JP2009026303A

JP2009026303A - 建物の構造設計支援システム

Info

Publication number: JP2009026303A
Application number: JP2008157415A
Authority: JP
Inventors: Naoto Tanaka; 直人田中; Kazuhiko Okashita; 和彦岡下; Okitoshi Haneda; 臣利羽田; Takaaki Kaneko; 貴昭金子; Kazuhiro Nohara; 和宏野原
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: JP4238283B2

Abstract

【課題】耐力壁以外の部材であっても構造部材として評価できる部材は壁量に換算することで、建物の的確な性能評価を容易におこなうことが可能な建物の構造設計支援システムを提供する。
【解決手段】本構造設計支援システム１は、ユニット建物６の構造設計に使用する作用荷重を設定する設計条件設定手段４１と、屋根データ、各階の形状データ、開口データ、外壁データ及び部材データを設定する建物データ設定手段４２と、建物の所定の方向毎に必要壁量を算定する必要壁量算定手段４３と、柱６０１、梁６０２，６０３、外壁パネル６５を壁量に置き換える壁量換算手段４４と、それによって換算された壁量を含めた建物の方向毎の有効壁量を算定する有効壁量算定手段４５と、必要壁量と有効壁量とに基づいて建物の強度を判定する判定手段４６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、壁量の積算によって建物の構造設計をおこなう際に使用される建物の構造設計支援システムに関するものである。

従来、設計者によって間取りや耐力壁の位置などの概略の設計がなされたものに対し、詳細な構造計算や部材の拾い出しをおこなうためのデータを生成する設計支援システムが知られている（特許文献１，２など参照）。

例えば特許文献１に開示された住宅性能表示壁量計算システムは、建物の壁のうち強度に寄与するものを選択してその壁量を積算し、明確かつ容易に建物の性能を表示するものである。

すなわち、この住宅性能表示壁量計算システムでは、建物の図面から柱や筋交いなどの部材を検出し、壁の中で耐力壁と判定できるものを自動判定し、耐力壁と判定された壁に基づいて壁量計算をおこなうとともに耐力壁の位置を図面に出力し、根拠が明確な壁量計算書を作成している。
特許第３４７８８０１号公報特開２０００−３８７６８号公報

しかしながら、前記した住宅性能表示壁量計算システムでは、耐力壁の存在を前提にして耐力壁とみなせるものを抽出するシステムである。他方、建物の構造設計方法には、このような耐力壁の壁量を積算していくというある程度簡便化された方法の他に、構造体モデルを使って力学的に計算をおこなう限界耐力設計法や許容応力度設計法などがある。

そして、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体を主構造とする建物の構造設計は、耐力壁の壁量を積算する方法ではなく、限界耐力設計法や許容応力度設計法によっておこなわれる。また、このような建物に取り付けられる外壁パネルなどの部材は、地震によって水平外力が作用すると、建物の変形を抑える機能を発揮することが知られているが、ラーメン構造体を主構造に構造設計をおこなう場合には耐震構造部材として考慮されていないのが実情である。

そこで、本発明は、耐力壁以外の部材であっても構造部材として評価できる部材は壁量に換算することで、建物の的確な性能評価を容易におこなうことが可能な建物の構造設計支援システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の建物の構造設計支援システムは、入力手段及び記憶手段の少なくとも一方からの取り込みによって、建物の構造設計に使用する作用荷重を設定する設計条件設定手段と、入力手段及び記憶手段の少なくとも一方からの取り込みによって、前記構造設計に必要な建物の屋根データ、各階の形状データ、開口データ、外壁データ及び部材データを設定する建物データ設定手段と、前記設計条件設定手段及び前記建物データ設定手段の設定に基づいて、前記建物の所定の方向毎に必要壁量を算定する必要壁量算定手段と、前記建物データ設定手段の設定に基づいて、耐力壁以外の部材を壁量に置き換える壁量換算手段と、その壁量換算手段によって換算された壁量を含めた前記建物の前記方向毎の有効壁量を算定する有効壁量算定手段と、前記必要壁量と前記有効壁量とに基づいて前記建物の強度を判定する判定手段とを備えていることを特徴とする。

ここで、前記建物は、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合した骨組構造体と、前記骨組構造体に取り付けられる壁パネルとを備えており、前記壁量換算手段では、前記柱、前記梁及び前記壁パネルを壁量に置き換えるようにすることができる。

また、前記建物の偏心率を算定し、その偏心率に基づいて前記必要壁量を補正する必要壁量補正手段を備えた構成であってもよい。

さらに、前記記憶手段には、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合した骨組構造体を備えた建物ユニットの材質と断面が特定された柱と梁の組み合わせのデータが記憶されており、その柱と梁の組み合わせは、設計条件別に水平変位を基準に算定された組み合わせであってもよい。

このように構成された本発明の建物の構造設計支援システムは、耐力壁以外の部材を壁量に置き換える壁量換算手段を備えている。

このため、壁量の積算という簡便な設計手法を使って、耐力壁以外の構造部材を、建物の性能に寄与する部材であると的確に評価することができる。

また、建物が骨組構造体を主構造とする場合も、壁量による設計をおこなうことができるうえに、外壁パネルなどの従来、構造部材として組み込まれなかった部材も加味した設計をおこなうことができる。

