الابتكارات في نظم المذاهب والتشكيل الآلي

The Rise of Automated Scaffolding and Formwork in Modern Construction

وقد تميزت صناعة البناء منذ فترة طويلة بالعمال اليدوي والآلات الثقيلة والارتجال في الموقع، غير أن العقد الماضي شهد تحولا كبيرا نحو التشغيل الآلي، لا سيما في مجالات الاختناق والشكل، وهذه النظم التي تعتمد كليا على العمال المهرة في تجميع وتكييف الهياكل المؤقتة، يجري الآن تحويلها بواسطة الروبوتات وتكنولوجيا الاستشعار والتكامل الرقمي.

ومع تزايد تعقيد تصميمات المباني وتشديد هامش الربح، يتعرض المتعاقدون للضغط للحد من الجداول الزمنية وتقليل المخاطر إلى أدنى حد، وتتصدى النظم الآلية للتحديات من خلال الحد من تعرض البشر للمهام الخطرة والتعجيل بالعمليات التكرارية، وهذا التطور ناجم عن التقدم في الميادين ذات الصلة مثل الروبوتات الصناعية وشبكة المعلومات عن المباني، ونموذج المعلومات عن المباني، وهو أمر أساسي بالنسبة للأخصائيين في البناء الذين يهدفون إلى البقاء على مستوى المنافسة.

ما هي نظاميّات الخدع والتشكيل الآليّ؟

(ب) إن نظامي الاختناق والتشكيل الآليين هما منابر متكاملة تستخدم الروبوتات والمجسات والبرامجيات لتحل جزئياً أو كلياً محل التجميع اليدوي، والتعديلات، وتفكك هياكل الدعم المؤقتة، ويتيح الاختلاط الوصول إلى العمال والمواد، بينما يشكل أشكالاً من العمل ويدعم الخرسانية التي تصب حديثاً إلى أن تكتسب قوة كافية، ويشمل التلقُّب في هذه المجالات تيسير الحركة أو الوصلات الإلكترونية عن بعد عن طريق المكونات، أو تحديد مستوياتها، أو تكييفها،

وتختلف هذه النظم عن النظم اليدوية التقليدية بطرق رئيسية عديدة، حيث يحل المغفلون الآليون محل المسامير والزهور من أجل تعديل الطول، كما أن المحركات المصوِّرة للخط وألواح مواقع النظم الناموسية على وجه الدقة، ويكتشف جهاز الاستشعار الحمولة والزاوية والمواءمة ويغذي البيانات إلى وحدة مراقبة يمكنها أن تصلح في الوقت الحقيقي، ونتيجة لذلك، نظام لا يتجمع بسرعة فحسب، بل يحافظ أيضا على سلامة هيكلية طوال عملية الصعود والغسل.

العناصر الرئيسية

• Robotic arms or gantries that handle heavy formwork panels or scaffold components, reducing manual lifting.
• Hydraulic or electric actuators] that raise, lower, or tilt portions of the structure with accurate.
• Sensor spectrums] including inclinometers, strain gauges, and laser distance meters that provide continuous feedback.
• Central control software] that integrates with BIM models and orchestrates the sequence of operations.
• مجموعة من مجموعات المكونات النموذجية مصممة للترابط السريع وقطع الاتصال بواسطة الآليات الآلية.

ويمكن أن تكون التشغيل الآلي جزءا من ذلك، مثل نظم التشغيل الذاتية التي ترفع نفسها عن طريق الرافعات الهيدروليكية، أو ذات الاستقلال الذاتي الكامل، حيث يقوم الآليون بوضع كل عنصر وفقا لخط رقمي، ويتوقف مستوى التشغيل الآلي على حجم المشروع وميزانيته واحتياجاته من السلامة.

Core Technologies Driving Automation in Scaffolding and Formwork

وقد تقاربت أربعة مجالات رئيسية للتكنولوجيات لتفعيل عمليات الفرز والتشكيل الآلية في مواقع البناء التجارية: الروبوتات، ونظم الاستشعار، والتصميم النموذجي، والتكامل الرقمي، وكل منها يسهم بشكل فريد في أداء النظام العام.

