Kopuła geodezyjna - Geodesic dome

The Montreal Biosphère , dawniej American Pavilion of Expo 67 , autorstwa R. Buckminstera Fullera , na Île Sainte-Hélène , Montreal , Quebec

Kopuły geodezyjnej jest półkulista strukturę cienkowarstwowej powłoki (kraty powłoki) na podstawie geodezyjnej wielościanu . Te trójkątne elementy kopuły są strukturalnie sztywny i rozpowszechniać strukturalnej stresu w całej strukturze, dzięki czemu kopuły geodezyjne w stanie wytrzymać bardzo duże obciążenia dla ich wielkości.

Historia

Statek kosmiczny Ziemia w Epcot
Szklarnia Climatron w Missouri Botanical Gardens , zbudowana w 1960 roku i zaprojektowana przez Thomasa C. Howarda z Synergetics, Inc., zainspirowała kopuły w filmie science fiction Silent Running .
Świat Nauki w Vancouver
Science World w Vancouver, zbudowany na Expo 86 i inspirowany kopułą geodezyjną Buckminstera Fullera

Pierwsza kopuła geodezyjna została zaprojektowana po I wojnie światowej przez Walthera Bauersfelda , głównego inżyniera firmy optycznej Carl Zeiss , jako planetarium, w którym będzie mieścił się jego projektor planetarium. Pierwszy, mała kopuła opatentowano, wykonane przez firmę Dykerhoff i Wydmann na dachu rośliny Zeiss Jena , Niemcy . Większa kopuła, zwana „Cudem Jeny”, została otwarta dla publiczności w lipcu 1926 roku.

Dwadzieścia lat później Buckminster Fuller ukuł termin „geodezja” na podstawie eksperymentów terenowych z artystą Kennethem Snelsonem w Black Mountain College w 1948 i 1949 roku. Patent USA 2682235A w dniu 29 czerwca 1954. Najstarsza zachowana kopuła zbudowana przez samego Fullera znajduje się w Woods Hole w stanie Massachusetts i została zbudowana przez studentów pod jego opieką przez trzy tygodnie w 1953 roku.

Kopuła geodezyjna spodobała się Fullerowi, ponieważ była niezwykle wytrzymała ze względu na swoją wagę, jej „omnitriangulowana” powierzchnia zapewniała z natury stabilną strukturę i ponieważ kula zawiera największą objętość przy najmniejszej powierzchni.

Kopuła została z powodzeniem zaadoptowana do specjalistycznych zastosowań, takich jak kopuły 21 Distant Early Warning Line zbudowane w Kanadzie w 1956 roku, kopuła Union Tank Car Company z 1958 roku w pobliżu Baton Rouge w stanie Luizjana , zaprojektowana przez Thomasa C. Howarda z Synergetics, Inc. budynki, takie jak kopuły Kaiser Aluminium (zbudowane w wielu miejscach w USA, np. Virginia Beach w stanie Wirginia ), audytoria, obserwatoria pogodowe i magazyny. Kopuła wkrótce biła rekordy pod względem pokrytej powierzchni, zamkniętej objętości i szybkości budowy.

Począwszy od 1954 roku, amerykańscy marines eksperymentowali z kopułami geodezyjnymi dostarczanymi z helikoptera . 30-metrowa kopuła geodezyjna z drewna i tworzywa sztucznego została podniesiona i przeniesiona helikopterem z prędkością 50 węzłów bez uszkodzeń, co doprowadziło do wyprodukowania standardowej kopuły magnezowej przez Magnesium Products z Milwaukee. Testy obejmowały praktyki montażowe, w których wcześniej nie przeszkoleni żołnierze piechoty morskiej byli w stanie złożyć magnezową kopułę o długości 30 stóp w 135 minut, helikopter unosił się z lotniskowców oraz test wytrzymałości, w którym zakotwiczona kopuła z powodzeniem wytrzymywała bez uszkodzeń przez cały dzień 120 mil na godzinę ( 190 km/h) wybuch śmigła z dwóch silników o mocy 3000 koni mechanicznych zakotwiczonego samolotu.

