قبة جيوديسية

القبة الجيوديسية هي هيكل نصف كروي رقيق الغلاف (غلاف شبكي) قائم على متعدد السطوح الجيوديسي . تعمل العناصر المثلثية الصلبة للقبة على توزيع الإجهاد في جميع أنحاء الهيكل، مما يجعل القباب الجيوديسية قادرة على تحمل أحمال ثقيلة للغاية بالنسبة لحجمها.

صُممت أول قبة جيوديسية بعد الحرب العالمية الأولى على يد والتر باورزفيلد ، كبير مهندسي شركة كارل زايس يينا للبصريات ، ^{[ 1 ]} وذلك لإنشاء قبة فلكية تضم جهاز عرض القبة الفلكية الخاص به. وقد حصلت شركة دايكيرهوف وويدمان على براءة اختراع لقبة صغيرة أولية، وقامت ببنائها على سطح مصانع كارل زايس في يينا ، ألمانيا . وفي 18 يوليو 1926، افتُتحت قبة أكبر، سُميت "عجائب يينا"، للجمهور. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

بعد عشرين عامًا، صاغ باكمنستر فولر مصطلح "القبة الجيوديسية" استنادًا إلى تجارب ميدانية أجراها مع الفنان كينيث سنيلسون في كلية بلاك ماونتن عامي 1948 و1949. ورغم أن فولر لم يكن المخترع الأصلي، إلا أنه يُنسب إليه الفضل في نشر الفكرة على نطاق واسع في الولايات المتحدة، وهو ما أهّله للحصول على براءة اختراع أمريكية رقم 2682235A في 29 يونيو 1954. ^{[ 4 ]} وتقع أقدم قبة باقية بناها فولر بنفسه في وودز هول، ماساتشوستس ، وقد بناها طلاب تحت إشرافه على مدار ثلاثة أسابيع في عام 1953. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

لقد جذبت القبة الجيوديسية فولر لأنها كانت قوية للغاية بالنسبة لوزنها، وسطحها "المثلث بالكامل" يوفر بنية مستقرة بطبيعتها، ولأن الكرة تحيط بأكبر حجم بأقل مساحة سطح.

تم اعتماد القبة بنجاح في استخدامات متخصصة، مثل قباب خط الإنذار المبكر البعيد البالغ عددها 21 قبة والتي بُنيت في كندا عام 1956، ^{[ 7 ]} وقبة شركة يونيون تانك كار التي بُنيت عام 1958 بالقرب من باتون روج، لويزيانا ، والتي صممها توماس سي. هوارد من شركة سينرجيتكس، بالإضافة إلى مبانٍ متخصصة مثل قباب كايزر ألومنيوم (التي شُيدت في مواقع عديدة في جميع أنحاء الولايات المتحدة، مثل فرجينيا بيتش، فرجينيا )، وقاعات المحاضرات، ومراصد الأرصاد الجوية، ومرافق التخزين. وسرعان ما حطمت القبة الأرقام القياسية من حيث المساحة المغطاة، والحجم المغلق، وسرعة البناء.

ابتداءً من عام 1954، أجرت قوات مشاة البحرية الأمريكية تجارب على القباب الجيوديسية التي يمكن إنزالها بواسطة المروحيات . تم رفع قبة جيوديسية مصنوعة من الخشب والبلاستيك، قطرها 9.1 متر (30 قدمًا) ، بواسطة مروحية بسرعة 93 كيلومترًا في الساعة (50 عقدة) دون أن تتضرر، مما أدى إلى تصنيع قبة قياسية من المغنيسيوم بواسطة شركة "ماغنيسيوم برودكتس" في ميلووكي. شملت الاختبارات عمليات تجميع تمكن خلالها جنود مشاة البحرية، غير المدربين سابقًا، من تجميع قبة من المغنيسيوم قطرها 9.1 متر (30 قدمًا) في 135 دقيقة، بالإضافة إلى عمليات رفع بالمروحيات من حاملات الطائرات، واختبار متانة نجحت فيه قبة مثبتة في تحمل قوة دفع مروحة طائرة مثبتة، بلغت سرعتها 120 ميلًا في الساعة (190 كيلومترًا في الساعة) ، لمدة يوم كامل دون أن تتضرر. ^{[ 8 ]}     

