JP2023114549A - モジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュールを組み合せてトラス構造物を形成するのに、モジュールの量子化を目指すものであり、モジュール以外の連結部材を用いることなくモジュールだけの組み合わせで盤状の平面充填、空間充填が可能となり、組立を少ない工数で簡易かつ迅速に行うことができる。【解決手段】モジュールは、多面体の稜線部分を細長接合面を有するフレームで形成し、これら細長接合面を有するフレームの端部を連結して組み立てたもので、モジュールの細長接合面を有するフレームの相互を細長接合面を接合させてモジュール同士を相互に連結していくことでモジュールを増殖させ、立体トラス構造物を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、モジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法に関する。

単一形状の部材を正四面体又は正八面体に組み合わせた立体トラスで構造物の屋根や側壁等を構成するトラス構造に関する数多くの提案がなされている。

例えば、下記特許文献はオクテットトラス構造について、フレーム（弦材）をジョイント（連結部材）で結合して立体トラス構造の単位架構となる４面体架構を造り、４面体架構を相互に接合して立体トラス構造物を構築する。
特許第４４３１８０５号公報 特許第４７０９９８２号公報

トラス構造は、部材同士を三角形につなぎ合わせた構造形式であり、部材の両端がピン接合で三角形のため、外力を加えても軸力しか発生しない。

例えば四角形に力を作用させると、四角形は力を受けて曲がってしまうが、一方、三角形は力に対して「曲がる」ではなく、「縮む」又は「伸びる」ような変形をする。「曲がる」という変形が起きる部材には、曲げモーメントが作用しているが、「縮む、伸びる」変形には軸力しか作用していない。

同じ大きさの部材でも、曲げモーメントが作用する部材と、軸力のみ作用する部材では、後者が圧倒的に有利である。つまり、軸力のみ作用する部材は効率的な断面が選定できる。

このようにして、トラス構造のメリットを下記に示すと、
・部材間には軸力しか作用しない。
・よって、細い部材で構造物を構成することが可能。
・大規模空間の屋根構造等にも適した構造形式である。
・軽快で細い部材で建築物を創ることができ、意匠的にも魅力がある。
ということが挙げられる。

一方、トラス構造のデメリットとしては、施工が面倒なことである。トラス構造は、上弦材、下弦材、束材、斜材という部材が必要で、部材が交錯する点は、どうしても接合部が複雑になりがちになる。

本発明の目的前記従来例の不都合を解消し、モジュールを組み合せてトラス構造物を形成するのに、モジュールの量子化を目指すものであり、モジュール以外の連結部材を用いることなくモジュールだけの組み合わせで可能となり、組立を少ない工数で簡易かつ迅速に行うことができ、しかもモジュールのみの組みあわせで形成できるので、プレハブ化が向上するモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明は、立体トラス構造の単位架構となるモジュールを造り、モジュールを相互に接合して立体トラス構造物を構築するトラス構造物の構築方法であり、モジュールは、多面体の稜線部分を細長接合面を有するフレームで形成し、これら細長接合面を有するフレームの端部を連結して組み立てたもので、モジュールの細長接合面を有するフレームの相互を細長接合面を接合させてモジュール同士を相互に連結していくことでモジュールを増殖させ、立体トラス構造物を形成することを要旨とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、トラス構造物の構築方法として、立体トラス構造の単位架構となるモジュールを造り、モジュールを相互に接合していくこととした。モジュールは結晶構造を形成する「構造単位」の１個に例えることができ、増殖させることで、種々の立体トラス構造物の形成ができる。

このように、ブロック的に用いることができるモジュールを構築し、このモジュールを立体トラス構造物を構築するように組みあわせるのに、多面体の稜線部分となるフレームを細長接合面を有する部材の細長接合面を接合させて行うことができるので、特に、モジュール以外の部材を連結部材として用いることなく、モジュールだけの組み合わせで立体トラス構造物を構築することが可能となり、プレハブ化が向上し、組立を少ない工数で簡易かつ迅速に行える。

モジュール同士を相互に連結していくことでモジュールを増殖させるのに、面と面との接合であり、方向が定まり、安定して組み立てることができる。

さらに、モジュールを組み合わせるのに、多面体の稜線部分となるフレームは相互に重なり、２重となるので強度が増し、これが立体トラス構造物の斜材の部分であれば立体トラス構造物自体が堅牢なものとなる。

また、各モジュールは稜線部分となるフレームを細長接合面を接合させて行うことにより、側面方向だけでなく上下方向にもモジュールを積み重ねて多層の安定トラス構造を組み立てることができる。

さらに、モジュールを単純に繋ぎ合わせることで形状可変の安定トラス構造を構築できるので、構築後の仕様変更やスペース変化の要求に容易に対処することができる。

必要な単位モジュールの数に応じてビニールハウス、ロッジ、シェルター等の小規模な組立式構造物からビルディング等の大規模構造物まで様々なモジュール構造物への適用が可能である。

モジュールのみの組みあわせで構造物の骨組を構築できるので部材の製作や管理が容易であり、組み立てに当たっても同じ形状のモジュールを同じパターンで連結すれば足りるので施工の効率化・コストダウンが図れる。

以上述べたように本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法は、モジュールを組み合せてトラス構造物を形成するのに、モジュール以外の連結部材を用いることなくモジュールだけの組み合わせで可能となり、組立を少ない工数で簡易かつ迅速に行うことができ、しかもモジュールのみの組みあわせで形成できるので、プレハブ化が向上するものである。

