測地線ドーム

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背景

測地線球は、真の球を近似するポリゴンの配置です。測地線ドームは、測地線球の一部です。建物や屋根は、球の5〜100％の範囲の測地線ドームで構成されています。家に使用されるドームは通常、測地線球の3/8または5/8を形成する三角形の配列です。

測地線ドームは、いくつかの点で効率的な構造です。三角形は非常に安定した形状です。たとえば、長方形の角に力を加えると、長方形が平行四辺形に変形する可能性がありますが、同じ力で三角形が変形することはありません。これにより、測地線ドームの建物は、積雪、地震、風、さらには竜巻などの力に対して非常に耐性があります。測地線ドームの表面積は、同じ床面積を囲む箱型の建物の表面積のわずか38％です。屋外の温度変動にさらされる表面が少ないため、建物は直線構造よりも暖房と冷房が安価になります。測地線ドームは、重機なしですばやく構築できます。プレハブのコンポーネントを使用すると、わずか数人で2,000平方フィート（185平方メートル）の家に10時間以内でドームを建てることができます。

幾何学的なドームは、内部の柱や内部の耐力壁を必要とせずにそれ自体を支えます。このプロパティは、教会、スポーツアリーナ、展示ホールとしての使用に魅力的な構造になります。高い天井の美的魅力は、家として魅力的であり、2階建ての床の全部または一部は、ドーム自体に取り付ける以外のサポートなしで、エンクロージャーの途中に簡単に吊り下げることができます。

歴史

1919年、より大きなプラネタリウムを建設する方法を模索していたドイツのエンジニア、ヴァルターバウアーズフェルドは、固定ドーム内に可動式プロジェクターを取り付けることを決定しました。それまでは、プラネタリウムのドームが回転し、ドームシェルの穴から外光が入り、星や惑星をシミュレートしていました。これにより、ドームの実際のサイズと収容できる人数が制限されました。バウアーズフェルドの内部投影の概念は、はるかに大きなドームで機能します。構築された最初のモデルは球の半分以上でした。直径52フィート（16 m）。バウアーズフェルドは、このような大きな球を二十面体（等しい三角形の面を持つ20面の立体）で近似し、各面を小さな三角形に分割することで、このような大きな球を構築する方法の問題を解決しました。彼は約3,500本の細い鉄の棒から三角形を組み立てました。このフレームワークの上に球殻を構築するために、彼はフレームの内側に球形の木製のフォームを組み立て、ペースト状のコンクリート混合物にスプレーしました。シェルは、直径と比較して卵殻の厚さと同じ比率になるように設計されました。この比率は、後で測地線ドームに適していると考えられています。

30年後、アメリカの建築家、エンジニア、詩人、哲学者であるR.バックミンスターフラーは、独自に同様の構造システムを発明しました。第二次世界大戦後、フラーは大量生産された部品から迅速に建設できる手頃な価格の効率的な住宅を設計したいと考えていました。フラーは、従来のアプローチの外側を見ることをいとわず、最小の表面積で特定のスペースを囲むため、球形で作業を開始しました。彼は最初に、大円（球の中心と一致する中心を持つ球上の円）に近いストリップのネットワークで球を組み立てました。ストリップは互いに交差するときに三角形を形成しました。大円は測地線として知られているため、彼はこの製品を測地線ドームと呼びました（ギリシャ語で地球の分割を意味します）。最終的に、フラーは六角形と五角形（サッカーボールのパネルのような）から球を形成し、強度と構築の容易さのためにそれらを三角形に分割し始めました。

1953年、フラーは新しいシステムを使用して、フォードモーターカンパニーの本社ビルに囲まれた直径93フィート（28 m）の中庭を覆いました。建物は、従来のドームの大きな重量を支えるように設計されていませんでしたが、フラーの作品は95％軽量でした。彼はわずか3か月で設計と建設を完了しました。中庭の中央に建てられた仮設のマストが建設中にドームを支え、新しいセクションが完成するたびに構造物が徐々に持ち上げられ、回転しました。フレームは、合計3,750ポンド（1,700 kg）の12,000個のアルミニウム製支柱で構成され、三角形を形成するように接続された後、所定の位置に持ち上げられ、成長するフレームにリベットで留められました。ドームが完成したら、既存の建物に設置されていたマウントにそっと降ろしました。ドームを完成させるために、透明なグラスファイバーパネルが各三角形に取り付けられました。