さらに、建物の偏心率を算定し、その偏心率に基づいて必要壁量を補正することで、実構造に即した的確な設計をおこなうことができる。

また、設計条件別に水平変位を基準に算定された柱と梁の組み合わせが記憶手段に記憶され、その組み合わせを使用するのであれば、骨組構造体を備えた建物であっても建物全体に対して許容応力度のチェックをおこなう必要がなく、計算を簡略化できる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の建物の構造設計支援システム１の概略構成を示した図である。

この構造設計支援システム１は、設計条件や建物データなどの入力をおこなう入力手段２と、建物の構造設計に必要なデータやプログラムなどを記憶させておく記憶手段３と、入力手段２及び記憶手段３の少なくとも一方からデータを取り込んで演算をおこなう演算部４と、その演算結果の出力をおこなう出力手段５とから主に構成される。

この入力手段２は、紙に印刷された平面図などを読み込む際などに使用されるスキャナ、画面上のポインタを移動させて入力をおこなう際などに使用されるマウスなどのポインティングデバイス、数値や名称を入力する際などに使用されるキーボードなどから構成される。

また、記憶手段３は、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリ，ＲＯＭなどの記憶媒体から必要なものを選択して構成すればよい。

そして、この記憶手段３には、プログラム、建物の構造設計方針に関係する法令などで定められた数値、設計モジュールとして一般に選択されることの多い基準モジュール、各種プランや建物ユニットの標準的な寸法データなどが記憶されている。

さらに、出力手段５は、プリンタやモニタなどによって構成される。

また、演算装置４は、図１の一点鎖線の枠内に示すように、設計条件設定手段４１と、建物データ設定手段４２と、必要壁量算定手段４３と、壁量換算手段４４と、有効壁量算定手段４５と、判定手段４６とから主に構成される。

本実施の形態では、構造設計は、床面積に対して必要な耐力壁（壁量）の長さを、ある程度簡便化された式で決定する仕様規定によって設計をおこなう。この壁量に基づく設計方法には、「建築基準法」によるものと、「住宅の品質確保の促進等に関する法律」（いわゆる品確法）によるものとがあるが、この構造設計支援システム１では、いずれの方法も選択できるようになっている。

そして、設計条件設定手段４１では、設計に際して必要となる積雪量、構造等級、基準風速、地震係数などの数値を、入力手段２や記憶手段３から取り込んで設定をおこなう。

例えば、想定する積雪量によって建物に作用する荷重が異なってくるため、地域によって積雪量を50,80,100,150,200 cm などのように設定する。この設定は、例えば入力手段２から地域を入力すると、記憶手段３に記憶された地域と積雪量とを関連付けるデータベースからデータを読み出して設定をおこなう、というようなものであってもよい。さらに、地域によって積雪の単位荷重を変更することもできる。

また、構造等級は、どの程度の大きさの地震に耐えられる建物に設計するかを決める条件で、例えば品確法では、数百年に一度発生する地震（地域によって異なる。）の地震力に対して倒壊、崩壊せず、数十年に一度発生する地震の地震力に対して損傷しない程度を等級１とし、等級１の1.25倍の地震力に対抗できる建物を等級２、等級１の1.5倍の地震力に対抗できる建物を等級３としている。

さらに、基準風速は、どの程度の大きさの暴風に耐えられる建物に設計するかを決める条件で、例えば品確法では２段階で等級が設定されている。

また、地震係数は、通常は1.0を設定するが、大きな地震が起こり難い地域などでは、0.8,0.9などの数値を設定することができる。

さらに、設計条件設定手段４１では、屋上バルコニー、キャンチバルコニー、外階段、エレベータ、太陽光パネルなどの、建物に対して作用荷重などとなる付加設備を、荷重条件や床面積として算入するかなどというように、設計条件として設定するか否かを選択することができる。

また、建物データ設定手段４２では、構造設計に必要な建物の屋根データ、各階の形状データ、開口データ、外壁データ及び部材データなどの設定をおこなう。

すなわち、建物が重い場合と軽い場合とでは、必要壁量を算定する際の壁係数が異なることになるので、屋根や外壁などに使用される材料や形状を建物データとして設定しておく。

例えば屋根は、寄棟、切妻、片流屋根などの形状の違いによって見付け面積が変化して、風圧力に対する必要壁量が異なることになるため、その形状データを屋根データとして設定しておく。また、屋根の仕上げ材に、瓦などの重い材料を使用するか、金属板などの軽い材料を使用するかによって地震力に対する必要壁量が大きく異なることがあるため、その材質データ（単位重量など）を屋根データとして設定することもできる。

さらに、この建物データ設定手段４２では、建物の各階の平面形状を規定する形状データ、及び壁の開口位置を規定する開口データなど、建物の形状に関する事項を設定する。例えば、外壁に開口部がある場合は、構造部材としての強度が低くなるので、概略の開口位置を設定しておく。

このような形状に関するデータは、例えば、グリッドを設けた入力画面に対し、マウスなどの入力手段２でグリッドに沿って希望する各階の形状や開口位置を指定することで作成することができる。また、角部の座標をキーボードから入力したり、スキャナで平面図を読み込ませたりしたものを取り込むこともできる。