استُخدم تصميم فولر لمبنى بنك في قبة الذهب التي شُيّدت عام 1958 في مدينة أوكلاهوما بولاية أوكلاهوما. ومن الأمثلة المبكرة الأخرى مركز ستيبان في جامعة نوتردام ، الذي بُني عام 1962. ^{[ 9 ]}

تم تقديم القبة لجمهور أوسع كجناح لمعرض نيويورك العالمي لعام 1964 من تصميم توماس سي. هوارد من شركة سينرجيتكس. وتستخدم هذه القبة الآن كقفص للطيور من قبل حديقة حيوان كوينز في منتزه فلاشينغ ميدوز كورونا . ^{[ 10 ]}

قبة أخرى تعود إلى معرض إكسبو 67 في معرض مونتريال العالمي، حيث كانت جزءًا من الجناح الأمريكي. احترق غطاء الهيكل لاحقًا، لكن الهيكل نفسه لا يزال قائمًا، ويضم حاليًا، تحت اسم بيوسفير ، متحفًا تفسيريًا عن نهر سانت لورانس .

في سبعينيات القرن العشرين، رخصت شركة Zomeworks مخططات لهياكل تستند إلى مجسمات هندسية أخرى، مثل مجسمات جونسون ، ومجسمات أرخميدس ، ومجسمات كاتالان . ^{[ 11 ]} قد تحتوي هذه الهياكل على بعض الأوجه غير المثلثة، مثل المربعات أو المضلعات الأخرى.

في عام 1975، تم بناء قبة في القطب الجنوبي ، حيث كانت مقاومتها لأحمال الثلوج والرياح مهمة.

في الأول من أكتوبر عام ١٩٨٢، افتُتحت إحدى أشهر القباب الجيوديسية، وهي " سبيس شيب إيرث" في منتزه إيبكوت بمنتجع والت ديزني وورلد في باي ليك ، فلوريدا ، على مشارف أورلاندو . سُمّي المبنى واللعبة داخله بهذا الاسم نسبةً إلى مصطلح " سبيس شيب إيرث" الشهير لباكمينستر فولر ، وهو مصطلح يُعبّر عن رؤية عالمية تُعنى بأهمية استخدام الموارد المحدودة المتاحة على الأرض، وتحثّ جميع سكانها على العمل بتناغم لتحقيق الصالح العام. يُعدّ المبنى رمزًا لمنتزه إيبكوت، فهو يُمثّل المنتزه بأكمله.

في معرض إكسبو 86 العالمي لعام 1986 ، الذي أقيم في فانكوفر ، صمم كبير مهندسي المعرض، برونو فريشي ، قبة جيوديسية مستوحاة من تصميمات باكمنستر فولر لتكون مركز المعرض. بدأ البناء عام 1984 واكتمل في أوائل عام 1985. وتُستخدم القبة والمبنى الآن كمركز للفنون والعلوم والتكنولوجيا، ويُعرف باسم عالم العلوم . ^{[ 12 ]}

في عام 2000، شُيّد أول فندق قبة جيوديسية مستدام بالكامل في العالم، وهو فندق إيكو كامب باتاغونيا، في منتزه كاويسكار الوطني في باتاغونيا التشيلية ، ^{[ 13 ]} وافتُتح في العام التالي 2001. ويُعدّ تصميم القبة عنصرًا أساسيًا في مقاومة رياح المنطقة العاتية، وهو مستوحى من مساكن شعب كاويسكار الأصلي . كما تكتسب القباب الجيوديسية شعبية متزايدة كوحدات تخييم فاخرة.

