测地圆顶

背景

测地线球体是近似于真实球体的多边形排列。测地圆顶是测地球的一部分。建筑物或屋顶由测地圆顶构成，其范围为球体的 5-100%。用于房屋的圆顶通常是三角形阵列，形成测地球的八分之三或八分之五。

测地圆顶在几个方面都是有效的结构。三角形是一个非常稳定的形状；例如，施加在矩形角上的力可以将其变形为平行四边形，但同样的力不会使三角形变形。这使得测地圆顶建筑能够高度抵抗积雪、地震、风甚至龙卷风等力量。测地圆顶的表面积仅为封闭相同楼层空间的箱形建筑表面积的 38%。暴露于室外温度波动的表面较少，因此与直线结构相比，建筑物的加热和冷却成本更低。无需重型设备即可快速建造测地圆顶。使用预制组件，只需几个人即可在 10 小时或更短的时间内为 2,000 平方英尺（185 平方米）的房屋搭建圆顶。

几何圆顶无需内部柱子或内部承重墙即可支撑自身。这一特性使得这种结构很适合用作教堂、运动场和展览厅。高高的天花板的美感使它们作为住宅很有吸引力，整个或部分二层楼很容易悬挂在围墙的一半处，除了与圆顶本身的连接外，没有任何支撑。

历史

1919 年，为了寻求建造更大的天文馆的方法，德国工程师 Walter Bauersfeld 决定在固定圆顶内安装可移动投影仪。在那之前，天文馆圆顶旋转，而外部光线通过圆顶外壳上的孔进入以模拟恒星和行星。这限制了圆顶的实际大小和它可以容纳的人数。 Bauersfeld 的内部投影概念适用于更大的圆顶。构建的第一个模型超过半个球体；直径 52 英尺（16 米）。鲍尔斯菲尔德通过用二十面体（具有相等三角形面的 20 边实体）近似并将每个面细分为更小的三角形来解决如何构建如此大的球体的问题。他用近 3,500 根细铁棒将三角形框起来。为了在这个框架上建造一个球壳，他在框架内竖立了一个球形的木制模型，并喷涂在糊状的混凝土混合物上。外壳被设计成与蛋壳的厚度与其直径相同的比例厚度，这个比例后来被认为适用于测地圆顶。

三十年后，美国建筑师、工程师、诗人和哲学家 R. Buckminster Fuller 独立发明了类似的结构系统。二战后，富勒希望设计出经济实惠、高效的住房，可以用大量生产的组件快速建造。为了超越传统方法，富勒开始研究球形，因为它们以最小的表面积包围给定的空间。他首先用近似大圆（球体上的圆，其中心与球体的中心重合）的条带网络将球体框起来；条带相互交叉时形成三角形。他称该产品为测地圆顶，因为大圆被称为测地线（来自希腊词，意思是地球分割）。最终，富勒开始从六边形和五边形（就像足球上的面板）形成球体，并将它们分成三角形以增加强度和易于构建。

1953 年，富勒使用他的新系统覆盖了福特汽车公司总部大楼周围 93 英尺（28 米）直径的庭院。这座建筑的设计目的不是为了支撑传统圆顶的巨大重量，但富勒的创作重量减轻了 95%。他只用了三个月就完成了设计和施工。在建造过程中，在庭院中央竖立的临时桅杆支撑着圆顶，在每个新部分完成后，该结构逐渐升高和旋转。框架由 12,000 个铝支柱组成，总重 3,750 磅（1,700 千克），这些支柱连接起来形成三角形，然后被提升到位并铆接在不断增长的框架上。当圆顶完工时，它被轻轻地放到已经安装在现有建筑物上的支架上。每个三角形都安装了一块透明的玻璃纤维板，以完成圆顶。

1954 年，富勒获得了测地圆顶的专利。在 1960 年代和 1970 年代，非常规性受到重视，几何圆顶作为具有环保意识的人们建造自己房屋的廉价方式而流行起来。说明随处可见，但材料的质量（包括纸浆和废弃的锡罐等奇怪的选择）和自己动手的建造者的技能并不一致。业余建造的穹顶在下雨时往往会漏水，绝缘材料的使用不足限制了它们的能源效率，而且天窗数量不足使室内变得沉闷。

富勒预测，到 1980 年代中期将建造一百万个测地圆顶，但到 1990 年代初，估计全球数量在 50,000 到 300,000 之间。一小部分但持续不断的非常规房屋建筑商继续建造测地圆顶房屋，主要是使用套件。然而，新闻日 1992 年报道说，大多数测地圆顶结构是为温室、储藏棚、防御避难所和旅游景点而建造的。其中最知名的球体之一是位于沃尔特迪斯尼世界未来世界中心的直径 165 英尺（48 米）的球体。该结构于 1982 年由乙烯塑料和铝的复合板制成，里面有一个名为“地球飞船”的游乐设施，这个名字由富勒自己创造。

