网格穹顶

网格穹顶，或称网格球顶、测地线圆顶、富勒穹顶，是根据球面多面体的半球形薄壳结构（晶格壳）。圆顶的三角形元件在结构上是刚性的，并将结构应力分布在整个结构中，使得测地圆顶能够承受相对其尺寸非常重的负载。

## 历史

第一个网格穹顶是在第一次世界大战之后由蔡司光学公司的工程师Walther Bauersfeld设计的，负责建造 天文馆 来容纳他的天象仪投影机。最初的小圆顶由“Dykerhoff”和“Wydmann”公司在德国耶拿的蔡司光学公司屋顶上建造并获得专利。一个名为“耶拿的奇迹”的大圆顶于1926年7月向公众开放。

二十年后，巴克敏斯特·富勒于1948年和1949年与艺术家Kenneth Snelson 在黑山学院 进行实地实验，创造了“geodesic”一词。虽然富勒不是最初的发明者，但他是他因这一想法在美国的普及而受到赞誉，并于1954年6月29日获得了2682235A。现存最古老的圆顶由富勒亲自建造，位于马萨诸塞州伍兹霍尔，由他指导的学生于 1953 年用了三个星期的时间建造而成。

网格穹顶之所以吸引富勒，是因为它的重量非常坚固，其“全三角”表面提供了固有的稳定结构，并且因为球体以最小的表面积包围了最大的体积。

该穹顶被成功地用于特殊用途，例如1956 年在加拿大建造的21个远程预警线穹顶，1958年联合坦克汽车公司穹顶，由“Synergetics，Inc.”的“Thomas C. Howard”和专业设计诸如Kaiser Aluminium穹顶（在美国许多地方建造，例如弗吉尼亚州弗吉尼亚海滩），礼堂，天气观测台和储存设施等建筑物。

从1954年开始，美国海军陆战队尝试使用直升机进行测地穹顶运输。一个30英尺的木质和塑胶测地线穹顶被直升机以50节的速度升起并运送，没有损坏。测试包括组装实践，以前未经训练的海军陆战队员能够在2小时25分钟内组装一个30英尺的镁合金穹顶，直升机起飞航空母舰，并进行耐久性测试，其中锚定穹顶成功承受了一天120英里/小时120mph锚定飞机的双3000马力发动机的螺旋桨爆炸无损坏。

1958 年位于俄克拉荷马州俄克拉荷马城的Gold Dome采用了富勒的设计，用作银行大楼。另一个早期的例子是建于1962年圣母大学的Stepan Center。

1964 年在纽约市穹顶作为举行的世界博览会的展馆而被介绍给更广泛的观众，由“Synergetics,Inc.”的“Thomas C.Howard”设计。这个圆顶现在被用作鸟舍位于法拉盛草原可乐娜公园的皇后区动物园，由“Synergetics,Inc.”的“Thomas C.Howard”重新设计。

另一个穹顶来自蒙特利尔世界博览会的1967年世界博览会，它是美国馆的一部分。该结构的覆盖物后来被烧毁，但结构本身仍然存在，并以生物圈的名义，目前设有一个关于圣劳伦斯河的解博物馆。

在 1970 年代，“Zomeworks” 授权了基于其他几何实体的结构平面图，例如“约翰逊实体”、“阿基米德实体”和“加泰罗尼亚实体”。这些结构可能具有一些不是三角形的面，而是正方形或其他多边形。

1975 年，阿蒙森-斯科特南极站 建造了一个穹顶，其抗雪和抗风荷载的能力非常重要。1982 年 10 月 1 日，最著名的测地圆顶之一，位于奥兰多郊外佛罗里达州湾湖华特迪士尼世界度假区艾波卡特 (Epcot) 的太空船地球号 (Spaceship Earth) 开业。该建筑及其内部的游乐设施以巴克敏斯特·富勒的著名术语之一“地球飞船”命名，这一世界观表达了对地球上有限资源的使用的担忧，并鼓励地球上的每个人作为一个和谐的团队，为实现更伟大的目标而努力 好的。该建筑是未来世界的标志，代表整个公园。

1986 年在温哥华举行的世界博览会上，世博会首席建筑师布鲁诺·弗雷斯基(Bruno Freschi) 设计了一个受巴克明斯特·富勒(Buckminster Fuller) 启发的测地圆顶，作为世博会的博览中心。建设于1984年开始，并于1985年初竣工。圆顶和建筑现在作为艺术、科学和技术中心，并被命名为温哥华科学世界博物馆。

