キャンペーンのご案内
  • 第1回:木構造デザインの背景
  • 第2回:一般製材の可能性
  • 第3回:大径製材の可能性
  • 第4回:極小製材の可能性
  • 第5回:丸太材の可能性
  • 第6回:プレストレスト木構造の可能性
山田 憲明

(やまだ のりあき
/ Noriaki Yamada)

1973年
東京都生まれ
1997年
京都大学 工学部建築学科卒業
1997年
増田建築構造事務所
2012年
2012年
山田憲明構造設計事務所を設立
2013年
早稲田大学大学院 非常勤講師


■主な受賞

2005年
第1回ものづくり日本大賞 ※共同受賞
伝統構法による大規模木造天守の復元技術

第7回国土技術開発賞最優秀賞 ※共同受賞
伝統構法による大規模木造天守の復元技術


2011年
第22回JSCA賞作品賞
国際教養大学図書館棟の構造設計


2012年
第7回日本構造デザイン賞
東北大学大学院環境科学研究科エコラボの構造設計


2019年
第14回木の建築賞 木の建築大賞 ※共同受賞
南小国町役場


2020年
第15回木の建築賞 木の建築大賞 ※共同受賞
茂木町まちなか交流館 ふみの森もてぎ

第23回木材活用コンクール 農林水産大臣賞(最優秀賞)※共同受賞
昭和電工(大分県立)武道スポーツセンター

第23回木材活用コンクール 国土交通大臣賞(最優秀賞)※共同受賞
住友林業筑波研究所新研究棟


2021年
2021年日本建築学会賞(作品)
※中村拓志氏と共同受賞
上勝ゼロ・ウェイストセンター



■主な著書(いずれも共著)

『構造ディテール図集』(オーム社 、2016年、共著)

『ヤマダの木構造』(エクスナレッジ 、2017年、単著)

『構造設計を仕事にする』(学芸出版社、 2019年、共著)

『ひとりで学べる中層木造建築(ラーメン構造等)の構造設計演習帳』(日本建築センター 2020年、共著)

第4回:極小製材の可能性

1. 極小製材の長短所

一般に建築の構造材として使われる製材は、小径材と呼ばれるものでも105mm角か120mm角、材長は4mが標準である。これより小さいサイズ、例えば、45mm角、60mm角程度の製材は「極小製材」ともいうべきもので、羽柄材として根太・垂木・間柱等の下地材か、良質なものは廻縁・敷居・鴨居等の造作材として使われている。また、日本で「ツーバイ材」として呼ばれる北米産のディメンションランバーは、材料はSPFかダグラスファー(ベイマツ)の無垢材、断面サイズは基本的に厚さ2インチ(38mm)のシリーズで製造・流通しており、極小製材の仲間といえる。

仮に極小製材を構造材として使う場合、どのような課題があるだろうか。力学的には、断面サイズが小さくなると曲げと座屈性能が急激に低下するため、組立材か引張材として使う必要がある。また木造の接合部は木材に切削加工を施したところに接合具や金物あるいは木材を嵌めるといった「引き算」の考え方でつくることから、接合部の設計は木材断面が小さくなるほど相対的に断面欠損の影響が大きくなり非常に難しくなる。

このような課題の一方で極小製材の長所も多くある。木材は断面サイズが小さくなると乾燥が容易になるだけでなく、良質な芯去材が得やすいという調達上のメリットがある。また、サイズが小さいことから家具用のNC加工機が使えるため、建築用の加工機に比べて桁違いに加工精度を高められる。更に軽いがゆえに現場での組立・建方が人力でもできるという大きなメリットがある。

今回は以上の背景から、極小製材の可能性について建築作品と技術開発の事例紹介を通じて論じてみたい。

2. ディメンションランバーを用いた構造デザインの可能性

ディメンションランバーの主要材であるツーバイ材は厚みが38mmと薄いため、製材や集成材による軸組構造のように木材に細かい切削加工を施して接合部をつくることはほとんどなく、木材を切断したディメンションランバー同士を直接あるいは金物を介して釘かビスを用いて接合して組み立てる。この加工と組立の容易さゆえに大きな汎用性を持つ。北米で生まれた枠組壁構法(ツーバイフォー構法)はその最たるもので、日本でも広く普及している。

