Геодезический купол

Геодезический купол представляет собой полусферическую тонкослойную конструкцию (решетчатая оболочка), основанную на геодезическом многограннике. Треугольные элементы купола конструктивно жесткие и распределяют структурное напряжение по всей конструкции, благодаря чему геодезические купола способны выдерживать очень большие нагрузки для своих размеров.

История[править]

1926

Первый геодезический купол был спроектирован после Первой мировой войны Вальтером Бауэрсфельдом, главным инженером оптической компании Carl Zeiss Jena для планетария для размещения его проектора для планетария. Первоначальный небольшой купол был запатентован и сконструирован фирмой Дикерхофф и Видманн на крыше завода Carl Zeiss в Йене, Германия. Более крупный купол, названный "Чудо Йены", был открыт для публики в июле 1926 года.

1953

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 оригинальным изобретателем, ему приписывают популяризацию идеи в США, за что он получил патент США 2682235A 29 июня 1954 года. 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.

Геодезический купол понравился Фуллеру, потому что он был чрезвычайно прочным для своего веса, его "многогранная" поверхность обеспечивала изначально стабильную структуру, а также потому, что сфера охватывает наибольший объем при наименьшей площади поверхности.

1956

Купол был успешно применен для специализированных целей, таких как купола 21 линии дальнего раннего предупреждения, построенные в Канаде в 1956 году, купол Union Tank Car Company 1958 года близ Батон-Руж, штат Луизиана, спроектированный Томасом К. Говардом из Synergetics, Inc. и специализированные 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. Вскоре купол побил рекорды по покрытой поверхности, закрытому объему и скорости строительства.

Начиная с 1954 года морская пехота США экспериментировала с геодезическими куполами, доставляемыми с вертолета. 30-футовый геодезический купол из дерева и пластика был поднят и доставлен вертолетом со скоростью 50 узлов без повреждений, что привело к изготовлению стандартного магниевого купола компанией Magnesium Products of Milwaukee. Испытания включали в себя методы сборки, в ходе которых ранее необученные морские пехотинцы смогли собрать 30-футовый магниевый купол за 135 минут, вертолетные взлеты с авианосцев и испытание на прочность, в ходе которого закрепленный купол успешно выдержал без повреждений дневную пробежку со скоростью 120 миль в час (190 км / ч) от двух двигателей мощностью 3000 лошадиных сил закрепленного самолета.

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

1964

Купол был представлен широкой аудитории как павильон для Всемирной выставки 1964 года в Нью-Йорке, спроектированный Томасом К. Говардом из Synergetics, Inc. Этот купол в настоящее время используется в качестве вольера в зоопарке Квинс во Флашинг-Мидоуз-Корона-парке после того, как он был переработан Т.К. Говардом из Synergetics, Inc.

Другой купол с выставки Expo 67 на Всемирной выставке Монреале, где он был частью Американского павильона. Покрытие сооружения позже сгорело, но само сооружение все еще стоит и под названием Биосфера в настоящее время является музеем-интерпретатором о реке Святого Лаврентия.

В 1970-х годах Zomeworks лицензировала планы для структур, основанных на других геометрических телах, таких как тела Джонсона, архимедовы тела и каталанские тела. Эти структуры могут иметь некоторые грани, которые не являются треугольными, являясь квадратами или другими многоугольниками.

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

1 октября 1982 года открылся один из самых известных геодезических куполов, Космический корабль Earth на Epcot в Walt Disney World Resort в Бэй-Лейк, Флорида, недалеко от Орландо. Здание и аттракцион внутри него названы одним из известных терминов Бакминстера Фуллера "Космический корабль Земля", мировоззрение, выражающее озабоченность по поводу использования ограниченных ресурсов, имеющихся на Земле, и поощряющее всех на нем действовать как слаженная команда, работающая на общее благо. Здание является символом Epcot, представляющим весь парк.

Для Всемирной выставки 1986 года (Экспо 86) главным архитектором выставки Бруно Фрески был спроектирован геодезический купол в стиле Бакминстера Фуллера, который должен был служить выставочным центром выставки. Строительство началось в 1984 году и было завершено к началу 1985 года. Купол и здание в настоящее время служат центром искусств, науки и технологий и получили название Science World.

