JP2021188459A - コンクリート構造物の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構築可能なコンクリート構造物の自由度を高めることのできるコンクリート構造物の構築方法およびコンクリート構造物を提供する。【解決手段】コンクリート構造物の構築方法は、中空形状を有する第１構造部を形成する第１構造部形成工程（ステップＳ１０１）と、第１構造部の周囲に骨組みを形成する骨組み形成工程（ステップＳ１０２）と、コンクリート構造物の外側面の位置を示すガイドを設置するガイド設置工程（ステップＳ１０３）と、第１構造部の外方からコンクリートを吹き付けて、第１構造部を覆うとともに骨組みを内蔵する第２構造部を形成する第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、コンクリート構造物の構築方法に関する。

例えば特許文献１のように、コンクリート構造物の構築方法として、筒状の外周殻壁を形成し、その外周殻壁の内側にコンクリートを流し込むことにより、コンクリート構造物を構築する方法が知られている。

特開２０１８−１９９９３９号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、構築可能なコンクリート構造物の自由度が低く、床面と天井面とを繋ぐ柱など、他の構造物に両端面が接触するコンクリート構造物を施工現場において構築することが困難であった。

上記課題を解決するコンクリート構造物の構築方法は、コンクリート構造物の第１構造部を形成する第１構造部形成工程と、前記第１構造部の外方からコンクリートを吹き付けて、前記第１構造部を覆う第２構造部を形成する第２構造部形成工程と、を備える。

上記課題を解決するコンクリート構造物は、第１構造部と、前記第１構造部の外方から吹き付けられて硬化したコンクリートによって構成され、前記第１構造部を覆って前記第１構造部と一体化した第２構造部と、を備える。

上記コンクリート構造物の構築方法は、前記第１構造部が中空形状であることが好ましい。
上記コンクリート構造物の構築方法において、前記第１構造部に鋼材を用いることが好ましい。

上記コンクリート構造物の構築方法は、前記第２構造部形成工程では、吹き付けたコンクリートが硬化するまでの荷重保持材として前記第１構造部を利用することが好ましい。
上記コンクリート構造物の構築方法は、前記第２構造部形成工程の前に、前記コンクリート構造物の外側面の位置を示すガイドを設置するガイド設置工程をさらに備えることが好ましい。

上記コンクリート構造物の構築方法は、前記第２構造部形成工程の前に、前記第２構造部の形成部分に骨組みを形成する骨組み形成工程をさらに備えることが好ましい。
上記コンクリート構造物の構築方法は、前記第２構造部形成工程の前に、前記第２構造部の形成部分に骨組みを形成する骨組み形成工程と、前記コンクリート構造物の外側面の位置を示すガイドを設置するガイド設置工程と、をさらに備え、前記ガイド設置工程において、前記ガイドを前記骨組みに支持させることが好ましい。

上記コンクリート構造物の構築方法は、前記コンクリートは、吹き付け後の成形時間を考慮して硬化時間が調整されたものであり、前記第２構造部形成工程は、前記コンクリートを吹き付ける吹付工程と、前記吹き付けられたコンクリートを成形する成形工程と、を有することが好ましい。

上記コンクリート構造物の構築方法は、前記吹付工程では、前記第１構造部の周りを周回しながらコンクリートを吹き付けて、前記第１構造部の周囲に内側コンクリート部を形成したのち、前記内側コンクリート部の周囲に外側コンクリート部を形成することが好ましい。

本発明によれば、構築可能なコンクリート構造物の自由度を高めることができる。

コンクリート構造物の構築方法の一実施形態によって構築されたコンクリート構造物の一例を示す斜視図。 コンクリート構造物の構築方法の一実施形態を示すフローチャート。 第１構造部形成工程が完了した状態を示す斜視図。 ３Ｄプリンタ装置を用いて第１構造部を形成する様子を模式的に示す図。 骨組み形成工程およびガイド設置工程が完了した状態を示す斜視図。 吹付工程の様子を模式的に示す斜視図。 （ａ）内側コンクリート部が形成された状態を模式的に示す図、（ｂ）外側コンクリート部が形成された状態を模式的に示す図。 （ａ）コンクリート部の外表面を成形する様子を模式的に示す側面図、（ｂ）成形後の状態を模式的に示す側面図。 変形例において、第１構造部形成工程が完了した状態を示す斜視図。 変形例において、コンクリート構造物の一例を示す斜視図。