さらに、各部屋や設備などの目的を指定した建物ユニットなどのユニット的な空間を入力手段２で配置することによって、データを簡便に作成することもできる。

例えば、建物を複数の建物ユニットを連結して構築する場合に、建物ユニットの配置パターンを設定することによって、各階の形状データや柱の位置などを相対的に設定する。すなわち、各建物ユニットを配置する位置を設定することで、平面形状や建物ユニットを構成する柱や梁の建物全体における位置が設定されることになる。

また、各建物ユニットの柱や梁の形状（サイズ）や材質（強度）は、建物ユニットの並べ方やキャンチバルコニーの有無などによって変更することができるので、そのような条件に対応するデータをプランデータベースとして予め作成し、記憶手段３に記憶させておき、設定時に指定されたデータを読み込ませることができる。

例えば、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合した骨組構造体を備えた建物ユニットのデータとして、柱の形状（断面）と梁の形状（断面）の複数の組み合わせを記憶させておくことができる。また、この組み合わせは、材質毎におこなうこともできる。

さらに、このような柱と梁の組み合わせを記憶させる際に、建物ユニットの並べ方や重ね方、荷重条件などの設計条件別に、使用可能な柱と梁の組み合わせを選定し、記憶手段３に記憶させておくことができる。

この設計条件別の柱と梁の組み合わせの選定に際しては、建物が受ける水平荷重によって各部材に発生する応力が許容応力度以下に収まることと、水平変位が許容値以下になること（例えば、層間変形角がｈ／１２０以下、ｈは建物ユニットの高さ）の二つの条件のうち、いずれかの条件が成立しなくなる水平荷重を許容水平せん断力とする構造計算をおこなう必要がある。

この構造計算の際に、必ず水平変位によって許容水平せん断力が決定されるように柱と梁の組み合わせを選定することができる。すなわち、この選定方法によって選定された柱と梁の組み合わせは、水平変位が許容値に達する前に各部材に発生する応力が許容応力度を超えることがない。

このように設計条件別に使用可能な柱と梁の組み合わせが選定された建物ユニットのデータ（プランデータベース）を使うのであれば、建物全体の設計をおこなう際に各部材に発生する応力が許容応力度以下に収まることをチェックする必要がなく、計算を簡略化することができる。

さらに、建物ユニットを中柱や梯子状補強材で補強する場合は、そのデータも形状データや材質データとして設定することができる。

また、開口位置も、記憶手段３に記憶されたプランデータベースの中から位置や大きさを選択して設定することができる。例えば、モニタに表示されるプログラムの入力画面において、記憶手段３に記憶させた複数のデータの中から入力手段２で選択させたり、入力手段２から直接、構造設計に使用するデータを入力したりすることができる。

そして、このように設計条件設定手段４１と建物データ設定手段４２において設定されたデータに従って、必要壁量算定手段４３において、建物の所定の方向（例えば直交する２方向）の必要壁量が算定される。

この必要壁量の算定は、耐震用と耐風用とに分けておこなう。

耐震用の必要壁量は、各階の床面積に壁係数を乗じて算定する。この各階の床面積は、建物データ設定手段４２で設定された各階の外壁で囲まれた平面形状から算出することができる。

また、壁係数は、何階建ての何階か、重い建物か軽い建物かなどによって値が異なるので、予め条件毎に壁係数をそれぞれ算出しておき、それらのデータを記憶手段３に記憶させておくことができる。

さらに、この床面積や壁係数は、吹き抜け部分、屋上バルコニー、キャンチバルコニー、外階段、エレベータ、太陽光パネルなどを設計でどのように考慮するかによって異なることになるので、設計条件設定手段４１において設定された設計条件を取り込んで、耐震用の必要壁量の算定をおこなう。

また、耐風用の必要壁量は、各階及び屋根の風圧力が作用する側面形状から算出される見付け面積に、風圧用の壁係数を乗じて算定する。この見付け面積の積算においては、各階の床面から所定の高さまでの外壁の面積を除外することができる。さらに、地域によって壁係数が異なるので、設計条件設定手段４１において設定された設計条件を取り込んで、耐風用の必要壁量の算定をおこなう。

ここで、複数の建物ユニットで構築される建物の設計であれば、建物ユニットの形状や屋根ユニットの形状から予め見付け面積の積算基準となる数値を算出しておき、それらのデータを記憶手段３に記憶させておいて設計時に利用することができる。

また、建物の重心と剛心がずれて偏心していると、建物がねじれながら変形することになるため、偏心率の大きな建物は小さな建物に比べて大きな荷重が作用することがある。このため、偏心率の大きさなどによって必要壁量を割り増しするなどして補正した実必要壁量を算定し、設計に使用することもできる。なお、この実必要壁量の算定方法の詳細については後述する。

さらに、建物の中で、水平変位の許容値が他の建物ユニットに比べて小さい（例えば層間変形角がｈ／１５０以下）ユニットがある場合は、必要壁量を割り増しするなどして補正することができる。

一方、壁量換算手段４４では、柱、梁、外壁などの建物の構造体となる部材のうち、耐力壁と同様に壁量として算入できる部材を壁量に換算する。すなわち、構造部材の中で壁量として算入できる部材と、算入する際にはどの程度の壁量に換算するかを予め決めておき、記憶手段３に部材データとして記憶させておく。