الجمعية والتعيينات الآلية

وربما يكون التجمع الروبوتي هو أكثر الابتكارات وضوحاً، كما أن عنصر " الروبوتات " - التي كثيراً ما تكون مجهزة بالبذور أو وحدات تعاونية - يمكن أن يرفع، ويضع، ويصقل أنبوب الطقم، ويتكون من لوحات، وخلافاً للآليات الصناعية الثابتة، يجب أن يبث آلات البناء بيئات غير مهيكلة.

تعديلات ورصد أجهزة الاستشعار

(أ) أن تكون تكنولوجيا الاستشعار مرتكزة على سلامة النظم الآلية ودقتها، وتكتشف أجهزة الاستشعار المسببة للميل أي تحول من التواؤم الرأسي أو الأفقي، وتقيس القياسات التحميلية على الروابط الشكلية وأجهزة الحرق، وتتتبع أجهزة الحفر الخطية موقف الأجزاء المتحركة، وتجمع جميع هذه البيانات بواسطة جهاز التحكم بالضغط الحقيقي.

النموذج الموحد والإعدادي

(أ) أن نظم الأشكال الموحدة [(FLT:1]) قد استخدمت منذ فترة طويلة في البناء، ولكن التشغيل الآلي قد زاد من نسق الوحدات، وقد صممت الأفرقة الآن بآليات متكاملة لغلق النظام يمكن أن تستخدمها ذراع آلي دون تدخل بشري، ولا يمكن تسليم وحدات جاهزة للموقع وتجميعها في سلسلة متتالية مصحوبة بعلامات من نماذج إدارة المعلومات الإدارية أو برامجيات آلية ذاتية تكفل وجود متغيرات في كل عنصر من مكونات النفايات.

التكامل مع نماذج المعلومات المتعلقة بالبناء

ويوفر هذا المشروع التوأم الرقمي للمبنى، بما في ذلك الهندسة المحتوية على عناصر ملموسة وموقع التعزيز، ويمكن أن تستورد نظم الاختناق والتشكيل الآلية هذا النموذج وتولد أفضل تصميم للدعم، بما في ذلك طول كل من الدعائم واللوحات، وقدرة على التحميل، وأثناء البناء، تغذي أجهزة الاستشعار الظروف الفعلية مرة أخرى في نموذج المقارنة، ويمكن تصحيح حالات الانحراف فورا، وهذا الإدماج هو حجر الزاوية في " البناء التدريجي " .

For a deep look at BIM integration in temporary works, see Autodesk’s overview of BIM processes].

الفوائد الرئيسية لمشاريع التشييد

ويحقق الانتقال إلى نظم التشغيل الآلي للاختناق والتشكيل مزايا ملموسة عبر السلامة، والجداول، والتكاليف، والجودة، وفي حين أن الاستثمار الأولي يمكن أن يكون مرتفعا، فإن عائد الاستثمار كثيرا ما يتحقق في انخفاض تكاليف العمل، وقلة التأخيرات، وانخفاض أقساط التأمين.

تحسين أداء السلامة

فالنقاط من المرتفعات والحوادث التي وقعت من بين الأسباب الرئيسية للوفاة في البناء، وتخفض النظم الآلية عدد العمال المطلوبين في الرفع أثناء التجمع والتشويش، وتعالج الأجهزة الرطبة الرفع الثقيل، وتقضي أشكال التكفير الذاتي على الحاجة إلى رفع الرافعات في كل نوبة، وترصد أجهزة الاستشعار باستمرار الاستقرار الهيكلي، وتحذر المشغلين من المخاطر التي تتعرض لها الشركات في مراحل الخطر.

خطوط زمنية معجلة للتشييد

فالسرعة هي ميزة تنافسية حرجة، إذ يمكن أن يكون التجمع الآلي للمخاط أسرع من الأساليب اليدوية أربع مرات، وذلك حسب تعقيد الهيكل، ويمكن تخفيض دورات العمل الخاصة بالمصفوفات الخرسانية من أيام إلى ساعات عندما تستخدم نظم النقل الذاتي الهيدروليكية، وهذا الضغط على الجدول يتيح سرعة إنجاز المشاريع وتوليد الإيرادات في مراحل عالية، ويضيف كل طابق من الطوابق إلى المشاريع بأكملها.

