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5回:丸太材の可能性

1. 丸太材の課題と可能性

丸太材は、原木皮剥き後の製材工程がないため、長い材が得やすく断面性能のロスが少ないという力学的に大きな長所を持つ反面、曲がりや径・形状のばらつきを有するため、その加工・組立には高度な大工技能を必要とする。そのため古来、数寄屋建築等を除き、小屋梁や桔木(はねぎ)、独立柱等、力の負担が大きく造作との取り合いの少ない部材に多用されていた。

近代以降の日本における丸太材を使った本格的な構造デザインは、アントニン・レーモンドが最初ではないだろうか。丸太材で構成した鋏状トラスによる教会や方杖を巧みに用いた教会や事務所は、力学と材料の深い洞察に基づいてデザインされており、唯一無二の架構と空間を獲得している。しかしながらレーモンドの丸太材架構は、丸太材同士を自然の丸味に合わせて隙間なく接合する「光付(ひかりつけ)」を多用しており、当時多く存在した大工職人の高度な技能に立脚している。

【写真1】カトリック新発田教会[設計:A.レーモンド、1966年竣工]
丸太の構造を化粧あらわしにすることで独特の空間を創り上げている。

1980年後半から90年代の木造ブームにつくられた丸太材を用いた構造の多くは、接合部の効率化のためにジョイント金物を用いた鉄骨造的なものか、昔ながらの光付の方法でつくられており、建設のコストと工期がかさむことから現代においては定着していない。現代は丸太材の墨付、加工ができる大工が限られる上、桟積みによる乾燥が困難なこと、十分な乾燥期間を取りにくいこと、造作との取り合いの難しいこと等から、ほとんど使われなくなっている。だが、上述の力学的な長所や化粧あらわしによる意匠への寄与など、もっと見直されてもよい素材である。

丸太材の少し変わった使い方として、太鼓材と半割材がある【図1】。太鼓材とは、丸太材の相対する2面を切落として平行な2面をつくった断面が太鼓形の材、半割材とは、丸太材を半分に製材したものをいう。4面を切り落とす製材は、原木のちょっとした曲がりによって長材や大断面の材を得ることが困難になるが、太鼓材や半割材では、曲がり面と製材面を揃えることで、長材・大断面が得ることが可能となる。また、面ができることで木材の墨付、加工や、壁との取り合い等が丸太材に比べて格段に容易になるとともに、強軸方向の断面性能が確保されるという、丸太と製材の長所を兼ね備えた大工の知恵と工夫を感じる要素技術である【図2】。約10年前に視察した熊本県五木村役場は、20年以上前に建てられた木造2階建ての庁舎で、この太鼓材が上手に活用されていることに感銘を受けた【写真2】。吹抜けに面する外壁は、高さ約8mもの大きな壁面を支持しなければならないが、この柱に面外方向に強軸を向けた太鼓材を使うことで、面外風圧力や座屈に対する性能を確保している。

【図1】丸太材、半割材、太鼓材

【図2】太鼓材の製材と強軸方向の断面性能

【写真2】太鼓材を構造材に上手に活用している五木村役場

2. 丸太材の太さと長さを活かす ~南小国町役場~

丸太材を活かすための工夫を行った事例として、南小国町役場[設計:仙田満+環境デザイン研究所、2015年竣工]がある。延床面積2,404m²で執務棟と議場棟から成る2階建の庁舎である。南小国町は熊本県北部の山間部に位置し、小国杉と呼ばれる良質で大径の杉材を産出する地域で、林道が整備されており、10mを超える原木も調達できる。発注者からこの太く長い小国杉を活かした構造が求められたことから、丸太材を主要構造材に使うこととなった。燃えしろ設計を行うイ準耐火になるとJAS格付けのない丸太材を使えなくなるため、1,000m²以内にRC造防火壁を設けることで防耐火種別を一般木造にしている。