В 2000 году в чилийской Патагонии был построен первый в мире полностью экологичный отель geodesic dome EcoCamp Patagonia, открытие которого состоялось в следующем 2001 году. Дизайн купола отеля является ключом к защите региона от сильных ветров и основан на жилищах коренного народа кавескар. Геодомы также становятся популярными в качестве объекта для глэмпинга (гламурного кемпинга).

Методы построения[править]

В деревянных куполах просверлено отверстие шириной в распорку. Полоса из нержавеющей стали фиксирует отверстие стойки на стальной трубе. С помощью этого метода распорки могут быть обрезаны до точной необходимой длины. Затем к стойкам прибиваются треугольники из наружной фанеры. Купол обернут снизу доверху несколькими скрепленными слоями рубероида для отвода воды и отделан черепицей. Этот тип купола часто называют куполом с втулкой и распоркой из-за использования стальных втулок для соединения стоек вместе.

Панельные купола построены из отдельно обрамленных бревен, покрытых фанерой. Три элемента, составляющие треугольную раму, часто вырезаются под составными углами, чтобы обеспечить плоскую подгонку различных треугольников. В элементах просверливаются отверстия в точных местах, а затем стальные болты соединяют треугольники, образуя купол. Эти элементы часто имеют размеры 2x4 или 2x6, что позволяет разместить внутри треугольника больше изоляции. Технология обшивки панелями позволяет строителю прикреплять фанерную обшивку к треугольникам во время безопасной работы на земле или в удобном цехе в непогоду. Для этого метода не требуются дорогостоящие стальные ступицы.

Стальной каркас может быть легко сконструирован из электрического трубопровода. Один из них расплющивает конец стойки и просверливает отверстия для болтов необходимой длины. Один болт закрепляет вершину стоек. Гайки обычно устанавливаются со съемным фиксирующим составом или, если купол переносной, имеют зубчатую гайку с шплинтом. Это стандартный способ возведения куполов для спортивных залов Jungle.

Купола также могут быть изготовлены с легким алюминиевым каркасом, который может быть скреплен болтами или сварен вместе, или может быть соединен с более гибкой узловой точкой / концентратором. Эти купола обычно покрыты стеклом, которое удерживается на месте с помощью покрытия из ПВХ, которое может быть герметизировано силиконом для придания водонепроницаемости. Некоторые конструкции допускают двойное остекление или крепление изолированных панелей в каркасе.

Бетонные и пенопластовые купола обычно начинаются со стального каркасного купола, обернутого мелкоячеистой проволокой и проволочным экраном для усиления. Проволочная сетка и экран привязаны к каркасу проволочными стяжками. Затем на каркас напыляется или формуется слой материала. Испытания следует проводить с небольшими квадратами для достижения правильной консистенции бетона или пластика. Как правило, необходимо нанести несколько слоев внутри и снаружи. Последним шагом является пропитка бетонных или полиэфирных куполов тонким слоем эпоксидной смеси для удаления воды.

Некоторые бетонные купола были построены из сборных, предварительно напряженных железобетонных панелей, которые могут крепиться на место болтами. Болты находятся внутри приподнятых емкостей, покрытых маленькими бетонными колпачками для отвода воды. Треугольники накладываются друг на друга, чтобы сбросить воду. Треугольники в этом методе могут быть сформованы в формах с рисунком из песка с деревянными рисунками, но бетонные треугольники обычно настолько тяжелые, что их приходится устанавливать с помощью крана. Эта конструкция хорошо подходит для куполов, потому что ни в одном месте вода не скапливается на бетоне и не просачивается сквозь него. Металлические крепежные элементы, соединения и внутренние стальные рамы остаются сухими, предотвращая повреждение морозом и коррозией. Бетон устойчив к воздействию солнца и атмосферных воздействий. Для предотвращения сквозняков на стыки необходимо нанести какую-либо внутреннюю прошивку или уплотнитель. Cinerama Dome 1963 года был построен из сборного железобетона шестиугольников и пятиугольников.