1954年、フラーは測地線ドームに関する特許を取得しました。型破りが重要視されていた1960年代から1970年代にかけて、環境に配慮した人々が自分の家を建てるための安価な方法として、幾何学的なドームが人気を博しました。説明書は広く入手可能でしたが、材料の品質（紙張り子や廃棄されたブリキ缶などの奇妙な選択を含む）と日曜大工のビルダーのスキルには一貫性がありませんでした。アマチュア製のドームは雨が降ると漏れる傾向があり、断熱材の使用が不十分なためエネルギー効率が制限され、天窓の数が不十分なために内部が悲惨な状態になりました。

フラーは、1980年代半ばまでに100万個の測地線ドームが建設されると予測しましたが、1990年代初頭までに、世界の数は50,000〜300,000になりました。小さいながらも永続的な型破りな住宅建設業者の派遣団は、主にキットから測地線ドーム住宅を建設し続けています。ただし、ニューズデイ 1992年に、測地線ドーム構造の大部分が温室、物置小屋、防衛シェルター、および観光名所のために建設されたと報告されました。これらの中で最もよく知られているものの1つは、ウォルトディズニーワールドのエプコットセンターにある直径165フィート（48 m）の球体です。 1982年にエチレンプラスチックとアルミニウムの複合パネルで構築されたこの構造には、フラー自身が造語したスペースシップアースと呼ばれる乗り物があります。

原材料

測地線ドームのサイズは、ベネズエラの460フィート（143 m）のポリエドロデカラカススポーツアリーナから、直径15フィート（5 m）以下の仮設シェルターまでさまざまです。その結果、建設資材は大きく異なります。単純な可動構造は、ポリ塩化ビニル（PVC）パイプ、またはプラスチックシートまたはパラシュートキャノピーで覆われた亜鉛メッキ鋼製電線管フレームで構築できます。アリーナや工場のような大きくて恒久的な構造物は、アルミニウム、銅、構造用石膏、アクリル、またはプレキシグラスのパネルで覆われたアルミニウムや鉄骨の支柱などの材料で作られています。

ほとんどの住宅用ドームキットメーカーは、木材部品、主に0.5インチ（1.3 cm）の外装または構造グレードの合板で覆われた窯で乾燥させたダグラスファーストラットを使用しています。このようなキットには、木製の支柱を適切な構成でしっかりと固定するためのさまざまな設計のコネクタが含まれています。コネクタには、高強度アルミニウム、または亜鉛、エポキシ、または工業用プライマーでコーティングされた鋼が一般的に使用されます。亜鉛メッキ鋼のボルトがコネクタを固定し、パネルが釘付けされています。

いくつかのキットメーカーは、代替材料を使用して、フレームと外装カバーを組み合わせたプレハブパネルを作成しています。たとえば、1つは成形ガラス繊維パネルを製造します。別の供給は鉄筋コンクリートパネルです。パネルの端から伸びるスチールメッシュは、隣接するパネルのメッシュと重なり、接合部はコンクリートで密閉されています。

ほとんどのドームキットは、コンクリート基礎スラブの上に構築されています。多くの場合、これらのスラブは地下室のレベルを提供するために地面に埋め込まれています。基礎壁とライザー壁（ドーム全体の高さを上げるために使用できるドームの下の垂直壁）は、通常、コンクリートまたは木でできています。一般的に内部断熱材 測地線ドームの構築。ガラス繊維の中綿またはスプレーされたウレタン、セルロース、またはイシネンプラスチックフォームで構成されています。

デザイン

ドーム型住宅は製造されたキットから作られていますが、設計は柔軟です。ドームの最下列にある三角形の半分は、構造を弱めることなく削除できるため、ドアや窓の開口部を十分に確保できます。床面積を増やすために、そのような開口部から垂直壁の延長を構築することができます。ドームは、地面レベルの基礎（建物の重量を支えるために地面に埋め込まれた短い壁）に直接置くことも、高さ8フィート（2.5 m）までのライザー壁の上に建てることもできます。

