Geodesic Dome: Desain, Konstruksi, dan Aplikasi

---

Latar Belakang

Geodesic sphere adalah susunan poligon yang mendekati bola utuh. Geodesic dome adalah bagian dari geodesic sphere. Gedung atau atap telah dibangun dari geodesic dome yang berkisar dari 5-100% dari bola. Dome yang digunakan untuk rumah biasanya array segitiga yang membentuk tiga-atau lima-kelapan dari geodesic sphere.

Geodesic dome adalah struktur yang efisien dalam beberapa hal. Segitiga adalah bentuk yang sangat stabil; misalnya, gaya yang diterapkan pada sudut persegi panjang dapat meleburnya menjadi jajargenjang, tetapi gaya yang sama tidak akan melebur segitiga. Ini membuat gedung geodesic dome sangat tahan terhadap gaya seperti penutupan salju, gempa bumi, angin, dan bahkan puting beliung. Luas permukaan geodesic dome hanya 38% dari luas permukaan gedung berbentuk kotak yang meliputi luas lantai yang sama. Ada lebih sedikit permukaan yang terpapar fluktuasi suhu luar, sehingga gedung lebih murah untuk dipanaskan dan didinginkan daripada struktur persegi panjang. Geodesic dome dapat dibangun dengan cepat tanpa peralatan berat. Dengan menggunakan komponen yang telah dibuat sebelumnya, cukup beberapa orang untuk mendirikan dome untuk rumah 2.000 kaki persegi (185 meter persegi) dalam 10 jam atau kurang.

Dome geometri mendukung dirinya sendiri tanpa memerlukan kolom internal atau dinding beban dalam. Properti ini membuat struktur ini menarik untuk digunakan sebagai gereja, arena olahraga, dan aula pameran. Daya tarik estetik dari langit-langit tinggi membuatnya menarik sebagai rumah, dan lantai kedua penuh atau parsial dapat ditangguhkan setengah dari enclousure tanpa dukungan selain pemasangan pada dome itu sendiri.

Sejarah

Pada tahun 1919, mencari cara untuk membangun planetarium yang lebih besar, insinyur Jerman Walter Bauersfeld memutuskan untuk memasang proyektor yang dapat digerakkan dalam dome statis. Sebelum waktu itu, dome planetarium berputar sementara cahaya masuk melalui lubang di kulit dome untuk meniru bintang dan planet. Ini membatasi ukuran praktis dari dome dan jumlah orang yang dapat ditampung. Konsep proyeksi interior milik Bauersfeld akan bekerja dalam dome yang jauh lebih besar. Model pertama yang dibangun lebih dari setengah bola; 52 kaki (16 m) diameter. Bauersfeld memecahkan masalah cara membangun bola yang besar dengan mendekatinya dengan ikosahedron (padat 20 sisi dengan wajah segitiga yang sama) dan membagi setiap wajah menjadi segitiga yang lebih kecil. Ia merangka segitiga dari hampir 3.500 besi tipis. Untuk membangun cangkang bola di atas kerangka ini, ia mendirikan bentuk kayu bola di dalam kerangka dan menyemprotkan campuran beton pasta. Cangkang dirancang untuk memiliki ketebalan yang proporsional seperti cangkang telur dibandingkan dengan diameternya, rasio yang kemudian dianggap sesuai untuk geodesic dome.

Tiga puluh tahun kemudian, R. Buckminster Fuller, arsitek, insinyur, penyair, dan filsuf Amerika, secara independen menciptakan sistem struktural yang serupa. Setelah Perang Dunia II, Fuller ingin merancang perumahan yang terjangkau dan efisien yang dapat dibangun dengan cepat dari komponen yang diproduksi massal. Bersedia untuk melihat di luar pendekatan konvensional, Fuller mulai bekerja dengan bentuk bola karena mereka melingkupi ruang tertentu dengan minimum luas permukaan. Ia pertama kali merangka bola dengan jaringan strip yang mendekati lingkaran besar (lingkaran pada bola dengan pusat yang sama dengan pusat bola); strip membentuk segitiga saat saling bersilang. Ia menyebut produk ini geodesic dome karena lingkaran besar dikenal sebagai geodesics (dari kata Yunani yang berarti membagi bumi). Akhirnya, Fuller mulai membentuk bola dari heksagon dan pentagon (seperti panel pada bola sepak) dan membaginya menjadi segitiga untuk kekuatan dan kemudahan konstruksi.