Złota Kopuła z 1958 r. w Oklahoma City w stanie Oklahoma wykorzystała projekt Fullera do wykorzystania jako budynek banku. Innym wczesnym przykładem było Centrum Stepana na Uniwersytecie Notre Dame , zbudowane w 1962 roku.

Kopuła została zaprezentowana szerszej publiczności jako pawilon na Światowe Targi w Nowym Jorku w 1964 roku, zaprojektowana przez Thomasa C. Howarda z Synergetics, Inc. Ta kopuła jest teraz używana jako ptaszarnia przez Queens Zoo w Flushing Meadows Corona Park. został przeprojektowany przez TC Howard z Synergetics, Inc.

Kolejna kopuła pochodzi z Expo 67 na Światowych Targach w Montrealu , gdzie była częścią pawilonu amerykańskiego. Pokrycie konstrukcji później spłonęło, ale sama konstrukcja nadal stoi i pod nazwą Biosphère mieści się obecnie muzeum interpretacyjne o rzece Świętego Wawrzyńca .

W 1970 roku, Zomeworks licencjonowany plany struktur opartych na innych brył geometrycznych, takich jak brył Johnson , archimedesowe stałych i stałych katalońskich . Struktury te mogą mieć niektóre ściany, które nie są trójkątne, będąc kwadratami lub innymi wielokątami.

W 1975 roku zbudowano kopułę na biegunie południowym , gdzie ważna jest jej odporność na obciążenia śniegiem i wiatrem.

W dniu 1 października 1982 roku, jeden z najbardziej znanych kopuł geodezyjnych, kosmiczny Ziemia w Epcot w Walt Disney World Resort w Bay Lake , Florida , na obrzeżach Orlando otwarty. Budynek i przejażdżka w jego wnętrzu są nazwane jednym ze słynnych określeń Buckminstera Fullera, Spaceship Earth , światopoglądu wyrażającego zaniepokojenie wykorzystaniem ograniczonych zasobów dostępnych na Ziemi i zachęcającego wszystkich do działania jako zgrana załoga pracująca na rzecz większego dobry. Budynek jest ikoną Epcot, reprezentującą cały park.

For the Fair 1986 roku Światowe (Expo 86) , o Buckminster Fuller inspirowane geodezyjna kopuła zaprojektowana przez głównego architekta EXPO za Bruno Freschi służyć jako targów Expo. Budowa rozpoczęła się w 1984 roku i została ukończona na początku 1985 roku. Kopuła i budynek służą obecnie jako centrum sztuki, nauki i technologii i zostały nazwane Światem Nauki .

W 2000 roku w chilijskiej Patagonii został zbudowany pierwszy na świecie w pełni zrównoważony hotel z kopułą geodezyjną, EcoCamp Patagonia, który został otwarty w 2001 roku. Projekt kopuły hotelu jest kluczem do opierania się silnym wiatrom w regionie i opiera się na mieszkaniach rdzennych Kaweskarów ludzie . Geodomy stają się również popularne jako jednostka glampingowa (kamping glamorous).

Metody budowy

Zielona kopuła Long Island

Kopuły drewniane posiadają wywiercony otwór na szerokość rozpórki . Opaska ze stali nierdzewnej blokuje otwór rozpórki na stalowej rurze. Dzięki tej metodzie rozpórki można przyciąć na dokładną wymaganą długość. Trójkąty ze sklejki zewnętrznej są następnie przybijane do rozpórek. Kopuła jest owinięta od dołu do góry kilkoma zszytymi warstwami papy w celu zlania wody i wykończona gontem. Ten typ kopuły jest często nazywany kopułą typu piasta i rozpórka ze względu na zastosowanie stalowych piast do łączenia rozpórek.

Kopuły panelowe są zbudowane z osobno obramowanych belek pokrytych sklejką. Trzy elementy tworzące trójkątną ramę są często cięte pod złożonymi kątami, aby zapewnić płaskie dopasowanie różnych trójkątów. W elementach wierci się otwory w precyzyjnych miejscach, a następnie stalowe śruby łączą trójkąty, tworząc kopułę. Te elementy to często 2x4 lub 2x6s, co pozwala na umieszczenie większej ilości izolacji w trójkącie. Technika paneli pozwala konstruktorowi na przymocowanie skóry ze sklejki do trójkątów podczas bezpiecznej pracy na ziemi lub w wygodnym sklepie poza pogodą. Ta metoda nie wymaga kosztownych piast stalowych.

