JP2019111777A - 積層構造物の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 吐出ノズルから材料を吐出させて積層することにより積層構造物を構築するとともに、積層構造物にプレストレスを与えることで、引張力に抵抗することが可能な積層構造物の構築方法を提供する。【解決手段】 吐出ノズル１０から積層構造物（壁式構造物）を作成するための材料（モルタル）を吐出しながら、移動装置２０により吐出ノズル１０を移動させ、吐出ノズル１０からの材料の吐出量及び吐出ノズル１０の移動を制御装置３０により制御して、材料を層状に積層する。そして、層状となった材料を縦断するよう緊張材（ＰＣ鋼棒）を配設して、材料が硬化した後に当該緊張材にプレストレスを与える。プレストレスを与えるには、緊張材にテンションを加えた後に、緊張力を解放する。これにより、積層構造物にプレストレスを与え、地震などで生じる引張力に抵抗させる。【選択図】図１

Description

本発明は積層構造物の構築方法に関するものであり、詳しくは、３Ｄプリント技術（３Ｄプリンタ）を用いて、壁式構造の積層構造物を構築するための方法に関するものである。

近年、建設分野において、３Ｄプリント技術を用いて構造物を積層しながら構築する構築方法が開発されている。材料は基本的にセメント系材料を用い、ミキサーで練り上げたモルタルをポンプ圧送し、３次元構築装置に供給している。供給されたセメント系材料は３次元構築装置のノズル先端部から吐出され、あらかじめ読み込ませた構造物の３Ｄデータを積層構築するようにノズルがＸ・Ｙ・Ｚ方向に動くことで、構造物を構築する。施工精度が高い構造物の構築には、主に自立性能が高い材料開発、ノズルの位置精度・速度、吐出量等の機械開発が要求され、また、様々な外力に対し、構築された構造物（構造形式）が十分な強度を発揮できるための構造性能が要求される。

我が国は世界有数の地震大国であるため、特に地震力に対しては高い構造性能が要求される。従来の３Ｄプリント技術の多くはセメント系材料を積層することで構造物を構築しているため、圧縮力には抵抗することができる。しかし、鉄筋のような引張材が挿入されていないため、引張力に対しては十分な強度を得ることができない。さらに、積層構造であるためモルタルの打重ねに時間を要し、層間で付着力の低下が懸念される。このような不都合に対して、種々の対策が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１に記載された技術は、構造物の構築方法に関するものであり、３Ｄプリンタを用いて、３次元構造物を構築する技術である。この構造物の構築方法は、対象構築物の少なくとも一部の外枠に対応する形状を有する外枠部であって、中空空間部を囲繞する外枠部を構築する外枠部構築工程と、外枠部構築工程において構築した外枠部を補強する補強工程とを含んでいる。すなわち、まず初めに外枠部を構築し、後から補強芯材を挿入するようになっている。また、補強芯材にプレストレスを与えて、外枠部が硬化した後に緊張を開放するポストテンション方式を採用している。

特許文献２に記載された技術は、セメント系材料を積層することにより積層構造を製造する方法に関するものである。この積層構造の製造方法では、セメント系材料の凝結時間を遅らせる凝結遅延性能を有する凝結遅延剤を層間に設けている。すなわち、セメント系材料の層間に凝結遅延材を噴霧して凝結時間を遅らせることで、次層と一体化を図る方法である。

特開２０１５−１８６８５１号公報 特開２０１７−１１９３６０号公報

上述したように、特許文献１に記載された技術では、３Ｄプリント技術を用いて型枠を構築した後に補強芯棒を挿入し、最後に補強材を充填して構築物を一体化させている。しかし、特許文献１に記載された技術では、型枠の構築、補強芯材の挿入、補強材の充填というように、実施する工種が多種多様であるため、自動化施工を行う上で合理的な工法とは言い難い。