Pada tahun 1953, Fuller menggunakan sistem baru untuk menutupi halaman 93 kaki (28 m) diameter yang dikelilingi oleh gedung kantor pusat Ford Motor Company. Gedung tidak dirancang untuk mendukung berat besar dari dome tradisional, tetapi ciptaan Fuller lebih ringan 95%. Ia menyelesaikan desain dan konstruksi dalam waktu tiga bulan saja. Tiang sementara yang dirikan di tengah halaman mendukung dome selama konstruksi, dan struktur dinaikkan dan diputar secara bertahap setelah setiap bagian baru selesai. Kerangka terdiri dari 12.000 strut aluminium yang berat totalnya 3.750 pon (1.700 kg) yang dihubungkan untuk membentuk segitiga lalu diangkat ke posisi dan dilekatkan pada kerangka yang tumbuh. Setelah dome selesai, ia diletakan perlahan pada mount yang telah dipasang pada gedung yang ada. Panel fiberglass jernih dipasang di setiap segitiga untuk menyelesaikan dome.

Pada tahun 1954, Fuller menerima paten pada geodesic dome. Selama tahun 1960-an dan 1970-an, era di mana ketidakkonsistenan dihargai, dome geometri menjadi populer sebagai cara murah untuk orang yang peduli lingkungan untuk membangun rumah mereka sendiri. Instruksi tersedia luas, tetapi kualitas bahan (termasuk pilihan aneh seperti kertas mâché dan kaleng bekas) dan keterampilan pembangun sendiri tidak konsisten. Dome yang dibangun oleh amatir cenderung bocor saat hujan, penggunaan isolasi yang tidak mencukupi membatasi efisiensi energi mereka, dan jumlah langit-langit yang tidak memadai membuat interior suram.

Fuller meramalkan bahwa satu juta geodesic dome akan dibangun pada pertengahan tahun 1980-an, tetapi pada awal tahun 1990-an, perkiraan menempatkan jumlah di seluruh dunia di antara 50.000 dan 300.000. Sekelompok kecil tetapi teguh dari pembangun rumah yang tidak konvensional terus membangun rumah geodesic dome, terutama dari kit. Namun, Newsday melaporkan pada tahun 1992 bahwa mayoritas struktur geodesic dome telah dibangun untuk greenhouse, gudang penyimpanan, shelter pertahanan, dan atraksi wisata. Salah satu yang paling terkenal adalah bola 165 kaki (48 m) diameter di Epcot Center Walt Disney World. Dibangun dari panel komposit etilena plastik dan aluminium pada tahun 1982, struktur ini menempatkan sebuah kereta yang disebut Spaceship Earth, istilah yang diusulkan oleh Fuller sendiri.

Bahan Baku

Geodesic dome berkisar dari arena olahraga Poliedro de Caracas 460 kaki (143 m) di Venezuela hingga shelter sementara yang diameternya 15 kaki (5 m) atau kurang. Akibatnya, bahan konstruksi bervariasi secara luas. Struktur sederhana, dapat dipindahkan dapat dibuat dari pipa PVC atau conduit baja teras galvanis yang dilapisi dengan lembar plastik atau kanopi payung. Struktur besar, permanen seperti arena dan pabrik telah dibangun dari bahan seperti strut bingkai aluminium dan baja yang dilapisi dengan panel aluminium, tembaga, gipsum struktural, akrilik, atau Plexiglas.

