Na początek stawiam kilka retorycznych niemal pytań: 1. Jaka struktura wymaga najmniej materiałów, by zamknąć konkretną przestrzeń mieszkalną? 2. Jaki kształt stwarza dla określonej pojemności wnętrza najkorzystniejsze warunki gospodarki cieplnej? Jaki wreszcie kształt jest strukturą najwytrzymalszą na obciążenia zgniatające lub próbujące go rozerwać? Odpowiedź na wszystkie te pytania jest oczywista — to kula, lub kształty będące jej pochodnymi — czasze, kopuły.

To nie przypadek, że unosząca się w stanie nieważkości kropla wody przyjmuje kształt kuli, to nie przypadek, że nauczeni zmaganiem z morderczym mrozem Eskimosi budują igloo w formie półkuli, wreszcie to wybór optimum funkcjonalnego, wypracowany w toku trwającej setki tysięcy lat ewolucji i weryfikującej jej wynik bezpardonowej walki, sprawił że nasze czerepy mają formę niewiele od kuli odbiegającą. O domach w kształcie kopuł dość powiedzieć, że to niemal jedyne, które przetrwały zwycięsko napór miażdżących wszystko huraganów w południowych stanach USA.

 

Autorem koncepcji kopuł „geodezyjnych” był Richard Buckmister Fuller (1895-1983) — postać niczym wzięta żywcem z romantycznej legendy. Uparty, zdyscyplinowany samouk, mistyk, wieszcz pragnący wykorzystać wiodące technologie dla wspólnego dobra, prekursor ekologii w skali planetarnej, projektant systemowego wykorzystania i dystrybucji energii słonecznej z pożytkiem dla wszystkich mieszkańców Ziemi. Władająca nim pasja i realizowane bez oglądania się na koszty osobiste projekty, wyprzedzające o dziesięciolecia dokonania przemysłu, zarażały największe indywidualności. Dzięki przeświadczeniu o swej wyjątkowej roli, misji wręcz, Fuller przetrwał wszystkie przeciwności losu, by począwszy od lat 50-tych realizować w całym świecie swoje wizjonerskie budowle — kopuły o rozmiarach idących w dziesiątki i setki metrów — z których najszerzej jest znana piękna, 70-metrowa czasza pawilonu amerykańskiego na Expo 67 w Montrealu. Wykpiwany ongi jako ousider, dziwak i projektant „domów w puszce” został — wciąż w pełni sił — szacownym nestorem, wykładowcą sławnych uniwersytetów, doktorem honoris causa wielu uczelni, i nikt nie śmiał podrwiwać, kiedy przedstawił (zupełnie realny od strony inżynierskiej) projekt przykrycia centrum Nowego Jorku czaszą o średnicy 3 km.

 

 

Szereg brył platońskich — ich ściany stanowią wieloboki foremne, a wierzchołki leżą na powierzchni kuli na każdej z brył opisanej — to: czworościan (w systemie Platona reprezentujący żywioł ognia), sześcian (żywioł ziemi), ośmiościan (żywioł powietrza), dwunastościan i dwudziestościan (żywioł wody). Powyżej ośmiościan i sześcian są zamienione miejscami (dwunastościanowi, jako osobliwie eterycznemu żaden żywioł nie jest przyporządkowany). Rysunek autora.

 

Punktem wyjścia do stworzenia klasycznej kopuły fullerowskiej był dwudziestościan foremny (ikosaedr) — bryła bardzo ciekawa, jedna z szeregu tzw. brył platońskich, do których zaliczają się: czworościan, sześcian, ośmiościan i dwunastościan — mające do siebie to, że ich powierzchnie boczne są figurami regularnymi (trójkąt równoboczny, kwadrat, pięciokąt), a zamknięte wewnątrz kuli, sięgają jej powierzchni wierzchołkami — można rzec, że to kule obkurczone na składających się z prętów szkieletach, bądź — że poczynając od czworościanu, a na dwudziestościanie kończąc — coraz doskonalsze kuli przybliżenia.

Kształt ostatniej z tych brył, 20-ścianu można jeszcze przybliżyć do ideału, dokonując podziału jego krawędzi na odcinki i powstałe w tych miejscach nowe wierzchołki wypychając ku powierzchni kuli. Tym sposobem przy podziale na 2 odcinki otrzymujemy pochodną o oznaczeniu 2V (częstość=2), kiedy tych odcinków jest 5 — analogicznie: 5V — bryłę b. już do kuli przybliżoną. Operacje tego rodzaju „rozdymania” brył platońskich można wykonywać na każdej z nich, otrzymując rozmaitego pokroju kopuły, tu jednak pozostaniemy przy pochodnych 20-ścianu, jako najczęściej stosowanych w konkretnych planach kopuł mieszkalnych.