執務棟では、柱に直径30~40cmの磨き丸太を使い、これを基礎に埋め込む掘立柱と、柱の中間高さに設けた通し貫と挿肘木によるモーメント抵抗接合で構成する木造ラーメン架構によって地震力を負担させ、耐力壁のない開放的な執務空間を実現している【写真3】。掘立柱の柱脚ディテールでは、RC造基礎に埋め込むために木材を沓金物によって保護しているが、材によって径がまちまちな丸太に合う沓金物を全て製作するのではなく、逆に既製の鋼管に合うよう丸太を削っておさめる合理化を行っている。

議場棟では、対辺距離16.2mの半正八角形平面に対し、元口径40cm、長さ10mもの磨き丸太を下弦材に使ったトラス状登梁を放射状に架け渡している【写真4】。トラス状登梁とこれを受ける外周部の柱は丸太材同士になると仕口の施工難易度が上がってしまうことから、設計者や施工者と協議を重ね、柱を等径の円形断面加工を施し、仕口にびん太胴付を用いることで、強度、美観、施工性を確保している【写真5】。

木材の調達期間を確保する目的で、木材は先行分離発注によって調達された。想定木材量約400m³のうち半分の200m³は基本設計終了時での大まかな木拾いによって個人山主から募って乾燥に時間のかかる大径・長材をまず発注し、残り半分の200m³は実施設計完了後の精度の高い木拾いにより、町有林と木材市場から調達するという二段階の調達を行った。大径・長材を無垢材で使うことから、木材の品質管理、特に乾燥とヤング率が大きな課題であったことから、以前、別プロジェクトでお世話になった熊本県林業研究指導所の池田元吉氏から指導を受け、製材は蒸煮減圧処理、人工乾燥が困難な磨き丸太については背割りによる天然乾燥を行っている。乾燥施設の紹介や細かい乾燥方法、ヤング率の打音計測まで指導いただいた。

【写真3】南小国町役場 執務棟内観

【写真4】南小国町役場 議場棟内観(撮影:藤塚光政)

【写真5】南小国町役場 トラス状登梁端部の仕口

建築データ

建築名称:南小国町役場
所在地:熊本県阿蘇郡小国町
竣工:2015年
建築設計:仙田満+環境デザイン研究所
構造設計:山田憲明構造設計事務所
用途:庁舎
建物規模:延床面積2,404.12m²
構造規模:木造+RC造+鉄骨造 地上2階
3. 空間に合わせて変化する丸太構造 ~上勝ゼロ・ウェイストセンター~

3.1 上勝町における丸太材の活用

本施設は、馬蹄形プランのひとつ屋根の下に、主機能であるゴミストックヤードだけでなく、オフィスやショップといった使用条件が全く異なる空間が4間(7.28m)の幅で並ぶ建築計画である【図3、写真6】。屋根形状は一定だが、建具や壁によって覆われる屋内空間と、ゴミ運搬の車がアクセスし雨がかりとなる屋外空間とでは、空間の使い方や雨への対策が大きく異なる。これらの条件に加え、集められたゴミの臭気がこもりにくく、風と光が通りやすいよう、開放性と高さを持つ気積の大きな空間が求められた。「ゼロ・ウェイスト」運動を推進している町のシンボルとなる施設であるため、建築に地域の材と技術も埋め込みたい。

【図3】平面図

【写真6】全景(撮影:Koji Fujii/TOREAL)

かつて上勝町で盛んであった杉の林業・林産業は衰退したが、今でも木材や木造に対するポテンシャルは高い。林業再生を目指して町内産の木材業を営む第3セクター「もくさん」があるなど、年配者を中心に木材に関する理解は深い。町内に残る小さな製材所は、現代で主流となって大量生産を行うためのツインソーではなく、昔ながらの台車式製材機を持っており、オーダーによる製材が可能である【写真7】。加工に関しても、徳島県は特殊プレカット機を持つ加工工場がない反面、現代でも大工の手刻みによる自由度の高い加工が一般的に行われている。

