Геодезический купол — это полусферическая тонкослойная конструкция (решетчатая оболочка), основанная на геодезическом многограннике . Жесткие треугольные элементы купола распределяют напряжение по всей конструкции, благодаря чему геодезические купола способны выдерживать очень большие нагрузки для своих размеров.
Первый геодезический купол был разработан после Первой мировой войны Вальтером Бауэрсфельдом [1] , главным инженером Carl Zeiss Jena , оптической компании, для планетария , чтобы разместить его проектор планетария. Первоначальный, небольшой купол был запатентован и построен фирмой Dykerhoff and Wydmann на крыше Carl Zeiss Werke в Йене , Германия . Более крупный купол, названный «Чудо Йены», открылся для публики в июле 1926 года. [2]
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 этой идеи в США, за что он получил патент США 2682235A 29 июня 1954 года. [3] Самый старый сохранившийся купол, построенный самим Фуллером, находится в Вудс-Хоул, штат Массачусетс , и был построен студентами под его руководством в течение трех недель в 1953 году. [4]
Геодезический купол понравился Фуллеру, поскольку он был чрезвычайно прочен для своего веса, его «омнитриангулированная» поверхность обеспечивала изначально стабильную структуру, а сфера охватывала наибольший объем при наименьшей площади поверхности.
Купол был успешно принят для специализированных целей, таких как 21 купол линии раннего оповещения, построенный в Канаде в 1956 году, [5] купол Union Tank Car Company 1958 года около Батон-Руж, штат Луизиана , спроектированный Томасом С. Говардом из Synergetics, Inc. и специальные здания, такие как купола Kaiser Aluminum (построенные во многих местах по всей территории США, например, в Вирджиния-Бич, штат Вирджиния ), аудитории, метеорологические обсерватории и складские помещения. Купол вскоре побил рекорды по покрытой поверхности, закрытому объему и скорости строительства.
Начиная с 1954 года, морские пехотинцы США экспериментировали с геодезическими куполами, доставляемыми вертолетом . 30-футовый деревянный и пластиковый геодезический купол был поднят и перенесен вертолетом на скорости 50 узлов без повреждений, что привело к производству стандартного магниевого купола компанией Magnesium Products of Milwaukee. Испытания включали методы сборки, в которых ранее необученные морские пехотинцы смогли собрать 30-футовый магниевый купол за 135 минут, взлет вертолетом с авианосцев и испытание на прочность, в котором закрепленный купол успешно выдержал без повреждений дневную струю пропеллера со скоростью 120 миль в час (190 км/ч) от двух двигателей по 3000 лошадиных сил закрепленного самолета. [6]
Золотой купол 1958 года в Оклахома-Сити, штат Оклахома, использовал дизайн Фуллера для использования в качестве банковского здания. Другим ранним примером был Stepan Center в Университете Нотр-Дам , построенный в 1962 году. [7]
Купол был представлен широкой публике как павильон для Всемирной выставки в Нью-Йорке 1964 года, спроектированный Томасом С. Говардом из Synergetics, Inc. В настоящее время этот купол используется в качестве вольера для птиц в зоопарке Квинса в парке Флашинг-Медоуз-Корона . [8]
Другой купол с Expo 67 на Всемирной выставке в Монреале , где он был частью американского павильона. Покрытие конструкции позже сгорело, но сама конструкция все еще стоит и под названием Biosphère в настоящее время размещает музей, посвященный реке Святого Лаврентия .
В 1970-х годах Zomeworks лицензировала планы конструкций, основанных на других геометрических телах, таких как тела Джонсона , Архимеда и Каталоновых тел . [9] Эти конструкции могут иметь некоторые грани, которые не являются треугольными, представляя собой квадраты или другие многоугольники.
В 1975 году купол был построен на Южном полюсе , где его устойчивость к снеговым и ветровым нагрузкам имела важное значение.
