建築ジャーナル2024年10月号。
設計した、介護小規模多機能居宅介護施設を、建築誌に掲載いただきました。
不整形の特徴的な木造トラス構造ですが、構造設計は鈴木孝夫さん。江戸東京博物館の構造設計チームのメインメンバーだった方。打ち合わせ中、鈴木さんの発想に、驚かされる事ばかりで楽しかったなあ。
木造の楽しさが、詰まった建築です。
木造トラスとは
木造トラスとは、木材を使用して三角形の構造を組み合わせたフレームワークで、建築物の屋根や床、橋梁などの構造を支えるために用いられる構造体です。トラス構造は、材料を効率的に使いながら大きなスパン（支持柱間の距離）を確保できるのが特徴で、強度と軽量さを兼ね備えています。以下で詳しく説明します。
トラスの基本構造
木造トラスは通常、以下の部材で構成されます：
弦材（げんざい）: トラスの上部と下部に位置し、屋根や床の荷重を支える主要な要素です。上弦材と下弦材があります。
上弦材: 屋根の外側にあたる部分で、外部からの荷重（風圧や雪の重さなど）を支えます。
下弦材: トラスの底部にあたり、引張力を受けて建物全体の安定性を保ちます。
斜材（しゃざい）: 上弦材と下弦材をつなぐ斜めの部材で、三角形の構造を形成します。この斜材があることで、外力を分散し、トラス全体の強度が高まります。
節点（せってん）: 各部材が接続するポイントで、トラス全体の力が集中する部分です。これにより、全体がバランスよく荷重を支えることができます。
木造トラスの利点
強度と軽さのバランス: 三角形の構造が力を分散するため、木材自体の強度を最大限に活かしつつ、少ない材料で大きな荷重を支えられます。
大きなスパンを確保できる: トラス構造は、支持柱なしで広い空間を作ることができるため、柱のない大きな部屋や倉庫、体育館のような建物でよく使われます。
経済的: トラスは木材の使用量を減らしつつ、効率的に大きなスパンや荷重に対応できるため、コストパフォーマンスが良いです。
デザインの自由度: トラス構造を利用することで、屋根の傾斜や形状に柔軟性を持たせられるため、建築デザインにおいても多様な選択肢があります。
木造トラスの用途
木造トラスは、特に以下のような場面でよく使用されます。
住宅の屋根構造: 軽量でありながら耐久性があるため、屋根の傾斜を支えるフレームとしてよく利用されます。
橋梁: 木材トラス橋は、軽量でありながら長いスパンを実現できるため、歩行者用や車両用の橋に採用されることがあります。
倉庫やホール: 支柱を少なくできるトラス構造は、広いスペースを必要とする建物に適しています。
木造トラスの種類
木造トラスにはいくつかのタイプがあります。主なものとして以下のような形状が存在します：
キングポストトラス: 最もシンプルな形で、中央に1本の垂直なポスト（柱）を持つタイプです。短いスパンに適しています。
クイーンポストトラス: キングポストトラスに似ていますが、中央に2本のポストがあり、より長いスパンに対応します。
ファンクションアルトラス: より複雑な構造を持ち、大スパンの屋根を支えるために使われます。
木造トラスは、軽量でありながら強度が高く、広い空間を柱なしで確保できる構造体で、三角形の基本形状によって力を効率的に分散するため、さまざまな建築や土木工事で広く用いられています。木材を主材料とするため、エコロジーな選択肢でもあり、歴史的にも現代でも重要な役割を果たしています。
木造の構造計算・構造解析
木造建築における構造計算と構造解析は、建物の安全性と耐久性を確保するために非常に重要です。特に地震や風などの外力に対して、建物がどのように反応し、どの程度の荷重に耐えられるかを正確に見積もる必要があります。以下に木造の構造計算と構造解析について詳しく説明します。
1. 構造計算とは？
構造計算は、建物にかかる荷重や外力を考慮して、その建物が適切に安全性を保つかどうかを数学的・物理的に評価するプロセスです。木造建築の場合、以下の要素に基づいて構造計算を行います。
主な要素
荷重: 建物にかかる力。主に2つに分けられます。
固定荷重: 建物自体の重量（壁、屋根、床など）。
可変荷重: 人や家具、積雪などの可動的な重量や環境要素。
外力: 自然からの力（地震、風圧など）。
風荷重: 強風が建物にかかる力。地域や建物の形状によって異なる。
地震荷重: 地震発生時に建物に加わる動的な力。
計算の目的
