Геодезический купол

<час />

Фон

Геодезическая сфера - это расположение многоугольников, которое приближается к истинной сфере. Геодезический купол - это часть геодезической сферы. Здания или крыши были построены из геодезических куполов, размер которых составляет от 5 до 100% сферы. Купола, используемые для домов, обычно представляют собой массивы треугольников, которые образуют три или пять восьмых геодезической сферы.

Геодезические купола являются эффективными сооружениями по нескольким причинам. Треугольник - очень устойчивая форма; например, сила, приложенная к углу прямоугольника, может деформировать его в параллелограмм, но та же сила не деформирует треугольник. Это делает здания с геодезическими куполами очень устойчивыми к таким силам, как снежный покров, землетрясения, ветер и даже торнадо. Площадь геодезического купола составляет всего 38% площади прямоугольного здания, охватывающего такую ​​же площадь пола. Поверхность меньше подвержена колебаниям наружной температуры, что делает обогрев и охлаждение здания дешевле, чем прямолинейная конструкция. Геодезические купола можно быстро построить без тяжелого оборудования. Используя готовые компоненты, требуется всего несколько человек, чтобы возвести купол для дома площадью 2000 кв. Футов (185 кв. М) за 10 часов или меньше.

Геометрический купол поддерживает себя без внутренних колонн или внутренних несущих стен. Это свойство делает такие сооружения привлекательными для использования в качестве церквей, спортивных арен и выставочных залов. Эстетическая привлекательность высоких потолков делает их привлекательными как дома, а полные или частичные этажи второго этажа легко подвешиваются на полпути вверх без какой-либо поддержки, кроме крепления к самому куполу.

История

В 1919 году немецкий инженер Вальтер Бауэрсфельд, ища способ построить более крупный планетарий, решил установить подвижные проекторы внутри стационарного купола. До этого времени купола планетариев вращались, в то время как внешний свет проникал через отверстия в оболочке купола, имитируя звезды и планеты. Это ограничивало практический размер купола и количество людей, которые он мог вместить. Концепция внутренней проекции Бауэрсфельда будет работать в гораздо большем куполе. Первая построенная модель была больше половины сферы; 52 фута (16 м) в диаметре. Бауэрсфельд решил проблему построения такой большой сферы, аппроксимировав ее икосаэдром (20-гранное твердое тело с равными треугольными гранями) и разделив каждую грань на меньшие треугольники. Он построил треугольники из почти 3500 тонких железных прутьев. Чтобы построить сферическую оболочку над этим каркасом, он установил сферическую деревянную форму внутри каркаса и распылил пастообразную бетонную смесь. Раковина была спроектирована так, чтобы иметь такую ​​же пропорциональную толщину, как у яичной скорлупы, по сравнению с ее диаметром, соотношение, которое позже было сочтено подходящим для геодезических куполов.

Тридцать лет спустя Р. Бакминстер Фуллер, американский архитектор, инженер, поэт и философ, независимо изобрел аналогичную структурную систему. После Второй мировой войны Фуллер хотел разработать доступное и эффективное жилье, которое можно было бы быстро построить из компонентов массового производства. Желая выйти за рамки традиционных подходов, Фуллер начал работать со сферическими формами, поскольку они заключают заданное пространство с минимальной площадью поверхности. Сначала он обрамил сферы сетью полос, приближающихся к большим окружностям (окружности на сфере с центрами, совпадающими с центром сферы); полосы, пересекая друг друга, образовывали треугольники. Он назвал продукт геодезическим куполом, потому что большие круги известны как геодезические (от греческого слова, означающего разделение земли). В конце концов, Фуллер начал формировать сферы из шестиугольников и пятиугольников (как панели футбольного мяча) и делить их на треугольники для прочности и простоты конструкции.

В 1953 году Фуллер использовал свою новую систему для покрытия двора диаметром 93 фута (28 м), окруженного зданием штаб-квартиры Ford Motor Company. Здание не было спроектировано так, чтобы выдерживать большой вес традиционного купола, но создание Фуллера весило на 95% меньше. Он завершил проектирование и строительство всего за три месяца. Временная мачта, установленная в центре двора, поддерживала купол во время строительства, и конструкция постепенно поднималась и поворачивалась после завершения каждой новой секции. Рама состояла из 12000 алюминиевых стоек общим весом 3750 фунтов (1700 кг), которые были соединены в форме треугольников, а затем поднялись на место и приклепаны к растущей раме. Когда купол был завершен, его аккуратно опустили на крепления, которые были установлены на существующем здании. В каждом треугольнике была установлена ​​прозрачная стекловолоконная панель, завершающая купол.

В 1954 году Фуллер получил патент на геодезические купола. В 1960-е и 1970-е годы, когда ценилась нестандартность, геометрические купола стали популярными как недорогой способ для экологически сознательных людей построить собственное жилье. Инструкции были широко доступны, но качество материалов (включая такие странные варианты, как папье-маше и выброшенные жестяные банки) и мастерство строителей своими руками были несовместимы. Купола любительской постройки имели тенденцию протекать во время дождя, недостаточное использование изоляции ограничивало их энергоэффективность, а недостаточное количество световых люков оставляло интерьер унылым.

Фуллер предсказал, что к середине 1980-х будет построен миллион геодезических куполов, но к началу 1990-х годов, по оценкам, их число в мире было где-то между 50 000 и 300 000. Небольшой, но постоянный контингент строителей нестандартных домов продолжает строить дома с геодезическими куполами, в основном из комплектов. Однако Newsday В 1992 г. сообщалось, что большинство геодезических купольных конструкций было построено для теплиц, складских помещений, защитных укрытий и туристических достопримечательностей. Одна из самых узнаваемых из них - сфера диаметром 165 футов (48 м) в Центре Epcot World Уолта Диснея. Построенная из композитных панелей из этиленового пластика и алюминия в 1982 году, в конструкции находится аттракцион под названием «Космический корабль Земля», названный самим Фуллером.

Сырье

Размер геодезических куполов варьируется от 460 футов (143 м) спортивной арены Полиедро-де-Каракас в Венесуэле до временных убежищ диаметром 15 футов (5 м) или меньше. Следовательно, строительные материалы сильно различаются. Простые передвижные конструкции могут быть выполнены из поливинилхлоридных (ПВХ) труб или из оцинкованных стальных трубопроводов, покрытых пластиковой пленкой или парашютными навесами. Большие постоянные конструкции, такие как арены и фабрики, были построены из таких материалов, как алюминий и стальные стойки каркаса, покрытые алюминием, медью, конструкционным гипсом, акрилом или панелями из оргстекла.

Большинство производителей комплектов куполов для жилых домов используют деревянные компоненты, в первую очередь высушенные в печи стойки из ели Дугласа, покрытые фанерой наружного или конструкционного качества толщиной 0,5 дюйма (1,3 см). В такие комплекты входят соединители различной конструкции для надежного скрепления деревянных распорок в нужной конфигурации; Для соединителей обычно используется высокопрочный алюминий или сталь, покрытая цинком, эпоксидной смолой или промышленным грунтом. Соединители крепятся стальными оцинкованными болтами, к которым прибивается обшивка.

Некоторые производители комплектов используют альтернативные материалы для изготовления сборных панелей, сочетающих каркас и внешнее покрытие. Один, например, изготавливает формованные панели из стекловолокна. Другой поставляет железобетонные панели; стальная сетка, отходящая от краев панели, перекрывается сеткой от примыкающей панели, а стык заделывается бетоном.

Большинство комплектов куполов строится на бетонных фундаментных плитах. Часто эти плиты заглубляют в землю, чтобы обеспечить цокольный уровень. Фундаментные стены и стены подступенка (вертикальные стены под куполом, которые можно использовать для увеличения его общей высоты) обычно выполняются из бетона или дерева. Внутренняя изоляция в целом Строительство геодезического купола. состоит из ватина из стекловолокна или напыленного уретана, целлюлозы или пенопласта Icynene.

Дизайн

Хотя купольные дома строятся из готовых комплектов, их конструкции могут быть гибкими. Половина треугольников в нижнем ряду купола может быть удалена без ослабления конструкции, так что дверных и оконных проемов может быть много. Из таких проемов можно строить пристройки с вертикальными стенками для увеличения площади пола. Купол может стоять прямо на опорах на уровне земли (короткие стены, утопленные в землю, чтобы выдерживать вес здания), или его можно возводить на вертикальной стене высотой до 8 футов (2,5 м).

Между внутренними и внешними стенами должно быть предусмотрено пространство для утепления. Некоторые производители создают это пространство, делая стойки из дерева толщиной 4–8 дюймов (10–20 см). Другие делают это пространство толщиной 14,5–21 дюймов (37–53 см) за счет использования составных распорок, состоящих из двух полос древесины, соединенных фанерными косынками.

Производственный процесс

Ниже приведены методы, которые использовали несколько человек, используя наборы от различных производителей.

Подструктура

• 1 После расчистки и выравнивания участка дома выкапывается траншея для фундамента в соответствии с подробными чертежами, предоставленными производителем комплекта. Основание купола не круглое; скорее, он очерчен пятью короткими стенами, чередующимися с пятью длинными стенами (вдвое длиннее коротких). Формы укладываются на опоры; многие строители любят использовать несъемные формы из пенополистирола, которые не нужно снимать. Затем в опалубку для фундамента заливается бетон.
• 2 Можно использовать слой песка для дальнейшего выравнивания поверхности и создания основы для фундаментной плиты. Арматурные стержни связываются в сетку, и заливается бетон, чтобы сформировать фундамент.
• 3 фундаментные стены возводятся на опорах примерно до уровня земли. При желании стены стояка (которые входят в комплект) устанавливаются поверх стен фундамента и прикручиваются друг к другу.
• 4 балки перекрытия устанавливаются с помощью деревянных досок 2x12 (1,5x1,5 дюйма [3,8x29,2]) на расстоянии 16 дюймов (40 см) друг от друга над фундаментом. Балки прибиты к деревянному каркасу по периметру и деревянной перекладине. Листы фанеры толщиной три четверти дюйма (1,9 см) укладываются поперек балок и прибиваются к месту.

Надстройка

Надстройка обычно состоит из 60 треугольных панелей. В зависимости от желаемого размера купола панели обычно имеют ширину 1,8–3 м (6–10 футов). Они могут быть изготовлены заранее с установленными внешними панелями, или они могут быть построены на месте из предварительно вырезанных пиломатериалов и металлических соединителей.

Если купольные панели поставлялись в комплекте, они устанавливаются на фундамент или стены стояка и соединяются между собой в последовательности, предписанной производителем. До тех пор, пока не будет соединено достаточно панелей, чтобы поддерживать себя, они должны быть скреплены опорами, выходящими из блока в центре пола. Следующие шаги описывают наиболее распространенный случай возведения каркаса с последующей установкой внешней панели:

• 5 опорных плит устанавливаются на фундамент или стены подступенка. Эти точно скошенные деревянные планки размером 4x6 дюймов (10x15 см) обеспечивают переход между горизонтальным верхним краем стен и слегка наклоненными треугольниками нижней полосы панелей купола.
• 6 В соответствии с цветовой кодировкой деревянных стоек и металлических соединителей из набора формируется треугольник, который фиксируется болтами. Треугольник поднимают на место и привинчивают к стене и / или соседним треугольникам. Последовательные ряды треугольных элементов размещаются до полного формирования купола. Благодаря небольшому весу треугольники не нуждаются в дополнительных креплениях, чтобы удерживать их на месте во время строительства.
• Внутри каждого треугольника прибиты 7 деревянных шпилек. Расположенные перпендикулярно одной стороне треугольника, они расположены на расстоянии около 16 дюймов (40 см) друг от друга. Если используется нечетное количество шпилек, центральная крепится к перпендикулярному блоку около вершины треугольника, а не продолжается до вершины.
• 8 Фанерные панели с краями с соответствующей цветовой кодировкой поднимаются на внешнюю сторону каждого треугольника и прибиваются гвоздями. Работая сверху вниз от вершины купола, рабочий может стоять на открытом каркасе внизу, прикрепляя каждую панель.
• 9 Вертикальные стены и крыши имеют каркас для любых желаемых пристроек, которые будут выступать наружу из купола. К наружным граням пристроек прибивают фанерные панели. Мансардные надстройки можно возводить и для окон второго этажа.

Завершение

• Установлены 10 окон, световые люки и входные двери.
• 11 Крыша покрыта резиновым покрытием, и на нее нанесен обычный кровельный материал (например, черепица или черепица).
• 12 Обычный сайдинг (например, штукатурка или виниловый сайдинг) наносится на внешнюю сторону стен подступенка.
• 13 Между стойками и стойками внутри купола и пристройки помещается изоляция.
• 14 стен обрамляют, разделяя интерьер на комнаты. Обычные листы гипсокартона нарезаются по шаблонам, входящим в комплект, и прибиваются к внутренним стенам и внутренним поверхностям стен купола и подступенка. Из-за множества углов между треугольными секциями купола строители-любители часто нанимают профессионала для заклеивания стыков гипсокартона.

Контроль качества

Качественная геодезическая купольная конструкция герметична и конструктивно прочна. Это факторы, которые снижают затраты на электроэнергию, что является основным фактором при строительстве геодезического дома. Поскольку конструкция в основном воздухонепроницаема, иногда может возникать проблема с конденсацией. Обычно это регулируется системой отопления и охлаждения, но когда дом закрыт на несколько дней, может накапливаться влага. Это легко решить, включив воздушную систему или открыв дверь или окно.

Ричард Бакминстер Фуллер.

Ричард Бакминстер Фуллер родился 12 июля 1895 года в Милтоне, штат Массачусетс. Он поступил в Гарвардский университет в 1913 году, но был исключен через два года. В 1917 году он женился на Энн Хьюлетт и основал строительную компанию. В 1923 году Фуллер изобрел метод кладки частокола - кирпичи с вертикальными отверстиями, армированные бетоном. В 1927 году он спроектировал собранный на заводе дом Dymaxion, автономный блок, подвешенный к центральной мачте с полной системой рециркуляции. Димаксион - это термин, который он использовал для обозначения всего, что получало максимальную отдачу от минимальной входной. Фуллер также разработал автомобиль Dymaxion - всенаправленный автомобиль с минимальным сопротивлением ветру - в 1928 году. Этот автомобиль мог вместить 12 человек, делать повороты на 180 °, легко двигаться со скоростью 120 миль в час (193 км / ч) и в среднем 28 миль / галлон (12 км / ч). I), но было убыточным, потому что производители автомобилей не стали бы его массово производить.

Финансовый прорыв Фуллера наступил в 1940 году с его подразделением развертывания Dymaxion (DDUj, круглым жилым блоком с самоохлаждением и гофрированными стальными комнатами в форме пирога. Британцы использовали DDU во время Второй мировой войны. В 1949 году Фуллер начал работы по геодезическим исследованиям) Он подал заявку на патент в 1951 году и в 1953 году получил контракт от Ford Motor Company на строительство купола над внутренним двором их штаб-квартиры в Детройте. Министерство обороны США стало крупнейшим заказчиком Фуллера, использовав купола в качестве временного жилья и для защитить радиолокационное оборудование от агрессивных сред.

На момент его смерти в 1983 году купола Фуллера использовались во всем мире. В 1985 году был открыт фуллерен. Фуллерены - это атомы углерода, расположенные в сферической форме с пятиугольными и шестиугольными гранями, похожие на геодезические купола. Эти «булки-шары» содержат до 980 атомов углерода.

Будущее

Дальнейшие усовершенствования в строительстве геодезических куполов могут происходить за счет улучшенных строительных материалов. Например, в 1997 году производитель бетонных блоков разработал полый, скошенный, треугольный блок с зазубренными краями, которые могли сцепляться с соседними блоками. Из таких блоков правильной формы можно было построить купола.

Еще одно нововведение связано с проектированием куполов на основе другой математической предпосылки. В настоящем геодезическом куполе края треугольных элементов совпадают, образуя большие круги. Хотя это и не геодезический, новый дизайн, запатентованный в 1989 году, использует шестиугольники и пятиугольники для формирования куполов с эллиптическим поперечным сечением. Из-за своего математического происхождения этот план называется геотангенсом.

Хотя геодезические купола обеспечивают максимальную прочность при минимальном использовании строительных материалов, купола с эллиптическим профилем имеют два разных преимущества. Они могут покрывать круглую область, не поднимаясь до сферического купола. И они могут покрывать удлиненные участки или участки неправильной формы, которые различаются по высоте. Расположенные на севере Мексики крупнейшие в мире промышленные купола представляют собой пару производственных зданий, покрытых эллиптическими крышами длиной 735 футов (224 м) и шириной 260 футов (80 м).