تُصنع القباب الخشبية بفتحة محفورة بعرض دعامة . يُثبّت شريط من الفولاذ المقاوم للصدأ فتحة الدعامة بأنبوب فولاذي. بهذه الطريقة، يمكن قص الدعامات إلى الطول المطلوب بدقة. ثم تُثبّت مثلثات من الخشب الرقائقي الخارجي بالدعامات. تُغلّف القبة من الأسفل إلى الأعلى بعدة طبقات من ورق القطران المُثبّت بالدبابيس ، لتصريف المياه، وتُغطّى في النهاية بالقرميد. يُطلق على هذا النوع من القباب اسم قبة المحور والدعامة نظرًا لاستخدام محاور فولاذية لربط الدعامات معًا.

تُبنى القباب المُقسّمة من ألواح خشبية مُؤطّرة بشكل منفصل ومُغطّاة بالخشب الرقائقي. غالبًا ما تُقطع العناصر الثلاثة المُكوّنة للإطار المثلثي بزوايا مُركّبة لتوفير تركيب مُسطّح للمثلثات المُختلفة. تُحفر ثقوب عبر العناصر في مواقع دقيقة، ثم تُربط المثلثات بمسامير فولاذية لتشكيل القبة. عادةً ما تكون هذه العناصر من مقاس 2×4 أو 2×6، مما يسمح بتركيب المزيد من العزل داخل المثلث. تُمكّن تقنية الألواح البنّاء من تثبيت غلاف الخشب الرقائقي على المثلثات أثناء العمل بأمان على الأرض أو في ورشة عمل مُريحة بعيدًا عن العوامل الجوية. لا تتطلب هذه الطريقة وصلات فولاذية باهظة الثمن.

يمكن بسهولة بناء هيكل فولاذي من أنابيب كهربائية. يتم تسوية طرف دعامة وحفر ثقوب للمسامير بالطول المطلوب. يُثبّت رأس الدعامة بمسمار واحد. عادةً ما تُثبّت الصواميل بمادة لاصقة قابلة للإزالة، أو إذا كانت القبة قابلة للنقل، تُستخدم صامولة مُسنّنة بدبوس قفل . هذه هي الطريقة القياسية لبناء قباب ملاعب الأطفال .

يمكن أيضًا بناء القباب باستخدام هيكل من الألومنيوم خفيف الوزن، يُثبّت بالمسامير أو اللحام، أو يُربط بوصلة مركزية مرنة. تُغطى هذه القباب عادةً بالزجاج، الذي يُثبّت في مكانه بواسطة غطاء من مادة PVC ، يُمكن إحكام إغلاقه بالسيليكون لمنع تسرب الماء. تسمح بعض التصاميم بتركيب زجاج مزدوج أو ألواح عازلة داخل الهيكل.

تبدأ صناعة القباب الخرسانية والبلاستيكية الرغوية عادةً بهيكل فولاذي متين، يُغطى بشبك سلكي وشبك معدني للتدعيم. يُربط الشبك السلكي والشبك المعدني بالهيكل باستخدام أربطة سلكية. بعد ذلك، تُطلى طبقة من المادة أو تُصب على الهيكل. يُنصح بإجراء اختبارات على مربعات صغيرة للتأكد من الحصول على القوام المطلوب للخرسانة أو البلاستيك. عادةً ما يتطلب الأمر عدة طبقات من الداخل والخارج. الخطوة الأخيرة هي تشبيع القباب الخرسانية أو البوليسترية بطبقة رقيقة من مركب الإيبوكسي لتصريف المياه.