 

 

Rysunek autora.

 

Konstrukcja szkieletu kopuły fullerowskiej opiera się na sferycznej sieci węzłów i belek zwanych też odpowiednio piastami (jak w kole szprychowym — ang. hub) i zastrzałami (strut). Trójkątne pola na powierzchni kopuły układają się w zespoły tworzące rysunek sześcio- i pięciokątów. Belki nie są jednakowej długości — w kopule o częstości=3 mamy trzy rodzaje belek, w 4V — 6, a w 5V aż 9. Wydawałoby się więc, że lepsza jest struktura prostsza w wykonaniu, jednak dla domu typu 3V o promieniu podstawy 7,5 m., belki mają długość od 2,5 do 3m, dla 4V od 1,9 do 2,4 m., a dla 5V — od 1,5 do 2 m., co powoduje, że po pierwsze w wypadku kopuły 3V ze względu na dużą odległość belek należałoby użyć b. grubej sklejki poszyciowej, lub zastosować dodatkowe rozpórki (stud) dla wzmocnienia trójkątów, po drugie zaś, kształt jej w sposób znaczniejszy odbiega od kuli, a zatem i korzyści płynące z formy się zmniejszają (nie wspomnę o walorach estetycznych), tak więc jako domy mieszkalne preferowane są konstrukcje 4V, a przy promieniu powyżej 8 m — 5V, gdy prostsze używane są do sporządzania domków letniskowych, kopuł o przeznaczeniu technicznym, czy szklarni.

 

Przy próbie zgniatania jajka w dłoni napotykamy ten sam opór, jaki wytwarza kopuła fullerowska przeciwstawiająca się deformacji pod wpływem punktowego obciążenia. Napięcie zostaje momentalnie przekazane przez siatkę belek i węzłów całej strukturze i rozłożone na bardzo wiele składowych, a całość sprężyście usztywniona. W fullerowskiej terminologii tego typu reakcja układu nosi nazwę tensegrity — napięciosieć.

 

Rysunek autora.

 

Kopuły mieszkalne są w stanie wytrzymać skrajne warunki środowiskowe, które powodują dezintegrację tradycyjnych konstrukcji — nasza przykładowa kopuła (o r=7,5 m.) może bez uszczerbku wytrzymać huragan wiejący z szybkością 200 km/godz., czy też nacisk 6 ton śniegu, bądź trzech ton przy wichurze 130km/godz., a wreszcie trzęsienie ziemi 6,5 stopnia w skali Richtera połączone z takim samym naciskiem od góry.

 

W USA, Kanadzie, Australii, czy N. Zelandii istnieje wiele firm specjalizujących się w produkcji i dostarczaniu na zamówienie gotowych kopuł mieszkalnych do samodzielnego złożenia. To zajęcie bezpieczne, z gatunku puzzli, czy niemal klocków lego dla nieco wyrośniętych chłopaków. Ciężarówki przywożą przycięte belki, węzły i elementy pokrycia na plac budowy, gdzie już (sporządzony wedle zakupionego przez klienta planu) czeka gotowy fundament z betonu, lub preparowanego, wodoodpornego drewna. To wspaniałe przeżycie — w kilka pogodnych dni, z grupą przyjaciół, złożyć imponujący rozmiarami i fascynujący estetycznie szkielet, a potem i dach. Wszystkie elementy są oznakowane barwnymi identyfikatorami — pomylić się nie sposób. Znakomita sposobność potwierdzenia amerykańskiej tradycji pionierskiej samopomocy — cementującej sąsiedzką społeczność. Kiedy szczytowy zwornik zwieńczy wiecha, całość zostaje przykryta gotowymi trójkątami ze sklejki wodoodpornej.

Różne firmy stosują różne techniki łączenia belek (którymi na ogół są deski sosnowe o grubości 5 cm, szerokości 15-25 cm). Najprostszą metodą (jednak stosowaną raczej np. do domków letniskowych) jest bezpośrednie spojenie belek przyciętych pod odpowiednimi kątami. Alternatywa to wspomniana zasada węzła (piasty) z przyspawanymi uchwytami.

Zamknięty szkielet kopuły jest strukturą b. wytrzymałą i sztywną. Po przykryciu konstrukcji sklejką (12-18 mm) następuje jej znaczące wzmocnienie.

Dalsze prace montażowe to wykonanie ocieplenia i pokrycia od wewnątrz (tradycyjne dla konstrukcji szkieletowych — wełna mineralna, folia paroizolacyjna, płyta wiórowa OSB, bądź kartonowo-gipsowa) i przykrycie folią wodoodporną z wierzchu. Pokrycia dachowe stosowane są tu na całej powierzchni domu, ponieważ dach sięga w zasadzie do samej ziemi (czy też do stosowanej często niewysokiej ścianki-cokołu podnoszącej kopułę o ok. 1 m.) — jako wypróbowany wszechstronnie i świetnie układający się na powierzchniach kopuły, poleca się gont bitumiczny zbrojony włóknem szklanym, ale stosowane bywają i inne sposoby — dachy blaszane, powłoki z tworzyw sztucznych, czy gont drewniany nie należą do rzadkości.