1 октября 1982 года открылся один из самых известных геодезических куполов, Spaceship Earth в Epcot в Walt Disney World Resort в Bay Lake , Флорида , недалеко от Орландо . Здание и аттракцион внутри него названы в честь одного из известных терминов Бакминстера Фуллера, Spaceship Earth , мировоззрение, выражающее обеспокоенность по поводу использования ограниченных ресурсов, доступных на Земле, и призывающее всех на ней действовать как слаженная команда, работающая ради всеобщего блага. Здание является символом Epcot, олицетворяющим весь парк.
Для Всемирной выставки 1986 года (Expo 86) , проходившей в Ванкувере , главный архитектор выставки Бруно Фрески спроектировал геодезический купол, вдохновленный Бакминстером Фуллером , в качестве выставочного центра. 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 Science World . [10]
В 2000 году в национальном парке Кавескар в чилийской Патагонии был построен первый в мире полностью устойчивый геодезический купольный отель EcoCamp Patagonia , [11] открытие которого состоялось в следующем году, в 2001 году. Конструкция купола отеля является ключом к сопротивлению сильным ветрам региона и основана на жилищах коренного народа кавескар . Геодомолы также становятся популярными в качестве единицы глэмпинга (гламурного кемпинга).
Деревянные купола имеют отверстие, просверленное по ширине стойки . Лента из нержавеющей стали фиксирует отверстие стойки на стальной трубе. При этом методе стойки могут быть обрезаны до точной необходимой длины. Затем к стойкам прибиваются треугольники внешней фанеры. Купол обертывается снизу доверху несколькими скрепленными скобами слоями рубероида для отвода воды и отделывается черепицей. Этот тип купола часто называют куполом со ступицей и стойкой из-за использования стальных ступиц для связывания стоек вместе.
Панельные купола строятся из отдельно обрамленных деревянных брусьев, покрытых фанерой. Три элемента, составляющие треугольную раму, часто разрезаются под сложными углами, чтобы обеспечить плоскую посадку различных треугольников. Отверстия просверливаются через элементы в точных местах, а затем стальные болты соединяют треугольники, образуя купол. Эти элементы часто имеют размер 2x4 или 2x6, что позволяет разместить больше изоляции внутри треугольника. Панельная техника позволяет строителю прикреплять фанерную обшивку к треугольникам, безопасно работая на земле или в удобном цеху, защищенном от непогоды. Этот метод не требует дорогостоящих стальных ступиц.
Стальной каркас можно легко построить из электропроводки. Сплющиваем конец стойки и сверлим отверстия для болтов на нужной длине. Один болт закрепляет вершину стоек. Гайки обычно устанавливаются с помощью съемного фиксирующего состава или, если купол переносной, имеют корончатую гайку со шплинтом . Это стандартный способ строительства куполов для джунглей .
Купола также могут быть построены с легким алюминиевым каркасом, который может быть либо скреплен болтами, либо сварен, либо может быть соединен более гибким узловым соединением/узлом. Эти купола обычно облицованы стеклом, которое удерживается на месте с помощью ПВХ-обвязки , которая может быть герметизирована силиконом для обеспечения водонепроницаемости. Некоторые конструкции позволяют устанавливать двойное остекление или крепить изолированные панели в каркасе.
Бетонные и пенопластовые купола обычно начинаются со стального каркасного купола, обернутого проволочной сеткой и проволочной сеткой для армирования. Проволочная сетка и сетка привязываются к каркасу проволочными стяжками. Затем на каркас распыляется или формуется слой материала. Испытания следует проводить с небольшими квадратами, чтобы добиться правильной консистенции бетона или пластика. Как правило, необходимо нанести несколько слоев внутри и снаружи. Последний шаг — пропитать бетонные или полиэфирные купола тонким слоем эпоксидного состава для удаления воды.
