JP2020176437A - 植物工場建屋 - Google Patents

Abstract

【課題】風や積雪あるいは地震荷重に対して充分な強度を確保しつつ、建設費と稼働時のエネルギーコストを下げ、経済性にすぐれた植物工場建屋を提供することである。【解決手段】建屋設置面２上に設けられた柱梁架構６と、この柱梁架構６内に積層された複数の育成用ラック７と、林立するこのラック７の柱を利用し、このラック７の最上位のものの上面に設けられ梁４の鉛直荷重を支持する支持体８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、植物工場建屋に関する。

近年、屋内で野菜等を生産する植物工場が実用化してきている。植物工場は、人工光を照射する照明と、湿度と温度を管理する空調設備を備えており、外部の天候に左右されずに屋外よりも安定して早いサイクルで植物の生産を行う。

このような、植物育成のための環境を提供する植物工場建屋には、建物の強度を満たした上での建築費の経済性及びランニングコストの大部を占める電気代の節約を重視した特性が求められている。
特許文献１には、外壁及び天井が断熱材により構成され、柱をその外側に配置した植物工場建屋が開示されている。ここでは、熱伝導率の高い柱鉄骨を断熱構造の外側に配置することによって外気温の影響が建屋内に及びにくくなるようにすることが試みられている。
特許文献１に記載のように、植物工場建屋は、内部に植物育成用の設備を設けなければならないため、対向する壁や柱間のスパンを大きくとって、広い内部空間を確保しなければならない。しかしながら、このような構成とすると、広い内部空間を建屋の側方に設けられる柱で支えなければならないため、自重や積雪に対する強度を確保するために、柱・梁の部材サイズ及び鉄骨量が増え、建築費が高くなっていた。さらに、この種の建屋は面積の大きな側壁を有するために、風荷重もまた大きくなるという問題があった。

特開平０１−２２５４４２号公報

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、風や積雪あるいは地震荷重に対して充分な強度を確保しつつ、建設費と稼働時のエネルギーコストを下げ、経済性にすぐれた植物工場建屋を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の植物工場建屋は、建屋設置面上に柱と梁によりラック設置空間を中に形成する柱梁架構と、この柱梁架構内に積層された複数の育成用ラックと、林立するこのラックの柱を利用し、このラックの最上位のものの上面に設けられ前記梁の鉛直荷重を支持する支持体と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、積層された複数の植物育成用ラックによって、梁にかかる鉛直荷重を補助することができ、そのぶん梁や柱のサイズや鉄骨量を低減することが可能になる。

本発明の一態様においては、前記支持体は、前記梁を水平方向の相対変異を許容するすべり支承構造により支持することを特徴とする。すなわち、前記支持体は、その上部、下部、または中間部に滑り支承あるいは鉛直荷重を支持しつつ、水平荷重に対する影響の非常に小さな構造体を有する。
このような構成によれば、建屋に地震、風等の外力が加わった場合に、支持体と梁の相対移動が可能となり、梁の支持部に過大な水平力が加わる事を防止することができる。

本発明の一態様においては、前記支持体は、前記ラックの最上位のものに固定される枠体と、この枠体の周方向に間隔をおいた複数箇所から上方に延びて、各上端が集合して結合された複数のロッドと、前記複数のロッドの結合部にすべり支承部材として設けられたプレートと、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、本願発明に係る支持体を適切に実施することができる。

本発明の一態様においては、前記柱梁架構の内部であって、前記建屋設置面の下方に地下空間が設けられ、この地下空間内の底面から前記ラックが積層されていることを特徴とする。
このような構成によれば、植物工場建屋が地下部分を含むので、温度変動が少ないことにより建屋の温度管理コストを低減させることができる。

本発明の一態様においては、地盤を掘削して建屋の下部が地中に埋め込まれるように建設することで、建屋内の内部空間の高さを確保するとともに、建屋の地上部分の高さを低減する。さらに、地盤の掘削面の内側に発泡ウレタン層を設け、この発泡ウレタン層の内側に鉄筋コンクリート製擁壁を形成する。この鉄筋コンクリート製擁壁の内側の地下空間が建屋空間の下部に相当することを特徴とする。
このような構成によれば、建屋空間の高さを確保しつつ風および地震力を受ける建物の高さを低減し、かつ、発泡ウレタン層の断熱効果と発泡ウレタンが変形することによる建物にかかる土圧の低減が期待できる。