Купола теперь можно печатать с высокой скоростью, используя очень большие мобильные "3D-принтеры", также известные как машины для аддитивного производства. Материал, используемый в качестве нити накала, часто представляет собой форму бетона с воздушным впрыском или пенопласта с закрытыми порами.

Учитывая сложную геометрию геодезического купола, строители куполов полагаются на таблицы длин стоек, или "коэффициенты хорды". В книге "Геодезическая математика и как ее использовать" Хью Кеннер писал: "Таблицы коэффициентов хорды, содержащие необходимую информацию о проектировании сферических систем, в течение многих лет охранялись как военная тайна. Еще в 1966 году около 3 цифр icosa из Popular Science Monthly были всеми, кто не входил в круг более полных лицензиатов." (страница 57, издание 1976 года). Другие таблицы стали доступны с публикацией Domebook 1 Ллойда Кана (1970) и Domebook 2 (1971).

Купольные дома[править]

Фуллер надеялся, что геодезический купол поможет справиться с послевоенным жилищным кризисом. Это соответствовало его прежним надеждам на обе версии Dymaxion House.

Жилые геодезические купола были 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 купольные подрядчики, хотя их и трудно найти, все же существуют, и они могут устранить значительную часть перерасхода средств, связанного с неудачными запусками и неверными оценками. Сам Фуллер жил в геодезическом куполе в Карбондейле, штат Иллинойс, на углу Форест-авеню и Черри-Стрит Фуллер думал о жилых куполах как о продуктах, доставляемых по воздуху, производимых аэрокосмической промышленностью. Собственный дом Фуллера под куполом все еще существует, дом Р. Бакминстера Фуллера и Энн Хьюлетт под куполом, и группа под названием RBF Dome NFP пытается восстановить купол и зарегистрировать его в качестве национальной исторической достопримечательности. Он внесен в Национальный реестр исторических мест.

В 1986 году американской компании Ingenuity из Рокледжа, штат Флорида, был выдан патент на технологию строительства купола с использованием треугольников из полистирола, ламинированных на железобетон снаружи, и стеновых панелей внутри. Технология строительства позволяет изготавливать купола в виде комплекта и возводить их домовладельцем. Этот метод создает швы в самой прочной части конструкции, где швы и особенно ступицы в большинстве куполов с деревянным каркасом являются самым слабым местом в конструкции. Его преимуществом также является водонепроницаемость.

Другие примеры были построены в Европе. В 2012 году купол из алюминия и стекла был использован в качестве покрытия для экодома в Норвегии[12], а в 2013 году в Австрии был построен купольный дом из стекла и дерева.

В Чили примеры геодезических куполов с готовностью используются для размещения в гостиницах либо в виде геодезических куполов в виде палаток, либо куполов со стеклянным покрытием. Примеры: ЭкоКамп Патагония, Чили; и Эльки Домос, Чили.

Недостатки[править]

Хотя купольные дома пользовались всплеском популярности 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 издательство 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 бывают прямоугольной формы, поэтому некоторые материалы, возможно, придется утилизировать после разрезания прямоугольников на треугольники, что увеличивает стоимость строительства. Пожарные лестницы проблематичны; коды требуют их для более крупных сооружений, и они дороги. Окна, соответствующие коду, могут стоить в пять-пятнадцать раз дороже, чем окна в обычных домах. Профессиональная электропроводка обходится дороже из-за увеличения рабочего времени. Даже ситуации, связанные с подключением оборудования владельцем, являются дорогостоящими, 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, как правило, для этого требуются пластмассы и т.д., Которые загрязняют окружающую среду и портятся под воздействием солнечного света.

Стратификация воздуха и распределение влаги внутри купола необычны. Условия, как правило, приводят к быстрому разрушению деревянного каркаса или внутренней обшивки.

Конфиденциальность трудно гарантировать, потому что купол трудно разделить удовлетворительным образом. Звуки, запахи и даже отраженный свет, как правило, передаются через всю конструкцию.

Как и в случае с любой изогнутой формой, купол образует участки стен, которые могут быть сложными в использовании, и оставляет некоторую периферийную площадь пола для ограниченного использования из-за отсутствия свободного пространства. Круглым формам в плане не хватает простой модульности, обеспечиваемой прямоугольниками. Мебельщики и монтажники проектируют с учетом плоских поверхностей. Размещение стандартного дивана у внешней стены (например) приводит к потере полумесяца за диваном.

