سازه‌های فضاکار
سازه فضاکار یک سیستم خرپای سه بعدی است که دهانه‌های آن در دو جهت گسترش یافته‌اند و اعضای آن فقط تحت تأثیر کشش و فشار قرار دارند. این سازه‌ها از مدول‌های یکسان و تکرار شونده با لایه‌های موازی در بالا و پایین (مشابه میله‌های فوقانی و تحتانی خرپا) تشکیل می‌گردند. سازه فضاکار، به مجموعه سازه‌های مشابهی اطلاق می‌شود که شامل شبکه‌ها، طاقها، برجها، شبکه‌های کابلی، سیستم‌های پوسته‌ای و غشایی، سازه‌های تا شونده و ترکیبات کش بستی می‌شود. این تعریف، یک تعریف ریخت شناسانه از سازه‌های فضا کار است.
یک قاب فضایی یا سازهٔ فضایی، عبارت است از سازه‌ای که از اجزای خرپامانند سبک و محکم تشکیل شده از پایه‌هایی که در یک الگوی هندسی در کنار هم قرار گرفته‌اند. قاب‌های فضایی برای پوشش دادن دهانه‌هایی که تکیه‌گاه کم‌تعدادی دارند به کار می‌روند. چون در قاب‌های فضایی، همچون خرپاها از مثلث استفاده می‌شود، لنگرهای خمشی، به صورت بارهای کششی و فشاری به اعضای محوری خرپا منتقل می‌گردند که این خود باعث مستحکم بودن قاب‌های فضایی می‌شود.
اصطلاح "سازه فضایی" گاهی اوقات به جای سازه فضاکار بکار می‌رود که این دو اصطلاح از لحاظ کلمه‌ای مترادفند؛ ولی از لحاظ معنا و مفهوم با هم تفاوت دارند. سازه فضایی به سازه‌ای اطلاق می‌شود که در فضای خارج از جو ساخته یا مورد استفاده قرار گیرد که ممکن است خود یک فضاکار باشد.
ساده‌ترین نوع قاب‌های فضایی به این گونه‌است که هرم‌هایی با سقف تخت و با استفاده از میله‌های آلومینیومی یا فولادی میله‌ای شکل ساخته شوند. در بیشتر مواقع، این نوع از قاب‌ها شبیه به بازوی متحرک افقی یک جرثقیل برجی است که در کنار هم قرار گرفته‌اند. نوع دیگر قاب‌های فضایی که دارای استحکام بیشتری نیز هست، به صورت هرم‌های چهاروجهی به‌هم‌پیوسته اجرا می‌شوند. در این حالت، همهٔ اعضای محوری قاب، دارای طول یکسانی هستند. از نظر فنی، این نوع از قاب فضایی، مانند یک شبکهٔ برداری یا یک خرپای هشت‌گانه‌است. در انواع دیگر قاب‌ها نیز، با تغییر دادن طول اعضای محوری، شکل کلی سازه به صورت انحناء یا اشکال هندسی دیگر تغییر می‌یابد.
به عنوان قدیمی‌ترین ساخت‌ها برای سازه‌های فضاکار می‌توان از داربست‌هایی که جهت نگهداری چادرهای انسان‌های اولیه به کار می رفت نام برد. از جمله قدیمی‌ترین چادرهای انسان‌های اولیه که در مناطقی از چین باستان که در چند سال پیش کشف شده بود می‌توان اشاره کرد. کاربرد سازه‌های شبکه‌ای و سه بعدی در روم باستان و ایران کهن و نیز ایران دوره صفویه در ساخت سالن‌های تجمع، آمفی تئاترها، قصرها، مساجد اسلامی، اماکن متبرکه و غیره جلوه گر است.
اولین شبکه چند لایه توسط الکساندر گراهام بل در سال ۱۹۰۶ برای کایت پرواز ساخته شد. در این شبکه طول اعضاء یکسان، اتصالات ساده بود. او اولین مهندسی است که حدود ۹۰ سال پیش نشان داد که می‌توان با قرار دادن صحیح اعضاء سازه‌ای در کنار هم سازه‌هایی محکم و سبک ساخت. می‌توان گفت کاربرد عملی و توسعه یا فته سازه‌های فضاکار و طراحی اصولی این گونه سازه‌ها از سال ۱۹۵۰ شروع شده‌است. مهندسین سازه به دلیل رفتار خوب این نوع سازه‌ها در برابر بارهای مختلف و مهندسین معمار به علت زیبایی و یکنواختی خاصی که در هندسه آن‌ها موجود است مجذوب این گروه از سازه‌ها شده و تحقیق و بررسی عمیقی در رفتار واقعی این سازه‌ها و کاربرد ساختار بهینه در تحلیل و طرح این سیستم‌ها آغاز گردید.