2000 年，世界上第一家完全永续的测地穹顶饭店“EcoCamp Patagonia”在智利巴塔哥尼亚的Kawésqar 国家公园建成，该酒店于隔年于2001年开业。酒店的穹顶设计是抵御该地区强风的关键，并以土著Kaweskar居民的住宅为基础。Geodomes 作为一种（迷人的露营）单位也越来越受欢迎。

## 施工方法

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木制圆顶上钻有一个支撑宽度的孔。不锈钢带将支柱的孔锁定到钢管上。透过这种方法，可以将支柱切割成所需的精确长度。然后将三角形的外部胶合板钉在支柱上。圆顶从下到上用几层焦油纸包裹起来，以防水，并用木瓦完成。这种类型的圆顶通常称为轮毂和支柱圆顶，因为使用钢轮毂将支柱连接在一起。

镶板圆顶由单独框架的木材建造，表面覆盖胶合板。组成三角形框架的三个构件通常以复合角度切割，以提供各个三角形的平坦配合。在精确的位置在构件上钻孔，然后用钢螺栓连接三角形以形成圆顶。这些构件通常为 2x4 或 2x6，从而可以在三角形内容纳更多的隔热。镶板技术允许建筑商将胶合板表皮连接到三角形上，同时在地面上或在舒适的商店中安全地工作，不受天气影响。这种方法不需要昂贵的钢轮圈。

钢框架可以很容易地用铔管建造。一种方法是压平支柱的末端并按所需的长度钻螺栓孔。单一螺栓固定支柱的顶点。螺帽通常设置为可拆卸的锁定化合物，或者如果圆顶是便携式的，则具有带开口销的齿形螺母。

圆顶也可以用轻质铝框架建造，该框架可以透过螺栓连接或焊接在一起，也可以透过更灵活的节点连接来连接。这些圆顶通常覆盖有玻璃、或用“PVC”固定到位，可以用硅胶密封以使其防水。有些设计允许将双层玻璃或隔热板固定在框架中。

混凝土和泡沫塑胶圆顶通常以钢框架穹顶开始，并用铁丝网包裹以进行加固用扎带绑在框架上。然后将一层材料喷涂或模制到框架上。应使用小方块进行测试，以达到混凝土或塑胶的正确稠度。一般来说，内部和外部都需要涂几层。最后一步是用一层薄薄的环氧树脂化合物浸透混凝土或聚酯圆顶以防水。

一些混凝土圆顶是由预制、预力钢筋混凝土板建造而成，可以用螺栓固定到位。螺栓位于凸起的容器内，容器上覆盖着小混凝土盖以防水。三角形重叠以排水。这种方法中的三角形可以用沙子和木纹模制成型，但混凝土三角形通常很重，必须用起重机来放置。这种结构非常适合圆顶，因为任何地方都不允许水积聚在混凝土上并渗漏。金属紧固件、接头和内部钢框架保持干燥，防止霜冻和腐蚀损坏。混凝土能抵抗阳光和风化。必须在接缝处放置某种形式的内部防水板或填缝剂以防止气流。1963 年的 “Cinerama Dome”由预制混凝土六边形和五边形建造而成。

现在可以使用非常大的行动“3D打印机”高速打印圆顶。材料通常是空气喷射混凝土或是聚胺酯轻质发泡隔热材料。

鉴于测地圆顶的复杂几何形状，圆顶建造者依赖支柱长度表或是“和弦因素”。

## 圆顶住宅

富勒希望网格穹顶能帮助解决战后的住房危机。这与他之前对两个版本的 Dymaxion House 的希望是一致的。

住宅不如用于工作或娱乐的圆顶成功，主要是因为其复杂性和随之而来的更高的建筑成本。经验丰富的专业圆顶承包商虽然很难找到，但确实存在，并且可以消除与错误启动和错误估计相关的大部分成本超支。富勒本人住在伊利诺伊州卡本代尔的网格穹顶里，位于“森林大道”和“樱桃街”的拐角处。富勒认为住宅圆顶是由航空航太产业制造的可空运的产品。富勒自己的圆顶住宅仍然存在，R. Buckminster Fuller和Anne Hewlett Dome Home 以及一个名为 RBF Dome NFP 的组织正在尝试修复圆顶并将其注册为 国家历史名胜。它位于国家历史名胜名录。