これらの与件から、上勝町産の杉丸太材と技術を活かした上勝町ならではの構造を目指すこととなった。小中断面の一般流通材を用いて細かく組み立てていく構造も想定したが、特殊プレカット機のない生産環境では膨大な接合部加工が発生するため適さない。一方、丸太材は、プロポーザル時の事前調査で材長8mまで調達可能なことがわかっており、一般流通材の最大長6mを超える7.28mの梁間スパンや、軒高4.2mもの高い空間でも継手を設けず骨組を構成することができるため格段につくりやすくなる。更に丸太材は端材がほとんど発生しないことから町のコンセプトにも合致する。

丸太材は乾燥に時間がかかり、着工後から木材を集めたのでは工期に間に合わないため、町が木材を先行分離発注してくれることになった。メインフレームには、町内の森林に多く植林されている50~60年生の杉を用いることとし、立木径から末口径Φ250mm程度、材長8mの材を中心に集めた。

【写真7】上勝町内の製材所が持つ台車式製材機

3.2 屋根外形を変えずに空間の使用条件に応じて変化する構造システム

上述のように丸太材の使用を念頭に置きながら構造システムの検討に入ったが、同一形状のフレームを単に並べていくと、屋内と屋外空間のいずれかで使用条件との齟齬が生じるという問題に直面した。長い検討を経て行き着いたのが、屋根外形を変えずに「空間の使用条件に応じて変化する構造」であった。ただし、この方法には重大な懸念があった。ただでさえ丸太材を使うと、光付の仕口によって膨大な大工手間が生じる可能性があるが、それに加えてフレームの形を変えるとなると接合部の種類も膨大になってしまい、大工への負担が更に増える。フレーム形状の違いによって、構造性状が大きく変わってしまうことも避けたい。これらのことから、形態に対する融通性を持ちながらも統一性があり、丸太材を使いながらも大工手間が少なくて済む構造システム、部材構成、ディテールをいかに構築するかが構造計画における最大の課題となり、次のように計画していった。

馬蹄形という中心軸の角度が徐々に変化していくプランに対して、まず、鉛直荷重と水平荷重の両方を負担できる梁間方向の平面フレームを馬蹄形の中心軸に沿って一定間隔に並べることで、屋根の鉛直荷重を支えつつ、全体としてあらゆる方向に対する一定の水平耐力を持たせることを考えた。これによって梁間と桁行の両方向に対する開放性を生み出すことができる。平面フレームは、丸太材でつくれる極力シンプルな構成を心掛け、2つの単位トラスと1本のピン柱による3ヒンジの静定構造とした【図4】。剛接合にヒンジ接合は木造でつくりやすいうえ、静定構造ならばフレーム形状を少々変化させても構造性状が極端に変わらないからである。このフレームを1間半(2.73m)間隔に並べ、455mmピッチの母屋で繋ぎ、30mm厚の杉野地板を張ることによって全体構造が出来上がる。

【図4】2つの単位トラスと1本のピン柱による3ヒンジの静定フレーム

続いて、各部屋の使用条件に合った空間をつくるためにフレーム形状を変形させる仕組を検討した。屋内では、外壁の拠所として鉛直に立った側柱があった方がよく、また内部スペースの空間効率を高めたいことから、柱脚は外側に配置した方がよい。逆に屋外では、雨がフレームにかかりにくくるためと、ゴミ運搬車の動線から、柱脚は中心軸付近に寄せた方がよい。この考察から、屋内部では外壁位置にある柱脚を、屋外部では中心軸付近に最大2.73m移動させること、即ち、フレームのトラス側(内側)の柱脚部を移動させるという構造体の形態変化によって、空間の使い方や雨がかりの条件に合わせられる仕組みをつくることとした【図5】。フレーム形状を急激に変えると、隣り合うフレーム同士の構造性状が不連続になって好ましくないため、柱脚位置を455mmずつ動かし、7段階で徐々に移動させることとした。