図１〜図８を参照してコンクリート構造物の構築方法およびコンクリート構造物の一実施形態について説明する。
図１に示すように、コンクリート構造物１０は、例えば鉛直方向の延びる中空部１１を有する四角筒状の柱である。コンクリート構造物１０は、離間した２つの端面である下面と上面とを繋ぐ４つの外側面１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有しており、下面が図示されない床面に接触し、かつ、上面が図示されない天井面に接触している。コンクリート構造物１０は、基板１２、基板１２に支持される筒状の第１構造部１３、第１構造部１３を外方から覆って第１構造部１３と一体化した第２構造部１４、第１構造部１３を取り囲むとともに第２構造部１４に内蔵される骨組み１５を有している。第１構造部１３と第２構造部１４は、一体化した構造体として機能する。

図２に示すように、コンクリート構造物１０は、第１構造部形成工程（ステップＳ１０１）、骨組み形成工程（ステップＳ１０２）、ガイド設置工程（ステップＳ１０３）、第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）を経て構築される。第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）は、吹付工程（ステップＳ１０４−１）と成形工程（ステップＳ１０４−２）とで構成されている。

第１構造部形成工程（ステップＳ１０１）では、コンクリート構造物１０の構築場所に第１構造部１３を形成する。第１構造部１３は、中空部１１を有する筒状の形状を有しており、吹付工程においてコンクリートが吹き付けられる吹付対象として機能する。

図３に示すように、本実施形態では、まず、コンクリート構造物１０の構築場所に基板１２を設置する。基板１２は、矩形状をなす金属板である。基板１２には、コンクリート構造物１０の４つの外側面１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの位置を示す端部ガイド２０が設けられている。第１構造部１３は、この基板１２上に配置される。

第１構造部１３は、金属製の角鋼管である。第１構造部１３は、床面に載置された基板１２に下端部が接合されることで構築場所に設置される構成であってもよいし、基板１２に下端部が接合された状態で構築場所に搬入されることにより、構築場所に設置される構成であってもよい。

また、図４に示すように、第１構造部１３は、３Ｄプリンタ装置１６を用いて形成されてもよい。３Ｄプリンタ装置１６は、ロボットアーム１７とロボットアーム１７の先端に取り付けられたノズル１８とを有している。３Ｄプリンタ装置１６は、第１構造部１３の形状に基づいて、ノズル１８を移動させながらモルタルを吐出して層Ｌ１を形成し、積層する。モルタルは、例えば、セメント材、細骨材、硬化促進剤、チキソ性調整剤、有機繊維を混合したものが使用可能である。このようにして積層された層Ｌ１が硬化することにより第１構造部１３が形成される。第１構造部１３のうちでコンクリート構造物１０の上面付近に位置する部分については、斜め下方からノズル１８を近づけることで形成可能である。なお、第１構造部１３は、床面に対して直接モルタルを吐出し、積層することにより、構築場所に形成されてもよい。

図５に示すように、骨組み形成工程（ステップＳ１０２）では、第１構造部１３を取り囲むように骨組み１５が設置される。骨組み１５は、第１構造部１３の延在方向に沿うように配設される複数の主筋２１と第１構造部１３を取り囲むように配設される帯筋２２（補強筋）とによって構成されている。これら主筋２１および帯筋２２は、図示しない鉄線で互いに連結した複数の鉄筋によって構成されている。

ガイド設置工程（ステップＳ１０３）では、コンクリート構造物１０の外側面１０ａ〜１０ｄの各々の位置を示すガイド２５が設置される。ガイド２５は、例えば金属の棒材であり、図示されない鉄線によって骨組み１５に取り付けられている。ガイド２５は、コンクリート構造物１０の延在方向において所定の間隔で設けられている。ガイド２５は、第１構造部１３からの第２構造部１４の厚さを示している。

第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）では、第２構造部１４を形成する。第２構造部形成工程では、第１構造部１３に対してコンクリートを吹き付ける吹付工程（ステップＳ１０４−１）と、第１構造部１３に吹き付けられたコンクリートの表面を成形する成形工程（ステップＳ１０４−２）と、を行う。本実施形態の第２構造部形成工程では、吹付工程と成形工程とを交互に行うことで第２構造部１４を形成する。

図６に示すように、吹付工程（ステップＳ１０４−１）では、吹付ノズル２３を用いて、第１構造部１３の外方から第２構造部１４の形成部分にコンクリートを吹き付ける。コンクリートの吹き付けは、第１構造部１３を繰り返し周回するように吹付ノズル２３を移動させながら行われる。

コンクリートの吹付量は、およそ１〜３ｍ^３／ｈである。コンクリートは、セメント材、細骨材、粗骨材、減水剤、および、急結剤などを混合したものである。コンクリートは、セメント材に対する急結剤の含有量によって硬化時間が調整される。