また、特許文献２に記載された技術は、積層構造を一体化させるという点においては、合理的な工法であると言えるが、あくまで引張材は挿入されておらず、引張力の向上は見込めない。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、吐出ノズルから材料を吐出させて積層することにより積層構造物を構築するとともに、積層構造物にプレストレスを与えることで、引張力に抵抗することが可能な積層構造物の構築方法を提供することを目的とする。

本発明に係る積層構造物の構築方法は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係る積層構造物の構築方法は、材料を積層して積層構造物を構築するための構築方法であって、吐出ノズルから積層構造物を作成するための材料を吐出しながら、吐出ノズルを移動させ、吐出ノズルからの材料の吐出量及び吐出ノズルの移動を制御して、材料を層状に積層し、層状となった材料を縦断するよう緊張材を配設して、材料が硬化した後に当該緊張材にプレストレスを与えることを特徴とするものである。緊張材にプレストレスを与えるには、緊張材にテンションを加えた後に、治具を介して締結し、緊張力を解放する。

また、上述した積層構造物の構築方法において、層状となった材料を縦断するようにシース管を設置し、当該シース管内に緊張材を挿入することが好ましい。

また、上述した積層構造物の構築方法において、積層構造物は、壁式構造とすることが可能である。

本発明に係る積層構造物の構築方法によれば、層状となった材料を縦断するよう緊張材を配設して、当該緊張材にテンションを加え緊張力を解放することで、壁部材にプレストレス（圧縮力）を与え、地震などで生じる引張力に抵抗することが可能となる。

本発明の実施形態に係る積層構造物の構築方法で使用する構築装置の装置構成を示すブロック図。 ロボットアームを用いた構築装置及び吐出ノズルの斜視図。 門型クレーンを用いた構築装置の斜視図。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（２）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（３）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（４）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（５）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（６）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（７）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（８）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（９）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１０）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１１）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１２）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１３）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１４）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１５）。 積層構造物の構築手順を示す斜視図（１６）。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る積層構造物の構築方法を説明する。図１〜図１９は、本発明の実施形に係る積層構造物の構築方法を説明するもので、図１は構築装置の装置構成を示すブロック図、図２はロボットアームを用いた構築装置及び吐出ノズルの斜視図、図３は門型クレーンを用いた構築装置の斜視図、図４〜図１９は積層構造物の構築手順を示す斜視図である。

＜積層構造物の構築方法の概要＞
本発明の実施形態に係る積層構造物の構築方法は、材料（モルタル）を吐出する吐出ノズルを移動させて、吐出ノズルから材料（モルタル）を吐出させるとともに、材料（モルタル）の吐出制御を行って所望形状の積層構造物（壁式構造物）を構築し、層状となった材料（モルタル）を縦断するよう緊張材（ＰＣ鋼棒）を配設して、材料（モルタル）が硬化した後に緊張材（ＰＣ鋼棒）にテンションを加えるようになっている。この積層構造物の構築方法で使用する構築装置２００は、図１に示すように、主要な構成要素として、吐出ノズル１０と、移動装置２０と、制御装置３０とを備えている。また、吐出ノズル１０には、図３に示すように、積層構造物を構築するための材料（モルタル）の供給装置１１及び貯留装置１２等の設備が接続されている。

＜吐出ノズル＞
本実施形態に係る吐出ノズル１０は、セメント系材料（モルタル）を吐出するようになっている。図２（ｂ）に示す吐出ノズル１０は、先端部が約９０°屈曲しているが、先端部が屈曲していなくてもよいし、他の角度で屈曲させてもよいし、屈曲角度を調整可能としてもよい。また、吐出ノズル１０の向きは、縦向きであってもよいし、横向きであってもよい。

また、図３に示すように、吐出ノズル１０には、材料を供給するための供給装置１１や材料の貯留装置１２が接続されている。モルタルは圧送ポンプから分岐させて吐出ノズル１０に圧送することができる。