Sebagian besar produsen kit dome perumahan menggunakan komponen kayu, terutama strut kayu Douglas fir yang dikeringkan dalam oven dilapisi dengan plywood struktural atau eksterior 0,5 in (1,3 cm). Kit ini mencakup berbagai desain konektor untuk mengamankan strut kayu bersama dalam konfigurasi yang tepat; aluminium kekuatan tinggi, atau baja yang dilapisi seng, epoksi, atau primer industri biasanya digunakan untuk konektor. Baut baja berlapis seng mengamankan konektor dan paneling dipasang dengan paku.

Beberapa produsen kit menggunakan bahan alternatif untuk membuat panel prefabrikasi yang menggabungkan kerangka dan penutup eksterior. Satu, misalnya, membuat panel fiberglass cetak. Yang lain menyediakan panel beton terangka; jaring baja yang meluas dari tepi panel tumpang tindih dengan jaring dari panel berseberangan, dan sendi ditutup dengan beton.

Sebagian besar kit dome dibangun di atas lapisan fondasi beton. Seringkali, lapisan ini dihindir ke dalam tanah untuk menyediakan tingkat bawah tanah. Dinding fondasi dan dinding pengangkat (dinding vertikal di bawah dome yang dapat digunakan untuk meningkatkan tinggi keseluruhan) biasanya terbuat dari beton atau kayu. Isolasi interior biasanya terdiri dari serat kaca, busa urethan yang dihembuskan, selulosa, atau busa plastik Icynene.

Desain

Meskipun dome rumah dibangun dari kit yang diproduksi, desain fleksibel. Sebanyak setengah segitiga di baris terendah dome dapat dihapus tanpa melemahkan struktur, sehingga pembukaan pintu dan jendela dapat banyak. Ekstensi dinding vertikal dapat dibangun dari pembukaan tersebut untuk menambah luas lantai. Dome dapat duduk langsung pada fondasi tanah (dinding pendek yang dihindir ke dalam tanah untuk menahan beban gedung), atau dapat dirikan di atas dinding pengangkat yang tinggi hingga 8 kaki (2,5 m).

Ruang harus disediakan antara dinding interior dan eksterior untuk mengakomodasi isolasi. Beberapa produsen menciptakan ruang ini dengan membuat strut dari kayu yang tebal 4-8 in (10-20 cm). Yang lain membuat ruang ini tebal 14,5-21 in (37-53 cm) dengan menggunakan strut komposit yang terdiri dari dua sepotong kayu yang digabungkan dengan selang plywood.

Proses Manufaktur

Berikut adalah gabungan teknik yang digunakan oleh beberapa individu menggunakan kit dari berbagai produsen.

Substruktur

• 1 Setelah membersihkan dan menata rata lokasi rumah, sebuah parit digali untuk fondasi kaki, mengikuti gambar rinci yang disediakan oleh produsen kit. Dasar dome tidak bulat; malah diuraikan oleh lima dinding pendek bergantian dengan lima dinding panjang (dua kali panjang dinding pendek). Cetakan ditempatkan untuk kaki; banyak pembangun suka menggunakan cetakan Styrofoam permanen yang tidak perlu dilepas. Beton kemudian dituangkan ke dalam cetakan kaki.
• 2 Lapisan pasir dapat digunakan untuk menata rata permukaan lebih lanjut dan menyediakan dasar untuk plat fondasi. Batang baja penguat diikat bersama dalam grid, dan beton dituangkan untuk membentuk fondasi.
• 3 Dinding fondasi dibangun di atas kaki, hingga sekitar tanah. Jika diinginkan, dinding pengangkat (yang disediakan sebagai bagian dari kit) dipasang di atas dinding fondasi dan dilekatkan satu sama lain.
• 4 Floor joists dipasang dengan memasang papan kayu 2x12 (1,5x1,5 in [3,8x29,2]) berdiri 16 in (40 cm) di atas fondasi. Joists diikis pada kerangka kayu perimeter dan kayu balok melintang. Lembar plywood tebal tiga-empat inci (1,9 cm) diletakkan di atas joists dan diikis ke tempat.