本施設は延床面積500m²超であることから法6条における3号建築となり、ルート1での構造設計を行った。丸太材は告示1898号の木質材料に該当しないことから、令第46条2項ルートを採用できないため、令第46条4項で要求される最低限の壁量を構造用合板耐力壁で確保することとした。水平力に対するフレームと耐力壁の負担をみながら設計するために、建物全体のフルモデルによる立体解析を行っている【図6】。

【図5】2つの単位トラスと1本のピン柱による3ヒンジの静定構造を少しずつ変化させることで空間の使用条件に適合させる

【図6】建物全体の立体解析モデル

部材構成と接合部ディテール

部材構成と接合部ディテールの検討では、丸太材の使用やフレームの変形を採用しても大工の加工手間を抑ええること、丸太材の良さを失わない美観を持たせることを目指した。そのためには、光付の仕口を極力つくらないこと、トラス接合部での部材混雑を解消すること、フレーム形状の変形に伴う部材角度の変化にフレキシブルに追従できる仕組みを持たせることが求められた。

最初に発想したのは、1本の丸太を3枚おろしのように分けて1本のボルトで止め、ボルトを中心に真ん中の太鼓材と両端の側材を回転させることで可動するトラスを構成する方法である【図7】。この方法では末口部分で側材が薄くなりやすいことが課題であったため、この発想を大切にしながら改良し、側材に半割材を用いることとした。つまり、まずフレームの各部材をシングルの太鼓材とダブルの半割材とに分け、これらを組み合わせることにした。シングルとダブルの仕分けは、接合部のつくりやすさ、座屈、美観など、総合的に検討して行い、登梁と斜材はシングル、側柱と陸梁はダブルとした【図8】。この構成によって丸太材の最大のメリットである長材利用が活かされたまま、部材同士は平らな面で接するため光付が不要になるとともに、トラス接合部の混雑が解消できた。更に、太鼓材や半割にすることで、丸太材では困難であった桟積みによる乾燥が格段にしやすくなった。太鼓材の製材時に出る端材は、挽板材や薪として使い切っている。

太鼓材と半割材が交差する各接合部のディテールでは、1本のボルトM20で止めることで、フレーム変形に伴う部材の角度変化に追従するようにしている。ただし、1本のボルトのみでは接合部耐力が大きく不足することから、Φ90mm×厚み22mmの鋼製シアリングを内蔵して支圧面積を大きくすることで、美観と接合耐力を確保している【図9】。屋根頂部では2本の登梁と1本の斜材、計3材が1点に集まるが、シアリングに加えて、への字形と一文字形のプレートを組み合わせることで、斜材の角度変化に追従するディテールを実現している【図10】。半割材の反りを拘束するために飼木を挟んでボルト止めしている。

木材の加工と建方は、県内の熟練大工を棟梁として、常時5~6人で行った。経験のない丸太材の使い方であるため、大工の抵抗を懸念していたが、柔軟な思考と高い理解力を持つ彼らの尽力によって、大過なく木工事を終えることができた。本プロジェクトが丸太構造という日本における貴重な技術の継承に資することを願う。

【図7】丸太材を3枚におろしてボルトを中心に部材を回転させる発想から、太鼓材と半割材による構成へ

【図8】部材構成と接合部ディテール

【図9】M20ボルトと支圧面積を増やすための内蔵シアリング

【図10】への字形と一文字形のプレートを組み合わせた頂部の接合部ディテール

建築データ

建築名称:上勝ゼロウェイストセンター
所在地:徳島県勝浦郡上勝町
竣工:2020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:ゴミ処理施設、事務所、店舗
建物規模:延床面積989.12m²
構造規模:木造、地上1階

参考文献

新建築 2015年11月号
新建築 2020年7月号
建築技術 2016年3月号
建築技術 2020年11月号
日経アーキテクチュア 2020年8月13日号
LIXIL eye No.20 2019年10月
日経BPブック ディテールの教科書 2020年、日経BP
LIVE ENERGY 110号 構造家倶楽部リレー連載第28回
ヤマダの木構造 2017年、エクスナレッジ