原材料

测地圆顶的大小范围从委内瑞拉的 460 英尺（143 米）Poliedro de Caracas 体育场到直径为 15 英尺（5 米）或更小的临时避难所。因此，建筑材料差异很大。简单、可移动的结构可以由聚氯乙烯 (PVC) 管或镀锌钢导管框架制成，上面覆盖着塑料布或降落伞伞盖。大型永久性结构，如竞技场和工厂，是由铝和钢框架支柱等材料建造的，上面覆盖着铝、铜、结构石膏、亚克力或有机玻璃面板。

大多数住宅圆顶套件制造商使用木质部件，主要是窑干花旗松支柱，上面覆盖着 0.5 英寸（1.3 厘米）的外部或结构级胶合板。此类套件包括各种设计的连接器，可将木支柱以适当的配置牢固地固定在一起；高强度铝或涂有锌、环氧树脂或工业底漆的钢通常用于连接器。镀锌钢螺栓固定连接器，并钉上镶板。

一些套件制造商使用替代材料来制造结合框架和外部覆盖物的预制面板。例如，一种是制造模压玻璃纤维板。另供应钢筋混凝土板；从面板边缘伸出的钢网与相邻面板的网格重叠，并用混凝土密封接缝。

大多数圆顶套件都建在混凝土基础板上。通常，这些板被嵌入地下以提供地下室水平。基础墙和立管墙（穹顶下方的垂直墙，可用于提高其整体高度）通常由混凝土或木材制成。内保温一般 构建测地圆顶。由玻璃纤维棉絮或喷涂聚氨酯、纤维素或 Icynene 塑料泡沫组成。

设计

虽然圆顶房屋是由制造套件建造的，但设计是灵活的。可以在不削弱结构的情况下移除穹顶最低排中多达一半的三角形，因此门窗开口可以很丰富。可以从这些开口建造垂直墙壁的延伸部分，以增加地面空间。圆顶可以直接坐落在地面基础上（嵌入地面的短墙以承受建筑物的重量），也可以竖立在高达 8 英尺 (2.5 m) 的立管墙上。

必须在内墙和外墙之间提供空间以容纳绝缘材料。一些制造商通过用 4-8 英寸（10-20 厘米）厚的木材制作支柱来创造这个空间。其他人通过使用由两条与胶合板角撑板连接的木材条组成的复合支柱使这个空间厚度为 14.5-21 英寸（37-53 厘米）。

制造过程

以下是几个人使用来自不同制造商的套件所使用的技术组合。

子结构

• 1 在清理和平整家庭场地后，按照套件制造商提供的详细图纸为基础挖沟。圆顶的底部不是圆形的；相反，它由五个短墙和五个长墙（短墙长度的两倍）交替勾勒出来。为基础放置了表格；许多建筑商喜欢使用不需要移除的永久性泡沫聚苯乙烯模板。然后在基础模板中浇筑混凝土。
• 2 可以使用一层沙子进一步平整表面并为地基提供基础。钢筋在网格中捆绑在一起，浇筑混凝土以形成基础。
• 3 基础墙建在基础之上，大约达到地面水平。如果需要，可以将立管墙（作为套件的一部分提供）安装在基础墙的顶部并彼此用螺栓固定。
• 4 个地板托梁通过在基础上方相距 16 英寸（40 厘米）的 2x12（1.5x1.5 英寸 [3.8x29.2]）木板安装。托梁被钉在周边的木制框架和木制横梁上。四分之三英寸（1.9 厘米）厚的胶合板铺在托梁上并固定到位。

上层建筑

上部结构通常由 60 个三角形面板组成。根据所需的圆顶尺寸，面板的一侧通常为 6-10 英尺（1.8-3 m）。它们可以在安装了外板的情况下进行预制，也可以在现场使用预切木材和金属连接件进行建造。

如果圆顶面板随套件一起提供，则它们被设置在基础或立管壁的顶部，并按照制造商规定的顺序相互连接。在连接足够的面板以支撑自身之前，它们必须用从地板中心的块向外辐射的杆支撑。以下步骤描述了更常见的框架安装情况，然后安装外板：