سازه‌های فضاکار مزیت‌هایی دارند که در ذیل به آن‌ها اشاره می‌کنیم: طراحی اجزاء سازه‌ای در این سیستم به گونه‌ای است که سیستم اجرا شده از چنان زیبایی برخوردار است که در اکثر پروژ ه‌های اجرا شده، سازه به صورت نمایان باقی می‌ماند، حتی در بسیاری از موارد جهت نماسازی‌ها از این سیستم استفاده می‌گردد. فضای موجود بین لایه‌های سازه فضایی اجرا شده محل مناسبی را جهت عبور تأسیسات برقی و مکانیکی که می‌بایستی در سطح سالن پراکنده شود فراهم می‌سازد با این مزیت که این تأسیسات از حداقل دید برخوردار است و هم چنین اتصال این قطعات و قطعات الحاقی دیگر نظیر تابلوها، نور افکن‌ها و … به راحتی و در تمامی سطح ایجاد شده وجود خواهد داشت. بواسطه پیش ساخته‌سازی اجزای سازه در کارخانه و پیچ و مهره‌ای بودن کلیه اتصالات هیچگونه عملیات جوشکاری در هنگام مونتاژ و نصب سازه بر روی قطعات انجام نمی‌پذیرد. علیرغم آنچه که از شکل ظاهری این سستم به نظر می‌آید سازه اجرا شده بسیار سبک است به‌طوری‌که در مقایسه با دیگر سازه‌های ساختمانی در شرایط مساوی ترجیح داده می‌شود و از این سیستم در اضافه اشکوب‌ها و در زمین‌های با مقاومت خاک پایین استفاده فراوانی صورت می‌گیرد. استفاده از نرم‌افزارهای مختلف کامپیوتری و هم چنین نرم‌افزارهای خاص این سیستم که توسط متخصصین این شرکت طراحی و آماده شده‌است در مرحله طراحی استفاده از ماشین آلات اتوماتیک و نیمه اتوماتیک در تولید قطعات در مرحله تولید و روش‌های متعددی که در زمان اجرای سازه فضایی توسط نیروهای مجرب این شرکت بکار گرفته می‌شود. ارزان‌تر بودن این سیستم در مقایسه با سایر سیستم‌های سازه‌ای به خصوص در سالن‌های با دهانه بالا این سیستم را تبدیل به تنها گزینه‌ای نموده که با توجه به سایر مزیت‌های آن دارای توجیه اقتصادی است. از آنجایی که رد طول عملیات نصب سازه هیچگونه عملیات جوشکاری صورت نمی‌گیرد و کلیه اتصالات در سازه اصلی و قطعات الحاقی به صورت پیچ و مهره‌ای صورت می‌گیرد لذا سازه اجرا شده این قابلیت را دارا است که به‌طور کامل مونتاژ گردد و در محل دیگر به همان شکل دیگری تنها با تغییرات اندکی در قطعات سازه‌ای نصب شود. ساخت و تولید قطعات سازه در کارخانه، کنترل کیفیت و دقت بسیار بالایی را موجب خواهد شد که این امر خود دقت و کیفیت بالا در کل سازه اجرا شده را به همراه خواهد داشت. به واسطه قابلیت خاصی که این سیستم سازه‌ای دارا است کاهش یا افزایش سطح سازه فضایی اجرا شده از هر طرف و به هر شکل تغییر محل تکیه گاه‌ها با حفظ سازه قبلی با رعایت نکات طراحی به راحتی امکان‌پذیر است که این مطلب امکان فوق‌العاده‌ای را در سالن‌های تجاری و صنعتی جهت طرح‌های توسعه ایجاد می‌نماید که از این نظر با هیچ نوع از سازه‌های دیگر قابل مقایسه نیست. درجه نامعینی بالای این سیستم، پیچ و مهره‌ای بودن اتصالات و سهولت کنترل کیفیت قطعات و اتصالات و ساخت کارخانه‌ای قطعات به صورت پیش‌ساخته عواملی است که ضریب اطمینان و ایمنی سازه را به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. ایجاد سقف افقی در داخل سالن‌ها از دیگر مزیت این سیستم است که علاوه بر زیبایی نسبت به سیستم‌هایی نظیر سوله در مصرف انرژی جهت گرمایش و سرمایش فضای داخل حداکثر صرفه جویی را موجب می‌گردد.
قاب‌های فضایی در ساختمان‌های مدرن کاربرد فراوانی دارند. این نوع از قاب‌ها بیشتر در سقف‌هایی با دهانه‌های بزرگ در ساختمان‌های مدرن تجاری و صنعتی دیده می‌شوند.