そして、建物データ設定手段４２で設定された部材データの中から、壁量として算入できる部材を抽出し、壁量換算手段４４において壁量に換算する。なお、換算手段の詳細については後述する。

また、有効壁量算定手段４５では、建物の構造部材として有効に機能する壁量を、建物の各階の各方向（例えば、直交するＸ方向とＹ方向）で積算する。すなわち、壁量換算手段４４で壁量に換算した数値を、各方向で積算して壁量を算定する。

なお、壁量に換算する必要のない耐力壁が配置されている場合は、そのままこの有効壁量算定手段４５において算入することができる。ここで、耐力壁とは、筋交いや梯子状補強材などを入れたり、構造用合板などの剛性の高い壁材を使用したりすることで、通常の壁に比べて耐力を大きくした壁をいう。この耐力壁は、法令などで設定された壁倍率を乗じることによって通常の壁より壁量を多く見積もることもできる。

さらに、判定手段４６では、有効壁量算定手段４５で算定した有効壁量が、必要壁量算定手段４３で算定した必要壁量を上回っているか否かを判定する。すなわち、有効壁量を必要壁量で除した値が１以上であれば、この建物は設計条件で設定した構造等級を満たす強度の建物であるといえる。

次に、本実施の形態の建物の構造設計支援システム１の処理の流れについて、図２−図４のフローチャートと、具体的な実施例を示した図５−図９を参照しながら説明する。

ここで、図５は、構造設計をおこなう建物としてのユニット建物６を構成する建物ユニット６０の斜視図であり、図６（ａ）は、建物ユニット６０と同様の建物ユニット６１，６２を横方向と上下方向に連結して構築されるユニット建物６の側面図、図６（ｂ）は２階の下の平面図を示したものである。

この建物ユニット６０は、図５に示すように、四隅に配置される４本の柱６０１，・・・と、その上端間に横架される梁としての天井梁６０２，・・・と、その下端間に横架される梁としての床梁６０３，・・・とから構成される、骨組構造体としてのラーメン構造体６００を主たる構造部材としている。

そして、床梁６０３，６０３間には、所定の間隔を置いて複数の小梁６０４，・・・が架け渡されており、図５の前面側の柱６０１，６０１間には、４枚の外壁パネル６５，・・・を取り付けるための５本の間柱６０５，・・・が配置されているが、これらはいずれも非構造部材である。

一方、図２は、この構造設計支援システム１の概略の処理の流れを示したフローチャートである。

まず、構造設計支援システム１を起動して、計算をおこなうユニット建物６を識別するための邸宅名称、邸コードなどを、入力手段２によって入力する。

そして、モニタの表示に従って、キーボードやマウスなどの入力手段２を操作して設計条件を入力する（ステップＳ１）。

例えば、このユニット建物６を建設する地域を考慮した、積雪量、基準風速、地震係数などの数値を、入力手段２から入力する。また、この設計条件の入力に際しては、入力手段２からの指示を受けた演算部４の設計条件設定手段４１の制御により、ハードディスクなどの記憶手段３に記憶された各種データを取り込むこともできる。さらに、設計者がこのユニット建物６に要求する構造等級を、入力手段２から入力する。

続いて、ステップＳ２において、屋根の形状などの屋根データ、各階の平面形状などの形状データ、開口部の位置及び形状などの開口データ、外壁パネル６５の材質や形状などの外壁データを入力する。

例えば、記憶手段３に記憶された複数の種類の建物ユニット６０をモニタに表示させ、その中から所望するものを選択し、ユニット建物６を建設する敷地の領域内に、階毎に、１階の建物ユニット６１，・・・、２階の建物ユニット６２，・・・を配置する。また、下屋根ユニット６４及び屋根ユニット６３も、所望する種類のユニットを選択し、所定の位置に配置する。

このようにしてユニット６１−６４の配置をおこなうと、それらに関連する形状データ、柱６０１や梁６０２，６０３などの位置データや材質データが、記憶手段３のプランデータベースから読み込まれて建物データとして設定される。ここで、柱６０１や梁６０２，６０３などの形状データや材質データは、プルダウンメニュー等で任意に選択できるようになっていてもよい。

例えば、この柱６０１と梁６０２，６０３の組み合わせが、許容水平せん断力を水平変位の許容値によって決定した組み合わせであれば、これらの組み合わせを選択する限りにおいて、各部材に発生する応力が許容応力度内に収まっているか否かのチェックをおこなわなくてもよい。

また、両側の柱６０１，６０１と、その上下に架け渡される梁６０２，６０３とによって構成される矩形の枠体（フレーム）を単位にして設計で加味する場合は、その枠体全体の強度などが設定される。

そして、各階の建物ユニット６１，６２で形成される平面領域に、部屋の間取り、トイレや浴室などの設備を配置した後に、外壁パネル６５を配置し、外壁データ及び開口データを設定する。

ここで、外壁パネル６５を配置する際には、外壁の材質、開口の種類、開口の形状などを指定する。例えば、外壁の材質としては、タイル、硬質木片セメント板などが指定でき、指定された材質の単位重量、強度などが設定される。また、開口の種類としては、腰高窓、掃き出し窓、地窓、排煙窓、玄関、勝手口などが指定でき、その位置と大きさも合わせて設定する。

