Геодезические купола как наиболее эффективные строительные системы

История человеческой цивилизации - это история экспериментов человека с материалами и конструкциями. Подбирая разнообразные их сочетания, он стремился с минимальными затратами добиться максимального эффекта. И ни один человек в мире не приблизился к этой цели в большей степени, чем Р. Бакминстер Фуллер - философ, математик, инженер, историк, поэт и, помимо всего прочего, изобретатель геодезических куполов.

О том, что это такое, мир впервые узнал в 1951 г., когда Фуллер зарегистрировал свое изобретение. Сегодня же геодезические купола известны во всем мире как наиболее эффективные строительные системы.

Еще недавно при адаптации куполов к нуждам частных домовладельцев возникали проблемы вследствие недостатка необходимой проектно-технической документации, стандартных деталей купольных конструкций, а также строительных рабочих, имеющих опыт возведения подобных объектов. Однако сегодня на строительном рынке США и Канады есть и то, и другое, и третье. Сеть фирм, изготавливающих стандартные комплекты купольных домов, строительных и дистрибьюторских фирм, занимающихся их монтажом и продажей, пронизывает обе страны, что делает жилой купол одной из реалий повседневной жизни Северной Америки.

Геодезический купол не нуждается в несущих стенах для поддержки перекрытия, вследствие чего вариантов решения интерьера в подкупольном пространстве практически не счесть. Особенности распространения света и звука, эргономические достоинства, нетрадиционные для жилища своды, напоминающие храмовые, свежие идеи в дизайне всех элементов интерьера и, разумеется, энергоэкономичность также повышают ценность дома-купола. Представляет несомненный интерес и внешний вид такого строения - оболочка-купол легко вписывается в любой ландшафт, не нарушая его гармонии. Характер распределения нагрузок по оболочке купола позволяет изъять из его опорного кольца до 50% треугольных пластин. (Большинство купольных комплектов фабричного изготовления поступает с изъятыми 15 треугольниками из 30.) Ненесущие проемы могут быть использованы для инсталляции обрамления дверных и оконных проемов, а также тамбуров, веранд, в том числе и застекленных, так называемых зимних садов.

Геодезический купол - это не просто совокупность треугольников, соединенных особым образом. Геометрическая симметрия порождает сочетание прочности и компактности и создает эффект беспрецедентной новизны.

Хотя большинство авторов описаний преимуществ проживания в полусфере - это владельцы купольных домов, именно субъективные человеческие впечатления являются наиболее важным критерием при оценке достоинств такого образа жизни. Самое важное качество, присущее всем домам купольного типа, это приятное ощущение, которое охватывает вас, как только вы открываете дверь и попадаете внутрь жилища.

Именно сфера, как известно, способна объять заданный объем поверхностью наименьшей площади. Поэтому полусфера - наиболее эффективная форма для перекрывания заданной площади. Если полусферу "обмять", переформовать в параллелепипед, то обнаружится, что потеряно от 20 до 30% пространства интерьера. Если, далее, полученную коробку преобразовать в 3-гранную пирамиду, то потери составят уже 66%.

Поскольку большинство традиционных домов представляют собой комбинацию прямоугольных и треугольных форм, то средние потери интерьерных площадей и пространств составят по сравнению с сооружением с использованием куполов от 40 до 60%.

Форма сооружения является фактором номер один при определении его энергоэффективности. Именно от общей площади поверхности ограждений (имеются в виду стены плюс кровля), а не толщины слоя теплоизоляции, наличия двойного остекления, типа дверей, отопительных приборов и системы отопления зависит в первую очередь количество теплопотерь.

Выше упоминались особые светоакустические характеристики интерьера, ограниченного сферической поверхностью. Такая поверхность имеет свойство рассеивать свет, тогда как прямоугольная - абсорбировать, поглощать его. (Разница в интенсивности свечения ощущается сразу же при замене квадратного абажура круглым.) Именно поэтому часто внутри купола при отсутствии искусственного освещения чаще бывает светлее, чем снаружи. Звук внутри купола распределяется равномернее, благодаря минимальной площади поверхности ограждения меньше звуков проникает в полусферическое помещение снаружи. Из того же количества звуков, что проникло, гораздо больше, чем в случае прямоугольного интерьера, гасится в силу многократного отражения от различных точек внутренней сферической поверхности.

В идеале строящие тот или иной дом стараются разместить его так, чтобы с учетом особенностей дома обеспечить максимальную его защиту от атмосферных воздействий, использовать естественный дренаж, оптимальное солнечное освещение, особенности рельефа. Однако в большинстве случаев взаимное влияние формы и размеров участка, видовых акцентов, парадных и хозяйственных подъездных путей, подходов и дорожек снижает потенциал достоинств природного окружения, которые могут быть в том или ином конкретном случае использованы.

Разносторонняя ориентация дома-купола предоставляет возможность гибкого размещения его на участке. Поскольку простейший купольный дом имеет 5 длинных наружных стен, основной этаж его сориентирован не по 4, как обычно, а по 5 пространственным направлениям. При этом верхняя часть купольной оболочки, представляя собой практически правильную сферу, сориентирована по всем возможным направлениям. Все это представляет идеальную возможность размещения купольного дома с точки зрения инсоляции и благоприятных видовых точек. Любая из 60 треугольных поверхностей, составляющих оболочку купола (3/8 сферы), может быть открыта дневному свету и является выгодной точкой обзора окрестностей.

Обтекаемая форма купола, отсутствие фасадных плоскостей как таковых дает конструкции возможность равномерного поверхностного распределения природных перегрузок - снеговых, ветровых, сейсмических.