本発明によれば、風や積雪あるいは地震荷重に対して充分な強度を確保しつつ、建設費と稼働時のエネルギーコストを下げ、経済性にすぐれた植物工場建屋を提供することができる。

本発明の実施形態における植物工場建屋の概略構成図を示す図であって、植物工場建屋の縦断面図である。 本発明の実施形態における支持体の斜視図（ａ）と平面図（ｂ）である。 本実施形態の植物工場建屋の外壁部分を含む拡大縦断面図である。 （ａ）は、建物に加わる単位面積あたりの外力を、地上の高さ地下の深さとに対して示したグラフで、（ｂ）は、（ａ）の高さ深さに対応する建物の単位容積あたりのコストを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態における植物工場建屋の概略構成図である。
図１に示すように、植物工場建屋１は、建屋設置面（地面）２上に柱３と梁４によりラック設置空間５を中に形成して設けられた柱梁架構６を備えている。この柱梁架構６内には、積層された複数の育成用ラック７が設置され、このラック７の最上位のものの上面には、梁４を支持する支持体８が設けられている。ラック７内では、野菜や植物等が多層で栽培される。また、植物工場建屋１には、２点鎖線で示されるように地下空間９が設けられている。

支持体８は、梁４をすべり支承構造により支持している。図２（ａ）にはこの支持体８の斜視図、図２（ｂ）には平面図が示されている。
支持体８は、ラック７の最上位のものに固定される枠体１１と、この枠体１１の周方向に間隔をおいた複数箇所から上方に延びて、各上端が集合して結合された複数のロッド１２と、複数のロッド１２の結合部１３にすべり支承部材として設けられたプレート１４を備えている。プレート１４は、テフロン（登録商標）等で、加工されている。
さらに、枠体１１には、その下部に枠体接合突起１３Ａが設けられている。この枠体接合突起１３Ａは、角パイプ等で構成され、ラック柱上部に差し込むだけでラック７の最上位のものにセットできる。このような枠体１１は、複数のロッド１２による水平反力を支持するため、ラックに水平力がかからない。

図３は、本実施形態の植物工場建屋の壁部分を含む拡大縦断面図である。植物工場建屋１は、柱梁架構６の内部であって、建屋設置面２の下方に地下空間９が設けられ、この地下空間９内の底面２２からラック７が積層されている。

植物工場建屋１の柱３の外側には、外壁３１が設けられ、梁４の上部には、屋根３２が設けられている。外壁３１は、断熱性の高いパネルで構成されており、屋根３２は、ポリグラスウールなどによるダブル折り板で構成されている。柱３と梁４の内側には、断熱材３４が設けられている。

次に、地下空間９を形成するには、地面２の建屋を構築する領域の周囲に仮設杭４１を打ち込み、この仮設杭４１の内側の地盤を掘削する。仮設杭４１には、セパレーター４２を固定しておき、この仮設杭４１の打たれた地盤の掘削面２１に発泡ウレタンを吹き付けて、発泡ウレタン層２４を形成する。この発泡ウレタン層２４を内側の仮枠として、発泡ウレタン層２４と一定の間隔をおいて他方の外側の仮枠（図示せず）を設け、両仮枠間に前記セパレーター４２を位置させ、更に両仮枠間に鉄筋コンクリート製擁壁２５を打設する。このとき、仮設杭４１は、埋め殺しとされる。鉄筋コンクリート製擁壁２５には、必要に応じて、水抜き穴４３が設けられている。擁壁２３の近傍の底面２２には、鉄筋コンクリート製擁壁２５に連設して基礎４４の一部４４ａが設けられる。基礎４４ａに隣接する底面２２には、ラック７を積層する基礎としての土間コンクリート４４ｂが設けられている。水抜き穴４３直下の基礎４４ａには、溝４５が形成されている。水抜き穴４３から流出した水は、溝４５を流れて植物工場建屋１の排水設備（図示せず）まで運ばれ植物工場建屋１の外部に排出される。