Tymczasowe kopuły szklarniowe „Magidomes” mogą być budowane przez zszycie folii z tworzywa sztucznego na kopule zbudowanej ze zwykłego drewna. Rezultat jest ciepły, przenośny i niedrogi. Powinna być przytwierdzona do ziemi, aby uniemożliwić jej poruszanie się przez wiatr.

Rama stalowa może być łatwo wykonana z przewodu elektrycznego. Jeden spłaszcza koniec rozpórki i wierci otwory na śruby o wymaganej długości. Pojedyncza śruba zabezpiecza wierzchołek rozpórek. Nakrętki są zwykle osadzane za pomocą zdejmowanej masy zabezpieczającej lub, jeśli kopuła jest przenośna, mają nakrętkę koronową z zawleczką . Jest to standardowy sposób konstruowania kopuł do zabaw typu plac zabaw .

Kopuły mogą być również zbudowane z lekkiej aluminiowej ramy, która może być skręcana lub spawana lub może być łączona za pomocą bardziej elastycznego połączenia punkt węzłowy/piasta. Kopuły te są zwykle pokryte szkłem, które jest utrzymywane na miejscu za pomocą czapki z PCV , którą można uszczelnić silikonem, aby była wodoszczelna. Niektóre projekty pozwalają na montaż podwójnych szyb lub paneli izolacyjnych w ramie.

Kopuły betonowe i piankowo-plastikowe zwykle zaczynają się od stalowej kopuły szkieletowej, owiniętej siatką z kurczaka i siatką drucianą w celu wzmocnienia. Drutu kurczaka i ekran są związane z ramy z opasek. Powłoka materiału jest następnie natryskiwana lub formowana na ramie. Testy należy wykonywać małymi kwadratami, aby uzyskać prawidłową konsystencję betonu lub tworzywa sztucznego. Na ogół konieczne jest kilka warstw od wewnątrz i na zewnątrz. Ostatnim krokiem jest nasycenie kopuł betonowych lub poliestrowych cienką warstwą związku epoksydowego w celu zrzucenia wody.

Niektóre kopuły betonowe zostały zbudowane z prefabrykowanych, sprężonych płyt żelbetowych, które można przykręcić. Śruby znajdują się w podniesionych pojemnikach, przykrytych małymi betonowymi nasadkami, aby przelać wodę. Trójkąty zachodzą na siebie, aby przelać wodę. Trójkąty w tej metodzie można formować w formy wymodelowane w piasku z drewnianymi wzorami, jednak trójkąty betonowe są zazwyczaj tak ciężkie, że trzeba je ustawiać dźwigiem. Ta konstrukcja doskonale nadaje się do kopuł, ponieważ żadne miejsce nie pozwala na gromadzenie się wody na betonie i przeciekanie. Metalowe łączniki, złącza i wewnętrzne stalowe ramy pozostają suche, zapobiegając uszkodzeniom spowodowanym mrozem i korozją. Beton jest odporny na słońce i warunki atmosferyczne. Aby zapobiec przeciągom, na złączach należy umieścić jakąś formę wewnętrznej obróbki blacharskiej lub uszczelnienia. Cinerama Dome z 1963 roku została zbudowana z prefabrykowanych betonowych sześciokątów i pięciokątów.

Kopuły można teraz drukować z dużą prędkością za pomocą bardzo dużych, mobilnych „drukarek 3D”, znanych również jako maszyny do wytwarzania przyrostowego. Materiał używany jako włókno jest często formą betonu wtryskiwanego powietrzem lub pianki z tworzywa sztucznego o zamkniętych komórkach.

Biorąc pod uwagę skomplikowaną geometrię kopuły geodezyjnej, budowniczowie kopuły polegają na tabelach długości rozpórek lub „współczynnikach cięciw”. W Geodezyjnej Math i jak go używać , Hugh Kenner pisze: „Tabele współczynników akordów, zawierający jako robią niezbędne informacje projektowe dla systemów sferycznych, były przez wiele lat strzeżone jak tajemnice wojskowe. Dopiero w 1966 roku, około 3 v figury icosa z „ Popular Science Monthly” to wszystko, co każdy spoza kręgu licencjobiorców Fullera musiał kontynuować”. (strona 57, wydanie 1976). Inne tabele stały się dostępne wraz z publikacją Domebook 1 (1970) i Domebook 2 (1971) Lloyda Kahna .