Na powierzchni ściano-dachu umieszczane są okna połaciowe (najczęściej z trójwarstwowych szyb zespolonych) o rozmaitych kształtach i położeniu — prostokątne, sześciokątne i trójkątne (wypełniające miejsce między belkami — często stosowane w zestawach po kilka i zapewniające wnętrzu dużą ilość światła i ciepła słonecznego). Bywają również stosowane okna mansardowe.

Na szczycie kopuły dość często umieszczana jest pięcioboczna „latarnia” (niewysoka wieżyczka z oknami) dająca ciekawy widok z najwyższego miejsca budynku, a mająca też znaczenie w oświetleniu i wentylacji wnętrza.

Część ciężaru konstrukcji stropo-podłogi dzielącej parter od piętra dźwigają pionowe belki umieszczone w ścianach działowych parteru budynku, część przenoszona jest przy pomocy oryginalnych uchwytów na węzły powierzchni kopuły.

Najczęściej nad dużym pokojem (jadalnia, bawialnia) na parterze strop stanowi półkulista powierzchnia wewnętrzna kopuły — piętro zajmuje więc 2/3 - 3/4 obwodu. Tym sposobem osiąga się niezwykle atrakcyjną, dużą otwartą przestrzeń wewnątrz budynku.

 

Zgodnie z zasadą formowania się kropli wody, do zamknięcia konkretnej objętości kula potrzebuje 27% mniejszej powierzchni (materiału) niż bryła prostopadłościenna. To oczywiście rzutuje na koszty ogrzewania/utrzymania domu. Powierzchnia promieniowania ściano-dachu kopuły jest bowiem przynajmniej o tyleż mniejsza niż analogicznej objętości domu tradycyjnego — do ogrzania jej potrzeba więc o owe 27% energii mniej. Również w odniesieniu do powierzchni użytkowej otrzymujemy podobny rezultat — w wypadku przykładowej kopuły (r=7,5 m.) powierzchnia ściano-dachu jest o około 26% mniejsza niż domu sześciennego o tej samej powierzchni użytkowej.

 

Spotykałem się z argumentem, że wnętrze kopuły jest nieustawne. Rzec by się chciało: a w jakiej mierze przestrzeń prostopadłościennych domów jest ustawna? W jakiej mierze jest wypełniona meblami, a w jakiej powietrzem — de facto przestrzenią życiową naszych oczu? Otóż zagospodarowanie przestrzeni wewnątrz kopuły to tylko kwestia inwencji jej lokatora, a może obawy, że swoboda jest tu nadmierna, że można za wiele? Tak, to prawda — zaplanować tu można wszystko — i drobne celki, funkcjonalne pojemniki-szuflady, niczym fasetki w owadzim oku, można przestrzeń zagospodarowaną płaszczyznowo — wyłącznie na poziomie parteru — jak w wypadku świątyń powstałych we wnętrzu kopuł fullerowskich w Ameryce, czy dużych studiów malarskich, muzycznych, bądź filmowych. Można stworzyć bardzo wiele rozmaitych kompozycji, mając do dyspozycji przestrzeń kształtowaną rzeczywiście trójwymiarowo.

 

Kopuła, odzwierciedla w miniaturze kosmos otaczający zewsząd człowieka. Przypomina antyczne świątynie (choćby rzymski Panteon), a rozległa, kulista niemal przestrzeń z odległym, wygiętym sklepieniem wnętrza czaszy, nie podzielonej żadnymi pomocniczymi elementami konstrukcyjnymi, wywołuje przemożna wrażenie wyjątkowej jednolitości, wręcz idealnej, fascynującej harmonii. To nie przypadek więc, że w przeciągu tysiącleci budowle mające ucieleśniać to, co najszczytniejsze, najdoskonalsze w człowieku — jak świątynie, czy parlamenty, wieńczono kopułami.

Nie dziwi powtarzane przez budowniczych fullerowskich domów zdanie, że to wnętrze jest nie tylko nową jakością i wyzwaniem poprzez ofiarowanie niespotykanej w tradycyjnych rozwiązaniach swobody, jest materializacją, ucieleśnieniem tej wolności, która tkwi w nas samych — bez względu na okoliczności, jest wreszcie zwierciadłem, w którym naszego kosmosu wewnętrznego możemy tak namacalnie i tak blisko doświadczać.