كفاءة التكلفة من خلال خفض العمالة والنفايات

وتمثل تكاليف العمل جزءا كبيرا من أي ميزانية للبناء، ويزداد شحذ الملفات المهرة والمؤلفين، ويقلل التلقائية من حجم الطاقم المطلوب، مما يسمح بنفس الناتج مع عدد أقل من الموظفين، وبالإضافة إلى ذلك، تخفض النفايات المادية إلى أدنى حد لأن المكونات تُقطع وتُعدّ خصيصا للأبعاد المحددة في نموذج BIM، وهناك أقل من القطع الموقعي، وقلّة المواد المضرة، وانخفاض عناصر التكاليف.

تحسين الدقة الهيكلية

ويجب أن تُلبي الهياكل الملموسة التسامح الصارم إزاء التواؤم والسباكة، فالشكل اليدوي عرضة للخطأ البشري، خاصة عندما يعمل الأطقم بسرعة، وتستخدم النظم الآلية الليزر والمجسات ومراقبة الحاسوب لنقل المواقع وتشكيل أفرقة العمل بدقة متكررة، مما يقلل الحاجة إلى الترميم التصحيحي أو التصحيح أو إعادة العمل، وهو أمر يمكن أن يكون مكلفاً ومستهلكاً للوقت على حد سواء.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

إن نظم الاختناق والتشكيل الآلية ليست نظريا، وقد نفذت العديد من المشاريع الواسعة النطاق في جميع أنحاء العالم هذه التكنولوجيات بنجاح يمكن قياسه.

أعمال الاستنشاق الذاتي على الجدران الأساسية العالية

وفي العديد من السحابات الحديثة، يتم بناء القاع الخرسانية باستخدام نظم الشكل ذاتي الترهيب، وتستخدم هذه النظم الرافعات الهيدروليكية لرفع جميع أشكال التجمع - بما في ذلك منابر العمل وشاشات الحماية - بعد أن يصب كل طابق، وهذه العملية شبه مقصودة: فالأجهزة الاستشعار تكفل رفعها، ويخضع النظام للرقابة من لوحة واحدة، وقد استخدمت هذه الطريقة في المباني مثل سوق السواس في سان فرانسيسكو.

أعمال التطوير الآلي في النباتات الصناعية

وتحتاج مشاريع التشييد الصناعية الرئيسية، مثل النباتات والمصافي البتروكيميائية، إلى عمليات واسعة النطاق للنفقة والبناء، كما أن نظم الاختراق الآلي، مثل تلك التي طورتها شركات مثل لايهير، قادرة الآن على إقامة طيور صلبة معيارية دون تدخل بشري، ويمكن لهذه الروبوتات أن تعمل 24/7 في البيئات الخطرة، مما يقلل من تعرض العمال للأدخنة السامة أو المرتفعات القصوى.

BIM-Driven Formwork for Complex Geometry

وقد ميز المركز الهندسي الجديد لصانع سيارات ألماني رئيسي سقفاً مركباً مزدوجاً، حيث كان الشكل التقليدي يتطلب آلاف لوحات خشبية مقطعة منفردة، وبدلاً من ذلك، استخدم نظام نموذجي للتشكيلات مع محركات قابلة للتكيف، وقد أدى نموذج BIM إلى جعل مواقع المُصوِّر تُنشئ المنحة الدقيقة المطلوبة، وتُظهر أشرطة الفيديو النظام الآلي الذي يُعدل مستويات الدعم في الوقت الحقيقي، حيث تم إرساء الابتكار.

For more onroidic applications in construction, the National Institute of Standards and Technology (NIST) provides research onroidic systems for building].

التحديات والنظر في المسألة

ورغم الفوائد الواضحة، فإن الاعتماد الواسع النطاق للمخنث الآلي والشكلي يواجه عدة حواجز، ويجب أن تفهم هذه الحواجز أي شركة تنظر في الاستثمار.