断熱材を収容するために、内壁と外壁の間にスペースを設ける必要があります。一部のメーカーは、厚さ4〜8インチ（10〜20 cm）の木材で支柱を作成することでこのスペースを作成しています。他の人は、合板のガセットで結合された2つの木材のストリップからなる複合支柱を使用して、このスペースを14.5-21インチ（37-53 cm）の厚さにします。

製造プロセス

以下は、さまざまなメーカーのキットを使用して、複数の個人が使用する手法を組み合わせたものです。

下部構造

• 1ホームサイトをクリアして水平にした後、キットの製造元から提供された詳細な図面に従って、基礎基礎用の溝を掘ります。ドームのベースは円形ではありません。むしろ、5つの短い壁と5つの長い壁（短い壁の2倍の長さ）が交互に並んでいます。基礎用のフォームが配置されます。多くのビルダーは、削除する必要のない恒久的な発泡スチロールのフォームを使用することを好みます。次に、コンクリートが基礎フォームに注がれます。
• 2砂の層を使用して、表面をさらに平らにし、基礎スラブの土台を提供することができます。鉄筋を格子状に結び、コンクリートを流し込んで基礎を作ります。
• 3基礎壁は、ほぼ地面の高さまで、基礎の上に構築されます。必要に応じて、ライザー壁（キットの一部として提供されます）を基礎壁の上に取り付け、互いにボルトで固定します。
• 4床根太は、基礎の上に16インチ（40 cm）離れた木製の2x12（1.5x1.5インチ[3.8x29.2]）ボードを立てて設置します。根太は、周囲の木製フレームと木製の梁に釘付けされています。厚さ3/4インチ（1.9 cm）の合板シートが根太全体に配置され、所定の位置に釘付けされます。

上部構造

上部構造は通常、60枚の三角形のパネルで構成されています。ドームの希望するサイズに応じて、パネルは通常、一辺が6〜10フィート（1.8〜3 m）です。それらは、外部パネルが取り付けられた状態でプレハブされている場合もあれば、プレカットされた材木と金属コネクタから現場で構築されている場合もあります。

ドームパネルがキットに付属している場合は、基礎またはライザーの壁の上に設置され、製造元が指定した順序で相互に接続されます。十分な数のパネルが接続されてそれ自体を支えるまで、床の中央のブロックから放射状に広がるポールで補強する必要があります。次の手順では、フレームの組み立てとそれに続く外部パネルの取り付けのより一般的なケースについて説明します。

• 5つのベースプレートが基礎またはライザーの壁の上に取り付けられています。これらの正確に面取りされた4x6インチ（10x15 cm）の木製ストリップは、壁の水平な上端と、ドームの下部パネルのストリップのわずかに傾斜した三角形との間の移行を提供します。
• 6キットの木製支柱と金属コネクタの色分けに合わせて、三角形を形成し、ボルトで固定します。三角形が所定の位置に持ち上げられ、壁や隣接する三角形にボルトで固定されます。ドームが完全に形成されるまで、三角形の要素の連続した列が配置されます。三角形は軽量であるため、建設中に三角形を所定の位置に保持するために補助的なブレースを必要としません。
• 7つの木製スタッドが各三角形の内側に釘付けされています。三角形の片側に垂直に走り、約16インチ（40 cm）離れて配置されます。奇数のスタッドを使用する場合、中央のスタッドは、頂点まで伸びるのではなく、三角形の頂点の近くの垂直ブロックに対して固定されます。
• 8色分けされたエッジに合わせて、合板パネルを各三角形の外側の所定の位置に持ち上げ、所定の位置に釘付けします。ドームの上から下に向かって作業することで、作業者は各パネルを取り付けながら、下の開いたフレームワークの上に立つことができます。
• 9垂直の壁と屋根は、ドームから外側に突き出る任意の延長部分に合わせて組み立てられています。合板パネルはエクステンションの外面に釘付けされています。ドーマーエクステンションは、2階建ての窓にも設置できます。