Все это значительно расширяет сферу применения куполов (причем не только в жилищном строительстве). Сложный рельеф, суровые природные условия - ничего этого не существует для купольного строения. Уже более четверти века в Антарктиде успешно применяются радарные установки, башнями которых являются геодезические купола.

Площадь пола первого этажа может быть удвоена, если фундаментная часть представляет собой цоколь из бетона либо пропитанной древесины. Эта дополнительная вертикальная составляющая позволяет адаптировать купольный дом к узким, обрывистым участкам.

Вообще, вертикальные стены как средство увеличения высоты дома на 2-7 футов (0,61-2,13 м) используются не часто. Следует отметить, что в этом случае удается нарастить и полезную площадь верхнего этажа.

Само по себе устройство мансарды в подкупольном пространстве есть очень привлекательный и экономичный способ увеличения площади интерьера без увеличения площади кровли. В зависимости от диаметра купола и высоты вертикальных стен площадь мансарды может варьироваться. Причем соотношение здесь примерно следующее: наращивание вертикальной стены на 1 фут (0,304 м) в высоту на столько же увеличивает диаметр пола мансарды.

Разнообразные пристройки к основному этажу купольного дома (солярии, веранды, бассейны, тамбуры, гаражи, навесы для машин) создают дополнительное полезное пространство. Такую же роль могут играть свесы, карнизы, козырьки. Стоит ли говорить, что грамотное принятие подобных решений вносит существенное разнообразие в экстерьер здания?

Предпримем небольшой экскурс в прошлое. Известно, что использование сфероидальных многогранников характерно для многих культур, составляющих историю человечества. Здесь и оплетенные сосуды, и различные резервуары, в том числе бассейны, и головные уборы, и, наконец, своды различных зданий и сооружений. Так или иначе, математические модели многогранников (тетраэдра, куба, икосаэдра, додекаэдра и так далее) были созданы древними греками. Древние же римляне первыми применили эти знания в строительстве, возводя бетонные купола с применением пространственных каркасов, представляющих собой означенные многогранники.

В 20-е годы ХХ века немецкий инженер и ученый Вальтер Бауэрсфельд создал первый железобетонный геодезический купол для первого планетария фирмы Zeiss Optical Works в Йене (Германия).

В 40-е годы упомянутый Бакминстер Фуллер, исходя из структуры древнегреческого икосаэдра, создал Димаксион, или геодезический купол, предназначенный для использования в архитектурных сооружениях. Применив икосаэдрический купол как основу для картографической проекции, Фуллер стал единственным в мире человеком, удостоенным патента за картографический процесс (сегодня это следует называть текстурокартографическим алгоритмом). Открытые позже сложные высокопрочные многогранные молекулярные соединения были названы в его честь бакминстер-фуллеринами (или попросту баки-боллз).

Но вот что примечательно. Да, работы Фуллера, посвященные геодезическим куполам, произвели большое впечатление на молодых инженеров, особенно в 60-е годы. Тем не менее в целом надеждам на экономическую эффективность куполов в плане решения проблем домостроения не суждено было оправдаться. Почему?

Главная причина состоит в том, что идеальный замысел требовал идеального исполнения, которое не всегда достигалось на практике. Некоторые из первых купольных "хижин" просто безобразны. Более того, даже качественно построенные куполообразные здания на поверку не всегда хорошо вписываются в архитектурно-планировочную концепцию пригородов.

Далее, применение нестандартного каркаса порождает проблемы с техническим нормированием, с получением необходимых разрешений. Наконец, произвольно встраиваемые в ограждения дверные и оконные блоки часто снижают конструктивную прочность и энергетическую эффективность сооружения.

Несмотря на это, во всем мире существует множество великолепных купольных домов и легион их поклонников. Развитие системы Internet породило новую волну интереса к куполам. Множество людей начинает заново открывать для себя эти жизнеутверждающие, конструктивно безопасные, экологически продуманные формы жилищ.

Для того чтобы внести несколько большую ясность в возможные в будущем более тесные взаимоотношения грядущих поколений строителей и архитекторов с купольными конструкциями, предпримем в заключение попытку их классификации.

Например, геометрические купола имеют подчеркнутую геометрическую структуру, к негеометрическим же относятся сплошные цельные оболочки, такие, как керамические шары. Геодезическими являются многогранные купола с регулярной полигональной структурой.

Наконец, в 1996 г. были изобретены стратодезические купола. Таким образом, был подведен итог работе, начатой вашим покорным слугой еще в начале 80-х. Отличие страдодезических куполов, также многогранных, от геодезических состоит в том, что основой структуры последних является радиальная симметрия. Страдодезические же купола имеют в своей основе симметрию осевую.

Геодезические купола лучше воспринимают нагрузки, векторы которых сходятся в одной и той же точке - центре исходной сферы. Стратодезические же более устойчивы к вертикальным нагрузкам. Уже поэтому для архитекторов и строителей они предпочтительнее.

К тому же осевая симметрия позволяет рассекать купол на гораздо большее количество горизонтальных слоев, ограниченных параллельными плоскостями, чем радиальная, что делает стратодезические купола более дружественными как к традиционным методам строительного конструирования, так и к поточным методам сборки.

Таким образом, геодезические купола лучше в архитектуре не применять. Где угодно, только не в архитектурном проектировании. Оптимальным же вариантом структуры купольной постройки является стратодезическая.

Роберт М. ФРИ, перевела Людмила СЕЛИВОНЧИК