＜構築材料＞
また、吐出ノズル１０から吐出させる材料は、自立性およびチキソトロピー性が高いモルタルを用いることが好ましい。図示しないが、モルタルは、ミキサーに投入して練り混ぜを行った後、圧送ポンプに投入されて吐出ノズル１０まで圧送される。圧送ポンプは、解砕羽でモルタルを撹拌することで、モルタルが硬化しない仕様とすることが好ましい。

なお、吐出ノズル１０から吐出させる構築材料は、モルタルに限らず、３Ｄプリント技術を用いて構築可能な材料であれば、どのような材料であってもよい。

＜移動装置＞
移動装置２０は、各吐出ノズル１０を一体として移動させるための装置であり、例えば、図２に示すロボットアーム２２や、図３に示す門型クレーン２１を用いることができる。なお、移動装置２０は、吐出ノズル１０を移動させることができればどのような装置であってもよく、門型クレーン２１あるいはロボットアーム２２を単独で用いてもよいし、両者を組み合わせて用いてもよいし、他の移動装置２０を用いてもよい。

制御装置３０は、所望形状の積層構造物を形成するために、吐出ノズル１０からの材料の吐出量及び移動装置２０による吐出ノズル１０の移動を制御するための装置である。この制御装置３０は、プログラムに従って動作するコンピュータ及び各機器に対して制御信号を送信するとともに、各機器の状態を把握するための動作信号を受信するための送受信手段、各種のデータを記憶するための記憶手段、データの入出力を行うための入力手段及び出力手段等、構築装置２００をコンピュータ制御するための各種の装置が付帯している。

＜積層構造物の構築方法＞
本発明の実施形態に係る積層構造物の構築方法は、図４〜図１９に示すように、上述した構築装置２００を用いた３Ｄプリント技術により、モルタル４０を積層して積層構造物（壁式構造物）を構築するための構築方法である。この構築方法は、吐出ノズル１０からモルタル４０を吐出しながら、吐出ノズル１０を移動させる工程と、吐出ノズル１０からのモルタル４０の吐出量及び吐出ノズル１０の移動を制御して、モルタル４０を層状に積層する工程と、層状となったモルタル１０を縦断するよう緊張材であるＰＣ鋼棒５０を配設して、モルタル４０が硬化した後にＰＣ鋼棒５０にテンションを加える工程とを含んでいる。

この際、層状となったモルタル４０を縦断するようにシース管５１を設置し、シース管５１内にＰＣ鋼棒５０を挿入することが好ましい。なお、モルタル４０により形成する壁式構造物は、内壁部４０ａ及び外壁部４０ｂと、補強部４０ｃとを備えている。補強部４０ｃは、内壁部４０ａと外壁部４０ｂとの間に施工される部分であって、内壁部４０ａと外壁部４０ｂとの空隙内で吐出ノズル１０を往復動させながら、モルタル４０を連続して吐出することにより、内壁部４０ａと外壁部４０ｂの間を繋ぐようになっている。なお、本実施形態では、補強部４０ｃは湾曲した波状となっているが、内壁部４０ａと外壁部４０ｂの間を繋ぐことができれば、矩形波状、三角波状等、どのような形状であってもよい。

＜積層構造物の施工手順＞
図４〜図１９を参照して、積層構造物の施工手順の一実施例を説明する。１階部分の基礎梁とスラブ６０を造成した後（図４）、スラブ６０上に、モルタルを吐出して、１層目から上層に向かって、順次、外壁部４０ａ、内壁部４０ｂ、補強部４０ｃを造成する（図５〜図７）。

そして、外壁部４０ａ、内壁部４０ｂ、補強部４０ｃの造成過程で、窓枠９０を避けた壁部を造成する（図８）。続いて、窓枠９０を設置した後、窓枠９０上部に、外壁部４０ａ、内壁部４０ｂ、補強部４０ｃを造成して１階部分の造成を完了する（図９、図１０）。