Domy kopułowe

Fuller miał nadzieję, że kopuła geodezyjna pomoże rozwiązać powojenny kryzys mieszkaniowy. Było to zgodne z jego wcześniejszymi nadziejami na obie wersje Dymaxion House .

Domowe kopuły geodezyjne okazały się mniej skuteczne niż kopuły używane do pracy i/lub rozrywki, głównie ze względu na ich złożoność i wynikające z tego wyższe koszty budowy. Profesjonalni, doświadczeni wykonawcy kopuł, choć trudni do znalezienia, istnieją i mogą wyeliminować wiele przekroczeń kosztów związanych z fałszywymi rozruchami i nieprawidłowymi szacunkami. Sam Fuller mieszkał w kopule geodezyjnej w Carbondale w stanie Illinois , na rogu Forest Ave i Cherry St. Fuller myślał o kopułach mieszkalnych jako o produktach wytwarzanych przez przemysł podobny do lotnictwa i dostarczanych drogą powietrzną. Własna kopuła domu Fullera nadal istnieje, R. Buckminster Fuller i Anne Hewlett Dome Home , a grupa o nazwie RBF Dome NFP próbuje przywrócić kopułę i zarejestrować ją jako National Historic Landmark . Znajduje się w Krajowym Rejestrze Miejsc Historycznych .

W 1986 roku patent na technikę budowy kopuły, w której trójkąty styropianowe są laminowane na zewnątrz do zbrojonego betonu, a od wewnątrz płytą ścienną, został przyznany firmie American Ingenuity of Rockledge na Florydzie. Technika budowy pozwala na prefabrykację kopuł w formie zestawu i postawienie przez właściciela domu. Ta metoda sprawia, że ​​szwy są najmocniejszą częścią konstrukcji, gdzie szwy, a zwłaszcza piasty w większości kopuł o drewnianej ramie, są najsłabszym punktem konstrukcji. Ma również tę zaletę, że jest wodoszczelny.

Inne przykłady zostały zbudowane w Europie. W 2012 r. aluminiowo-szklana kopuła została wykorzystana jako kopuła do ekologicznego domu w Norwegii, a w 2013 r. w Austrii zbudowano dom ze szklaną i drewnianą kopułą.

W Chile, przykłady kopuł geodezyjnych są łatwo adaptowane do zakwaterowania hotelowego jako kopuły geodezyjne w stylu namiotowym lub kopuły przeszklone. Przykłady: EcoCamp Patagonia, Chile; i Elqui Domos, Chile.

Niedogodności

Własny dom Buckminstera Fullera , poddawany renowacji po zniszczeniu

Chociaż domy kopułowe cieszyły się falą popularności pod koniec lat 60. i na początku lat 70., jako system mieszkaniowy, kopuła ma wiele wad i problemów. Były zwolennik domów kopułowych, Lloyd Kahn , który napisał o nich dwie książki ( Domebook 1 i Domebook 2 ) i założył Shelter Publications, rozczarował się nimi, nazywając je „inteligentnymi, ale nie mądrymi”. Zwrócił uwagę na następujące wady, które wymienił na stronie internetowej swojej firmy: Dostępne z półki materiały budowlane (np. sklejka, płyta wiórowa) zwykle mają kształty prostokątne, dlatego niektóre materiały mogą wymagać złomowania po przycięciu prostokątów na trójkąty , zwiększając koszt budowy. Ucieczki pożarowe są problematyczne; Kody wymagają ich dla większych konstrukcji i są drogie. Okna zgodne z kodeksem mogą kosztować od pięciu do piętnastu razy więcej niż okna w konwencjonalnych domach. Profesjonalne okablowanie elektryczne kosztuje więcej ze względu na zwiększony czas pracy. Nawet sytuacje związane z okablowaniem właściciela są kosztowne, ponieważ do budowy kopuły potrzeba więcej pewnych materiałów. Rozszerzenie i partycjonowanie również jest trudne. Kahn zauważa, że ​​kopuły są trudne, jeśli nie niemożliwe, do zbudowania z naturalnych materiałów, zwykle wymagających tworzyw sztucznych itp., które zanieczyszczają środowisko i ulegają zniszczeniu w świetle słonecznym.