الاستثمار في رأس المال

فالأجهزة الآلية مكلفة، إذ يمكن أن يكلف نظام شكلية للتشغيل الذاتي عدة مرات أكثر من شكل القفز التقليدي، كما أن الأسلحة الآلية وشبكات الاستشعار تزيد من النفقات، وقد يكافح المتعاقدون من الحجم الصغير والمتوسط لتبرير التكلفة الأولية، لا سيما إذا كانوا يفتقرون إلى خط ثابت للمشاريع التي يمكن أن تستفيد من التخصص، وقد بدأت نماذج التسرب والمعدات في الظهور لمعالجة ذلك، ولكنها ليست عالمية بعد.

متطلبات التشغيل الماهر

وفي حين أن النظم الآلية تقلل عدد العمال اليدويين، فإنها تتطلب من المشغلين الذين يفهمون الروبوتات والبرامجيات ونظم المراقبة، ويجب على شركات البناء إما تدريب الموظفين الحاليين أو توظيف مواهب جديدة بخلفيات الكترونية أو مائية، وهناك منحنى تعليمي حاد، ويمكن أن تؤدي الأخطاء أثناء التجهيز إلى أضرار في المعدات أو إلى مشاكل تتعلق بالسلامة، وتواجه الصناعة حاليا نقصا في هذه العمال ذوي المهارات المزدوجة.

ظروف الموقع وإمكانية التشغيل المتبادل

ومواقع البناء متغيرة بشكل ملحوظ، إذ يمكن أن يعيق الطين والحطام والطقس والحيزات الضيقة المعدات الآلية، وقد تعطي أجهزة الاستشعار قراءات زائفة في الغبار المرتفع أو درجات الحرارة القصوى، وكثيرا ما تكون قابلية التشغيل المتبادل بين مختلف نظم البائعين محدودة، مما يجعل من الصعب دمج التشغيل الآلي من مورد واحد مع برامجيات BIM أو أدوات إدارة المشاريع من جهة أخرى.

عدم اليقين

وقد تم كتابة معظم لوائح السلامة الخاصة بالاختطاف والتشكيلات من أجل النظم اليدوية، وعندما يتجمع الروبوت معطفاً، يكون مسؤولاً عن ضمان سلامته؟ وكيف يتحقق مفتش السلامة من أن الأقفال الآلية مشغلة؟ ولا تزال هذه المسائل قيد المناقشة، وتحتاج بعض الولايات القضائية إلى شخص مؤهل للتحقق من النظام يدوياً بعد التجمع الآلي، مما يقلل من وفورات الوقت، وإلى أن يتم تحديث المعايير، يجب على المتبنين المبكرين العمل بشكل وثيق مع السلطات المحلية.

التكامل مع النظم الإيكولوجية للبناء الرقمي

ولا تعمل نظم الاختناق والتشكيل الآلية بمعزل عن بعضها البعض، فهي جزء من نظام إيكولوجي أوسع للبناء الرقمي يشمل نظام بي إم، وشبكة إيوت، ومنصات إدارة المشاريع، وبرامجيات سلسلة الإمداد، وتعالج أكثر العمليات فعالية الأعمال المؤقتة باعتبارها عنصرا ديناميا من عناصر التوأم الرقمي، وليس كاعتراف منفصل بعد ذلك.

بيانات التوقيت الحقيقي

ويمكن أن يبث الحساسات المتعلقة بالنقل الآلي والتشكيل بيانات إلى السحابة، حيث تقيّم الخوارزميات صحة الهيكل وتتوقع حالات الفشل المحتملة، وهذا مماثل للرصد الهيكلي للصحة ولكنه ينطبق على الأعمال المؤقتة، وإذا بدأ الدفع بالضغط الزائد، يمكن للنظام أن يرسل إنذارا إلى طاولة مدير الموقع وأن يعدل تلقائيا الدعم من مشغل احتياطي، وهذا النهج الاستباقي يقلل بدرجة كبيرة من خطر الانهيار الخرساني.

