剛体折りの可搬建築物への適用可能性の研究−木質パネルを用いた仮設シェルターの事例を通して− [ PDF

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(1)剛体折りの可搬建築物への適用可能性の研究 −木質パネルを用いた仮設シェルターの事例を通して− 魚住英司 1. はじめに. 証と施工性を確認する。これら得られた知見から可搬. 1.1 研究の背景と目的. 建築物への適用可能性を探る。. 近年、東日本大震災をはじめ自然災害が多発し、建. 2. 剛体折りの特徴. 築家らによって多くの応急仮設住宅が提案されてき. 2.1 剛体折りについて. た。それに伴い、建築のあり方としての " 仮設 "、" 可. 剛体折りは、折紙の展開・折り畳みにおけるすべて. 搬 " 建築物が注目を集めている。一方、日本の伝統文. の変形が、折り線上の回転によってのみ起きている折. 化として親しまれてきた折紙は、平面から立体、立体. りの幾何学的モデルである。折紙が柔軟に変形するメ. から平面へと状態が変化する特性、一枚の連続面で構. カニズムには、構成する素材自体の柔軟性を利用した. 成される性質、折りによって生まれる陰影など、工学. ものと、幾何学的な柔軟性を利用したものの 2 種類. デザインにおける新しい手段として着目されている。. に分けることができが、後者のみを利用した変形が剛. そこで、剛体折紙を利用した幾何学的に柔らかな形. 体折りの変形メカニズムである。. 態とすることで、平面から容易に展開可能なアーチ形. 2.2 剛体折りの建築への適用. 状の構造体、剛体折り木質パネル架構 ( 以下、本架構 ). 剛体折りの動的性質を利用して、変形能力を持たせ. を開発した ( 図 1.1,1.2)。なお本架構は、2012 年 11. た可搬建築物に適用する際に留意しなければならない. 月開催の九州大学学園祭へ、建築学科が出展する展示. 項目は以下の３点である。. フォリーとして考案されたものである。本架構の特徴. １）構成する面. としては以下の点が挙げられる。. 材質が紙の折紙では、厚みのない平面の集合として. 1）剛体折りを用いた折板形状である。. 扱うことができる。しかし建築に適用する際は、構成. 2）展開・折り畳みが可能である。. 材料は剛性を持った面として扱うために、ある程度の. 3）分解し 2t ロングトラックで運搬可能である。. 厚みと体積が必要である。そのため厚みを持った剛体. 4）特殊な技術を要さず、人力のみで施工可能である。. 面でも変形が可能とするために、折り曲げられた面同. 5）仕上げ材として膜材を用いている。. 士が干渉することなく変形する必要がある。以下にモ. 本研究では、本架構の特徴を把握し、今後の発展可. デル化の例を示す ( 図 2.1)。. 能性を探ることを目的とする。. 幾何学的モデル. 剛体面の中心線と稜線の軸をそのまま同一としたモデル剛体面の中心線に稜線の軸心を合わせると剛体面同士が干渉して変形ができなくなってしまう。稜線部分で剛体面を欠いたモデル稜線における可動範囲の分だけ剛体面をけずることによって可動させる。剛体面の制作において、加工する手間がかかる。稜線の軸心をずらしたモデル. 図１.1 架構外観. 稜線の軸心をずらす方法。この時、頂点は左右対称性と２方向折りたたみ可能であるという限定された折りの条件がある *¹。. 図 1. ２架構内観. 1.2 研究の方法まず 2 章では剛体折りの幾何学的特性と、建築への. 図 2.1 構成面のモデル化. 応用における留意点について考察する。3 章では構法、. ２）稜線. 架構システムの概要から本架構の特性を把握する。４. 幾何学的なモデルにおける稜線は、可動するヒンジ. 章では加力試験を行い、本架構の構造的特性を明らか. として再現しなければならない。建具などに用いられ. にする。５章では、試行建設により、架構の構法の検. てきたような蝶番、もしくは自由に変形できる布やゴ. 29−1.