Superstruktur

Superstruktur biasanya terdiri dari 60 panel segitiga. Tergantung pada ukuran dome yang diinginkan, panel biasanya 6-10 kaki (1,8-3 m) di setiap sisi. Mereka dapat diprefabrikasi dengan panel eksternal terpasang, atau dapat dibangun di lokasi dari kayu yang telah dipotong dan konektor logam.

Jika panel dome disediakan dengan kit, mereka diletakkan di atas fondasi atau dinding pengangkat dan dihubungkan satu sama lain dalam urutan yang ditentukan oleh produsen. Sampai cukup panel terhubung untuk mendukung diri sendiri, mereka harus dibekukan dengan tiang yang bersinar dari blok di tengah lantai. Langkah-langkah berikut menggambarkan kasus yang lebih umum dari pengirikan kerangka diikuti oleh pemasangan panel eksternal:

• 5 Plate dasar dipasang di atas fondasi atau dinding pengangkat. Strip kayu 4x6-in (10x15-cm) yang presisi dihaluskan ini memberikan transisi antara tepi horizontal atas dinding dan segitiga yang sedikit miring di strip bawah panel dome.
• 6 Mencocokkan kode warna pada strut kayu kit dan konektor logam, sebuah segitiga dibentuk dan diamankan dengan bout. Segitiga diangkat ke posisi dan dilekatkan ke dinding dan/atau ke segitiga berseberangan. Baris berturut-turut dari elemen segitiga ditempatkan hingga dome sepenuhnya terbentuk. Karena beratnya ringan, segitiga tidak perlu bekukan tambahan untuk menahan mereka di tempat selama konstruksi.
• 7 Stud kayu diikis di dalam setiap segitiga. Berjalan tegak lurus pada satu sisi segitiga, ditempatkan sekitar 16 in (40 cm) jaraknya. Jika jumlah stud ganjil, yang tengah diamankan pada blok tegak lurus di dekat vertex segitiga, daripada meluas ke vertex.
• 8 Mencocokkan tepi yang diwarnai, panel plywood diangkat ke posisi di eksterior setiap segitiga dan diikis ke tempat. Dengan bekerja dari atas dome ke bawah, pekerja dapat berdiri pada kerangka terbuka di bawah sambil melekatkan setiap panel.
• 9 Dinding vertikal dan atap dirangka untuk ekstensi apa pun yang akan meluas dari dome. Panel plywood diikis pada wajah eksternal ekstensi. Ekstensi dormer juga dapat dirikan untuk jendela lantai dua.

Finishing

• 10 Jendela, langit-langit, dan pintu eksterior dipasang.
• 11 Atap ditutupi dengan lembar karet, dan bahan atap konvensional (seperti genteng atau keramik) diterapkan.
• 12 Bahan siding konvensional (seperti stuco atau siding vinyl) diterapkan pada eksterior dinding pengangkat.
• 13 Isolasi ditempatkan di antara strut dan stud di dalam dome dan dinding ekstensi.
• 14 Dinding dirangka untuk membagi interior menjadi kamar. Lembar gypsum konvensional dipotong sesuai pola yang termasuk dalam kit, dan diikis ke dinding interior dan permukaan dalam dome dan dinding pengangkat. Karena banyak sudut di antara bagian segitiga dome, pembangun amateur sering mempekerjakan profesional untuk mentaping selang gypsum.

Kontrol Kualitas

Struktur geodesic dome yang berkualitas adalah kedap udara dan struktural secara kokoh. Ini adalah faktor-faktor yang menurunkan biaya energi, pertimbangan utama saat membangun rumah geodesic. Karena struktur pada dasarnya kedap udara, kondensasi kadang-kadang bisa menjadi masalah. Biasanya dikontrol oleh sistem pemanas dan pendingin, tetapi saat rumah ditutup selama beberapa hari, kelembapan dapat tertumpuk. Ini mudah diselesaikan dengan menyalakan sistem udara atau membuka pintu atau jendela.