شُيِّدت بعض القباب الخرسانية من ألواح خرسانية مسبقة الصنع، مُسبقة الإجهاد، ومُدعَّمة بالفولاذ، تُثبَّت في مكانها بواسطة مسامير. توضع المسامير داخل تجاويف مرتفعة مُغطاة بأغطية خرسانية صغيرة لتصريف المياه. تتداخل المثلثات لتصريف المياه. يمكن تشكيل المثلثات في هذه الطريقة باستخدام قوالب رملية بنقوش خشبية، ولكن عادةً ما تكون المثلثات الخرسانية ثقيلة جدًا لدرجة أنها تتطلب رافعة لوضعها. يُعد هذا التصميم مناسبًا للقباب لأنه لا يسمح بتجمع المياه على الخرسانة وتسربها. تبقى المثبتات المعدنية والوصلات والإطارات الفولاذية الداخلية جافة، مما يمنع أضرار الصقيع والتآكل. تقاوم الخرسانة أشعة الشمس وعوامل التعرية. يجب وضع نوع من التغطية الداخلية أو مادة مانعة للتسرب فوق الوصلات لمنع تيارات الهواء. بُنيت قبة سينيراما عام 1963 من أشكال سداسية وخماسية خرسانية مسبقة الصب.

أصبح بالإمكان الآن طباعة القباب بسرعات عالية باستخدام طابعات ثلاثية الأبعاد متنقلة وكبيرة الحجم، تُعرف أيضاً بآلات التصنيع الإضافي. وغالباً ما تكون المادة المستخدمة كخيوط طباعة عبارة عن نوع من الخرسانة المحقونة بالهواء أو رغوة بلاستيكية ذات خلايا مغلقة.

نظراً للهندسة المعقدة للقبة الجيوديسية، يعتمد مصممو القباب على جداول أطوال الدعامات، أو ما يُعرف بـ"معاملات الوتر". في كتابه "الرياضيات الجيوديسية وكيفية استخدامها" ، كتب هيو كينر : "كانت جداول معاملات الوتر، التي تحتوي على معلومات التصميم الأساسية للأنظمة الكروية، تُحفظ لسنوات عديدة كأسرار عسكرية. وحتى عام 1966، كانت بعض رسومات 3ν icosa من مجلة "بوبيولار ساينس مونثلي " هي كل ما كان متاحاً لأي شخص خارج دائرة المرخص لهم من شركة فولر." (صفحة 57، طبعة 1976). وأصبحت جداول أخرى متاحة مع نشر كتابي لويد كان " Domebook 1" (1970) و "Domebook 2" (1971).

كان فولر يأمل أن تساعد القبة الجيوديسية في معالجة أزمة السكن التي أعقبت الحرب. وكان هذا متسقاً مع آماله السابقة بشأن كلا نسختي منزل دايمكسيون .

لم تحقق القباب الجيوديسية السكنية نجاحًا يُذكر مقارنةً بتلك المستخدمة للعمل أو الترفيه، ويعود ذلك في الغالب إلى تعقيدها وما يترتب عليه من ارتفاع تكاليف بنائها. ورغم صعوبة العثور على مقاولين متخصصين وذوي خبرة في بناء القباب، إلا أنهم موجودون، ويمكنهم تجنب الكثير من تجاوزات التكاليف المرتبطة بالبدايات الخاطئة والتقديرات غير الدقيقة. وقد عاش فولر نفسه في قبة جيوديسية في كاربونديل، إلينوي ، عند زاوية شارع فورست وشارع تشيري. ^{[ 14 ]} كان فولر ينظر إلى القباب السكنية على أنها منتجات تُنقل جوًا، تُصنع في صناعة شبيهة بصناعة الطيران. ولا يزال منزل فولر القبة قائمًا، وهو منزل آر. بوكمينستر فولر وآن هيوليت القبة ، وتسعى مجموعة تُدعى "RBF Dome NFP" إلى ترميم القبة وتسجيلها كمعلم تاريخي وطني . وهي مُدرجة بالفعل في السجل الوطني للأماكن التاريخية .