(2) ムといった柔らかい素材等が考えられる。蝶番もしく. あることが確認された。本架構の概要を図 3.2、3.3. はそれに類する機構を用いた場合、可動部分に必ず隙. に示す。本架構では、２次元平面である剛体折りを 3. 間が生じるため、その隙間を塞ぎ、防水を行わなけれ. 次元立体に適用するため、パネル同士を蝶番で接合し. ばならない。一方、柔軟な素材を用いた場合、稜線の. た。パネルの厚みにより山折箇所、谷折箇所で蝶番軸. 部分において曲げや圧縮といった力を伝えることがで. 線がずれるため、架構展開時の平面を２層にすること. きず、平板を折ることによってある種のシェル形状を. で架構の変形を成立させた ( 図 3.4)。. 作り出す、折板構造として構造解析するのではなく、 3,408. 剛体折りは折り変形の過程全体に渡り、ひずみや応. 2,434. ３）形態拘束. 3,212. 違った構造的なアプローチが必要となる。. 力が発生しない。ゆえに、形態を拘束しなければ小さな力で変形してしまう不安定な構造である。剛体変形. 3,784 4,796. 506. における自由度 ( 並進 3 ＋回転 3) に加えて、モデル. 506. 506. 1,892. 4,796. 1,892. 506. 図 3.2 立面図・平面図. 自体が持つ変形自由度を考慮する必要がある。 3. 実施架構概要. a2. c2. b2. 3.1 架構形状の決定本研究では、剛体折りの基本パターンである吉村パ. c1. ターンを応用した架構を扱う。吉村パターンは薄肉の. e2. d2. b1. a1. f2. d1. f1. e1. 図 3.3 展開図. 円筒に上下方向から強い荷重をかけたとき、ダイヤモンド形の連続したシワ構造が生じる。この形は円筒の. 架構外部. 破壊の理論を研究した吉村慶丸（当時東京大学教授）に因んで、吉村パターンと呼ばれている。このダイヤモンド構造の連続した円筒（擬似円筒）は、横方向か. 谷折箇所. 架構内部. 山折箇所. 図 3.4 蝶番接合詳細. らの破壊力に強く抵抗することが知られている。同一のプロポーションの部材で構成され、左右対称性を有. 3.3 下部架構概要. すると同時に、二方向への折り畳みが可能である。よっ. 上部架構は足元を固定することで安定する架構であ. て、構造・構法の両観点から優位と考えられる。また、. る。下部架構の概要を図 3.5 に示す。足下部分の課題. 三角形のメッシュで構成されるため、３点でピン固定. として、運搬可能性保持のために分解可能であること、. することで形状が安定することが知られている * ( 図. 大引きの長さが一般に流通する 4,000mm を超えない. 3.1)。これらの特徴を踏まえ、蝶番を用いて稜線を再. こと、架構足下部分の平面が直交グリッド上にないこ. 現した上部架構に、下部架構を接合し、足元を拘束す. との３点が挙げられた。本架構では、105mm 角の大. ることで形態を安定させる架構とした。. 引きを、B1,B2 のように上下の２層に配置すること. 2. で、使用材を 4,000mm 以下とした。また、両端には上部架構に合わせた大引き A1,A2 を角度をつけて敷くことで、足下接合部の形状を架構平面に適合させた。上部架構および、上下の大引間をボルトで接合することで、可搬性を保持した。. 図 3.1 三角形メッシュの形態拘束. 3.2 上部架構概要. 105mm角材. の杉材、4mm 厚の耐水合板、70mm×102mm×1.5mm. 852 852 426 3408. 上部架構の使用部材は、一般に流通する 45mm 角 A1. A2. B2. t ロングトラックで運搬可能なように、対象箇所に軸. B1. M12ボルト. 芯の抜き差しが可能な平儀星蝶番を用いた。また水勾配を取るため 1 ユニット 12 パネルとし、左右非対称の立面とした。本架構は、２種類に折りたたみ可能で 29−2. 506. 1,892. 4,796. M12ボルト. 426 852. の蝶番、102mm×102mm×2mm の蝶番とする。２. 足下パネル. 1,892. 506. 図 3.5 下部架構詳細図. A2. A1. コンクリートブロック.