仕上げ

• 10個の窓、天窓、外部​​ドアが設置されています。
• 11屋根はゴムシートで覆われ、従来の屋根材（帯状疱疹やタイルなど）が使用されています。
• 12ライザー壁の外側には、従来のサイディング材（スタッコやビニールサイディングなど）が使用されています。
• 13断熱材は、ドームと延長壁の内側の支柱とスタッドの間に配置されます。
• 14壁は、内部を部屋に分割するために組み立てられています。従来の乾式壁シートは、キットに含まれているパターンに従ってカットされ、ドームとライザーの壁の内壁と内面に釘付けされます。ドームの三角形のセクションの間には多くの角度があるため、アマチュアビルダーは乾式壁の接合部をテープで固定するために専門家を雇うことがよくあります。

品質管理

高品質の測地線ドーム構造は気密性があり、構造的に健全です。これらは、測地線住宅を建設する際の主な考慮事項であるエネルギーコストを下げる要因です。構造は基本的に気密性があるため、凝縮が問題になる場合があります。通常、それは冷暖房システムによって制御されますが、家が数日間閉鎖されると、湿気が蓄積する可能性があります。これは、エアシステムをオンにするか、ドアや窓を開くことで簡単に解決できます。

リチャード・バックミンスター・フラー。

リチャードバックミンスターフラーは1895年7月12日、マサチューセッツ州ミルトンで生まれました。彼は1913年にハーバード大学に入学しましたが、2年後に退学しました。 1917年、彼はアン・ヒューレットと結婚し、建設会社を設立しました。フラーは1923年に、コンクリートで補強された垂直の穴のあるレンガである、柵のレンガ積み方法を発明しました。 1927年に、彼は工場で組み立てられたダイマクションハウスを設計しました。これは、完全なリサイクルシステムを備えた中央のマストから吊り下げられた自己完結型のユニットです。ダイマキシオンは、最小の入力から最大の出力を引き出すために彼が使用した用語でした。フラーはまた、1928年にダイマクションカー（風の抵抗を最小限に抑えた全方向性車両）を設計しました。この車両は、12席、180度回転、120 mph（193 kmph）、平均28 mi / gal（12 km / I）しかし、自動車メーカーが大量生産しないため、不採算でした。

フラーの経済的打撃は、1940年に彼のダイマキシオン配備ユニット（DDUj、パイ型の波形鋼室を備えた円形の自己冷却型リビングユニット。英国は第二次世界大戦でDDUを使用しました。1949年にフラーはジオデシックの作業を開始しました。彼は1951年に特許を申請し、1953年にフォードモーターカンパニーからデトロイトの本社の中庭にドームを建設する契約を結びました。米国国防総省は、ドームを仮設住宅ユニットとして使用し、フラーの最大の顧客になりました。過酷な環境からレーダー機器を保護します。

1983年に亡くなったとき、フラーのドームは世界中で使用されていました。 1985年にフラーレンが発見されました。フラーレンは、測地線ドームに似た、五角形と六角形の面を持つ球のような形に配置された炭素原子です。これらの「バッキーボール」は、最大980個の炭素原子を持っています。

未来

測地線ドーム構造の将来の改良は、改良された建築材料からもたらされる可能性があります。たとえば、1997年に、コンクリートブロックの製造業者は、隣接するブロックと連動できる切り込みのあるエッジを備えた、中空の斜角の三角形のブロックを開発しました。適切な形状のこのようなブロックは、ドームを構築するために使用できます。

別の革新には、異なる数学的前提に基づいてドームを設計することが含まれます。真の測地線ドームでは、三角形の要素のエッジが整列して大円を形成します。測地線ではありませんが、1989年に特許を取得した新しいデザインでは、六角形と五角形を使用して、断面が楕円形のドームを形成しています。その数学的導出のために、この設計はジオタンジェントと呼ばれます。

測地線ドームは建設資材を最小限に抑えながら強度を最大化しますが、楕円形のドームには2つの異なる利点があります。それらは球形のドームのように高くなることなく円形の領域をカバーすることができます。また、標高が異なる細長いまたは不規則な形状の領域をカバーできます。メキシコ北部に位置する世界最大の工業用ドームは、長さ735フィート（224 m）、幅260フィート（80 m）の楕円形の屋根で覆われた製造用の建物のペアです。