก็จะเป็นฐานแบบแท่นปูนหล่อในที่บนระดับดินที่มีความแข็งแรงมาก ซึ่งจะทำหน้าที่ยึดชิ้นส่วน Socket and Turnbuckle รวมไปถึง Cable เพื่อถ่วงสมดุลน้ำหนักแรงดึงจากโครงสร้างช่วงพาด หรือ โครงสร้างส่วนยื่น ผ่านเสากระโดง หรือ โครงสร้างหลักลงสู่หูยึด และสมอถ่วงตามลำดับ
• Socket and Turnbuckle คือ เบ้ายึด และข้อต่อ ซึ่งจะทำหน้าที่จับยึดเคเบิลให้ขึงตรึงระหว่าง Anchor and Pin เข้ากับโครงสร้างหลัก หรือ ยึดระหว่างโครงสร้างหลัก เข้ากับโครงสร้างช่วงพาด หรือ โครงสร้างส่วนยื่น 
• Cable คือ ชิ้นส่วนซึ่งทำหน้าที่ช่วยถ่ายน้ำหนักแรงดึงจากโครงสร้างช่วงพาด หรือ โครงสร้างส่วนยื่น ผ่านโครงสร้างหลักลงสู่หูยึด และสมอถ่วงตามลำดับ
• Bolt คือ สลักเกลียวที่คอยยึดชิ้นส่วน Turnbuckle (ข้อต่อ) เข้ากับชิ้นส่วน Pin (หูยึด)
• Mast คือ ชิ้นส่วนเสากระโดงที่คอยยึดขึงตรึงเคเบิลเข้าโครงสร้างหลัก และโครงสร้างช่วงพาด หรือ โครงสร้างส่วนยื่น

การออกแบบใช้งานโครงสร้างโครงขึง (Cable Structure) ในงานสถาปัตยกรรม ถูกนำไปใช้กับอาคารหลากหลายรูปแบบ อาทิเช่น

• โครงสร้างหลังคาอาคารหอประชุม และโรงมหรสพขนาดใหญ่
• โครงสร้างหลังคาสนามกีฬาในร่ม 
• โครงสร้างหลังคาสนามกีฬากลางแจ้งขนาดใหญ่
• โครงสร้างหลังคาโรงจอดเครื่องบิน
• โครงสร้างหลังคาโรงงานอุตสาหกรรม
• โครงสร้างหลังคาศูนย์การค้า
• โครงสร้างหลังคาที่จอดรถ
• โครงสร้างหลังคาสนามบิน ,สถานีรถไฟ และสถานีขนส่ง
• สะพานแบบต่างๆ

ภาพตัวอย่างโครงสร้างโครงขึง (Cable Structure) แบบต่างๆ

โครงสร้างแขวนในงานสถาปัตยกรรม (Suspension Structure)

โครงสร้างโครงแขวน คือ ลักษณะโครงสร้างอีกรูปแบบหนึ่ง ที่อยู่ในแขนงประเภทของโครงสร้างช่วงพาดกว้าง หรือ โครงสร้างช่วงยาว (Wide Span or Long span Structure) เช่นเดียวกับ Truss Structure และ Cable Structure 

โครงสร้างโครงแขวน ส่วนมากแล้วนิยมใช้เป็นโครงสร้างหลังคา โครงสร้างสะพาน หรือ โครงสร้างอาคารขนาดใหญ่ที่มีช่วงพาดยาวมากกว่า 30 เมตร (ถ้าน้อยกว่า 30 เมตร อาจจะไม่คุ้มทุน ถ้าหากจะใช้โครงสร้างแบบโครงแขวน) เนื่องจากโครงสร้างแบบโครงแขวนเป็นรูปแบบโครงสร้างที่สามารถแผ่ครอบคลุมเนื้อที่ได้ค่อนข้างใหญ่ โดยเฉพาะระนาบกว้าง หรือ ระนาบตามแนวยาว ดังนั้นเราจึงไม่ค่อยได้เห็นโครงสร้างโครงแขวนตามอาคารขนาดเล็ก หรือ อาคารขนาดกลางแบบทั่วไป

ลักษณะของโครงสร้างโครงแขวน

ลักษณะของโครงสร้างโครงแขวน เป็นโครงสร้างที่ถูกออกแบบมาให้มีศักยภาพรองรับแรงกระทําโดยการพัฒนาแรงดึงในตัวเคเบิลให้สามารถรับน้ำหนักแรงดึงจากชิ้นส่วนโครงสร้างช่วงพาด (Wide Span or Long span Structure) หรือ โครงสร้างยื่น (Cantilever Structure) ขนาดใหญ่ได้  โดยใช้วิธีการโยงเคเบิลจากฝั่งหนึ่งข้ามไปอีกฝั่งหนึ่ง โดยที่แต่ละฝั่งก็จะมีโครงสร้าง Main Structure เพื่อใช้เป็นฐานยึดตรึงเคเบิลหลักแนวนอน ซึ่งจะทำหน้าที่ยึดรั้งเคเบิลย่อยแนวตั้งไว้เป็นระยะๆอย่างแน่นหนาตลอดแนวความยาวของตัวโครงสร้างช่วงพาด (Wide Span or Long span Structure) หรือ โครงสร้างยื่น (Cantilever Structure) ที่ต้องการแขวนยึดไว้  