具体的には、コンクリートは、ある程度の成形面積とその成形時間とが確保され、かつ、第２構造部１４による荷重負担を早期に実現させることができる時間に調整される。硬化時間の一例は、１０分〜３０分程度である。なお、コンクリートの硬化時間は、これに限られるものではなく、例えば成形工程における成形面積など、その時々の設計思想に応じて３０分よりも長い時間に調整されてもよい。

急結剤としては、粉体急結剤、液体急結剤、および、粉体急結剤と液体急結剤とを混合させたものを使用することが可能である。粉体急結剤の一例は、デンカ株式会社製の「ナトミックＺ」（登録商標）である。液体急結剤の一例は、デンカ株式会社製の「ナトミックＬＳＡ」（登録商標）である。コンクリートの吹付は、乾式吹付工法であってもよいし、湿式吹付工法であってもよい。また、コンクリートの吹付は、作業員が行ってもよいし、コンクリート吹付機で行ってもよい。

図７（ａ）に示すように、吹付工程においては、まず、第１構造部１３を周回するように吹付ノズル２３を移動させ、第１構造部１３の周囲に、内側コンクリート部３０ａが形成されるようにコンクリートを吹き付ける。次に、図７（ｂ）に示すように、第１構造部１３を周回するように吹付ノズル２３を移動させ、内側コンクリート部３０ａの周囲に、ガイド２５の先端を覆い隠す程度の外側コンクリート部３０ｂが形成されるようにコンクリートを吹き付ける。吹き付けられたコンクリートは、第１構造部１３や骨組み１５に付着し、第１構造部１３を覆うとともに骨組み１５を内蔵する吹付コンクリート部３０を形成する。第１構造部１３および骨組み１５の各々は、吹付コンクリート部３０が硬化するまでの間、その形状を維持しながら吹付コンクリート部３０の荷重を保持する荷重保持材として機能する。なお、図７（ｂ）においては、図７（ａ）で示した内側コンクリート部３０ａに対してコンクリートを吹き付けた状態を示しているが、実際には、第１構造部１３や骨組み１５の手前側にも内側コンクリート部３０ａが形成されている。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、成形工程（ステップＳ１０４−２）では、吹付コンクリート部３０の外表面３１を成形する。具体的には、例えばコテなどの成形具２７を用いて、外表面３１が平坦となるように、また、各角部が緩やかなＲ形状となるように成形する。

第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）では、上述した吹付工程と成形工程とを交互に行い、外表面３１が成形された吹付コンクリート部３０を段階的に形成する。そして、吹付コンクリート部３０が硬化すると第２構造部１４が形成される。

なお、第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）は、吹付工程が完了したのちに成形工程を行う構成であってもよい。また、ある程度コンクリートを吹き付けたのちに吹付工程と成形工程とを並行して行う構成であってもよい。また、成形工程は、作業員が行ってもよいし、成形具２７を取り付けたアームを有する多関節ロボットなどが行ってもよい。

（作用）
上述したコンクリート構造物１０の構築方法においては、第１構造部１３を形成したのち、その第１構造部１３に対して外方から、成形時間を考慮して硬化時間を調整したコンクリートを吹き付ける。コンクリートは、第１構造部１３を覆う吹付コンクリート部３０を形成する。そして、吹付コンクリート部３０の外表面３１を成形したのち、吹付コンクリート部３０が硬化することにより第２構造部１４が形成される。これにより、柱のような両端面が他の構造物に接触するコンクリート構造物１０であっても施工現場で構築することができる。また、外表面３１が平坦に、各角部が緩やかなＲ形状になるように成形されることでコンクリート構造物１０の意匠性が損なわれることもない。

本実施形態の効果について説明する。
（１）コンクリート構造物１０は、第１構造部１３の周囲に骨組み１５を形成したのち、第１構造部１３に対して外方からコンクリートを吹き付けて第２構造部１４を形成することにより構築される。これにより、構築可能なコンクリート構造物１０の自由度を高めることができる。

（２）第１構造部１３が中空形状であることにより、コンクリート構造物１０の強度を保持しつつ、軽量化を図ることができる。また、より大きなコンクリート構造物１０を少ないコンクリート量で構築することができる。

（３）第１構造部１３に鋼材を用いることにより、コンクリート構造物１０全体としての剪断耐力を高めることができ、骨組み１５を構成する主筋２１や帯筋２２の低減を図ることができる。また、コンクリートが硬化するまでの間の荷重保持材としての機能をより効果的に得ることができる。