Stratyfikacja powietrza i dystrybucja wilgoci w kopule są niezwykłe. Warunki mają tendencję do szybkiej degradacji drewnianego szkieletu lub boazerii wewnętrznej.

Prywatność jest trudna do zagwarantowania, ponieważ kopułę jest trudna do zadowalającego podziału. Dźwięki, zapachy, a nawet odbite światło są przenoszone przez całą konstrukcję.

Podobnie jak w przypadku każdego zakrzywionego kształtu, kopuła tworzy obszary ścian, które mogą być trudne w użyciu i pozostawia pewne peryferyjne obszary podłogi o ograniczonym wykorzystaniu z powodu braku miejsca nad głową. Kształtom planu kołowego brakuje prostej modułowości zapewnianej przez prostokąty. Meble i monterzy projektują z myślą o płaskich powierzchniach. Umieszczenie standardowej sofy przy ścianie zewnętrznej (na przykład) skutkuje marnowaniem półksiężyca za sofą.

Budowniczym kopuł używającym materiału poszycia z ciętej deski (powszechnego w latach 60. i 70.) trudno jest uszczelnić kopuły przed deszczem ze względu na wiele szwów. Również te szwy mogą być obciążone, ponieważ zwykłe ciepło słoneczne wygina całą konstrukcję każdego dnia, gdy słońce porusza się po niebie. Późniejsze dodanie pasków i wewnętrznych elastycznych wykończeń płyt kartonowo-gipsowych praktycznie wyeliminowało ten ruch zauważalny w wykończeniach wewnętrznych.

Najskuteczniejszą metodą hydroizolacji kopuły drewnianej jest pokrycie kopuły gontem . Czapki z daszkiem na szczycie kopuły lub do modyfikacji kształtu kopuły są używane tam, gdzie nachylenie jest niewystarczające dla bariery lodowej. W użyciu są również jednoczęściowe kopuły żelbetowe lub plastikowe , a niektóre kopuły zostały zbudowane z plastikowych lub woskowanych trójkątów kartonowych, które nakładają się na siebie w taki sposób, aby przepuszczały wodę.

Były student Buckminstera Fullera, J. Baldwin, twierdził, że nie ma powodu, aby prawidłowo zaprojektowana, dobrze skonstruowana kopuła przeciekała, a niektóre konstrukcje „nie mogą” przeciekać.

Powiązane wzory

Budowanie bardzo mocnych, stabilnych konstrukcji z wzorów trójkątów wzmacniających jest najczęściej spotykane w projektowaniu namiotów . Stosowano ją abstrakcyjnie w innych wzorach przemysłowych , ale nawet w naukach o zarządzaniu i strukturach deliberatywnych jako konceptualna metafora , zwłaszcza w pracach Stafforda Beera , którego metoda „transmigracji” opiera się tak konkretnie na projektowaniu kopuły, że tylko ustalone liczby ludzie mogą brać udział w procesie na każdym etapie obrad .

Największe konstrukcje kopuł geodezyjnych

Główny artykuł: Lista największych kopuł na świecie

Według Guinness World Records na dzień 30 maja 2021 r. Jeddah Super Dome w Jeddah w Arabii Saudyjskiej ( 21.7496403°N 39.1516230E ), 210 m (690 stóp) jest obecnie największą kopułą geodezyjną. 21°44′59″N 39°09′06″E /  / 21.7496403; 39.1516230

Według Buckminster Fuller Institute w 2010 roku, 10 największych kopuł geodezyjnych na świecie pod względem średnicy w tym czasie to:

Lista Fuller Institute jest już datowana. Kilka ważnych kopuł zostało pominiętych lub zbudowanych później, które obecnie znajdują się w pierwszej dziesiątce. Obecnie wiele kopuł geodezyjnych ma średnicę większą niż 113 m.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki