Геодезический купол

Монреальская биосфера , бывший американский павильон на выставке Expo 67 , автор Р. Бакминстер Фуллер , на острове Сент-Элен , Монреаль , Квебек

Геодезический купол представляет собой полусферическую тонкооболочечную конструкцию (решетку-оболочку), основанную на геодезическом многограннике . Жесткие . треугольные элементы купола распределяют нагрузку по всей конструкции, благодаря чему геодезические купола способны выдерживать очень большие нагрузки для своих размеров

История

Космический корабль Земля в Эпкоте

Оранжерея Climatron в Ботаническом саду Миссури , построенная в 1960 году по проекту Томаса К. Ховарда из Synergetics, Inc., вдохновила на создание куполов в научно-фантастическом фильме « Бесшумный бег» .

Мир науки в Ванкувере, построенный для Экспо-86 и вдохновленный геодезическим куполом Бакминстера Фуллера.

RISE , паблик-арт, спроектированный Вольфгангом Баттрессом , расположенный в Белфасте , состоит из двух сфер, в которых используется геодезический купол Бакминстера Фуллера.

Первый геодезический купол был спроектирован после Первой мировой войны Вальтером Бауэрсфельдом . главный инженер Carl Zeiss Jena оптической компании для планетария , в котором будет размещен его планетарий-проектор. Первоначальный небольшой купол был запатентован и построен фирмой Дайкерхофф и Видманн на крыше Carl Zeiss Werke в Йене , Германия . Большой купол, названный «Чудо Йены», открылся для публики в июле 1926 года.

Двадцать лет спустя Бакминстер Фуллер ввел термин «геодезический» в результате полевых экспериментов с художником Кеннетом Снельсоном в колледже Блэк-Маунтин в 1948 и 1949 годах. Хотя Фуллер не был первоначальным изобретателем, ему приписывают популяризацию идеи в США, за которую он получил Патент США 2682235A от 29 июня 1954 г. Самый старый сохранившийся купол, построенный самим Фуллером, расположен в Вудс-Хоул, штат Массачусетс , и был построен студентами под его опекой в ​​течение трех недель в 1953 году.

Геодезический купол понравился Фуллеру, потому что он был чрезвычайно прочным для своего веса, его «омнитриангулированная» поверхность обеспечивала изначально стабильную структуру, а также потому, что сфера включает в себя наибольший объем при наименьшей площади поверхности.

Купол был успешно принят для специализированных целей, таких как купола 21 линии дальнего раннего предупреждения, построенные в Канаде в 1956 году. 1958 года Union Tank Car Company купол недалеко от Батон-Руж, штат Луизиана , спроектированный Томасом К. Ховардом из Synergetics, Inc., и специальные здания, такие как алюминиевые купола Kaiser (построенные во многих местах по всей территории США, например, Вирджиния-Бич, Вирджиния ), аудитории, метеорологические обсерватории и складские помещения. Вскоре купол побил рекорды по крытой поверхности, закрытому объему и скорости строительства.

Начиная с 1954 года морские пехотинцы США экспериментировали с вертолетами геодезическими куполами, доставляемыми . 30-футовый геодезический купол из дерева и пластика был поднят и доставлен вертолетом на скорости 50 узлов без повреждений, что привело к изготовлению стандартного магниевого купола компанией Magnesium Products из Милуоки. Испытания включали в себя практику сборки, в ходе которой ранее неподготовленные морские пехотинцы смогли собрать 30-футовый магниевый купол за 135 минут, взлет вертолета с авианосца, а также испытание на прочность, в ходе которого закрепленный на якоре купол успешно выдержал без повреждений дневную скорость 120 миль в час ( 190 км/ч) взрыв пропеллера двух двигателей мощностью по 3000 лошадиных сил стоящего на якоре самолета.

1958 года Золотой купол в Оклахома-Сити, штат Оклахома, использовал проект Фуллера для использования в качестве здания банка. Еще одним ранним примером был Центр Степана в Университете Нотр-Дам , построенный в 1962 году.

Купол был представлен более широкой аудитории как павильон для Всемирной выставки в Нью-Йорке 1964 года, спроектированный Томасом К. Ховардом из Synergetics, Inc. Этот купол сейчас используется в качестве вольера в зоопарке Квинс в парке Флашинг-Медоуз-Корона .

Еще один купол взят с выставки «Экспо 67» Всемирной выставки в Монреале , где он был частью американского павильона. Покрытие сооружения позже сгорело, но само сооружение все еще стоит, и под названием «Биосфера » в настоящее время находится музей, рассказывающий о реке Святого Лаврентия .

В 1970-х годах Zomeworks лицензировала планы структур, основанных на других геометрических телах, таких как тела Джонсона , архимедовы тела и каталонские тела . Эти структуры могут иметь некоторые грани, которые не являются треугольными, а представляют собой квадраты или другие многоугольники.

В 1975 году купол был построен на Южном полюсе , где важна была его устойчивость к снеговым и ветровым нагрузкам.

1 октября 1982 года один из самых известных геодезических куполов, «Космический корабль Земля» в Эпкоте на Всемирном курорте Уолта Диснея в Бэй-Лейк , штат Флорида , недалеко от Орландо открылся . Здание и аттракцион внутри него названы в честь одного из знаменитых терминов Бакминстера Фуллера — « Космический корабль Земля» — мировоззрение, выражающее обеспокоенность по поводу использования ограниченных ресурсов, доступных на Земле, и призывающее всех на ней действовать как слаженная команда, работающая ради большего. хороший. Это здание является символом Эпкота, олицетворяющим весь парк.

Для Всемирной выставки 1986 года (Экспо 86) , проходившей в Ванкувере , главный архитектор Экспо Бруно Фрески спроектировал геодезический купол, вдохновленный Бакминстером Фуллером , который будет служить выставочным центром ярмарки. Строительство началось в 1984 году и было завершено к началу 1985 года. Купол и здание теперь служат центром искусств, науки и технологий и получили название « Мир науки» .

В 2000 году в мире был построен первый в мире полностью экологичный отель с геодезическим куполом EcoCamp Patagonia. Национальный парк Кавескар в чилийской Патагонии , открытие состоится в следующем году, в 2001 году. Дизайн купола отеля является ключом к устойчивости к сильным ветрам региона и основан на жилищах коренного народа Кавескар . Геодомы также становятся популярными в качестве глэмпинга (гламурного кемпинга).

Методы строительства

Зеленый купол Лонг-Айленда

В деревянных куполах просверлено отверстие по ширине стойки . Лента из нержавеющей стали фиксирует отверстие стойки на стальной трубе. С помощью этого метода стойки можно обрезать до необходимой длины. Затем к стойкам прибиваются треугольники внешней фанеры. Купол обернут снизу вверх несколькими скрепленными слоями толяной бумаги для отвода воды и отделан черепицей. Этот тип купола часто называют куполом со ступицей и стойками из-за использования стальных ступиц для соединения стоек вместе.

Панельные купола построены из отдельно каркасных бревен, покрытых фанерой. Три элемента, составляющие треугольную раму, часто обрезаются под сложными углами, чтобы обеспечить ровное соединение различных треугольников. В элементах в точных местах сверлятся отверстия, а затем стальные болты соединяют треугольники, образуя купол. Эти элементы часто имеют размер 2х4 или 2х6, что позволяет обеспечить большую изоляцию внутри треугольника. Техника обшивки позволяет строителю прикреплять фанерную обшивку к треугольникам, безопасно работая на земле или в удобном магазине в непогоду. Этот метод не требует дорогостоящих стальных ступиц.

Стальной каркас можно легко построить из электропроводки. Расплющивают конец стойки и просверливают отверстия для болтов необходимой длины. Один болт фиксирует вершину стоек. Гайки обычно фиксируются съемным стопорным составом или, если купол переносной, имеют корончатую гайку со шплинтом . Это стандартный способ строительства куполов для спортивных залов в джунглях .

Купола также могут быть построены с использованием легкого алюминиевого каркаса, который можно скрепить болтами или сварить вместе или соединить с помощью более гибкого узла/ступицы. Эти купола обычно облицованы стеклом, которое удерживается на месте колпачком из ПВХ , который можно герметизировать силиконом, чтобы сделать его водонепроницаемым. Некоторые конструкции допускают двойное остекление или крепление изолированных панелей в каркасе.