構造計算の主な目的は、建物がこれらの荷重や外力に対して適切な強度を持ち、倒壊や変形が起きないようにすることです。これを行うために、以下のようなステップで計算を進めます。
軸力や曲げモーメントの計算: 部材にかかる引張力や圧縮力、曲げによる応力を計算します。これにより、木材の断面積が必要な強度を持つかを判断します。
変形の評価: 柱や梁が荷重によりどの程度変形するかを予測し、建物全体として安定性を保てるかどうかを判断します。
部材の選定: 使用する木材の種類やサイズ、接合部の設計を行います。木材の強度は種類（杉、ヒノキなど）や乾燥度合いによっても異なります。
耐震設計: 建物の倒壊や損傷を防ぐために、耐震壁や耐力壁の配置、構造金物の設計を行います。
2. 構造解析とは？
構造解析は、構造計算で設定された条件のもとで、建物や構造物がどのように力を受け、その力がどのように建物全体に伝わるかをシミュレーションするプロセスです。解析においては、コンピュータを用いたシミュレーションが行われることが多く、特に**有限要素法（FEM）**が一般的です。
木造建築における解析手法
静的解析: 建物にかかる力を一定の静的な状態として解析する方法です。主に、重力や固定荷重を対象とします。
動的解析: 地震や風など、時間とともに変化する外力を対象とする解析です。日本のように地震が多い地域では、この動的解析が特に重要です。建物の揺れ方や、揺れがどの部分に集中するかをシミュレーションします。
有限要素法（FEM: Finite Element Method）: 建物全体を小さな要素に分割し、それぞれの要素に対して力の分布や変形を解析する方法です。これにより、部材ごとの応力分布や、局所的な変形の予測が可能となります。
木造における考慮点
木造建築は他の材料（鉄骨やコンクリート）に比べて、材料特性が異なるため、以下の点に注意して構造解析を行う必要があります。
木材の異方性: 木材は繊維方向によって強度や変形の特性が異なります。このため、繊維方向（縦方向）と直交方向（横方向）での力の受け方が異なるため、それに応じた解析が必要です。
湿度や温度の影響: 木材は湿度や温度の影響を受けて膨張・収縮します。長期的な安定性を確保するために、環境条件も考慮した解析が求められます。
3. 耐震設計と構造計算の関係
日本のように地震が頻発する地域では、耐震設計が特に重要です。建築基準法では、一定規模以上の建物に対して耐震性能を評価するための許容応力度計算が義務付けられています。この計算は、以下のような手順で行われます。
水平力の計算: 地震による揺れを想定し、建物にかかる水平方向の力（水平力）を計算します。
耐力壁の配置: 水平力に対抗するため、建物全体に適切に耐力壁を配置します。耐力壁は、地震や風の横方向の力に対抗する壁のことです。
接合部の設計: 木造建築では、接合部（柱と梁の結合部や金物）が特に重要です。これらの接合部が弱いと、地震時に建物が大きく損傷する可能性があるため、正確な計算が行われます。
4. 構造計算のツールとソフトウェア
木造の構造計算や解析に使われる専用のソフトウェアも多く存在します。これらは、設計者がより正確で効率的な構造計算を行うために利用されます。
木造ラーメン構造計算ソフト: 木造建築のラーメン構造に特化した計算ツール。
SEIN La CREA: 木造を含む多様な構造解析を行うためのソフトウェア。動的解析やFEMを用いた詳細なシミュレーションが可能です。
許容応力度計算ソフト: 日本の建築基準法に基づいた許容応力度計算をサポートするソフト。特に地震荷重や風荷重に対応した計算を行います。
木造建築における構造計算と構造解析は、建物の安全性を確保するための重要なプロセスです。木材の特性や外力の影響を正確に計算し、建物全体が地震や風などの負荷に耐えられるかを確認します。これらの計算と解析により、耐久性の高い建物が設計され、実際の施工に反映されます。
江戸東京博物館の建築構造の特徴
江戸東京博物館（えどとうきょうはくぶつかん）の建築構造は、その独特なデザインと技術的な挑戦によって、日本の現代建築の中でも特筆すべきものとされています。この博物館は、1993年に開館し、東京都墨田区に位置しています。設計は著名な建築家菊竹清訓（きくたけ きよのり）によって行われました。江戸から現代に至る東京の歴史と文化を展示する博物館で、その展示物にふさわしい独特な建築様式が採用されています。以下に、建築構造の主な特徴について詳しく説明します。