（４）第２構造部形成工程の前に、コンクリート構造物１０の外側面１０ａ〜１０ｄの位置を示すガイド２５を設置するガイド設置工程が行われる。これにより、そのガイド２５の先端を目印にしてコンクリートの吹付量を調整することができる。その結果、第２構造部１４の目標形状に近い形状に吹付コンクリート部３０を形成することができ、成形工程における作業負荷を軽減することができる。

（５）第２構造部１４の形成部分に骨組み１５が配設されている。これにより、コンクリート構造物１０の強度を高めることができる。
また、吹き付けられたコンクリートが骨組み１５に付着して流動しにくくなる。その結果、コンクリートの吹き付けを効率よく行うことができるとともに、例えば第１構造部１３の下側に吹付コンクリート部３０を形成する場合であってもコンクリートが留まりやすくなるから、構築可能なコンクリート構造物１０の自由度をさらに高めることができる。

（６）ガイド２５が骨組み１５に支持されていることにより、コンクリートの吹き付けに起因したガイド２５の位置ずれを抑えることができる。
（７）第１構造部１３に吹き付けられるコンクリートは、成形時間を考慮して硬化時間が調整されている。これにより、コンクリートの吹き付け後に、吹付コンクリート部３０の成形を行うことができる。

（８）吹付工程においては、第１構造部１３を周回するように吹付ノズル２３を移動させ、内側コンクリート部３０ａの形成後に外側コンクリート部３０ｂを形成するようにコンクリートを吹き付ける。これにより、第１構造部１３の周りを肉付けするようにコンクリートが吹き付けられるため、吹付コンクリート部３０に空洞が形成されにくくなるとともに、吹付コンクリート部３０の外表面３１付近における硬化タイミングのずれを抑えることができる。

（９）第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）においては、吹付工程（ステップＳ１０４−１）と成形工程（ステップＳ１０４−２）とを交互、あるいは、並行して行うことにより、第２構造部１４を段階的に形成することができる。これにより、コンクリートの性状、特に硬化時間や流動性に関する自由度を向上させることができる。

（１０）第２構造部形成工程（ステップＳ１０４）においては、吹付工程（ステップＳ１０４−１）の完了後に成形工程（ステップＳ１０４−２）を行うことにより、外表面３１全体を成形具２７で成形することができる。その結果、吹付工程および成形工程の各々についての準備作業が一度で済み、これらの工程に要する時間、ひいてはコンクリート構造物１０の構築に要する時間を短縮することができる。

（１１）基板１２に端部ガイド２０が設けられている。これにより、基板１２側の端部においても第２構造部１４を所望の厚さに形成することができる。
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・吹付工程においては、内側コンクリート部３０ａの形成後に外側コンクリート部３０ｂを形成することなく、ガイド２５の先端を覆い隠す程度にコンクリートが吹き付けられてもよい。

・第２構造部形成工程では、吹付工程のみが行われる構成であってもよい。
・コンクリート構造物１０は、骨組み１５を用いることなく構築されてもよい。この場合、吹き付けられるコンクリートは、繊維を混合したセメント系材料（繊維補強コンクリート材料）であることが好ましい。これにより、さらなる軽量化を図りつつ、所望の強度を有するコンクリート構造物を構築することができる。

・ガイド２５は、骨組み１５に支持される構成に限らず、第１構造部１３に支持される構成であってもよい。
・ガイド２５は、コンクリート構造物１０の外側面１０ａ〜１０ｄの位置を示すものであればよい。例えば、ガイドは、外側面１０ａ〜１０ｄに沿うように上方からレーザ光を照射する２次元レーザスキャンを用いて構成されてもよいし、外側面１０ａ〜１０ｄの位置に結像するプロジェクションマッピングを用いて構成されてもよい。

・ガイド２５は、設置されなくともよい。
・基板１２を用いることなく第１構造部１３が形成されてもよい。また、基板１２の外周縁部を端部ガイドとして利用してもよい。

・第１構造部１３は、コンクリート構造物１０に中空部１１を形成するものであればよく、四角筒状のものに限らず、例えば、円筒状や楕円筒状のほか、三角筒状などの他の多角筒状であってもよい。

・第１構造部１３は、コンクリートが吹き付けられたときに、中空状の形状を保持できる強度を有するものであればよく、例えば、紙材や樹脂、発泡スチロールなどで形成されてもよい。また、第１構造部１３は、吹き付けられたコンクリートが中空部１１に入りにくいものでればよく、ラス網などの網状の部材で構成されてもよい。さらに、第１構造部１３は、中空状に限らず、中実状であってもよい。