Бетонные и пенопластовые купола обычно начинаются со стального каркаса купола, обернутого проволочной сеткой и проволочным экраном для армирования. Проволочная сетка и сетка прикреплены к каркасу проволочными стяжками. Затем на раму напыляют или формуют слой материала. Испытания следует проводить на небольших квадратах, чтобы добиться правильной консистенции бетона или пластика. Обычно требуется несколько слоев как внутри, так и снаружи. Последний шаг — пропитать бетонные или полиэфирные купола тонким слоем эпоксидного состава для отвода воды.

Некоторые бетонные купола построены из сборных предварительно напряженных железобетонных панелей, которые можно прикрепить болтами. Болты находятся в приподнятых резервуарах, закрытых небольшими бетонными крышками для слива воды. Треугольники перекрываются, чтобы пролить воду. Треугольники в этом методе можно вылепить в формах, вылепленных из песка с деревянными узорами, но бетонные треугольники обычно настолько тяжелы, что их приходится размещать с помощью крана. Эта конструкция хорошо подходит для куполов, поскольку ни в одном месте вода не скапливается на бетоне и не просачивается наружу. Металлические крепления, соединения и внутренние стальные рамы остаются сухими, что предотвращает повреждение от мороза и коррозии. Бетон устойчив к солнцу и атмосферным воздействиям. Чтобы предотвратить сквозняки, на стыки необходимо нанести какую-либо внутреннюю гидроизоляцию или герметик. 1963 года Купол Cinerama был построен из сборных железобетонных шестиугольников и пятиугольников.

Купола теперь можно печатать на высоких скоростях с использованием очень больших мобильных «3D-принтеров», также известных как машины для аддитивного производства. Материал, используемый в качестве нити, часто представляет собой бетон, нагнетаемый воздухом, или пенопласт с закрытыми порами.

Учитывая сложную геометрию геодезического купола, строители купола полагаются на таблицы длин стоек или «факторы хорд». В книге «Геодезическая математика и как ее использовать » Хью Кеннер писал: «Таблицы коэффициентов хорд, содержащие важную информацию о расчете сферических систем, в течение многих лет охранялись как военная тайна. Еще в 1966 году около 3 фигур ν icosa из Popular Science Monthly — все, что должен был делать кто-либо за пределами круга лицензиатов Фуллера». (стр. 57, издание 1976 г.). (1971) Ллойда Кана Другие таблицы стали доступны после публикации Domebook 1 (1970) и Domebook 2 .

Купольные дома

Фуллер надеялся, что геодезический купол поможет решить послевоенный жилищный кризис. Это соответствовало его прежним надеждам на обе версии Дома Димаксион .

Жилые геодезические купола оказались менее успешными, чем те, которые используются для работы и/или развлечений, в основном из-за их сложности и, как следствие, более высоких затрат на строительство. Профессиональных опытных подрядчиков по куполам, хотя их и трудно найти, но они существуют, и они могут исключить большую часть перерасхода средств, связанного с фальстартами и неправильными оценками. Сам Фуллер жил в геодезическом куполе в Карбондейле, штат Иллинойс , на углу Форест-авеню и Черри-стрит. Фуллер рассматривал жилые купола как продукты, доставляемые по воздуху, производимые в аэрокосмической промышленности. Собственный купольный дом Фуллера все еще существует, Дом Р. Бакминстера Фуллера и Энн Хьюлетт , и группа под названием RBF Dome NFP пытается восстановить купол и зарегистрировать его как национальный исторический памятник . Он находится в Национальном реестре исторических мест .

В 1986 году компания American Ingenuity из Рокледжа, Флорида, получила патент на технологию строительства купола, включающую треугольники из полистирола, ламинированные с железобетоном снаружи и стеновыми панелями внутри. Техника строительства позволяет изготовить купола в виде комплекта и установить домовладельцу. Этот метод превращает швы в самую прочную часть конструкции, тогда как швы и особенно ступицы в большинстве куполов с деревянным каркасом являются самым слабым местом конструкции. Его преимуществом также является водонепроницаемость.

Другие примеры были построены в Европе. В 2012 году купол из алюминия и стекла использовался в качестве покрытия купола экодома в Норвегии. а в 2013 году в Австрии был построен дом с куполом из стекла и дерева.