そして、ステップＳ３で構造計算をおこない、ステップＳ４でその計算結果に基づいた出力を出力手段５からおこなう。ここで、ステップＳ３の構造計算の詳細について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、この構造計算で必要壁量を算出する際には、図６（ａ）に示すように、ユニット建物６を高さ方向に分解して、屋上（ＲＦ）、２階の上（２Ｆ上）、２階の下（２Ｆ下）、１階の上（１Ｆ上）で計算をおこなう。図６（ｂ）は、２階の下（２Ｆ下）の平面図を示したものである。

そして、建物データから各高さの柱位置の座標を算出し、建物の直交する２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の軸通りを算出する（ステップＳ３１）。

この軸通りは、各方向で複数、算出されるもので、図６（ｂ）に示すように、「２Ｆ下」の高さでは、Ｘ方向は３通り（Ｘ[1]−Ｘ[3]）、Ｙ方向も３通り（Ｙ[1]−Ｙ[3]）の軸通りが算出されている。

続いて水平構面の剛性の判定をおこなう。ここでは、屋根、２階の床などに対して、全体の一枚の梁として水平力に抵抗できるか否かを判定する。

例えば、建物データ設定手段４２で設定された建物データからユニット建物６の床量を算出し、予め算定された必要な床量と比較して、必要な床量を超えている階は「水平構面の剛性が有る」とし、必要な床量を満たしていない階は「水平構面の剛性が無い」と判定する。

そして、図３に示すように、ステップＳ３２において耐震用の必要壁量を算出し、ステップＳ３３において耐風用の必要壁量を算出する。

この耐震用の必要壁量の算定は、屋根の重さ、太陽パネルやエレベータの有無、キャンチレバーバルコニーの有無などの荷重条件を考慮した上で、各高さにおいてユニット６１−６４単位でおこない、各軸通り単位の集計をおこなう。

例えば、図６（ｂ）に示すように、各ユニット６２，６２，６４，６４の載荷点となる四隅に必要壁量を表示し、各軸通りＸ[1]−Ｘ[3]，Ｙ[1]−Ｙ[3]に沿ってその必要壁量を集計する。

また、上下で軸通りの座標が異なる場合でも、近接していて同一とみなせる場合は、同一の軸通りとみなして上方からの伝達荷重を考慮する。すなわち、各高さ別の計算結果から各階の必要壁量を算出する場合は、例えば１階の必要壁量であれば、軸通り毎の「ＲＦ＋２Ｆ上＋２Ｆ下＋１Ｆ上」の積算となり、２階の必要壁量であれば、軸通り毎の「ＲＦ＋２Ｆ上」の積算となる。

さらに、何階建ての何階かによって地震力が異なることになるので、耐震用の必要壁量を算出する場合には、分布係数βなどによって各階の必要壁量の修正をおこなう。

他方、耐風用の必要壁量の算定も、屋根の重さ、太陽パネルやエレベータの有無、キャンチレバーバルコニーの有無などの荷重条件を考慮した上で、各高さにおいてユニット６１−６４単位でおこない、各軸通り単位の集計をおこなう。なお、各階の耐風用の必要壁量の算出に際しては、階下に伝播しない必要壁量と、階下へ伝播する必要壁量とがある。

このようにして必要壁量を算出した後に、ステップＳ３４とステップＳ３５において、耐力壁以外の構造部材の壁量への換算、及び有効壁量の算定をおこなう。

図７（ａ）は、ユニット建物６の１階（１Ｆ）の有効壁量を表示した平面図、図７（ｂ）はその「１Ｆ」の有効壁量の計算表を示したものである。

例えば、建物ユニット６１の柱６０１や梁６０２，６０３や外壁パネル６５は、構造部材として壁量に換算できるので、位置を規定する辺識別番号（Y111,Y112,Y121，・・・）を付けて、ユニット単位で壁量として算出する。

ここで、図７（ｂ）の有効壁量計算表では、Ａ１列に辺識別番号、Ａ２列に柱６０１や梁６０２の断面や材質などの種類を規定する柱梁符号が表示されている。

この柱梁符号は、柱６０１と梁６０２，６０３の組み合わせを特定する符号である。すなわち、建物ユニット６０に使用される柱６０１と梁６０２，６０３は、材質と断面の組み合わせが予め決められており、この柱梁符号によって、柱６０１と梁６０２，６０３の材質と断面とを特定することができる。

例えば、ここでは、ユニット建物６に水平荷重が作用した際に、各部材に発生する応力が許容応力度以下になる条件で選定された組み合わせではなく、許容水平せん断力が水平変位の許容値によって決定された柱６０１と梁６０２，６０３の組み合わせの中から材質と断面を特定する。

また、Ａ３列に外壁パネル６５の幅、開口の種類や大きさ、位置を特定する記載、Ａ４列に集計された有効壁量を低減する場合の低減係数、Ａ５列に１次設計の有効壁量、Ａ６列に２次設計の有効壁量を表示している。