1. 浮遊感のあるデザイン
江戸東京博物館の建物は、まるで巨大な建物が空中に浮いているかのような印象を与えます。これは、メインの展示スペースが地上から大きく持ち上げられた形で設計されているためです。この設計は、博物館がある両国地区のランドマークであることを意識し、視覚的なインパクトを与えると同時に、展示スペースを広く確保するための工夫でもあります。
構造のポイント:
大きな空間を支える高床式構造: 主要な展示ホールは、地上から大きく持ち上げられており、建物の下部には広い空間が確保されています。このデザインは、博物館が立地する場所の歴史的な景観や、周囲の開放感を尊重したもので、あたかも「浮かんでいる」ような外観を作り出しています。
持ち上げられた展示スペース: 建物の上部は大規模な張り出しを特徴とし、水平に大きな空間を確保しています。このため、内部の展示エリアは柱の少ない広々とした空間になっています。
2. 巨大なフレーム構造
江戸東京博物館の構造のもう一つの大きな特徴は、その巨大なトラスフレーム構造です。このフレーム構造により、広大な屋内空間を支えることができ、展示スペースの天井が高く、開放感のある設計が可能になっています。
構造のポイント:
トラス構造: 建物全体を支えるために使用されているのは、鉄骨によるトラス構造です。トラスは、建物の荷重を分散させ、大きなスパン（柱と柱の間の距離）を確保するための構造形式です。これにより、内部には支柱がほとんどなく、広大な展示スペースを実現しています。
ダブルフレーム: 菊竹清訓が得意とする「メタボリズム建築」の思想を反映し、江戸東京博物館はフレームの二重構造（ダブルフレーム）を持っています。この設計によって、建物全体のスケール感が強調され、建築自体が都市における大きなランドマークとしての存在感を示しています。
3. メタボリズムの影響
建物の設計に大きな影響を与えたのが、菊竹清訓が関わったメタボリズム運動です。メタボリズムは、1960年代の日本の建築運動で、建物を有機的に成長・変化させることを重視した考え方です。江戸東京博物館にも、この思想が反映されており、建物は都市の中に「成長」しているような動的な印象を与えます。
メタボリズムの特徴:
モジュール化された構造: メタボリズムでは、建築物をモジュール化することで、拡張性や変化に対応できる構造を重視します。江戸東京博物館でも、この思想が感じられ、個々の展示スペースや機能的要素がモジュール化され、将来的に変更や追加が可能な設計がされています。
都市との調和: 都市そのものを「成長する生物」と捉え、建築がその一部として機能することを目指しています。博物館の巨大なフレームと浮遊感のあるデザインは、都市の動きや歴史の流れと調和する形で設計されています。
4. 耐震設計
日本は地震が多い国であるため、江戸東京博物館も高度な耐震設計が施されています。特に、展示スペースが持ち上げられた構造のため、強風や地震に対しても高い安定性が求められます。トラス構造による剛性を確保しつつ、建物全体が揺れを吸収できるように設計されています。
耐震性の特徴:
剛性のあるフレーム構造: トラスフレーム構造は、地震や強風に対して高い剛性を持ち、建物全体が揺れに強くなっています。
免震構造: 建物全体が大規模な振動に耐えるために、基礎部分に免震装置が設置されており、地震の際に建物にかかる力を吸収し、ダメージを最小限に抑える工夫がなされています。
5. ランドマークとしての存在感
江戸東京博物館は、周囲の建築物とは一線を画した大規模で近未来的な外観を持ち、墨田区両国地区のランドマークとしての役割を果たしています。この建物の存在感は、建築デザインそのものが持つ大胆さと、都市との一体感を反映しています。
江戸東京博物館は、菊竹清訓のメタボリズム建築思想を反映し、巨大なトラス構造や持ち上げられた展示スペースなど、非常に独特な建築構造を持っています。都市のランドマークとしての役割を果たしながら、内部は広々とした展示スペースが確保されており、来館者に歴史的な展示とともに、印象的な空間体験を提供しています。耐震性や拡張性など、機能面でも高度な技術が取り入れられており、現代建築としても高く評価されています。
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