本実施形態における植物工場建屋１は、積層された複数の植物育成用ラック７の最上位のものの上面に、梁４を支持する支持体８が設けられている。この構造により、積層されたラック７が柱３を補助するように、梁４を支えるので、積雪荷重に対して充分な強度を得ることができる。図１に示す点線Ａは、柱梁架構６の梁を積層させたラック７および支持体８で支持しない場合の柱梁架構の大きさを示しており、積雪により梁に加わる荷重が大きくなるため柱や梁の太さやこれに使用される鉄骨量が増大し外形が大きくなる。植物工場建屋１は、柱や梁の鉄骨量を減らして、積雪に対して充分な強度を得ることができるので、植物工場建屋１の建築コストを低減することができる。

また、支持体８は、梁４をすべり支承構造により支持しているので、植物工場建屋に地震や風の外力が加わった場合に、支持体８、ラック７側と梁４、屋根３２側との相対移動が可能となり、これらの間の接合部分の損傷を防止することができる。
この点については、とくに屋根３２に雪が積もって梁４に大きな荷重が加わっている場合に、上記損傷を有効適切に防止することができる。
さらに、支持体８に建屋の水平荷重がかかることがないので、支持体８の各部断面は、鉛直荷重を支持できるように設計すれば十分であり、断面を必要以上に（つまり、建屋からの水平荷重を支持するように）大きくする必要がない。

また、本実施形態における植物工場建屋１は、建屋設置面２の下方に地下空間９を設ける半地下構造を採用している。この半地下構造の利点について、図４を参照しながら説明する。
図４（ａ）は、建物に加わる単位面積あたりの外力を、地上の高さ６１地下の深さ６３とに対して示したグラフである。図４（ａ）には、高さ６１に対する単位面積あたりの外力ｐｗと、深さ６３に対する単位面積あたりの外力ｐｓが示されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）の高さ６１深さ６３に対応する建物の単位容積あたりのコスト５３、５６を示すグラフである。
図４（ａ）において、地上の単位面積あたりの外力ｐｗは以下の数式（１）で表されている。

Ｃ：建物の形状等による常数
α：敷地の周辺状況による常数
ｈ：地上高さ（ｍ）

高さｈ［ｍ］の建物を建築した場合、総合的に建物に加わる単位巾当たりの水平外力の総量は、上記式（１）の積分となるので、以下の式Ｐｗで表される。

また、地下壁の単位面積あたりの外力ｐｓは以下の数式（３）で表される。

Ｐａ：土の特性で決まる主動土圧係数（粘着力の少ない土）
γ：土の比重
ｈ：地下深さ（ｍ）

深さｈ［ｍ］の建物を建築した場合、総合的に建物に加わる単位巾当たりの水平外力の総量は、上記式（３）の積分となるので、以下の式Ｐｓで表される。

図４（ａ）には、式（１）のｐｗと式（２）のｐｓが表されている。グラフの形から、地上部分の単位面積当たりの建物に加わる力は、高さが増すにつれ、その増分は小さくなるが、地下部分はそのまま深さに比例して増加していくことがわかる。さらに地下水位を超える深さでは、その比例係数が大きくなるように変化する。
建物に加わる力の単位巾当たりの総量は、上述したとおり、地上と地下でそれぞれ式（１）式（３）を積分した式（２）、式（４）で表されるので、これらを使って試算すると、地上部分では、高さが倍になると建物上部構造の下端部に加わる水平力の総量は約３倍となり、地下部分から建物地下柱の下端部に加わる水平力は、深さが倍になると約４倍となる。

図４（ｂ）を参照して、いま建物のタイプとして、（Ａ）全地上、（Ｂ）全地下、（Ｃ）半地下の３つの場合を考察してみる。このグラフ図４（ｂ）においても、建物建築の総コストは、グラフの積分値に対応しているので、場合（Ａ）の建物建築の総コストは、線５１から点線５２までのコストの線５３と高さ６１に囲まれた面積で表される。場合（Ｂ）の建物建築の総コストは、線５１から点線５５までのコストの線５６と深さ６３に囲まれた面積で表される。場合（Ｃ）の建物建築の総コストは、線５１から点線５７までのコストの線５３と高さ６１に囲まれた面積と、線５１から点線５８までのコストの線５６と深さ６３に囲まれた面積との和（グラフ内斜線部分５９）で表される。すなわち、（Ｃ）半地下の場合が建築コストが相対的に安いことがわかる。