(3) 3.4 膜材. 力後は鉛直変位が進まなかったことから、降伏は起き. パネル間を複数の蝶番で接合したため、上部架構展. ていないと考えられ、荷重 150kg 以上でも同様に荷. 開時に隙間が生じ、防水の問題が発生する。そこで防. 重と変位は線形関係を保持することが予想される。水. 水を確保し、軽量性・施工性を高めるため、膜を仕上. 平変位計を取り付けた位置は、加力線付近であったが、. 材として用いた。上部架構は展開すると１枚の平面と. 鉛直変位と同程度に変形が起きたことから本架構の剛. なる特徴があるため、１ユニットを１枚の膜で覆うこ. 性が左右非対称であると判断でき、変位方向から本架. とが可能である。膜材と架構の接合には溶着可能な面. 構パネル f 側の剛性が比較的低いと考察される。. ファスナーを用い、運搬時など取り外しが可能なもの. 4.4 梁方向水平加力試験結果・考察. とし、施工性を向上させた ( 図 3.6)。また、ユニット. 梁方向水平加力試験においては、最大で 201.2kg. 間の連結には止水ファスナーを用い、各ユニット建上. だけ水平に加力し、最大変位は鉛直方向で 3.4mm、. 完了後に止水ファスナーを閉じることで膜材が一体さ. 水平方向で 35.4mm であった。水平方向には、7mm. せることで防水を確保した ( 図 3.7)。. の変形が残った。鉛直加力時と同じく、グラフの傾きが直線的であることから、降伏は起きていないと考えられる。 4.5 桁方向水平加力試験結果・考察桁方向水平加力試験においては、最大で 138.5kg だけ水平に加力し、最大変位は鉛直方向で 7.8mm、水平方向で 52.6mm であった。加力解除後の変位の. 図 3.6 面ファスナー. 戻りは、基礎浮き上がりから接地する際のものである。. 図 3.7 止水ファスナー. 4. 加力試験. グラフから最大荷重を予想し、その値に 0.8 を乗じた. 4.1 試験概要. 120kg が降伏荷重と想定された。. 本架構において、以下の３通りの試験を行った。. 105mm角材 1000mm変位計. ①架構最上部の鉛直加力試験 ②梁方向の水平加力試験. 水平変位測定箇所鉛直変位測定箇所. 桁方向加力試験. 水平変位測定箇所 1000mm変位計. 梁方向加力試験. ③桁方向の水平加力試験. 鉛直加力試験 1000mm変位計. 加力試験では、本架構における２連ユニットのうち、１ユニットに対して行った。支持条件は、足元部分を. 足下変位B測定箇所足下変位A測定箇所. 除いて本架構と同一である。試験結果をもとに、上部. 図 4.1 試験方法. 架構の強度と剛性を検討する。また、上記の①→②→. 4.5 小結. ③の順に試験を行った。. 鉛直荷重については、肉眼で変形を確認することが. 4.2 試験方法. できなかった。左右が非対称の形状であることからパ. 各試験の方法を図 4.1 に示す。鉛直加力試験は架. ネルｆ側の剛性が比較的低い。変形状況と結果を表し. 構上部の水平面に 105mm × 105mm の角材を渡し、. たグラフの傾きにより、本架構は、鉛直方向、梁方向、. その中央から加力を行った。反力は、RC 柱にシャコ. 桁方向の順に剛性が高いことが判断できた。. 万力で設置された H 型鋼から取った。変位計は巻き. 5. 試行建設. 取り式を用いた。梁方向水平加力試験では、パネル. 5.1 試行建設概要. b1,b2 に、アイボルトを各２本取り付け、水平荷重を. 本架構の構法の検討と施工性の検証をするため、実. ４点集中荷重とした。また桁方向水平加力試験では、. 大スケールで試行建設を行った。作業員は主に 6 〜 7. パネル d2 に、アイボルトを２本取り付け、桁方向水. 人で、建ち上げ時など必要に応じて最大 10 名動員し. 平荷重を２点集中荷重とした。水平変位計は、加力方. た。建設期間は平成 24 年 11 月 22 日〜 25 日 (4 日間 ). 向に取り付けた。. である。工場制作は九州大学箱崎キャンパス実験棟で. 4.3 鉛直加力試験結果・考察. 行い、現場建方は九州大学伊都キャンパスにて行っ. 鉛直加力試験において、最大で 151.1kg だけ鉛直. た。上部架構は建方と解体を２度ずつ行い、可搬建築. に加力し、最大変位は鉛直方向で -4.4mm、水平方向. 物として繰り返し利用されることを想定し、試行建設. で -3.6mm であった。直線的なグラフの傾きと、加. を行った。試行建設の手順を図 5.1 に示す。. 29−3.