Main Structure มี 2 รูปแบบ คือ 

• Pylon or Mast Structure : มีลักษณะเป็นเสาหอคอย หรือ เสากระโดงขนาดใหญ่ ทำหน้าที่ยึดตรึงเคเบิลหลักแนวนอน และเคเบิลย่อยแนวตั้ง
• Arch Structure : มีลักษณะเป็นโครงสร้างอาร์คโค้งขนาดใหญ่ ทำหน้าที่ยึดตรึงเคเบิลย่อยแนวตั้งซึ่งโครงสร้างแบบอาร์คโค้งไม่จำเป็นต้องมีเคเบิลหลักแนวนอน โดยจะใช้เพียงแค่เคเบิลย่อยแนวตั้งเท่านั้น 

องค์ประกอบหลักของโครงสร้างโครงแขวน

สามารถแยกออกได้ดังนี้

• Anchor and Pin คือ สมอถ่วงพร้อมหูยึด ชิ้นส่วนนี้จะถูกยึดติดตั้งเข้ากับ Main Structure แบบ Pylon or Mast Structure คือ ส่วนโครงสร้างหลักที่ต้องคอยรับแรงดึงจากเคเบิล สามารถแบ่งออกได้ 2 รูปแบบ คือ Pylon or Mast Structure และ Arch Structure
• Socket and Turnbuckle คือ เบ้ายึด และข้อต่อ ซึ่งจะทำหน้าที่จับยึดเคเบิลหลักแนวนอนให้ขึงตรึงโดยพาดยาวจากฝั่งหนึ่งข้ามไปสู่อีกฝั่งหนึ่งบนโครงสร้างหลักอย่างเสาหอคอย หรือ เสากระโดงขนาดใหญ่ (Pylon or Mast Structure)
• Main Horizontal Cable & Vertical Cabel คือ เคเบิลแรงดึงสูง ซึ่งทำหน้าที่ช่วยถ่ายน้ำหนักแรงดึงจากโครงสร้างช่วงพาด หรือ โครงสร้างส่วนยื่น ผ่านเคเบิลย่อยแนวตั้ง (Vertical Cabel) และเคเบิลหลักแนวนอน (Main Horizontal Cable) ไปสู่โครงสร้างหลักที่ต้องคอยรับแรงดึงจากเคเบิลทั้งหมด (Main Structure) ตามลำดับ
• Cable Connector Fitting คือ อุปกรณ์ยึดระหว่างรอยต่อของเคเบิลทั้งแนวตั้ง และแนวนอน มีทั้งแบบสำเร็จรูป (มีให้เลือกหลากหลายแบบ) และแบบสั่งทำพิเศษตามลักษณะการออกแบบสถาปัตยกรรมที่มีความเฉพาะตัว

วัสดุหลักที่ใช้ในการออกแบบก่อสร้างโครงสร้างโครงแขวน (Suspension Structure) ประกอบด้วย คอนกรีตเสริมแรง, เหล็กเอชบีม, ท่อเหล็กดำ และท่อเหล็กตะเข็บเกลียว, สเตนเลสสตีล และอลูมิเนียม

การออกแบบใช้งานโครงสร้างโครงแขวน (Suspension Structure) ในงานสถาปัตยกรรม 

ถูกนำไปใช้กับสถาปัตยกรรมหลากหลายรูปแบบ อาทิเช่น

• อาคารหอประชุม และโรงมหรสพขนาดใหญ่
• สนามกีฬาในร่ม 
• สนามกีฬากลางแจ้งขนาดใหญ่
• ศูนย์จัดแสดงสินค้า
• ศูนย์การค้า
• สนามบิน หรือ สถานีรถไฟขนาดใหญ่
• อาคารอเนกประสงค์
• สะพาน หรือ สกายวอล์ค

ตัวอย่างรูปแบบโครงสร้างโครงแขวน (Suspension Structure Type) ในงานสถาปัตยกรรม

องค์ความรู้ที่เกี่ยวข้องอื่นๆ ในงานสถาปัตยกรรมที่น่าสนใจ

เรียบเรียงโดย Wazzadu Encyclopedia ซึ่งเป็นทีมวิจัย และพัฒนาความรู้ด้านการออกแบบ และวัสดุศาสตร์ทางด้านสถาปัตย์ฯ

ติดต่อสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่

Line@ : @wazzadu.com