なお、ユニット建物６を構成する一般的な建物ユニットの水平変位の許容値として層間変形角をｈ／１２０以下とする場合に、玄関ユニットなどの一部のユニットに水平変位の許容値が小さい（例えば層間変形角がｈ／１５０以下）ものがある場合は、低減係数ｄ＝（ｈ／１２０）／（ｈ／１５０）を算定し、その水平変位の許容値が小さいユニットの変形に影響を与える建物ユニットの有効壁量を算出する際に低減係数ｄを乗じることができる。

ここで、１次設計とは、例えば建築基準法でいう標準せん断力係数Cdを0.2としたときの地震力による設計、２次設計とは、例えば建築基準法でいう必要保有水平耐力となる地震力による設計をいう。

そして、本実施の形態では、１次設計の段階と、２次設計の段階の２段階で、ユニット建物６が所望する性能を満たしているか否かを評価する。

この有効壁量を算定する際には、外壁パネル６５の換算された壁量（Ａ５１列，Ａ６１列）と、フレームの換算された壁量（Ａ５２列，Ａ６２列）とを積算した値を、有効壁量（Ａ５３列，Ａ６３列）としている。ここで、「フレーム」とは、建物ユニット６１，６２の一辺となる両側の柱６０１，６０１と天井梁６０２と床梁６０３とによって構成される矩形の枠体をいう。

このような外壁パネル６５やフレームの壁量への換算は、予め使用する部材の組み合わせ毎に設定しておく。例えば、外壁パネル６５の壁量への換算は、外壁パネル６５の高さ、幅、開口の種類ごとに換算値を算出して、記憶手段３に記憶させておく。また、フレームの壁量への換算は、柱６０１と梁６０２，６０３の材質と断面の組み合わせごとに換算値を算出して、記憶手段３に記憶させておく。

また、フレームを壁量に換算する際に、天井梁６０２や床梁６０３が部分的に切断されているフレームは、低減した換算値を壁量として使用する。

そして、有効壁量の集計を示すＡ５３列とＡ６３列には、外壁パネル６５の換算壁量と、フレームの換算壁量との和に低減係数を乗じた値を表示させる。

このようにして集計された各辺識別番号（Y111,Y112,Y121，・・・）の１次設計の有効壁量（Ａ５３列）は、図７（ａ）の平面図の各辺識別番号（Y111,Y112,Y121，・・・）に近接する位置に表示される。

以上のようにして算定された必要壁量と有効壁量とから、建物の強度を判定することができるが（ステップＳ３６）、建物が偏心しているとねじれながら変形することになるので、必要壁量を補正する方がユニット建物６の実構造に近い判定をおこなうことができるようになる。

この建物の偏心率とは、建物の重心と剛心の距離である偏心距離から算定される値で、偏心率が大きいと地震や風などの水平荷重が作用した際に部分的に過大な変形が発生して建物が局所的に損傷しやすくなるので、必要壁量を実必要壁量に補正して判定をおこなうのが望ましい。ここで、建物の重心とは建物の平面形状の図心をいい、剛心とは水平力に対抗する力の中心をいう。

そこで、図４を参照しながら、実必要壁量の算出方法について説明する。

図４のステップＳ１１−Ｓ１４は、この実必要壁量の算出をおこなう前に予め算出されている値を示している。すなわち、ステップＳ１１の軸通りの座標（ｘ，ｙ）は、図３のステップＳ３１で算出され、ステップＳ１２の必要壁量（Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｙ）はステップＳ３２，Ｓ３３で算出され、ステップＳ１３，Ｓ１４の有効壁量（Ｋ_Ｘ，Ｋ_Ｙ）はステップＳ３５で算出されている。

そして、ステップＳ１０１において、各階（１，２階）における各方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の軸通り毎（Ｘ[1]−Ｘ[3]，Ｙ[1]−Ｙ[3]）の必要壁量（Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｙ）と、その軸通りの座標（ｘ，ｙ）とから、重心の座標（ｇ_Ｘ，ｇ_Ｙ）を算出する。この重心を算出する際には、各階の軸通りの座標が異なる場合は、各階の軸通りの座標のままでそれぞれ計算をおこなう。

また、ステップＳ１０２において、上記ステップと同じく各階の各方向の軸通り毎の有効壁量（Ｋ_Ｘ，Ｋ_Ｙ）と、その軸通りの座標（ｘ，ｙ）とから、剛心の座標（ｌ_Ｘ，ｌ_Ｙ）を算出する。

続いて、ステップＳ１０３において、重心の座標（ｇ_Ｘ，ｇ_Ｙ）と剛心の座標（ｌ_Ｘ，ｌ_Ｙ）との差から偏心距離（ｅ_Ｘ，ｅ_Ｙ）を算出する。

一方、ステップＳ１０４において、剛心の座標（ｌ_Ｘ，ｌ_Ｙ）を座標原点として軸通りの座標（ｘ，ｙ）を新たな座標（ｘ’，ｙ’）に置き換え、それに基づいて剛心まわりのねじり剛性Ｋ_Ｒを算出する。