日本においてディメンションランバーは枠組壁構法を除いてほとんど使われることがなく、稀に木造住宅の垂木や根太等に採用される程度である。そのような背景から、筆者は2018年からカナダウッド(カナダ林産業審議会)からの依頼で、ディメンションランバーの更なる普及を目的に、その特性を活かした構造デザインの提案や開発を行っている。これまでに提案した12種類の構造デザイン案はカナダウッドのHPに掲載されていて(https://wood-solutions.org/design-lab/ideas/)、この中の数案について今後広く実物件に使ってもらえるよう、技術資料をまとめている最中である。

【図1】は、対辺から相対するディメンションランバーを半ピッチずらして差し込むことでラップさせ、互いの先端位置に直交方向のディメンションランバーでつないだレシプロカル構造で「櫛型レシプロ梁」と名付けている。ディメンションランバー2材を一組のユニットにし、スパン方向のジョイストユニットと直交するリンクユニットのレベルをずらし、縦方向に配置したストラットで繋ぐとことで、ビス留めによる簡易な接合と繊細な美観を実現し、ディメンションランバーの最大材長20フィートを超えるスパンにも使用できる。ストラットを少しだけ切削してユニットを嵌め合わせることで、ビス本数を減らすことも可能である。

【図1】ディメンションランバーを用いた櫛形レシプロ梁

【図2】は、ディメンションランバーのレベルを少しずつずらしながら並べていくことで波形状の曲面構造をつくるもので「波形曲面梁」と名付けている。カナダには古くからディメンションランバーをフラットに隙間なく並べて釘で留めていく「NLT(Nail Laminated Timber)」という構法があり、日本でも実用化が進められているが、波形曲面梁はレベルを少しずつずらしながらディメンションランバーを並べていくことで曲面構造をつくるものである。曲面のライズを確保することでフラットなNLT構造よりも大きなスパンを架け渡すことができる。ヴォールト形状のような一方向の曲率を持つ曲面だけでなく2方向の曲率を持つHPやドーム状の曲面をつくることも可能である。ディメンションランバーの継手位置は、NLT構造と同様に、隣接する通りの継手位置とずらして配置する。スパン直交方向は面外剛性が低いため、一定間隔にリブ補強を必要とする。ディメンションランバーの継手間の距離を設けて隙間をつくり、吸音効果や軽快な美観を実現することもできる。

【図2】ディメンションランバーを用いた波形曲面梁

3. メインダイニング エレテギアにおける実践

3.1 建物概要

極小製材を使った実例として「ベラビスタ スパ&マリーナ尾道 メインダイニング エレテギア(以下、エレテギア)」を紹介する。エレテギアは、瀬戸内海の美しい島々を見渡せる高台に建つ、尾道市のリゾートホテルに付属するレストランである【写真1】。建物の大きさは東西方向3.6m×南北方向32.4mの平屋で、海岸に対して平行に細長く配置されている【図3】。屋根は5.5寸勾配の入母屋形式で、採光のための越屋根がついており、木の乱尺葺きである【図4】。設計者の中村拓志氏から提示された要望は、この美しい風景への眺望を室内になるべく取り込むために屋根を支える下部構造が外部への視線を極力阻害しないようにするとともに、軽やかな木造屋根が浮かんでいるようなイメージを実現することであった。そのため、極小断面の木材と鋼材で構造を計画することとなった。

【写真1】外観(Photo : Nacasa & Partners Inc.)