Некоторые бетонные купола были построены из сборных, предварительно напряженных, армированных сталью бетонных панелей, которые можно прикрутить на место. Болты находятся в приподнятых гнездах, покрытых небольшими бетонными колпачками для слива воды. Треугольники перекрываются для слива воды. Треугольники в этом методе могут быть отлиты в формах, выложенных песком с деревянными шаблонами, но бетонные треугольники обычно настолько тяжелые, что их нужно устанавливать краном. Эта конструкция хорошо подходит для куполов, потому что нет места, где вода могла бы скапливаться на бетоне и просачиваться. Металлические крепежи, соединения и внутренние стальные рамы остаются сухими, предотвращая повреждения от мороза и коррозии. Бетон устойчив к солнцу и атмосферным воздействиям. Некоторая форма внутренней гидроизоляции или герметизации должна быть размещена над стыками, чтобы предотвратить сквозняки. Купол Cinerama 1963 года был построен из сборных бетонных шестиугольников и пятиугольников.
Купола теперь можно печатать на высокой скорости с помощью очень больших мобильных «3D-принтеров», также известных как машины для аддитивного производства. Материал, используемый в качестве нити, часто представляет собой форму нагнетаемого воздухом бетона или закрытоячеистого пластикового пенопласта.
Учитывая сложную геометрию геодезического купола, строители куполов полагаются на таблицы длин распорок или «факторов хорд». В книге « Геодезическая математика и как ее использовать » Хью Кеннер писал: «Таблицы факторов хорд, содержащие основную информацию о конструкции сферических систем, в течение многих лет охранялись как военные секреты. Еще в 1966 году некоторые цифры 3 ν icosa из Popular Science Monthly были всем, что нужно было знать всем, кто не входил в круг лицензиатов Фуллера». (стр. 57, издание 1976 года). Другие таблицы стали доступны с публикацией книг Ллойда Кана Domebook 1 (1970) и Domebook 2 (1971).
Фуллер надеялся, что геодезический купол поможет решить послевоенный жилищный кризис. Это соответствовало его предыдущим надеждам на обе версии Dymaxion House .
Жилые геодезические купола оказались менее успешными, чем те, которые использовались для работы и/или развлечений, в основном из-за их сложности и, как следствие, более высоких затрат на строительство. Профессиональные опытные подрядчики по куполам, хотя их и трудно найти, существуют и могут устранить большую часть перерасходов, связанных с фальстартами и неправильными оценками. Сам Фуллер жил в геодезическом куполе в Карбондейле, штат Иллинойс , на углу Форест Авеню и Черри Стрит. [12] Фуллер думал о жилых куполах как о доставляемых по воздуху продуктах, производимых промышленностью, похожей на аэрокосмическую. Собственный купольный дом Фуллера все еще существует, R. Buckminster Fuller and Anne Hewlett Dome Home , и группа под названием RBF Dome NFP пытается восстановить купол и зарегистрировать его в качестве Национальной исторической достопримечательности . Он находится в Национальном реестре исторических мест .
В 1986 году патент на технологию строительства купола, включающую полистирольные треугольники, ламинированные на армированный бетон снаружи и стеновые панели внутри, был выдан компании American Ingenuity из Рокледжа, Флорида. Технология строительства позволяет изготавливать купола в виде набора и возводить их домовладельцу. Этот метод делает швы самой прочной частью конструкции, тогда как швы и особенно ступицы в большинстве куполов с деревянным каркасом являются самым слабым местом в конструкции. Он также имеет преимущество в том, что он водонепроницаем.