Richard Buckminster Fuller.

Richard Buckminster Fuller lahir pada 12 Juli 1895, di Milton, Massachusetts. Ia masuk ke Harvard University pada tahun 1913 tetapi diusir dua tahun kemudian. Pada tahun 1917, ia menikah dengan Anne Hewlett dan mendirikan perusahaan konstruksi. Pada tahun 1923, Fuller menciptakan metode stockade brick-laying—batu bata dengan lubang vertikal yang diperkuat dengan beton. Pada tahun 1927 ia merancang rumah Dymaxion yang difabrikasi pabrik, unit yang terkontain sendiri yang ditangguhkan dari tiang pusat dengan sistem daur ulang lengkap. Dymaxion adalah istilah yang digunakan untuk segala sesuatu yang menghasilkan output maksimum dari input minimum. Fuller juga merancang mobil Dymaxion—kendaraan omnidirectional yang memberikan resistensi angin minimum—pada tahun 1928. Kendaraan ini dapat menempatkan 12 orang, berbelok 180°, berjalan mudah pada 120 mph (193 kmph), dan mencapai rata-rata 28 mi/gal (12 km/I) tetapi tidak menguntungkan karena produsen mobil tidak akan memproduksi massal.

Kebuntuan finansial Fuller datang pada tahun 1940 dengan Dymaxion Deployment Unit (DDU) miliknya, unit tinggal lingkaran yang pendingin sendiri dengan kamar korugasi berbentuk pie. Inggris menggunakan DDU dalam Perang Dunia II. Pada tahun 1949, Fuller memulai pekerjaan pada geodesic dome. Dia mengajukan paten pada tahun 1951 dan menerima kontrak pada tahun 1953 dari Ford Motor Company untuk membangun dome di atas halaman kantor pusat mereka di Detroit. Departemen Pertahanan AS menjadi pelanggan terbesar Fuller, menggunakan dome sebagai unit tinggal sementara dan untuk melindungi peralatan radar dari lingkungan yang keras.

Pada saat kematiannya pada tahun 1983, dome Fuller digunakan di seluruh dunia. Pada tahun 1985, fullerene ditemukan. Fullerenes adalah atom karbon yang diatur dalam bentuk bola dengan wajah pentagonal dan heksagonal, mirip dengan geodesic dome. Bola “bucky” ini memiliki hingga 980 atom karbon.

Masa Depan

Refinemen masa depan dalam konstruksi geodesic dome mungkin datang dari bahan bangunan yang ditingkatkan. Misalnya, pada tahun 1997 produsen blok beton mengembangkan blok segitiga berlubang, bertepi, dengan tepi yang diberi skor yang dapat bersilang dengan blok berdekatan. Dengan bentuk yang tepat, blok-blok ini dapat digunakan untuk membangun dome.

Inovasi lainnya melibatkan merancang dome berdasarkan premis matematika yang berbeda. Dalam geodesic dome yang benar, tepi elemen segitiga menyelarasi untuk membentuk lingkaran besar. Meskipun bukan geodesic, desain baru yang dipatent pada tahun 1989 menggunakan heksagon dan pentagon untuk membentuk dome dengan silang elips. Karena turunan matematisnya, desain ini disebut geotangent.

Meskipun geodesic dome memaksimalkan kekuatan sambil meminimalkan bahan konstruksi, dome profil eliptis menawarkan dua keuntungan berbeda. Mereka dapat melingkupi lingkaran tanpa naik setinggi dome bola. Dan mereka dapat melingkupi area yang melengkung atau tidak teratur yang bervariasi dalam ketinggian. Berada di Meksiko utara, dome industri terbesar di dunia adalah pasangan gedung manufaktur yang ditutupi dengan atap elips 735 kaki (224 m) panjang dan 260 kaki (80 m) lebar.