سیستم‌های سازه‌های فضاکار در سازه‌هایی که در آن‌ها احتیاج به پوشش دهانه‌های بزرگ و بدون ستون است از قبیل:
آشیانه هواپیماها، سالن‌های کارخانه‌ها، پوشش استادیوم‌های ورزشی، باشگاه‌های ورزشی، پارکینگ‌های طبقاتی، مراکز فرهنگی و تفریحی، تالارهای تجمع و سخنرانی، سالن اجتماعات، سینماها، آمفی تئاترها، مراکز خرید (بازارهای خرید)، ایستگاه‌های راه‌آهن، ترمینال‌ها و اهداف بسیار دیگر به کار می‌رود. سیستم‌های سازه‌های فضاکار در سازه‌هایی چون دکل‌های انتقال نیرو، برج‌های مخابراتی، برج‌های ذخیره آب، بشقاب‌های مخابراتی و رادیویی، نیز کاربرد دارند.
سازه‌های فضاکار به سه روش دسته‌بندی می‌شوند:
انواع اتصالات سیستم های سازه فضایی به 4 روش انجام می شود :
اتصال سیستم مرو
مرو (MERO) از مجموعه گره های کروی توپر (KK) سیستم مرو که زیر مجموعه سیستم پیونده گوی سان (Nodular systems )می باشد ، اولین بار توسط شرکت مرو آلمان در سال 1942 طراحی و به صورت تجاری عرضه شده است . این سیستم شامل کره فولادی از جنس CK45  است که نقش اصلی آن در سازه های فضاکار ، به هم پیوستن اعضا و انتقال بین اعضا متصل شونده به آن پیونده (گوی) می باشد .
اتصال سیستم کاتروس
( CATRUS)  سیستم کاتروس سیستم کاتروس یکی از انواع سازه های فضایی است که از مجموعه گره های تک پیچ و مهره ای می باشد اولین بار در اسکاتلند ابداع گردید. درسیستم کاتروس همه اعضا از لوله یا پروفیل تشکیل شده و معمولا برای دهانه های بین 5 تا 12 متر استفاده می شود در این سیستم به اعضا اتصالی کمتری در مقایسه با سیستم مرو نیاز است به همین لحاظ در شرایط مشابه از قیمت مناسب تر در مقایسه با سایر سیستم ها برخوردار است.
اتصال سیستم یونی بت
سیستم یونی بت(UNIBAT) از مجموعه اتصالات منشوری (هرمی – تک واحدی)  سیستم یونی بت که برای اولین بار در انگلستان ابداع شده از واحد های هرمی تکرار شونده تشکیل شده بطوریکه این هرم های معکوس با قاب های صلب مدول های استاندارد،  سیستم یونی بت را در لایه فوقانی و میانی تشکیل داده و در گوشه ها با استفاده از پیچ های فولادی با مقاومت کششی بالا به یکدیگر متصل می شوند.
اتصال سیستم تریودتیک
سیستم تریودتیک (Triodetic) در سال 1953 توسط شرکت کانادایی توسعه داده شد.این سیستم در اصل از قطعات آلومینیوم ساخته شده است و در سال 1966 اعضای فولادی نیز شامل شد. اجزا آن از اتصالات شکاف ، اعضای لوله ،نگهدارنده واشر و پیچ و مهره تشکیل یافته است.اتصال با شکاف های شبکه به عنوان یک بیرون آمدگی آلومینیومی تولید شده است.
شبکه‌های دو لایه یکی از مهم‌ترین و متداول‌ترین انواع سازه‌های فضاکار به شمارمی روند. این نوع سازها از دو صفحه عناصر که این دو صفحه که با یکدیگر موازی و توسط عناصر میانی به یکدیگر متصل اند تشکیل شده‌است.
شبکه‌های سه لایه از دو صفحه بالا و پایین و یک صفحه میانی تشکیل شده‌اند که هر یک از صفحات بالا و پایین توسط اعضای میانی به صفحه میانی متصلند. این شبکه‌ها در مواقعی به کار می‌روند که سازه دارای دهانه خیلی بزرگی باشد و ارتفاع شبکه دو لایه جوابگوی قیود آن نباشد. به عنوان مثال:ایستگاه راه‌آهن جمهوری اسلامی ایران - تهران، نماز جمعه تهران – دانشگاه تهران
اگر شبکه‌ای در یک جهت دارای انحناء باشد سازه‌های چلیکی نامیده می‌شود. این بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی شکل بکاربرده می‌شوند.
در صورتی که شبکه‌ای در دو جهت دارای انحناء باشد، سازه گنبدی نامیده می‌شود. در ساخت گنبدها سعی بر آن است که اعضا دارای یک اندازه باشد اما به هر حال تعداد انواع اعضا زیاد خواهد بود. برای ایجاد ساختار گنبدی کافی است یک شبکه را (به هر شکل دلخواه) روی یک کره تصویر نمود.