続いて、積層した補強部４０ｃの隙間にシース管５１を挿入するとともに、シース管５１内にＰＣ鋼棒５０を挿入する（図１１）。また、図４に示すように、スラブ６０にはカプラー７０が設けられており、ＰＣ鋼棒の下端部をカプラー７０に連結する（ネジ込む）。また、図示しないが、ＰＣ鋼棒の上端部には、２階部分のＰＣ鋼棒を連結するためのカプラーを設置しておく。

２階部分では、１階部分の上部にデッキスラブ１１０を設置し、モルタル４０を吐出して床スラブ１２０を構築する（図１２、図１３）。従来工法のように、デッキスラブおよびスラブ筋を設置後、高流動コンクリートを流し込んで床スラブを構築してもよい。また、プレキャスト部材として製作した床スラブを設置してもよい。そして、１階部分と同様にして、２階部分の外壁部４０ａ、内壁部４０ｂ、補強部４０ｃを構築し、デッキスラブを設置する（図１４）。続いて、ＲＦスラブ１３０に防水処理を施すとともに仕上げ材１４０を施工する（図１５）。図１６に、モルタル部分を除いた積層構造物の内部構造を示す。図１６に示すように、スラブ６０から上方へ向かって、デッキスラブ１１０、床スラブ１２０、ＲＦスラブ１３０を貫通するように、シース管５１及びＰＣ鋼棒５０が設けられている。また、シース管５１と、外壁部４０ａ、内壁部４０ｂ、補強部４０ｃの間にグラウト材を充填して、シース管５１を壁構造内に固定する。

そして、積層構造物の養生が終了したら、ＲＦスラブ１３０上に、ＰＣ鋼棒５０の上端部を貫通して突出可能な支圧プレート８０を設置するとともに（図１７）、各ＰＣ鋼棒５０の上端部にジャッキ１００を接続し（図１８）、ＰＣ鋼棒５０を緊張させた状態で、ＰＣ鋼棒５０の上端部にナット（図示せず）を締め付ける。その後、緊張力を開放することで壁部材にプレストレス（圧縮力）を与える。その後、シース管５１内にグラウト材（図示せず）を充填し、シース管５１とＰＣ鋼棒５０とをグラウト材により固定する。図１９に、積層構造物の内部構造を示す。図１９に示すように、モルタル４０からなる壁式構造の内部には、シース管５１及びＰＣ鋼棒５０が設けられている。

上述した処理が終了したら、外壁部分に防水処理を施すとともに仕上げ材（図示せず）を施工する。その後、所定の管理項目に関する完成検査等を経て積層構造物が完成する。なお、上述した例では、２階建ての積層構造物を構築しているが、構築する積層構造物は１階建てであってもよいし、３階建て以上であってもよい。

１０ 吐出ノズル
１１ 供給装置
１２ 貯留装置
２０ 移動装置
２１ 門型クレーン
２２ ロボットアーム
３０ 制御装置
４０ モルタル
４０ａ 内壁部
４０ｂ 外壁部
４０ｃ 補強部
５０ ＰＣ鋼棒
５１ シース管
６０ スラブ
７０ カブラー
８０ 支圧プレート
９０ 窓枠
１００ ジャッキ
１１０ デッキスラブ
１２０ 床スラブ
１３０ ＲＦスラブ
１４０ 仕上げ材
２００ 構築装置

Claims (3)

1. 材料を積層して積層構造物を構築するための構築方法であって、
   吐出ノズルから積層構造物を作成するための材料を吐出しながら、吐出ノズルを移動させ、
   吐出ノズルからの材料の吐出量及び吐出ノズルの移動を制御して、材料を層状に積層し、
   層状となった材料を縦断するよう緊張材を配設して、材料が硬化した後に当該緊張材にプレストレスを与える、
   ことを特徴とする積層構造物の構築方法。
2. 層状となった材料を縦断するようにシース管を設置し、当該シース管内に緊張材を挿入する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層構造物の構築方法。
3. 前記積層構造物は、壁式構造である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層構造物の構築方法。

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