さらに、ステップＳ１０５において、このねじり剛性Ｋ_Ｒと有効壁量（Ｋ_Ｘ，Ｋ_Ｙ）とから、弾力半径（ｒ_ｅＹ，ｒ_ｅＸ）を算出する。

また、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０３で算出した偏心距離（ｅ_Ｘ，ｅ_Ｙ）の絶対値を、ステップＳ１０５で算出した弾力半径（ｒ_ｅＹ，ｒ_ｅＸ）で除した偏心率（Ｒ_ｅＹ，Ｒ_ｅＸ）を、方向（Ｘ方向、Ｙ方向）毎に算出する。

さらに、ステップＳ１０７において、偏心率（Ｒ_ｅＹ，Ｒ_ｅＸ）と偏心距離（ｅ_Ｘ，ｅ_Ｙ）と剛心を原点とする座標（ｘ’，ｙ’）とから、ねじれ補正係数（α_Ｙ，α_Ｘ）を算出する。ここで、水平構面の剛性が無い場合は、ねじれ補正係数は1.0とし、偏心率は0.0とする。

そして、ステップＳ１０８では、各階（１，２階）における各方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の軸通り（Ｘ[1]−Ｘ[3]，Ｙ[1]−Ｙ[3]）毎の実必要壁量（Ｂ_Ｙ，Ｂ_Ｘ）を、ねじれ補正係数（α_Ｙ，α_Ｘ）と必要壁量（Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｙ）と有効壁量（Ｋ_Ｘ，Ｋ_Ｙ）とから算出する。

また、ステップＳ１０９において、このようにして算出された実必要壁量（Ｂ_Ｙ，Ｂ_Ｘ）で有効壁量（Ｋ_Ｘ，Ｋ_Ｙ）を除して、その結果が1.0以上になっているか否かをステップＳ１１０で判定する。

他方、ステップＳ１１１では、剛性率Ｒ_Ｓの算出をおこなう。この剛性率Ｒ_Ｓの算出に際しては、まず、各階（１，２階）における各方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の軸通り（Ｙ[ｉ]，Ｘ[ｊ]，）毎に、有効壁量（Ｋ_Ｘ，Ｋ_Ｙ）と実必要壁量（Ｂ_Ｙ，Ｂ_Ｘ）との比より層間変形角の逆数（ｒ_Ｓｉ，ｒ_Ｓｊ）を求め、その逆数（ｒ_Ｓｉ，ｒ_Ｓｊ）から各階の平均の逆数ｒ_Ｓを求める。

そして、各階の層間変形角の逆数ｒ_Ｓから、建物の相加平均ｒ_Ｓ’を求め、この層間変形角の逆数ｒ_Ｓを相加平均ｒ_Ｓ’で除した剛性率Ｒ_Ｓを、方向（Ｘ方向，Ｙ方向）毎に算出する。

また、ステップＳ１１２において、各階（１階，２階）の各方向（Ｘ方向，Ｙ方向）の剛性率Ｒ_Ｓの最小値からＦ_Ｓを算出し、偏心率Ｒ_ｅから求めたＦ_ｅと掛け合せてＦ_ｅＳを算出する。

さらに、ステップＳ１１３では、耐震２次設計用の実必要壁量を算出する。この耐震２次設計用の実必要壁量は、必要壁量（Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｙ）とＦ_ｅＳとの積によって算出する。ここで、耐震２次設計用の実必要壁量は、床や屋根などの水平構面に剛性が有る場合と無い場合で異なっている。すなわち、水平構面に剛性がある場合は、各方向で軸通りを積算した実必要壁量を求め、水平構面に剛性がない場合は、各方向で各軸通りの実必要壁量をそれぞれ求める。

そして、ステップＳ１１４において、ここまでで算出された耐震２次設計用の実必要壁量で有効壁量（Ｋ_Ｘ，Ｋ_Ｙ）を除して、その結果が1.0以上になっているか否かをステップＳ１１５で判定する。

図８には、以上のような計算をおこなった結果である検定結果を示した。この検定結果のＢ１列には、ユニット建物６の階（１階、２階）が示され、Ｂ２列には各方向（Ｘ方向、Ｙ方向）が示され、Ｂ３列には水平構面の剛性の有無が示され、Ｂ４列には各方向の軸通り数が示されている。

また、Ｂ５列には１次設計の算定根拠となる各数値が示され、Ｂ６列には耐震用の２次設計の算定根拠となる各数値が示され、Ｂ７列には各階の各方向の判定結果である評価が示されている。

この１次設計を示したＢ５列は、有効壁量を示したＢ５１列と、耐震用のＢ５２列と、耐風用のＢ５３列とに分かれている。そして、耐震性と耐風性について、必要壁量（Ｂ５２１列，Ｂ５３１列）、ねじれ補正係数（Ｂ５２２列，Ｂ５３２列）、実必要壁量（Ｂ５２３列，Ｂ５３３列）、有効壁量と実必要壁量の比（Ｂ５２４列，Ｂ５３４列）、その比の評価（Ｂ５２５列，Ｂ５３５列）が示されている。

また、２次設計のＢ６列には、Ｂ６１列に有効壁量が軸通り毎に示され、Ｂ６２列に方向毎の偏心率が示され、Ｂ６３列に剛性率、Ｂ６４列にＦ_ｅＳ、Ｂ６５列に実必要壁量、Ｂ６６列に有効壁量と実必要壁量の比が示されている。