این نوع سازه‌ها مثل چتر قابلیت جمع شدن و انتقال دارند و کاربرد عمده آن‌ها در مکان‌هایی است که به دلیل محدودیت‌های جوی، مکانی، زمانی و مصالح، ساخت دیگر سازه‌ها امکانپذیر نباشد. سازه‌های تاشو بیشتر برای اماکن موقت مانند سیرکها، نمایشگاه‌ها و مناطق سیل و زلزله زده بکار می‌رود.
سازه‌هایی هستند که از مواد مخصوص لاستیکی یا پلاستیکی ساخته می‌شوند و در مواقع استفاده با پمپ باد می‌شوند.
سازه‌هایی هستند که به صورت خرپاهای فضایی در ارتفاع ساخته می‌شوند و کاربرد آن‌ها درسازه‌های ماهواره‌ای، خطوط انتقال نیرو و برج‌های مخابراتی است.
پل‌هایی هستند که از خر پاهای مرکب فضایی ساخته می‌شوند. این نوع پل‌ها برای دهانه‌های بزرگ بعد از پل‌های کابلی در درجه اهمیت‌اند.
فولاد پر کاربردترین ماده در ساخت سازه‌های فضاکار به‌شمار می‌رود. شاید مهم‌ترین علت آن سختی و جوش‌پذیری بالای آن باشد. یکی دیگر از ویژگی‌های مفید فولاد، تنوع پروفیل‌های فولادی و انبوه بودن در اکثر نقاط دنیا به‌خصوص در کشورهای صنعتی است.
یکی از مصالحی که اکنون مورد توجه قرار گرفته‌است، آلومینیوم است. از مزیتهای بارز آلومینیوم می‌توان به سبک بودن آن اشاره نمود. بطوری‌که وزن آلومینیوم در حدود ۳/۱ وزن فولاد است. همچنین مقاومت خوردگی بیشتری نسبت به فولاد دارد. در نهایت آلومینیوم هنوز گرانتر از فولاد است.
چوب به عنوان یک ماده اولیه در قرون وسطی جهت پوشش سقف بکار می‌رفت. استفاده از چوب‌های ورقه‌ای جهت ساخت این سازه‌ها، یک روش اقتصادی فراروی ساخت این سازه‌ها قرار داد. گنبدهای چوبی در پوشش سالن‌های مدارس و سالن‌های ورزشی بسیار متداول است.
شاید می‌توان گفت که مهم‌ترین قسمت در سازه‌های متداول اتصالات و جزئیات مربوط به آن‌ها است. پیونده مرو با قابلیت ۱۸ اتصال
بدنه اصلی یک سازه فضاکار را اعضای آن سازه تشکیل می‌دهند. این اعضا در سازه‌های فضاکار، پروفیلهایی در اندازه و مقاطع مختلف می‌باشند. عمده‌ترین مقاطع بکار رفته در سازه‌های فضاکار مقطع دایره‌ای، به صورت توپر یا تو خا لی و مقاطع نبشی یا قوطی است.
شکل و موقعیت تکیه گاه‌ها در سازه‌های فضاکار، تأثیر زیادی بر نحوه توزیع نیروها در اعضای مجاور و تمرکز نیرو در آن‌ها دارد. این بدان علت است که تعداد تکیه گاه‌ها در این سیستم‌ها نسبت به سطح پوششی بسیار کم است و کل نیروهای قائم توسط این تعداد اندک تکیه گا ه‌ها به پی منتقل می‌گردد. در اغلب موارد اعضای مجاور تکیه گاه را پروفیل‌های تو پر و سنگین تشکیل می‌دهند.
قاب‌های فضایی معمولاً با استفاده از ماتریس سختی، طراحی می‌شوند. ویژگی ماتریس سختی، مستقل بودن آن نسبت به تغییرات زاویه‌ای است. اگر مفصل‌ها به حد کافی محکم و سخت باشند، برای سادگی در محاسبات، می‌توان از تغییرات زاویه‌ای صرف نظر کرد. بسیاری از شرکت ها به صورت تخصصی به طراحی و اجرای این سازه در پروژه های بزرگ پرداخته اند. در زیر مراحل اجرای این پروژه ها آمده است. از روش‌های یاد شده روش اول به دلیل وزن سازه و دشواری عملیات نصب اجزا در ارتفاع بلند کمترین کاربرد را در میان سایرین ارد.
امروزه در کشورهای صنعتی و پیشرفته با تعریف کاتالوگ محصولات از فولاد و بتن تا سنگ نما در نرم‌افزارهای مدل‌سازی اطلاعات ساختمان BIM سازنده، طراح و مالک به سادگی در مراحل ابتدایی با انتخاب محصول مشخص شده و جایگذاری آن در مدل با خصوصیات و رفتار ناشی از قرارگیری هر المان در ساختمان آشنا شده و می‌تواند به صرفه‌ترین انتخاب از لحاظ اقتصادی، انرژی و مقاومت را انجام دهد.