Геодезический купол: дизайн, строительство и применения

---

Общие сведения

Геодезическая сфера — это расположение полигонов, приближающее истинную сферу. Геодезический купол — часть геодезической сферы. Здания или крыши строили из геодезических куполов, составляющих 5–100% сферы. Купола для домов обычно представляют массивы треугольников, формирующих три- или пять-восьмых геодезической сферы.

Геодезические купола — эффективные конструкции в нескольких отношениях. 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-геодезические купола высоко устойчивыми к таким силам, как снежный покров, землетрясения, ветер и даже торнадо. Площадь поверхности геодезического купола составляет только 38% площади поверхности коробкообразного здания, огораживающего ту же площадь пола. Меньше поверхности экспонируется внешним температурным колебаниям, делая здание дешевле в отоплении и охлаждении, чем прямоугольная структура. Геодезические купола можно строить быстро без тяжелой техники. Используя префабрицированные компоненты, всего несколько человек могут эригировать купол для 185 кв.м дома за 10 часов или меньше.

Геодезический купол держится сам без внутренних колонн или несущих внутренних стен. Это свойство делает такие структуры привлекательными для церквей, спортивных арен и выставочных залов. Эстетическая привлекательность высоких потолков делает их привлекательными как дома, и полные или частичные вторые этажи легко подвешиваются на полпути к своду без другой поддержки, кроме крепления к самому куполу.

История

В 1919 г., ища способ построить более крупный планетарий, немецкий инженер Вальтер Бауэрсфельд решил поместить подвижные проекторы в стационарный купол. До этого планетарийные купола вращались, пока внешний свет входил через отверстия в оболочке купола для симуляции звезд и планет. Это ограничивало практический размер купола и количество людей, которые он мог вместить. Концепция Бауэрсфельда внутренней проекции работала в гораздо более крупном куполе. Первая модель, построенная, была более половины сферы; 16 м в диаметре. Бауэрсфельд решил проблему построения такой большой сферы, аппроксимируя её икосаэдром (20-гранным телом с равными треугольными гранями) и поделением каждой грани на меньшие треугольники. Он обставил треугольники из почти 3500 тонких железных стержней. Для построения сферической оболочки над этим каркасом он возвел сферическую деревянную форму внутри каркаса и распылил пастообразную бетонную смесь. Оболочка была спроектирована с тем же пропорциональным толщиной, как яичная скорлупа к своему диаметру, соотношение позже считавшееся подходящим для геодезических куполов.

Тридцать лет позже Р. Бакминстер Фуллер, американский архитектор, инженер, поэт и философ, независимо изобрел похожую структурную систему. После Второй мировой Фуллер хотел спроектировать доступное, эффективное жилье, которое можно было быстро строить из массово производимых компонентов. Желая смотреть за пределами конвенциональных подходов, Фуллер начал работать со сферическими формами, потому что они охватывают данное пространство с минимумом площади поверхности. Он сначала обставил сферы сеткой полос, аппроксимирующих большие круги (круги на сфере с центрами, совпадающими с центром сферы); полосы образовывали треугольники при пересечении. Он назвал продукт геодезическим куполом, потому что большие круги известны как геодезические (от греческого слова, означающего «делящий землю»). В конечном счете Фуллер начал формировать сферы из шестиугольников и пятиугольников (как панели на футбольном мяче) и делить их на треугольники для прочности и простоты строительства.

В 1953 г. Фуллер использовал свою новую систему для покрытия 28-метрового внутреннего двора, окруженного зданием штаб-квартиры Ford Motor Company. Здание не было спроектировано для поддержки большого веса традиционного купола, но творение Фуллера весило на 95% меньше. Он завершил дизайн и строительство за три месяца. Временный мачта, эригированная в центре двора, поддерживала купол во время строительства, и структура инкрементально поднималась и вращалась после завершения каждого нового участка. Каркас состоял из 12 000 алюминиевых стоек общим весом 1700 кг, соединенных в треугольники и затем поднимавшихся в позицию и пришивавшихся к растущему каркасу. Когда купол был завершен, его мягко опустили на опоры, установленные на существующем здании. Прозрачная стекловолоконная панель была установлена в каждом треугольнике для завершения купола.