・第１構造部１３の位置は、コンクリート構造物１０の中心であってもよいし、コンクリート構造物１０の中心からずれた位置であってもよい。
・第１構造部形成工程（ステップＳ１０１）は、骨組み１５が配置された状態で行われてもよい。これにより、３Ｄプリンタ装置１６を用いて第１構造部１３を形成する場合には、骨組み１５の一部に重なるようにモルタルを吐出することが可能となるため、骨組み１５の固定を容易に行うことができる。

・コンクリート構造物１０は、水平方向に延びて、延在方向における両端面が図示されない壁面に接触する梁であってもよい。また、コンクリート構造物１０は、柱や梁に限らず、コンクリートによって構築される構造物であればよく、壁などであってもよい。なお、コンクリート構造物１０を梁として構築する場合には、第１構造部１３を鋼材とすることが好ましい。これにより、コンクリートが硬化するまでの間の荷重保持材としての機能をより効果的に得ることができる。

・図９に示すように、基板１２の角隅部には、基板１２を固定するためのボルトなどが貫通する固定孔１９が形成されていてもよい。こうした構成によれば、例えば第１構造部１３が金属製の角鋼管である場合、床面に固定された基板１２に対して第１構造部１３が固定されるため、コンクリート吹付時における第１構造部１３の位置ずれを効果的に抑えることができる。なお、固定孔１９は、第２構造部１４によって覆い隠される構成であってもよい。

・例えば図１０に示すように、第１構造部１３は、間隔を空けて複数設置されてもよい。こうした場合、吹付工程では、複数の第１構造部１３を繋ぐ部分が形成されるようにコンクリートが吹き付けられる。また、骨組み１５は、第２構造部１４の形成部分に設置されればよく、各第１構造部１３を個別に取り囲むように設置されてもよいし、複数の第１構造部１３の全体を取り囲むように設置されてもよい。

Ｌ１…層、１０…コンクリート構造物、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…外側面、１１…中空部、１２…基板、１３…第１構造部、１４…第２構造部、１６…３Ｄプリンタ装置、１７…ロボットアーム、１８…ノズル、１９…固定孔、２０…端部ガイド、２１…主筋、２２…帯筋、２３…吹付ノズル、２５…ガイド、２７…成形具、３０…吹付コンクリート部、３０ａ…内側コンクリート部、３０ｂ…外側コンクリート部、３１…外表面。

Claims (10)

1. コンクリート構造物の第１構造部を形成する第１構造部形成工程と、
   前記第１構造部の外方からコンクリートを吹き付けて、前記第１構造部を覆う第２構造部を形成する第２構造部形成工程と、を備える
   コンクリート構造物の構築方法。
2. 前記第１構造部が中空形状である
   請求項１に記載のコンクリート構造物の構築方法。
3. 前記第１構造部に鋼材を用いる
   請求項１または２に記載のコンクリート構造物の構築方法。
4. 前記第２構造部形成工程では、吹き付けたコンクリートが硬化するまでの荷重保持材として前記第１構造部を利用する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のコンクリート構造物の構築方法。
5. 前記第２構造部形成工程の前に、前記コンクリート構造物の外側面の位置を示すガイドを設置するガイド設置工程をさらに備える
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のコンクリート構造物の構築方法。
6. 前記第２構造部形成工程の前に、前記第２構造部の形成部分に骨組みを形成する骨組み形成工程をさらに備える
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンクリート構造物の構築方法。
7. 前記第２構造部形成工程の前に、
   前記第２構造部の形成部分に骨組みを形成する骨組み形成工程と、
   前記コンクリート構造物の外側面の位置を示すガイドを設置するガイド設置工程と、をさらに備え、
   前記ガイド設置工程において、前記ガイドを前記骨組みに支持させる
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のコンクリート構造物の構築方法。
8. 前記コンクリートは、吹き付け後の成形時間を考慮して硬化時間が調整されたものであり、
   前記第２構造部形成工程は、
   前記コンクリートを吹き付ける吹付工程と、
   前記吹き付けられたコンクリートを成形する成形工程と、を有する
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のコンクリート構造物の構築方法。
9. 前記吹付工程では、前記第１構造部の周りを周回しながらコンクリートを吹き付けて、前記第１構造部の周囲に内側コンクリート部を形成したのち、前記内側コンクリート部の周囲に外側コンクリート部を形成する
   請求項８に記載のコンクリート構造物の構築方法。
10. 第１構造部と、
    前記第１構造部の外方から吹き付けられて硬化したコンクリートによって構成され、前記第１構造部を覆う第２構造部と、を備え、
    前記第１構造部と前記第２構造部とが一体化した構造体として機能する
    コンクリート構造物。

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