(4) ⑫完成. ⑪膜材取り付け. ⑩下部架構接合. ⑨アーチユニット建ち上げ. ⑧拘束部材取り付け. ⑦アーチユニット接合. 工場制作. ⑥床材取り付け. ⑤大引組立. ④基礎施工. ③アーチユニット製作. ②パネル制作. ①材料カット. 下部架構. するために、上部架構の足元部分に持ち手を取り付け、架構の接合完了後取り外した。膜材の設置はアーチユニット展開後に取り付け、建ち上げ完了後にユニット間を止水ファスナーによって接合した。 SUSアングル 149° φ25mm SUSパイプ. 上部架構 ( 建方・解体を 2 度行った ). パイプ設置箇所. 現場建方. パネル設置箇所. 図 5.1 施工プロセス. 5.2 工場制作. M10 ボルト・ナット. 図 5.8 拘束部材詳細図. 工場での作業工程は、製材の加工とアーチユニット. 5.4 考察. の制作である。下部架構の設計寸法長に木材を切断し、. 試行建設は概ね支障なく完了することができた。工. 接合部のボルト穴を開ける。パネルのを構成する部材. 場での部材制作により、大部分をプレファブ化するこ. は精度を必要とするためプレカット加工したものを用. とで、現場での工期を短縮することができた。しかし. い、アーチユニットを制作する。. 上部架構展開後、拘束部材と補強として架構内部から. 5.3 現場建方. 蝶番を取り付けたため時間を要した。施工性の向上が. 建方の状況を以下に示す ( 図 5.2−5.7)。. 必要であると考えられる。今回は現場建方を全て人力で行ったが、移動式クレーンで補助することで、より簡単で安全に行うことができるであろう。下部架構は部材を通しボルト 1 本で接合しているため、回転を許容する。接合時に角度の固定ができれば速やかに建方が進むであろう。また面ファスナーで膜材と架構を. 図 5.2 大引組立. 接合したため、架構の形状に沿うよう微調整が可能で. 図 5.3 床材組立. あった。ユニットの接合部は、ファスナーの持ち手が架構外側であったため内側からは可動しにくかった。解体完了後、蝶番を確認したところ、コースレッドの破損や、蝶番の歪みが見られた。これは繰り返し、建方・解体を行う中で、蝶番で接合している部分に架図 5.4 アーチユニット展開. 構のねじれなど、施工中に発生する応力が集中したこ. 図 5.5 膜材設置. とによるものだと考えられる。 6. まとめ本架構は剛体折紙を応用し、平面から展開後、足元を拘束することで安定する架構である。平面に折り畳むことが可能で、仕上げに膜材を用いる点は、可搬建図 5.6 上部架構建ち上げ. 築物の折り畳みの可能性や施工性の向上に寄与すると. 図 5.7 上部架構接合. 現場建方は、特殊な工具や重機を使用することなく. 考えられる。実建築の適用に際しては、繰り返しの施. すべて人力で行った。下部架構は下側の大引から順. 工にも耐えうる高強度のヒンジの開発、窓や出入り口. に、微調整を行いながら基礎と緊結した。上部架構は. のデザイン等の検討が必要である。. 架構の足元を固定しない状態では、蝶番が自由に変形するため形状が安定しない。そこで、施工性を考慮して a1-a2、c1-c2、e1-e2 パネル間、3 箇所に対して長ネジとパイプで開きを矯正することで拘束した。a1、 a2 パネルには蝶番が接合できないことから、木材で制作したパネルで開きを拘束した ( 図 5.8)。また建ち上げ・上部、下部架構の接合を行いやすく. ＊ 1 折紙の数理とその応用 p174 より＊ 2 折紙の数理とその応用 p156 より【参考文献】 1) シリーズ応用数理第３巻折紙の数理とその応用：野島武敏、萩原一郎編（共立出版、2012） 2) 折紙の剛体折り条件について：渡邉尚彦 3) 仮設建築のデザイン：朝倉則幸（鹿島出版会、1993.5） 4) 木質構造設計基準・同解説（日本建築学会、2009） 5) 建築物荷重指針・同解説（日本建築学会、2004） 6) 建築物の構造関係技術基準解説書. 29−4.

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