في عام ١٩٨٦، مُنحت شركة "أمريكان إنجينيويتي" من روكليج، فلوريدا، براءة اختراع لتقنية بناء قباب تعتمد على مثلثات من البوليسترين مُلصقة بالخرسانة المسلحة من الخارج، وألواح جدارية من الداخل. تسمح هذه التقنية بتصنيع القباب مسبقًا على شكل مجموعات تركيب، ليقوم صاحب المنزل بتركيبها بنفسه. تجعل هذه الطريقة من الوصلات أقوى جزء في الهيكل، بينما تُعدّ الوصلات، وخاصةً نقاط التقاء الألواح، أضعف نقطة في معظم القباب ذات الإطارات الخشبية. كما تتميز هذه التقنية بأنها مانعة لتسرب الماء.

وقد تم بناء أمثلة أخرى في أوروبا. ففي عام 2012، استُخدمت قبة من الألومنيوم والزجاج كغطاء لمنزل صديق للبيئة في النرويج ^{[ 15 ]} ، وفي عام 2013 تم بناء منزل على شكل قبة مغطاة بالزجاج والخشب في النمسا. ^{[ 16 ]}

يُعدّ بناء هياكل قوية ومستقرة للغاية باستخدام أنماط من المثلثات المعززة من أكثر الطرق شيوعًا في تصميم الخيام . وقد طُبّق هذا المفهوم بشكل مجرد في مجالات التصميم الصناعي الأخرى ، بل وحتى في علوم الإدارة والهياكل التداولية كاستعارة مفاهيمية ، لا سيما في أعمال ستافورد بير ، الذي تعتمد طريقته "للانتقال" تحديدًا على تصميم القبة بحيث لا يُسمح إلا لعدد محدود من الأشخاص بالمشاركة في العملية في كل مرحلة من مراحل التداول .

وفقًا لموسوعة غينيس للأرقام القياسية، اعتبارًا من 30 مايو 2021، ^{[ 18 ]} فإن قبة جدة العملاقة ، جدة ، المملكة العربية السعودية ( 21°44′59″ شمالًا 39°09′06″ شرقًا / 21.7496403° شمالًا 39.1516230° شرقًا / 21.7496403؛ 39.1516230 )، 210 مترًا (690 قدمًا) هي أكبر قبة جيوديسية حاليًا.  

وفقًا لمعهد باكمنستر فولر في عام 2010، ^{[ 19 ]} كانت أكبر 10 قباب جيوديسية في العالم من حيث القطر في ذلك الوقت هي:

• قبة سيجايا المحيطية (シ ・ ガ イ ア オ シ ャ ン ド ・ ム): ميازاكي ، اليابان ( 31°57′18″N 131°28′09″E / 31.9551°N 131.4691°E / 31.9551; 131.4691 ), 216.5 م (710 قدم) ^{[ 19 ]} - تم هدمه في عام 2017.  
• قبة ناغويا (ナゴヤドーム): ناغويا ، اليابان ( 35°11′09″N 136°56′51″E / 35.1859°N 136.9474°E / 35.1859; 136.9474 ), 187.2 م (614 قدمًا) ^{[ 19 ]}  
• قبة سوبيريور : جامعة شمال ميشيغان . ماركيت، ميشيغان ، الولايات المتحدة ( 46°33′37″ شمالاً 87°23′38″ غرباً / 46.5603° شمالاً 87.3938° غرباً / 46.5603؛ -87.3938 )، 163.4 متر (536 قدماً) ^{[ 20 ]}  
• قبة تاكوما : تاكوما، واشنطن ، الولايات المتحدة الأمريكية ( 47°14′12″ شمالاً 122°25′37″ غرباً / 47.2367° شمالاً 122.4270° غرباً / 47.2367؛ -122.4270 )، 161.5 متر (530 قدماً)  
• قبة ووك أب سكاي دوم : جامعة شمال أريزونا . فلاغستاف، أريزونا ، الولايات المتحدة ( 35°10′50″ شمالاً 111°39′10″ غرباً / 35.1805° شمالاً 111.6529° غرباً / 35.1805؛ -111.6529 )، 153 متراً (502 قدماً) ^{[ 21 ]}  
• كرة وادي راوند : سبرينجرفيل - إيجار، أريزونا ، الولايات المتحدة ( 34°07′13″ شمالاً 109°17′06″ غرباً / 34.1204° شمالاً 109.2849° غرباً / 34.1204؛ -109.2849 )، 134 متراً (440 قدماً)  
• حظيرة طائرات سبروس غوس السابقة : لونغ بيتش، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة ( 33°45′05″ شمالاً 118°11′20″ غرباً / 33.7513° شمالاً 118.1889° غرباً / 33.7513؛ -118.1889 )، 126 متراً (413 قدماً) - أصبحت فيما بعد مملوكة لشركة كارنيفال كروز لاين ، وجوجل .  
• مرفق تخزين البلاستيك فورموزا : مايلياو ، تايوان ( 23°48′03″ شمالاً 120°11′41″ شرقاً / 23.8007° شمالاً 120.1947° شرقاً / 23.8007؛ 120.1947 )، 122 متراً (400 قدم) - أحد عشر قبة.  
• منشأة صيانة عربات الصهاريج التابعة للاتحاد : باتون روج، لويزيانا ، الولايات المتحدة ( 30°34′58″ شمالاً 91°14′04″ غرباً / 30.5827° شمالاً 91.2344° غرباً / 30.5827؛ -91.2344 )، 117 متراً (384 قدماً) - تم هدمها في عام 2007.  
• مرفق تخزين أسمنت ليهاي بورتلاند : يونيون بريدج، ماريلاند ، الولايات المتحدة ( 39°33′32″ شمالاً 77°10′18″ غرباً / 39.5590° شمالاً 77.1718° غرباً / 39.5590؛ -77.1718 )، 114 متراً (374 قدماً)  