1986 年，佛罗里达州 Rockledge 的 American Ingenuity 公司获得了一项圆顶建筑技术专利，该技术涉及将聚苯乙烯三角形层压到外部钢筋混凝土上，内部使用墙板。该建筑技术允许圆顶以套件形式预制并由房主安装。这种方法使接缝成为结构中最坚固的部分，而接缝，尤其是大多数木框架圆顶中的轮毂是结构中最薄弱的部分。它还具有不漏水的优点。

欧洲也建造了其他例子。2012 年，挪威的一个生态住宅使用铝和玻璃圆顶作为圆顶盖 2013 年，奥地利建造了一座玻璃和木材覆盖的圆顶住宅。

在智利，饭店住宿很容易采用测地线圆顶的例子，无论是帐篷式测地线圆顶还是玻璃覆盖的圆顶。例：智利巴塔哥尼亚生态营和智利埃尔基多莫斯。

### 缺点

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尽管圆顶住宅在 20 世纪 60 年代末和 70 年代初受到欢迎，但作为一种住房系统，圆顶住宅也存在许多缺点和问题。劳埃德·卡恩(Lloyd Kahn) 是圆顶住宅的前支持者，他写了两本有关圆顶住宅的书（《Domebook 1》和《Domebook 2》）并创立了Shelter Publications，但他对圆顶住宅的幻想破灭了，称它们“聪明但不明智”。他指出了以下缺点，并在公司网站上列出了这些缺点：

1.现成的建筑材料（例如胶合板、刨花板）通常呈现矩形形状，因此在将矩形切割成三角形后可能需要废弃一些材料，从而增加了建筑成本。

2.防火梯是有问题的，大型建筑需要使用防火梯，而且价格昂贵。

3.符合规范的窗户的成本是传统房屋窗户的五到十五倍。

4.由于劳动时间增加，专业电气布线成本更高。

5.即使是业主接线的情况也是昂贵的，因为圆顶建造需要更多的某些材料。

6.扩展和分区也很困难。

7.用天然材料建造圆顶即使不是不可能，也是很困难的，通常需要塑胶等，这些材料会造成污染，在阳光下会变质。

圆顶内的空气分层和水分分布是不寻常的。这些条件往往会迅速降解木框架或内部镶板。由于穹顶很难很好地分隔，隐私性很难保证。声音、气味，甚至反射光往往会透过整个结构传递。与任何弯曲形状一样，圆顶会产生难以使用的墙壁区域，并且由于缺乏净空而导致一些外围地板区域的使用受到限制。圆面形状缺乏长方形提供的简单模组化。家具商和安装人员在设计时必须特制。标准家具无法紧靠墙导致家具后面空间浪费。

使用切割板护套材料（常见于 20 世纪 60 年代和 1970 年代）的圆顶建造者发现，由于接缝较多，很难密封圆顶以防止雨水。此外，这些接缝可能会受到压力，因为当太阳在天空中移动时，普通的太阳热量每天都会使整个结构弯曲。随后添加的皮带和内部灵活的干墙饰面实际上消除了室内饰面中注意到的这种移动。

木质圆顶最有效的防水方法是在圆顶上铺上木瓦。当坡度不足以阻挡冰层时，可以在圆顶顶部使用尖顶帽，或修改圆顶形状。一体成型混凝土或塑胶圆顶也在使用中，有些圆顶是由塑胶或打蜡的三角形纸板制成的，这些三角形重叠以防水的方式。

巴克敏斯特·富勒的前学生"J. Baldwin"坚持认为，设计正确、结构良好的圆顶没有理由会泄漏。

## 最大的网格穹顶结构

圆顶是建筑的自支撑结构元素，类似球体的中空上半部。

根据吉尼斯世界纪录，截至2021年5月30日，沙特阿拉伯吉达的吉达超级穹顶(21.7496403°N 39.1516230°E), 210m 是目前最大的网格穹顶。

## 外部链接

- The R. Buckminster Fuller FAQ: Geodesic Domes
- Geodesic Dome Notes : 57 dome variants featured (1V to 10V) of various solids (icosa, cube, octa, etc.)
- Article about the Eden Domes (PDF file 5.1 MB)
- Geodaetische Kuppeln (Geodesic Domes) by T. E. Dorozinski
- A meta-geodesic dome – made of quads instead of triangles by F. Tuczek