Строителям куполов, использующим обшивочный материал из обрезных досок (распространенный в 1960-х и 1970-х годах), трудно герметизировать купола от дождя из-за множества швов. Кроме того, эти швы могут подвергаться напряжению из-за того, что обычное солнечное тепло каждый день изгибает всю конструкцию при движении солнца по небу. Последующее добавление ремней и внутренней гибкой отделки из гипсокартона практически устранило это заметное смещение во внутренней отделке.

Наиболее эффективным методом гидроизоляции деревянного купола является покрытие купола дранкой. Остроконечные колпаки на вершине купола или для изменения формы купола используются там, где уклон недостаточен для ледяного барьера. Также используются цельные купола из бетона или пластика, а некоторые купола были изготовлены из пластиковых или вощеных картонных треугольников, которые накладываются друг на друга таким образом, чтобы пропускать воду.

Бывший студент Бакминстера Фуллера Дж. Болдуин настаивал на том, что не существует причин, по которым должным образом спроектированный, хорошо сконструированный купол может протекать, и что некоторые конструкции "не могут" протекать.[16]

Похожие модели Построение очень прочных, стабильных конструкций из образцов укрепляющих треугольников чаще всего встречается в конструкции шатра. Абстрактно он применялся в других областях промышленного дизайна, но даже в науке управления и совещательных структурах в качестве концептуальной метафоры, особенно в работе Стаффорда Бира, чей метод "переселения" настолько специфичен для дизайна купола, что только фиксированное количество людей может принимать участие в процессе на каждом этапе обсуждения.

Крупнейшие геодезические купольные сооружения Основная статья: Список крупнейших куполов в мире Согласно Книге рекордов Гиннесса, по состоянию на 30 мая 2021 года,[17] Суперкупол Джидды, Джидда, Саудовская Аравия ( / ), 210 м (690 футов) является крупнейшим в настоящее время геодезическим куполом.

По данным Бакминстерского института Фуллера за 2010 год, 10 крупнейших геодезических куполов в мире по диаметру на тот момент были:

Seagaia Ocean Dome (シーガイアオーシャンドーム): Miyazaki, Japan ( / ), 216,5 м (710 футов)[18] — Снесен в 2017 году.

Nagoya Dome (яп.Нагоя, Япония): ( / ), 187,2 м (614 футов)
Превосходный купол: Университет Северного Мичигана. Маркетт, Мичиган, США . (46.5603°N 87.3938°W), 163,4 м (536 футов)
Купол Такомы: Такома, Вашингтон, США . (47.2367°N 122.4270°W), 161,5 м (530 футов)
Прогулочный парашют: Университет Северной Аризоны. Флагстафф, Аризона, США . (35.1805°N 111.6529°W), 153 м (502 фута)
Окружность круглой долины: Спрингервилл-Игар, Аризона, США . (34.1204°N 109.2849°W), 134 м (440 футов)
Бывший ангар Spruce Goose: Лонг-Бич, Калифорния, США. ( / ), 126 м (413 футов) — позже принадлежал Carnival Cruise Line и Google.
Склад Formosa Plastics: Майляо, Тайвань ( / ), 122 м (400 футов) — Одиннадцать куполов.
Пункт технического обслуживания цистерн "Юнион": Батон-Руж, Луизиана, США. ( / ), 117 м (384 фута) — Снесен в 2007 году.
Склад портландцемента вЛихай: Юнион Бридж, Мэриленд, США. ( / ), 114 м (374 фута)
Полный список института в настоящее время устарел. Несколько важных куполов, которые были пропущены или построены позже, теперь входят в топ-10. В настоящее время многие геодезические купола больше 113 м в диаметре.

Полиэдро де Каракас ("Арена многогранников Каракаса"), Каракас, Венесуэла ( / ), 143 м (469 футов)

Купол шахты Сан-Кристобаль (MSC), муниципалитет Кольча "К", Боливия ( / ), 140 м (460 футов)
Ruwais Refinery Dome, Рувайс, Объединенные Арабские Эмираты ( / ), 135 м (443 фута)