【図3】平面図

【図4】断面図

3.2 下部構造

下部構造の計画では、構造体の存在感をなくす必要があったため、まず構造要素になり得る建築要素(壁、サッシ方立、開口枠等)にどんなものがあるかを確認した。計画当初は、別棟との連絡通路がレストランに取り付く予定であったため、エントランスの枠に構造体を入れ、そこに全ての水平力を負担させる案も検討したが、結局、連絡通路自体がなくなり、レストランだけで自立させることとなった。また、壁は機能上必要ないためフレーム系の構造システムを模索することになった。

フレーム断面を細くするにはブレースを入れるのが有効だが、建物の形と関係のない角度の構造要素が入ってくると部材自体は細くてもかえって目立つため、鉛直・水平または屋根勾配の角度を持つ部材だけでフレームを構成することにした。フレームのデザインとしては、門形、山形、格子形、独立柱等を考え、それぞれの構造特性や見え方、接合の仕組みを検討した。

構造システムを決定する際の支配的な荷重条件は、梁間方向は暴風時、桁行方向は地震時の水平力である。梁間方向の風圧力に対しては、柱頭部に曲げ戻しを期待できるような梁材を梁間方向に設けると、後述の屋根構造に異質なものが混在し内観に影響してくるため、固定柱脚による片持ち柱構造とした。片持ち柱は、単材で設計すると部材成が大きくなって目立つため、フィーレンディール形式の組立柱とした。芯々で140mm離した2本の44mm角鋼の弦材をFB-38×44~65を部分溶け込み溶接で多段につないでいる【写真2】。

フィーレンディール柱を2.7mピッチに配置することで梁間方向の耐風性能は確保できたが、次は桁行方向の耐震計画が課題となった。フィーレンディール柱は、桁行方向には柱成が44mmになってしまうため、地震力に対しては片持ち柱での抵抗は難しい上、座屈しやすい。そこで柱頭部を桁行方向に桁でつなぐことで、水平力時に柱頭部を曲げ戻すことにした。この桁も単材ではなく上下弦材を束で繋いだフィーレンディール形式にすることで、弦材断面を細くするとともに、柱の座屈長を短く抑えた。フィーレンディール桁は、芯々で496mm離した2本の44mm角鋼の弦材を束材FB-25×38を部分溶け込み溶接で450mmピッチにつないだものである【写真3】。このフィーレンディール桁を先述のフィーレンディール柱に通し、両者をボルト留めすることで、固定柱脚とともに柱頭部に曲げ戻しが期待できるフィーレンディールラーメン構造が構成され、桁行方向の耐震性能を高めている【図5】。FBの束材は後述するように木造トラスと同じ450mmピッチとしている。

フィーレンディールの柱・桁によるラーメン構造は、工場溶接で製作した梯子状ユニットを、現場で交差部をボルト接合するだけで簡易にモーメント抵抗接合をつくることができる。フィーレンディール桁の継手はスパン中間に設け、弦材が無垢鋼材であることを活かして、機械加工によりネジ切や孔を設けてボルト頭が面一に納まるよう美観に配慮している。

【写真2】フィーレンディール柱

【写真3】フィーレンディール桁

【図5】フィーレンディール柱に桁を通してボルト留めで構成するラーメン構造

3.3 屋根構造

この下部構造が支える屋根構造は、梁間方向のスパンが2間と小さいため、構造用の流通木材で最も小さいサイズである105mm角の木材で構成しても、下部構造の部材スケールからするとアンバランスになることが懸念された。そこで、一般には主要な構造材として利用されないほどの極小断面の木材を組み合わせた繊細なトラスで屋根を架け渡すことを提案した。使用木材として想定したのは、通常は構造材としては一般に用いられない45mm角材及びその半割22.5mm×45mmの地松材である【写真4】。上部構造の木材の部材断面寸法を下部構造の鋼材と揃えることで寸法体系を統一し、接合部ディテールの簡素化と構造空間の均質化を目指した。