さらに、地下空間９を形成する擁壁２３の外面には発泡ウレタン層２４が形成されており、この発泡ウレタン層２４は、これを仮枠として鉄筋コンクリート製擁壁２５を打設することにより、地盤と建物地下部分との間で発泡ウレタン層２４が多少の圧縮変形することで、現実に建物下部構造に加わる土圧を、主動土圧にとどめることができる。また、発泡ウレタン層２４の断熱特性により、地下空間９内における断熱効果も期待できる。

以上、本実施形態に係る植物工場建屋１は、積層されたラック７の最上位に設けた支持体８により、梁４を支えるので、建物強度を保ちながら、柱３や梁４を従来より細く、かつ、鉄骨量を減らすことができる。したがって、風や積雪に対して充分な強度を有する植物工場建屋１の建築にかかるコストを低減させることができる。
一般的なスパン１８ｍ、天井高６ｍ程度の地上に立つ鉄骨構造では、風荷重と雪荷重が支配的である。このうち、風荷重は、建物を一部地下に構築することによって減らすことができるが、雪荷重は、地下構築によっては、減らすことができない。したがって、地域によっては、雪荷重が建物コストを決める支配的要素となる。本実施形態の構成によれば、ラック７の最上位に設けた支持体８により、梁４を支えるので、雪荷重に対しても効果を発揮することができる。
さらに、支持体４は、すべり支承により、梁４を支持されるので、地震や風による建物の揺れとラックの揺れを分離することができる。従って、地震や風等による建物の変形の影響を防ぐことができる。

また、上述したように、植物工場建屋１を半地下とすることによって、図４で考察したように、建築コストの最適解を得ることができる。
さらに、植物工場建屋１に、半地下構造を採用する利点は、地下部分は、その外側を地面に囲まれることにより、温度変化が少ないので、温度管理に費やされる電気代等を節約することができるということである。
半地下構造の更なる利点は、植物工場建屋１を建築する敷地が過去に耕作地であった場合に顕れる。この場合、表土１ｍ程度は地耐力が極めて弱く、地上建物を建築する場合は、基礎と地業工事にはかなりのコストがかる。このように地耐力の弱い敷地であっても、半地下を形成するために、ある程度まで掘ることによって、先行荷重を土かぶり分だけ受けている地盤を利用することができる。この地盤は、当然その土かぶり分の地耐力が期待でき、ラック設置の基礎のための地盤改良等、特別の地業工事を必要としないという利点がある。
また、地下空間９を形成する擁壁２３の外面に形成された発泡ウレタン層２４は、擁壁の土圧成分を主動土圧状態に低減させることができ、さらに断熱効果も期待できるので、建物建築コスト、及び光熱費の両方の低減に寄与することができる。
尚、本実施形態では、植物工場建屋１を半地下に建築するように記載しているが、建屋を地上のみに構築し、ラック７上部の支持体８で梁４を支持するという要素だけを採用して実施しても、本発明の効果は十分に得られる。

１ 植物工場建屋
２ 建屋設置面（地面）
３ 柱
４ 梁
５ ラック設置空間
６ 柱梁架構
７ ラック
８ 支持体
９ 地下空間
１１ 枠体
１２ ロッド
１３ 結合部
１３Ａ 枠体接合突起
１４ プレート
２１ 掘削面
２２ 底面
２４ 発泡ウレタン層
２５ 鉄筋コンクリート製擁壁

Claims (5)

1. 建屋設置面上に設けられた柱梁架構と、
   この柱梁架構内に積層された複数の育成用ラックと、
   林立するこのラックの柱を利用し、このラックの最上位のものの上面に設けられ梁の鉛直荷重を支持する支持体と、
   を備えることを特徴とする植物工場建屋。
2. 前記支持体は、前記梁を水平方向の相対変異を許容するすべり支承構造により支持することを特徴とする請求項１に記載の植物工場建屋。
3. 前記支持体は、
   前記ラックの最上位のものに固定される枠体と、
   この枠体の周方向に間隔をおいた複数箇所から上方に延びて、各上端が集合して結合された複数のロッドと、
   前記複数のロッドの結合部にすべり支承部材として設けられたプレートと、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の植物工場建屋。
4. 前記柱梁架構の下部には地下空間が設けられ、この地下空間内の底面から前記ラックが積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の植物工場建屋。
5. 地盤の掘削面の内側に発泡ウレタン層が形成され、この発泡ウレタン層の内側に鉄筋コンクリート製擁壁が形成され、この鉄筋コンクリート製擁壁の内側に前記地下空間が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の植物工場建屋。
   
   

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