أصبحت قائمة معهد فولر قديمة الآن. وتضم القائمة الآن العديد من القباب المهمة التي لم تُدرج أو بُنيت لاحقاً. ويبلغ قطر العديد من القباب الجيوديسية حالياً أكثر من 113 متراً (371 قدماً) . ^{[ 22 ]} 

• بوليدرو دي كاراكاس ("ساحة كاراكاس متعددة السطوح")، كراكاس ، فنزويلا ( 10°26′02″N 66°56′19″W / 10.4338°N 66.9385°W / 10.4338; -66.9385 ), 143 م (469 قدمًا) ^{[ 23 ]}  
• قبة منجم سان كريستوبال (MSC)، بلدية كولشا "ك" ، بوليفيا ( 21°07′29″S 67°12′35″W / 21.1246°S 67.2096°W / -21.1246; -67.2096 )، 140 م (460 قدم) ^{[ 24 ]}  
• قبة مصفاة الرويس ، الرويس ، الإمارات العربية المتحدة ( 24°08′45″ شمالاً 52°44′21″ شرقاً / 24.1459° شمالاً 52.7392° شرقاً / 24.1459؛ 52.7392 )، 135 متراً (443 قدماً) ^{[ 22 ]}  

• قبة عين الذبابة – منزل نموذجي صممه ر. بوكمينستر فولر 
• الشبكة الجيوديسية – شبكة مكانية قائمة على متعدد السطوح الجيوديسي 
• كرة هوبرمان – هيكل يشبه القبة الجيوديسية 

• الأسئلة الشائعة حول القباب الجيوديسية لـ ر. بوكمينستر فولر
• ملاحظات حول القبة الجيوديسية : تم عرض 57 نوعًا مختلفًا من القباب (من 1V إلى 10V) من مواد صلبة متنوعة (عشروني، مكعب، ثماني، إلخ).
• مقال عن قباب عدن (ملف PDF بحجم 5.1 ميجابايت)
• القباب الجيوديسية (Geodaetische Kuppeln) من تأليف تي إي دوروزينسكي
• قبة ميتا جيوديسية – مصنوعة من أشكال رباعية بدلاً من المثلثات، من تصميم ف. توتشيك
• قباب الصحراء ، موارد حول إنشاء القباب