В 1954 г. Фуллер получил патент на геодезические купола. В 1960-х и 1970-х, эпохе, когда неконвенциональность ценилась, геометрические купола стали популярны как недорогой способ для экологически сознательных людей строить свои дома. Инструкции широко доступны, но качество материалов (включая такие странные выборы, как папер-маше и отброшенные жестяные банки) и мастерство ди-самоделкин были несогласованными. Любительские купола склонны течь при дожде, недостаточное использование утеплителя ограничивало их энергоэффективность, и неадекватное количество люков оставляло интерьеры мрачными.

Фуллер предсказал, что к середине 1980-х будет построено миллион геодезических куполов, но к началу 1990-х оценки размещали мировое число где-то между 50 000 и 300 000. Небольшая, но настойчивая группа неконвенциональных домостроителей продолжает строить дома-геодезические купола, преимущественно из комплектов. Однако Newsday сообщило в 1992 г., что большинство геодезических купола построены для теплиц, сараев, защитных укрытий и туристических аттракционов. Один из самых узнаваемых — 48-метровая сфера в Epcot Center Уолта Диснея. Построенная из композитных панелей этиленового пластика и алюминия в 1982 г., структура содержит аттракцион Spaceship Earth, термин, введенный самим Фуллером.

Сырьё

Геодезические купола варьируются в размере от 143-метрового Полиедро де Каракас спортивной арены в Венесуэле до временных укрытий 5 м или менее в диаметре. Следовательно, строительные материалы варьируются широко. Простые подвижные структуры могут строиться из ПВХ труб или оцинкованных стальных кондуитных рам, покрытых пластиковой пленкой или парашютными навесами. Крупные постоянные структуры вроде арен и заводов строили из материалов вроде алюминиевых и стальных стоек, покрытых алюминием, медью, структурным гипсом, акрилом или оргстеклом.

Большинство производителей комплектов для жилых куполов используют древесные компоненты, преимущественно камерно-сушеные доугласовой пихты, покрытые 1,3-см внешней или структурной фанерой. Такие комплекты включают различные дизайны соединителей для надежного крепления деревянных стоек вместе в правильной конфигурации; высокопрочный алюминий или сталь, покрытая цинком, эпоксидной смолой или промышленным грунтом, обычно используются для соединителей. Оцинкованные стальные болты фиксируют соединители и обшивку гвоздят.

Несколько производителей комплектов используют альтернативные материалы для префабрицированных панелей, комбинирующих каркас и внешнее покрытие. Один, например, делает формованные стекловолоконные панели. Другой поставляет армированные бетонные панели; стальная сетка, выходящая из краев панели, перекрывается с сеткой смежной панели, и стык запечатывают бетоном.

Большинство комплектов куполов строятся на бетонных фундаментальных плитах. Часто эти плиты вдавлены в землю для обеспечения подвального уровня. Фундаментальные стены и райзерные стены (вертикальные стены под куполом, которые могут использоваться для повышения его общей высоты) обычно делают из бетона или дерева. Внутренняя утепка обычно Строительство геодезического купола. состоит из стекловолоконных матов или распыляемого уретана, целлюлозы или пластиковой пены Айсинен.

Дизайн

Хотя купола-домы строятся из المصنленных комплектов, дизайны гибки. До половины треугольников в нижнем ряду купола можно удалить без ослабления структуры, так что дверные и оконные проемы могут быть многочисленными. Вертикально-стенные расширения можно строить от таких проемов для увеличения площади пола. Купол может сидеть прямо на уровне земли на несущих основаниях (коротких стенах, вдавленных в землю для несомости веса здания), или может быть эригирован на райзерной стене до 2,5 м высотой.