В Чили примеры геодезических куполов с готовностью применяются для гостиничных номеров либо в виде геодезических куполов шатрового типа, либо в виде куполов, покрытых стеклом. Примеры: EcoCamp Patagonia, Чили; и Эльки Домос, Чили.

Недостатки

Собственный дом Бакминстера Фуллера , находящийся на реставрации после разрушения.

Хотя купольные дома пользовались огромной популярностью в конце 1960-х и начале 1970-х годов, купольная система как жилищная система имеет множество недостатков и проблем. Бывший сторонник купольных домов Ллойд Кан , написавший о них две книги ( Domebook 1 и Domebook 2 ) и основавший Shelter Publications, разочаровался в них, назвав их «умными, но не мудрыми». Он отметил следующие недостатки, которые перечислил на сайте своей компании: Имеющиеся в продаже строительные материалы (например, фанера, стружечная плита) обычно имеют прямоугольную форму, поэтому часть материала, возможно, придется утилизировать после разрезания прямоугольников на треугольники, что увеличивает стоимость строительства. Пожарные лестницы проблематичны; кодексы требуют их для более крупных структур, и они дороги. Окна, соответствующие нормам, могут стоить от пяти до пятнадцати раз дороже, чем окна в обычных домах. Профессиональная электропроводка обходится дороже из-за увеличения трудозатрат. Даже ситуации, когда проводка проводится владельцем, обходятся дорого, поскольку для строительства купола требуется больше определенных материалов. Расширение и разделение также затруднены. Кан отмечает, что купола сложно, если не невозможно, построить из натуральных материалов, обычно для этого требуется пластик и т. д., которые загрязняют окружающую среду и портятся под воздействием солнечного света.

Расслоение воздуха и распределение влаги внутри купола необычны. Такие условия имеют тенденцию быстро разрушать деревянный каркас или внутренние панели.

Конфиденциальность трудно гарантировать, поскольку купол сложно разделить удовлетворительным образом. Звуки, запахи и даже отраженный свет имеют тенденцию передаваться через всю конструкцию.

Как и любая изогнутая форма, купол образует участки стен, которые могут быть трудными в использовании, и оставляет некоторую периферийную площадь пола ограниченной для использования из-за отсутствия пространства над головой. Круглым формам в плане не хватает простой модульности, обеспечиваемой прямоугольниками. Мебельщики и установщики проектируют, помня о плоских поверхностях. Размещение стандартного дивана у внешней стены (например) приведет к тому, что полумесяц позади дивана будет потрачен впустую.

Строителям куполов, использующим обшивочный материал из обрезных досок (распространенный в 1960-х и 1970-х годах), трудно герметизировать купола от дождя из-за большого количества швов. Кроме того, эти швы могут быть напряжены, потому что обычное солнечное тепло каждый день изгибает всю конструкцию, когда солнце движется по небу. Последующее добавление ремней и внутренней гибкой отделки гипсокартона практически устранило это движение, заметное во внутренней отделке.

Самый эффективный метод гидроизоляции деревянного купола – это обшивка гонтом купола . Остроконечные колпаки на вершине купола или для изменения формы купола используются там, где уклон недостаточен для ледяного барьера. Также используются цельные железобетонные или пластиковые купола, а некоторые купола построены из треугольников из пластика или вощеного картона, которые накладываются друг на друга таким образом, чтобы сливать воду.

Бывший ученик Бакминстера Фуллера Дж. Болдуин настаивал на том, что не существует причин для протекания правильно спроектированного, хорошо сконструированного купола и что некоторые конструкции «не могут» протекать.

Связанные шаблоны

Создание очень прочных и устойчивых конструкций из шаблонов армирующих треугольников чаще всего встречается в конструкции палаток . Он абстрактно применялся в других отраслях промышленного дизайна , но даже в науке управления и совещательных структурах в качестве концептуальной метафоры , особенно в работах Стаффорда Бира , чей метод «переселения» настолько специфично основан на конструкции купола, что лишь фиксированное количество люди могут принимать участие в процессе на каждом этапе обсуждения .