トラス形状は、越屋根の位置や屋根勾配との整合に配慮しながら、部材配置が美しくなるよう何度もスタディして決定した。トラスは力学的に効率のよい構造である一方、1点で多数の部材が交差するため接合部の混雑が懸念される。このような極小製材を接合部の性能を確保しながらも美しくつくるには、部材構成と接合ディテールが要である。そこで、合わせ材や嵌合、飼木といった接合方法を駆使し、細いビスで留めるだけの簡素なディテールを考案した。トラスの主な構成部材は、束と水平材45×45mm、下弦材22.5×45mmダブル、上弦材22.5×60mmダブルである。22.5mm幅のダブル材で45mm幅のシングル材と飼木を、お互い5mmずつ切削して挟むように嵌め合わせ、どの方向の部材も通しつつ応力がバランスよく伝達されるように工夫している【図6】。各接合部では構造用ビスを補助的に使用しているが、基本的に木材同士の支圧で応力伝達をさせている【図7、写真5】。木材サイズが小さいことから家具製作で有名な近隣の府中市の家具工場が有する家具用NC加工機が使えることになり、繊細かつ高精度の切削加工が可能となった【写真6】。この木造トラスをフィーレンディール桁の束材と同じ450mmピッチで並べ、鋼材と木材の束材同士を構造用ビスで接合する方法とし、屋根構造と下部構造の力の伝達を滑らかにしつつ、見た目もすっきりさせた【図8、写真7】。

水平構面は、構造用合板によって確保している。木造の水平構面から鋼材への応力伝達を円滑にするために、鉄骨柱の上部に2.3mm厚の角パイプを溶接しておき、これに水平構面を構成する構造用合板をビス留めしている。角パイプおよび構造用合板の下地材は、天井裏に配置したため、完成後は見えない。

以上の工夫によって、鉄骨造フィーレンディールラーメンと木造トラスによる繊細なハイブリッド構造を実現した【図9】。

【写真4】屋根架構に用いる極小断面の地松製材

【図6】シングル材をダブル材で挟む三層構成

【図7】最大5方向から集まるトラス接合部

【写真5】3材構成・嵌合・飼木・ビスを駆使して接合部をシンプルにおさめる

【写真6】高精度に加工された極小製材

【図8】フィーレンディール桁と木造トラスの束材を450㎜ピッチで揃える

【写真7】鉄骨フィーレンディール桁と木造トラスの接合

【図9】鉄骨造フィーレンディールラーメンが木造トラスを支持するハイブリッド構造

3.4 組立と建方

建方では、施工誤差の吸収や調整が課題となった。木造トラスの設置後に鉄骨本締めを行って施工誤差を吸収する案や、木造トラスと鉄骨架構との間にクリアランス寸法を設ける案なども出たが、繊細な木造トラスに施工応力をかけないとの配慮で、まず鉄骨部分のみの精度を確保した上で本締めを行い【写真8】、次に木造トラスは地組して吊り上げて鉄骨架構に固定した【写真9、10】。木造トラスは非常に軽量であるため、地組も吊り上げも楽であった。木造トラスと鉄骨との接合は、フィーレンディール桁の束材に予め下孔をあけておき、木造トラスの束材とをぴったりと合わせてビス留めするという精度が要求される接合方法を選択した。いずれも高い精度の要求される難しい建方であったが、施工者の尽力によって実現できた【写真11~13】。

【写真8】フィーレンディールラーメンの建方

【写真9】木造トラスの地組

【写真10】木造トラスをスライドして設置

【写真11】竣工後外観(Photo : Nacasa & Partners Inc.)

【写真12】竣工後内観(Photo : Nacasa & Partners Inc.)

【写真13】竣工後内観(Photo : Nacasa & Partners Inc.)

建築データ

建築名称:メインダイニング エレテギア
所在地:広島県尾道市
竣工:2015年
建築設計:中村拓志&NAP建築設計事務所
構造設計:山田憲明構造設計事務所
用途:飲食店
建物規模:延床面積368.21m²
構造規模:鉄骨造+木造 平屋

参考文献

新建築2016年7月号
建築技術2016年3月号 特集 スラスラできる中大規模木造建築物の構造設計
建築技術2019年9月号 特集 架構と加工の関係から新たな組立工法の可能性を探る
鉄構技術2016年9月号 鋼構造出版
ヤマダの木構造 2017年、エクスナレッジ
ディテールの教科書 中大規模木造編 2020年、日経BP
LIVE ENERGY 111号 構造家倶楽部リレー連載第29回
建築技藝