Пространство должно быть предусмотрено между внутренними и внешними стенами для размещения утепления. Некоторые производители создают это пространство, делая стойки из дерева 10–20 см толщины. Другие делают это пространство 37–53 см толщиной, используя составные стойки из двух полос пиломатериалов, соединенных фанерными гусетками.

Процесс производства

Следующее — композит техник, используемых несколькими людьми с комплектами от разных производителей.

Подстройка

• 1. После очистки и выравнивания строительной площадки, копают траншею для фундаментального основания, следуя детальным чертежам, поставляемым производителем комплекта. Основание купола не круглое; скорее, оно очерчено пятью короткими стенами, чередующимися с пятью длинными стенами (вдвое длиннее коротких). Устанавливают опалубку для оснований; многие строители любят использовать постоянные пенопластовые формы, которые не нужно удалять. Бетон затем заливают в формы оснований.
• 2. Слой песка может использоваться для дополнительного выравнивания поверхности и основы для фундаментальной плиты. Армирующие стальные пруты связывают в сетку, и бетон заливают для формирования фундамента.
• 3. Фундаментальные стены строят на основаниях, до примерно уровня земли. Если желательно, райзерные стены (которые поставляются как часть комплекта) устанавливают на фундаментальных стенах и болтят друг к другу.
• 4. Половые балки устанавливают, ставя деревянные 2x12 (3,8×29,2 см) доски на 40 см друг от друга над фундаментом. Балки гвоздят к периметральному деревянному рамому и деревянной переверстке. 1,9-см толстые фанерные листы укладывают через балки и гвоздят на месте.

Надстройка

Надстройка обычно состоит из 60 треугольных панелей. В зависимости от желаемого размера купола, панели обычно 1,8–3 м по стороне. Они могут быть префабрицированы с установленными внешними панелями или строиться на месте из предраспилованного пиломатериала и металлических соединителей.

Если панели купола поставлялись с комплектом, они устанавливают на фундамент или райзерные стены и соединяют друг с другом в последовательности, предписанной производителем. До тех пор, пока достаточно панелей соединено для самоподдержки, их должны удерживать столбами, иррадиирующими от блока в центре пола. Следующие шаги описывают более частый случай эригирования каркаса с последующей установкой внешних панелей:

• 5. Базовые плиты устанавливают на фундаменте или райзерных стенах. Эти точно скошенные 10×15 см деревянные полоски обеспечивают переход между горизонтальным верхним краем стен и слегка наклонными треугольниками нижней полосы панелей купола.
• 6. Соответствуя цветовому кодированию деревянных стоек и металлических соединителей комплекта, формируют треугольник и фиксируют болтами. Треугольник поднимают в позицию и болтят к стене и/или к смежным треугольникам. Последующие ряды треугольных элементов укладывают до полного формирования купола. Благодаря их легкому весу треугольники не нуждаются в дополнительных опорах для удержания на месте во время строительства.
• 7. Деревянные стойки гвоздят внутри каждого треугольника. Бегущие перпендикулярно одной стороне треугольника, они размещаются примерно на 40 см друг от друга. Если используется нечетное число стоек, центральная фиксируется против перпендикулярного блока у вершины треугольника, а не уходит к вершине.
• 8. Соответствуя цветово-кодированным краям, фанерные панели поднимают в позицию на внешней стороне каждого треугольника и гвоздят на месте. Работая вниз от вершины купола, рабочий может стоять на открытом каркасе ниже, крепя каждую панель.
• 9. Вертикальные стены и крыши обрамляют любые желаемые расширения, проецирующиеся наружу от купола. Фанерные панели гвоздят к внешним граням расширений. Мансардные расширения также могут эригироваться для вторых этажных окон.