Другие примеры были построены в Европе. В 2012 году купол из алюминия и стекла был использован в качестве купольного покрытия для экодома в Норвегии [13] , а в 2013 году купольный дом, облицованный стеклом и деревом, был построен в Австрии. [14]
В Чили примеры геодезических куполов легко принимаются для гостиничных номеров либо как палаточные геодезические купола, либо как стеклянные купола. Примеры: EcoCamp Patagonia, Чили; [15] и Elqui Domos, Чили. [16]
Хотя купольные дома пользовались популярностью в конце 1960-х и начале 1970-х годов, как жилищная система, купол имеет много 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 он перечислил на веб-сайте своей компании: Готовые строительные материалы (например, фанера, стружечная плита) обычно имеют прямоугольную форму, поэтому некоторые материалы, возможно, придется выбросить после разрезания прямоугольников на треугольники, что увеличит стоимость строительства. Пожарные лестницы проблематичны; нормы требуют их для более крупных конструкций, и они дороги. Окна, соответствующие нормам, могут стоить в пять-пятнадцать раз дороже окон в обычных домах. Профессиональная электропроводка стоит дороже из-за увеличения рабочего времени. Даже ситуации с проводкой, проводимой владельцем, обходятся дорого, поскольку для строительства купола требуется больше определенных материалов. Расширение и разделение также затруднены. Кан отмечает, что купола трудно, если не невозможно, строить из натуральных материалов, обычно требуя пластика и т. д., которые загрязняют окружающую среду и разрушаются под воздействием солнечного света.
Стратификация воздуха и распределение влаги внутри купола необычны. Такие условия, как правило, быстро разрушают деревянные каркасы или внутреннюю обшивку.
Конфиденциальность трудно гарантировать, поскольку купол трудно удовлетворительно разделить. Звуки, запахи и даже отраженный свет, как правило, передаются через всю конструкцию.
Как и любая изогнутая форма, купол создает области стен, которые могут быть трудноиспользуемыми, и оставляет некоторую периферийную область пола с ограниченным использованием из-за недостатка высоты. Круглые формы плана не имеют простой модульности, которую обеспечивают прямоугольники. Мебельщики и установщики проектируют с учетом плоских поверхностей. Размещение стандартного дивана у внешней стены (например) приводит к тому, что полумесяц позади дивана тратится впустую.
Строители куполов, использующие обшивочный материал из обрезных досок (распространенный в 1960-х и 1970-х годах), испытывают трудности с герметизацией куполов от дождя из-за их многочисленных швов. Кроме того, эти швы могут быть напряжены, поскольку обычное солнечное тепло изгибает всю конструкцию каждый день, когда солнце движется по небу. Последующее добавление ремней и внутренней отделки из гибкого гипсокартона фактически исключило это движение, заметное во внутренней отделке.
Наиболее эффективным методом гидроизоляции деревянного купола является покрытие купола гонтом . Пиковые шапки наверху купола или изменение формы купола используются там, где уклон недостаточен для ледяного барьера. Также используются цельные железобетонные или пластиковые купола , а некоторые купола были построены из пластиковых или вощеных картонных треугольников, которые накладываются друг на друга таким образом, чтобы сбрасывать воду.
Бывший студент Бакминстера Фуллера Дж. Болдуин настаивал на том, что не существует никаких причин, по которым правильно спроектированный, хорошо построенный купол мог бы протекать, и что некоторые конструкции «не могут» протекать. [17]
Строительство очень прочных, устойчивых структур из моделей укрепляющих треугольников чаще всего встречается в дизайне палаток . Он применялся абстрактно в других промышленных проектах , но даже в науке управления и совещательных структурах как концептуальная метафора , особенно в работе Стаффорда Бира , чей метод «переселения» основан настолько конкретно на дизайне купола, что только фиксированное количество людей может принимать участие в процессе на каждом этапе обсуждения .
Согласно Книге рекордов Гиннесса, по состоянию на 30 мая 2021 года [18] Джидда Супер Доум , Джидда , Саудовская Аравия ( 21°44′59″ с. ш. 39°09′06″ в. д. / 21,7496403° с. ш. 39,1516230° в. д. / 21,7496403; 39,1516230 ), 210 м (690 футов) является крупнейшим на сегодняшний день геодезическим куполом.
По данным Института Бакминстера Фуллера за 2010 год [19] , 10 крупнейших в мире геодезических куполов по диаметру на тот момент были:
Список Института Фуллера теперь устарел. Несколько важных куполов, пропущенных или построенных позже, теперь входят в первую десятку. В настоящее время многие геодезические купола имеют диаметр более 113 метров (371 фут). [22]
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Учебники из Wikibooks
Данные из Викиданных