• 5 底板安装在基础或立管墙的顶部。这些精确斜切的 4x6 英寸（10x15 厘米）木条在墙壁的水平顶部边缘和圆顶底部面板条的略微倾斜的三角形之间提供了过渡。
• 6 与套件的木制支柱和金属连接器上的颜色编码相匹配，形成一个三角形并用螺栓固定。三角形被提升到位并用螺栓固定在墙上和/或相邻的三角形上。放置连续的三角形元素行，直到完全形成圆顶。由于重量轻，三角形在施工过程中不需要额外的支撑来将它们固定到位。
• 7 个木钉钉在每个三角形内。与三角形的一侧垂直，它们相距约 16 英寸（40 厘米）。如果使用奇数个螺柱，则中心的螺柱固定在三角形顶点附近的垂直块上，而不是延伸到顶点。
• 8 匹配颜色编码的边缘，胶合板面板被提升到每个三角形外部的位置并钉到位。通过从圆顶的顶部向下工作，工人可以站在下面的开放框架上，同时连接每个面板。
• 9 垂直墙壁和屋顶被框起来，用于从圆顶向外突出的任何所需扩展。胶合板被钉在延伸部分的外表面上。也可以为二层窗户安装天窗扩展部分。

整理

• 安装了 10 个窗户、天窗和外门。
• 11 屋顶覆盖有橡胶板，并使用常规屋顶材料（如木瓦或瓦片）。
• 12 常规壁板材料（例如灰泥或乙烯基壁板）应用于立管墙的外部。
• 13 绝缘材料放置在圆顶和延伸墙内的支柱和立柱之间。
• 14 面墙被框起来，将室内分隔成多个房间。传统的干墙板根据套件中包含的图案进行切割，并将它们钉在内墙以及圆顶和立管墙的内表面上。由于圆顶的三角形部分之间有许多角度，业余建造者经常聘请专业人士来粘贴石膏板接缝。

质量控制

优质的测地圆顶结构是密封且结构合理的。这些是降低能源成本的因素，是建造测地线住宅时的主要考虑因素。由于结构基本上是密封的，因此有时会出现冷凝问题。通常它是由加热和冷却系统控制的，但是当房子关闭几天后，水分就会积聚。这可以通过打开空气系统或打开门窗轻松解决。

理查德·巴克敏斯特·富勒。

理查德·巴克明斯特·富勒 (Richard Buckminster Fuller) 于 1895 年 7 月 12 日出生于马萨诸塞州的米尔顿。他于 1913 年进入哈佛大学，但两年后被开除。 1917 年，他与安妮·休利特 (Anne Hewlett) 结婚并成立了一家建筑公司。 1923年，富勒发明了寨子砌砖法——用混凝土加固的带有垂直孔的砖。 1927 年，他设计了工厂组装的 Dymaxion 房屋，这是一个独立的单元，悬挂在中央桅杆上，具有完整的回收系统。 Dymaxion 是他用来表示从最小输入中获得最大输出的任何事物的术语。富勒还在 1928 年设计了一辆 Dymaxion 汽车——一种风阻最小的全向汽车。这款汽车可以容纳 12 人，进行 180 度转弯，以 120 英里/小时（193 公里/小时）的速度轻松行驶，平均时速为 28 英里/加仑（12 公里/小时）。 I）但无利可图，因为汽车制造商不会大规模生产它。

富勒的财务状况在 1940 年随着他的 Dymaxion 部署单元（DDUj，一种圆形自冷生活单元，带有饼状波纹钢房间。英国人在二战中使用过 DDU。1949 年，富勒开始研究测地线圆顶。他于 1951 年申请了专利，并于 1953 年获得福特汽车公司的合同，在底特律的总部庭院上建造圆顶。美国国防部成为富勒的最大客户，使用圆顶作为临时住房单元并保护雷达设备免受恶劣环境的影响。

在他 1983 年去世时，富勒的圆顶在全球范围内使用。 1985年，富勒烯被发现。富勒烯是排列成球状的碳原子，具有五边形和六边形面，类似于测地圆顶。这些“巴基球”有多达 980 个碳原子。

未来

测地圆顶结构的未来改进可能来自改进的建筑材料。例如，1997 年，一家混凝土砌块制造商开发了一种中空、斜切的三角形砌块，其边缘有划痕，可以与相邻砌块互锁。如果形状合适，这样的块可以用来建造圆顶。

另一项创新涉及根据不同的数学前提设计圆顶。在真正的测地圆顶中，三角形元素的边缘对齐以形成大圆圈。虽然不是测地线，但 1989 年获得专利的新设计使用六边形和五边形来形成具有椭圆形横截面的圆顶。由于其数学推导，这种设计被称为geotangent。

虽然测地圆顶在最大限度地减少建筑材料的同时最大限度地提高了强度，但椭圆形圆顶提供了两个不同的优势。它们可以覆盖圆形区域，而不会像球形穹顶一样高。它们可以覆盖高度不同的细长或不规则形状的区域。世界上最大的工业圆顶位于墨西哥北部，是一对覆盖着 735 英尺 (224 m) 长和 260 英尺 (80 m) 宽椭圆屋顶的制造建筑。