Финиш

• 10. Устанавливают окна, люки и внешние двери.
• 11. Крышу покрывают резиновой пленкой, и конвенциональная кровельная материя (такая как черепица или плитка) наносится.
• 12. Конвенциональный сайдинг (такой как штукатурка или виниловый сайдинг) наносится на внешнюю сторону райзерных стен.
• 13. Утепление укладывают между стойками и стойками внутри купола и стен расширений.
• 14. Стены обрамляют для разделения интерьера на комнаты. Конвенциональные листы гипсокартона режут по выкройкам, включенным в комплект, и гвоздят к внутренним стенам и внутренним поверхностям купола и райзерных стен. Из-за множества углов между треугольными секциями купола любительские строители часто нанимают профессионала для шпаклевки стыков гипсокартона.

Контроль качества

Качественная геодезическая купола структура герметична и структурно надежна. Это факторы, снижающие энергозатраты, главное соображение при строительстве геодезического дома. Поскольку структура в основном герметична, конденсация иногда может быть проблемой. Обычно она контролируется отопительной и охлаждающей системой, но когда дом закрыт на несколько дней, влага может накапливаться. Это легко решается включением вентиляции или открыванием двери или окна.

Ричард Бакминстер Фуллер.

Ричард Бакминстер Фуллер родился 12 июля 1895 г. в Мильтоне, Массачусетс. Он поступил в Гарвард в 1913 г., но был исключен через два года. В 1917 г. он женился на Энн Хьюлетт и образовал строительную компанию. В 1923 г. Фуллер изобрел метод кладки стокейд-кирпичей — кирпичи с вертикальными отверстиями, усиленными бетоном. В 1927 г. он спроектировал фабрично-собранный Даймаксион-дом, автономный блок, подвешенный от центральной мачты с полной системой переработки. Даймаксион был термином, который он использовал для чего-либо, дающего максимальный выход от минимального входа. Фуллер также спроектировал Даймаксион-автомобиль — всенаправленное транспортное средство, дающее минимальное лобовое сопротивление — в 1928 г. Это транспортное средство могло сажать 12, делать 180° повороты, легко ехать 193 км/ч и в среднем 12 км/л, но было непродажибельным, потому что автопроизводители не стали его массово производить.

Финансовый прорыв Фуллера пришел в 1940 г. с его Даймаксион Deployment Unit (DDU), круглым самоохлаждаемым жилым блоком с секторами из корругированной стали. Британцы использовали DDU во Второй мировой. В 1949 г. Фуллер начал работу над геодезическими куполами. Подал патент в 1951 г. и получил контракт в 1953 г. от Ford Motor Company на строительство купола над их двором в Детройте. Министерство обороны США стало крупнейшим клиентом Фуллера, используя купола как временное жилье и для защиты радаров от суровых сред.

К моменту его смерти в 1983 г. купола Фуллера использовались по всему миру. В 1985 г. открыли фуллерены. Фуллерены — атомы углерода, расположенные в сферообразных формах с пяти- и шестиугольными гранями, похожими на геодезические купола. Эти «баккиболы» имеют до 980 атомов углерода.

Будущее

Будущие уточнения в строительстве геодезических куполов могут прийти от улучшенных строительных материалов. Например, в 1997 г. производитель бетонных блоков разработал полый скошенный треугольный блок с заточенными краями, который мог бы замыкаться с соседними блоками. Правильно сформированные, такие блоки можно использовать для строительства куполов.

Другая инновация включает проектирование куполов на основе другой математической предпосылки. В истинном геодезическом куполе края треугольных элементов выстраиваются в большие круги. Хотя не геодезический, новый дизайн, запатентованный в 1989 г., использует шестиугольники и пятиугольники для формирования куполов с эллиптическим сечением. Из-за своей математической производной этот дизайн называется геотангенциальным.

Хотя геодезические купола максимизируют прочность при минимизации строительных материалов, эллиптические профили куполов предлагают два других преимущества. Они могут покрывать круглую площадь, не поднимаясь так высоко, как сферический купол. И они могут покрывать удлиненные или неправильно оформленные площади, варьирующиеся по высоте. Находится в северном Мексике, крупнейшие в мире промышленные купола — пара производственных зданий, покрытых эллиптическими крышами 224 м длиной и 80 м шириной.