Крупнейшие геодезические купольные конструкции

Основная статья: Список крупнейших куполов в мире

По данным Книги рекордов Гиннеса, по состоянию на 30 мая 2021 г. Jeddah Super Dome , Джидда , Саудовская Аравия (  21,7496403 ° N 39,1516230 ° E  / 21,7496403; 39,1516230 ), 210 м (690 футов) — крупнейший на данный момент геодезический купол.

По данным Института Бакминстера Фуллера в 2010 году, Десятью крупнейшими по диаметру геодезическими куполами в мире на тот момент были:

• Seagaia Ocean Dome : Миядзаки , Япония (  31,9551 ° N 131,4691 ° E  / 31,9551; 131,4691 ), 216,5 м (710 футов) — Снесен в 2017 году.
• Nagoya Dome : Нагоя , Япония (  35,1859 ° N 136,9474 ° E  / 35,1859; 136,9474 ), 187,2 м (614 футов)
• Superior Dome : Университет Северного Мичигана . Маркетт, Мичиган , США (англ.)  46,5603 ° N 87,3938 ° W  / 46,5603; -87,3938 ), 163,4 м (536 футов)
• Такома Доум : Такома, Вашингтон , США (  47,2367 ° N 122,4270 ° W  / 47,2367; -122,4270 ), 161,5 м (530 футов)
• Walkup Skydome : Университет Северной Аризоны . Флагстафф, Аризона , США (англ.)  35,1805 ° N 111,6529 ° W  / 35,1805; -111,6529 ), 153 м (502 фута)
• Сфера Раунд-Вэлли : Спрингервилл — Игар, Аризона , США (  34,1204 ° с.ш. 109,2849 ° з.д.  / 34,1204; -109,2849 ), 134 м (440 футов)
• Бывший ангар Spruce Goose : Лонг-Бич, Калифорния , США (  33,7513 ° N 118,1889 ° W  / 33,7513; -118.1889 ), 126 м (413 футов) — позже принадлежал Carnival Cruise Line и Google .
• пластмасс в Формозе Склад : Майляо , Тайвань (  23,8007 ° N 120,1947 ° E  / 23,8007; 120.1947 ), 122 м (400 футов) — Одиннадцать куполов.
• цистерн Union Объект технического обслуживания : Батон-Руж, Луизиана , США (  30,5827 ° N 91,2344 ° W  / 30,5827; -91,2344 ), 117 м (384 фута) — снесен в 2007 году.
• Лихай Хранилище цемента в Портленде : Юнион-Бридж, Мэриленд , США (  39,5590 ° с.ш. 77,1718 ° з.д.  / 39,5590; -77,1718 ), 114 м (374 фута)

Список Института Фуллера устарел. Несколько важных куполов, пропущенных или построенных позже, теперь входят в десятку лучших. В настоящее время многие геодезические купола имеют диаметр более 113 метров (371 фут).

• Многогранник Каракаса («Каракасская многогранная арена»), Каракас , Венесуэла (  10,4338 ° N 66,9385 ° W  / 10,4338; -66,9385 ), 143 м (469 футов)
• Шахта Сан-Кристобаль (MSC) Dome, муниципалитет Колча «K» , Боливия (  21,1246 ° ю.ш. 67,2096 ° з.д.  / -21,1246; -67.2096 ), 140 м (460 футов)
• Ruwais Refinery Dome, Рувайс , Объединенные Арабские Эмираты (  24,1459 ° N 52,7392 ° E  / 24,1459; 52,7392 ), 135 м (443 фута)

См. также

• Геодезическая сетка - Пространственная сетка на основе геодезического многогранника.
• Купол Глаза Мухи
• Сфера Хобермана - структура, напоминающая геодезический купол.

Внешние ссылки

• Часто задаваемые вопросы Р. Бакминстера Фуллера: геодезические купола
• Примечания к геодезическому куполу : 57 вариантов куполов (от 1 В до 10 В) из различных твердых тел (икоза, куб, окта и т. д.).
• Статья о Куполах Эдема (PDF-файл, 5,1 МБ)
• Geodaetische Kuppeln (Геодезические купола) Т. Е. Дорозинского
• Метагеодезический купол Ф. Тучека из четырехугольников вместо треугольников.
• Desert Domes , ресурсы о создании куполов