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構造デザインの講義【トピック9:曲面構造のデザインを科学する】第4講:膜構造の力学とフォルムの可能性

    膜と骨組と力学の関係を理解して、有機的な空間を作る

    東京理科大学・工学部建築学科、講義「建築構造デザイン」の教材(一部)です



    張力導入が必要な膜構造の、骨組を考える

    膜構造は、屋根や外壁などに膜材を用い、シェルと同じく、面内応力によって抵抗します。
    軽量で明るく、特徴的なフォルムとすることができます。
    また、柱を少なくすることができ、自由度の高いデザインが特徴です。

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    葛西臨海水族館のテントデッキ
    支柱とケーブルによって、膜材に張力が導入され、躍動感あふれるテント群を見ることができる

    膜構造を安定させるためには、膜材に張力を与える必要があります。
    そのため、骨組膜構造、サスペンション膜構造、空気膜構造に大別されます。

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    デンバー空港ターミナルは、膜構造によって、軽快で明るい空間を提供する
    (写真:Denver Post, https://www.denverpost.com/)

    膜構造の特徴は、以下があげられます。

    • 開放的な大スパン空間の実現

    • 高い透光性による明るい空間

    • 工期の短縮

    • コストダウン

    • 強度と柔軟性を兼ね備えた構造

    • 温度や紫外線の抑制


    旅の出発点に相応しい”光”の帆、グランルーフ

    軽快で明るい大屋根と、大胆なフォルムのグランルーフは、大きな1枚の布が、東京を訪れる人、東京から出発する人を優しく包み込みます。
    東京駅八重洲口のグラン・トウキョウを柔らかくつなぎ、空間的なグラデーションをもった都市景観になっています。

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    傾斜した柱と膜屋根が、躍動感と透明感を持って、人々を迎え入れる

    前面の柱は、外側に向かって傾斜しており、ダイナミックな表現となっています。
    駅舎側に設けられた構造体との対比により、静と動が感じられます。
    柱を傾斜させることで、梁間構面(短手方向)の骨組力学として安定が図られます。
    異形鋼管の柱は、フォルムとしても特徴的なものになっています。

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    傾斜した柱は、懐の深い空間となり、東京駅を訪れる人々を迎え入れる
    都市に開けたレイアウトにより、東京を訪れた人々を送り出す
    傾斜した柱は、梁間構面の骨組力学の安定にも寄与する

    屋根の中央に設けられた3本の梁は、両端にトラスが設けられ、端部のテンション材(ケーブル)により、桁行構面(長手方向)に向かって大屋根を接続して、張力を導入します。
    大屋根に作用する地震力は、駅舎側の骨組に負担させることで、柱とともに屋根の構造を軽量化しています。
    なお、桁行方向は、平面的な不均一と、道路側と線路側の構造体の違いにより、偏心していることから、グラントウキョウ・タワーとオイルダンパーを用いて接続し、地震時挙動を制御しています。

    骨組は膜材の上で組まれているため、膜屋根を見上げた時に骨組が見えないように工夫されています。
    大梁のスパン18mに合わせて膜面が設けられ、端部のケーブルによって膜材に張力が導入されています。

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    膜屋根の上に骨組が設けられ、明るい白い膜材が全面に感じられる

    ミュンヘンオリンピック会場、オリンピアシュタディオン

    1971, 1972年に開催されたミュンヘンオリンピックのメインスタジアムです。
    開会式・閉会式、陸上競技の会場として利用されるとともに、FIFAワールドカップ決勝戦も開催されました。
    蜘蛛の巣状の屋根が特徴です。
    その有機的で唯一無二の膜構造は、建築家・ギュンター・ベーニッシュ、構造家・フライ・オットーによって実現されました。

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    (写真:Pixabay, https://pixabay.com/ja/)
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    (写真:Pixabay, https://pixabay.com/ja/)
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    (写真:Pixabay, https://pixabay.com/ja/)

    構造原理は、吊り橋と同じく、支柱とケーブルによって張力が導入されます。
    テントやタープの発想から生まれたような、美しい形状です。
    ケーブルが張り巡らされたケーブルネット構造によって、この自由形態の立体フォルムを支えています。

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    (写真:Pixabay, https://pixabay.com/ja/)
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    (写真:Pixabay, https://pixabay.com/ja/)

    最大高さ70mの支柱を中心に、高さの異なる支柱が設けられています。
    競技場を囲うように、長さ400mのワイヤーが円形に張られ、ケーブルネットとバックステイによって、この複雑な形状を支持しています。

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    支柱とバックステイは、張力構造を象徴している
    (写真:Pixabay, https://pixabay.com/ja/)

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    東京理科大学工学部建築学科・伊藤研究室です。建築構造デザインなどの講義テキストを公開します。 主宰者は、建築構造学者、大学教授、株式会社preArch・取締役、株式会社コイシ・顧問、BCJと日本ERIの評価員です。 鉄骨、木、合成、耐震、制振の研究・設計・施工、IoTが専門です。

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