سلسلة الإمدادات

ونظراً لأن النظم الآلية تتطلب تحديداً توقيتاً زمنياً لتقديم وحدات ومكونات، فإنها تستفيد من التكامل مع نظم سلسلة الإمداد في الوقت المناسب، ويمكن أن يُنشئ نموذج BIM جدولاً زمنياً لإنجاز كل قسم من أقسام الأوراق، وعندما ينتقل نظام النقل الذاتي إلى الطابق التالي، تطلب البرمجيات تلقائياً المجموعة التالية من التعزيزات والخرسانة، وهذا يقلل من الوقت الذي تُستخدم فيه المواد ويمنع تخزينها بتكلفة باهظة.

مستقبل عمليات التطوير والتشكيل الآلية

وفي المستقبل، تشير المسارات إلى زيادة الاستقلالية والاستخبارات، وتجري البحوث بشأن الروبوتات المستقلة تماما في مجال البناء التي يمكن أن تقود نفسها إلى الموقع، وتبحر إلى الطابق الصحيح، وتؤدي جميع مهام التجمع المفترقة دون إشراف بشري، وستستخدم هذه الروبوتات المحلية ورسم الخرائط في الوقت نفسه لتوجيه نفسها في هيكل المبنى.

من المتوقع أن تصبح التعديلات التي يقوم بها المعهد الدولي للبحث والتدريب من أجل التنمية ] أكثر شيوعاً، ويمكن أن تحلل الخوارزميات التعليمية الآلاتية بيانات من مئات السُبُل السابقة لاقتراح تشكيلات مثالية مثالية للمختصرات الجيولوجية المعقدة، كما يمكن أن تتنبأ بكيفية تدفقها وضغطها، مما يتيح إجراء تعديل دينامي للشكل أثناء الصُعب، وقد يؤدي إلى إزالة العيوبات السطحية.

وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في استخدام ] واقع مُزَمِّد ] للعمال الذين يشرفون على النظم الآلية، ويمكن لجهاز توجيهي تابع للشبكة أن يُبالغ في بيانات الاستشعار والتوجيه في العالم المادي، مع بيان المكان الذي ينبغي فيه وضع العنصر التالي أو الإنذار به إلى سوء فهم، وهذا يُمزِّق بين الإنسان والدقة الآلة.

وأخيراً، فإن دفع الاستدامة سيقود إلى زيادة التشغيل الآلي، إذ أن النظم الآلية تخفض النفايات المادية وتتيح إعادة استخدام المكونات على نحو أكثر كفاءة، وتستخدم نظم التكتل الذاتي وقتاً أقل رافعة، وتخفض استهلاك الطاقة، وفي المستقبل، قد نرى أشكالاً مصنوعة من مواد أعيد تدويرها تجمع آلياً ثم تُفكك بالكامل لإعادة استخدام الحلقة المادية.

ويمكن العثور على مثال على البحوث التي تجري في مجال التقطيع في مختبرات البناء الآلي (ETH Zurich Construction Robotics Lab) الذي يطور نظماً للتصنيع في الموقع للهياكل الملموسة.

الاستنتاج: الإعداد للموقع الآلي للإنشاءات

ولم تعد نظم الاختناق والتشكيل الآلية مفهوماً لا جدوى منه - يجري نشرها في مشاريع اليوم مع مكاسب قابلة للقياس في مجالات السلامة والسرعة والجودة، وبالنسبة لشركات البناء، فإن المفتاح هو البدء في وضع صغير: وضع نموذج نموذجي للتشغيل الذاتي على برج واحد، أو استئجار جهاز آلي لصيد الحيتان من أجل مشروع صيانة، ومع تزايد التجارب، يمكن للتكامل مع نظام بي إم و إيوت أن يعمق العمل الرقمي.

فالصناعة في مرحلة النسيج، إذ أن المتعاقدين الذين يستثمرون في هذه التكنولوجيات ويطورون المهارات اللازمة سيكونون في وضع أفضل للتعامل مع المشاريع المعقدة، ونقص اليد العاملة، والجداول المطلوبة، والذين قد يجدون أنفسهم في وضع غير مؤات تنافسي، حيث أن أصحاب المشاريع يحتاجون بصورة متزايدة إلى أدلة على الابتكار وأداء السلامة، فالالتقاط في عمليات الاختلاس والتشكيل ليس مجرد ابتكار، بل هو تطور ضروري لصناعة بناء أكثر أمانا وأسرع وأكثر كفاءة.