そして、このような検定結果に基づいて、図９に示すような判定結果が出力される（図２のステップＳ４参照）。

この図９に示した判定結果は、Ｃ１列にユニット建物６の各階（１階Ｃ１１，２階Ｃ１２）が表示され、各階毎に地震Ｃ２と風Ｃ３の検討結果が表示される。また、地震Ｃ２の検討結果は１次設計Ｃ２１と２次設計Ｃ２２とに分けられ、Ｃ４列で指定された方向（Ｘ方向、Ｙ方向）毎にＣ５列で有効壁量と必要壁量（ここでは実必要壁量）との比が表示され、その比が1.0以上であればＣ６列の判定が「○（丸）」として表示される。

次に、本実施の形態の構造設計支援システム１の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の建物の構造設計支援システム１は、柱６０１や梁６０２，６０３で構成されるフレームや外壁パネル６５を、壁量に置き換える壁量換算手段４４を備えている。

このため、壁量の積算という簡便な設計手法を使って、耐力壁以外の構造部材を、ユニット建物６の性能に寄与する部材であると的確に評価することができる。

また、ユニット建物６が、ラーメン構造体６００を主構造とする建物ユニット６０の集合体である場合も、壁量による設計をおこなうことができるうえに、外壁パネル６５などの従来、構造部材として組み込まれなかった部材も加味した設計をおこなうことができる。

さらに、ユニット建物６の偏心率を算定し、その偏心率に基づいて必要壁量を補正することで、実構造に即した的確な設計をおこなうことができる。

また、設計条件別に水平変位を基準に算定された柱６０１と梁６０２，６０３の組み合わせが記憶手段３に記憶され、その組み合わせを使用するのであれば、骨組構造体を備えた建物であってもユニット建物６全体に対して許容応力度のチェックをおこなう必要がなく、計算を簡略化できる。

すなわち、設計条件設定手段４１で設計条件が設定され、その設定された設計条件に基づいて記憶手段３から取り込まれた柱６０１と梁６０２，６０３の組み合わせであれば、水平変位の許容値に至る前に各部材の応力が許容応力度を超えることはなく、許容応力度のチェックをおこなう必要がない。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、ラーメン構造体６００を主構造とする建物ユニット６０の集合体であるユニット建物６に本発明を適用する場合について具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、在来の木造建物にも適用することができる。

本発明の最良の実施の形態の構造設計支援システムの構成を示したブロック図である。本発明の最良の実施の形態の構造設計支援システムの概略の処理の流れを示したフローチャートである。構造設計支援システムの構造計算の処理の流れを示したフローチャートである。実必要壁量の算定方法と判定までの処理の流れを示したフローチャートである。建物ユニットの構成を説明する斜視図である。（ａ）は設計をおこなうユニット建物の構成を説明する側面図、（ｂ）はそのユニット建物の２階の下の高さにおける平面図である。（ａ）は辺ごとに有効壁量が表示された１階の平面図、（ｂ）はその１階の有効壁量を辺ごとに例示した計算表である。１次設計と２次設計の算定根拠となる各数値を例示した検定結果の一覧表である。ユニット建物の強度の判定結果をまとめて出力した一覧表である。

符号の説明

１構造設計支援システム
２入力手段
３記憶手段
４演算部
４１設計条件設定手段
４２建物データ設定手段
４３必要壁量算定手段
４４壁量換算手段
４５有効壁量算定手段
４６判定手段
５出力手段
６ユニット建物（建物）
６０建物ユニット
６００ラーメン構造体（骨組構造体）
６０１柱
６０２天井梁
６０３床梁
６５外壁パネル

Claims

入力手段及び記憶手段の少なくとも一方からの取り込みによって、建物の構造設計に使用する作用荷重を設定する設計条件設定手段と、
入力手段及び記憶手段の少なくとも一方からの取り込みによって、前記構造設計に必要な建物の屋根データ、各階の形状データ、開口データ、外壁データ及び部材データを設定する建物データ設定手段と、
前記設計条件設定手段及び前記建物データ設定手段の設定に基づいて、前記建物の所定の方向毎に必要壁量を算定する必要壁量算定手段と、
前記建物データ設定手段の設定に基づいて、耐力壁以外の部材を壁量に置き換える壁量換算手段と、
その壁量換算手段によって換算された壁量を含めた前記建物の前記方向毎の有効壁量を算定する有効壁量算定手段と、
前記必要壁量と前記有効壁量とに基づいて前記建物の強度を判定する判定手段とを備えていることを特徴とする建物の構造設計支援システム。
前記建物は、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合した骨組構造体と、前記骨組構造体に取り付けられる壁パネルとを備えており、
前記壁量換算手段では、前記柱、前記梁及び前記壁パネルを壁量に置き換えることを特徴とする請求項１に記載の建物の構造設計支援システム。
前記建物の偏心率を算定し、その偏心率に基づいて前記必要壁量を補正する必要壁量補正手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の建物の構造設計支援システム。
前記記憶手段には、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合した骨組構造体を備えた建物ユニットの材質と断面が特定された柱と梁の組み合わせのデータが記憶されており、その柱と梁の組み合わせは、設計条件別に水平変位を基準に算定された組み合わせであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の建物の構造設計支援システム。