本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、テトラモジュールの増殖により構成したトラス構造物の平面図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、テトラモジュールの増殖により構成したトラス構造物の斜視図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、テトラモジュールの組合せが相補的な四角錐トラスを形成することを示す説明図である。 図３に示すトラス構造物の積み重ね示す説明図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、テトラモジュールの増殖により構成したトラス構造物の斜視図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、√２オクタモジュールを２つ平行に組み合わせた正面方向からの斜視図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、√２オクタモジュールを２つ平行に組み合わせた背面方向からの斜視図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、図６、図７のものにさらに左右に√２オクタモジュールを追加した場合の背面方向からの斜視図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、√２オクタモジュールを直交方向に組み合わせたものを最小限単位として展開させたトラス構造物の斜視図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、√２オクタモジュールを縦、横に並進させるように展開させたトラス構造物の正面図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、３個の√２オクタモジュールからなる３回回転対称によるトラス構造物を形成する最小限の鏡像の構造単位（左勝手と右勝手の構造単位）を示す正面図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、図１１に示す√２オクタモジュールからなる３回回転対称によるトラス構造を形成する最小限の左勝手と右勝手の鏡像の構造単位を両方組み合わせて√２のフレームがすべての８面体内部に自動的に形成されるトラス構造物の１例を示す正面図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、オクタモジュールの組立によるトラス構造物で、内部に相補的な正四面体状架構領域が形成されることの１例を示す平面図である。 本発明のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法の1実施形態を示すもので、図１３のトラス構造物をさらにオクタモジュールを増殖させてなるトラス構造物の平面図である。 本発明で使用するテトラモジュールの斜視図である。 本発明で使用するテトラモジュールの平面図である。 本発明で使用する√２オクタモジュールの斜視図である。 本発明で使用する√２オクタモジュールの組立を示す斜視図である。 本発明で使用する√２オクタモジュールの強度の説明図である。 本発明で使用するオクタモジュールの斜視図である。 本発明で使用するオクタモジュールの平面図である。 ジョイント部材の一例を示す正面図である。 ジョイント部材の一例を示す斜視図である。 モジュールの細長接合面を有するフレームをアングル材で作成した例を示す斜視図である。 モジュールの細長接合面を有するフレームをＨ形鋼で形成した例を示す斜視図である。 モジュールの細長接合面を有するフレームをチャンネル材で作成した例を示す斜視図である。 本発明で使用する√２オクタモジュールで√２倍の長さを有するフレーム同士で接合した斜視図である。 発明で使用する√２オクタモジュールで√２倍の長さを有するフレーム同士で接合できる例を示す接合前の斜視図である。

以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。さきに本発明で使用するモジュールについて説明する。

なお、ここでモジュールと称するのは、トラス構造物を構築するのに完全な同型のブロックとして組み合わせる単位体のことであり、このモジュールはブレハブとして予め作製しておき、これを組み合わせて構造物を構築する意味である。

本発明はモジュールを構成要素として、これを結晶に例え、モジュールによる量子化を実現し、結晶学のおける周期性を持たせることができるものである。なお、結晶学でいう周期性とは回転対称性と並進対称性および鏡像対称性のことであるが、本発明もモジュール相互の結合でこの回転対称性と並進対称性および鏡像対称性が実現できるようにした。

本発明で使用するモジュールは多面体の稜線部分を細長接合面を有するフレームで形成し、これら細長接合面を有するフレームの端部を連結して組み立てたもので、モジュールの細長接合面を有するフレームの相互を細長接合面を接合させてモジュール同士を相互に連結していくことができるものである。

ここで多面体のモジュール例として、テトラモジュールとオクタモジュールを取り上げたが、これ以外でもよく、すべての面が互いに合同な正多角形から成り、しかもすべての頂点の周りの面角が等しい多面体である正多面体に限らない。球系多面体としては切頭四面体、切頭六面体、菱形十二面体、ベクトル平衡体、切頭八面体などを挙げることができる。

本発明におけるモジュールその１は、図１５、図１６に示すように、正四面体を想定し、正四面体の稜線部分となるフレーム３を細長接合面２を有する部材で形成し、これら細長接合面２を有するフレーム３は同一の長さであり、その端部を連結した正四面体状架構のテトラモジュール１である。

本発明におけるモジュールその２は、前記テトラモジュール１の補強を行えるモジュールで、図１７～図１９に示すように、前記テトラモジュール１をその細長接合面を有するフレームの相互を細長接合面を接合させて相互に連結した２個のテトラモジュールの相対向する頂上部相互を前記テトラモジュールを形成するフレームの√２倍の長さを有するフレーム３ａで連結した八面体状架構であるオクタモジュールである。（このモジュールは以下√２オクタモジュール１５と称する。）

本発明におけるモジュールその３は、図２０、図２１に示すように、正八面体を想定し、正八面体の稜線部分となるフレーム３を細長接合面２を有する部材で形成し、これら細長接合面２を有するフレーム３は同一の長さであり、その端部を連結した正八面体状架構であるオクタモジュール１０である。

モジュールを形成する前記細長接合面２を有するフレーム３は図示では帯状角材である長方形細長平板であるが、正四面体状架構または正八面体状架構として組んだ時に外側に向かう面が細長接合面２であれば、種々の断面形状のものを用いることができ、平板、中空管材、Ｈ形その他の型鋼、アングル材、チャンネル材のいずれかを選択することが可能である。

テトラモジュール１を例として、図２４にフレーム３をアングル材１１で作成した例を、図２５にＨ形鋼１３で形成した例を、図２６にチャンネル材１４で作成した例を示す。

また、細長接合面２を有するフレーム３の材質も完成する立体トラス構造物の用途によって種々選択でき、鋼、アルミニュウムなどの金属、木、合成樹脂等である。海洋構造物等を対象とする場合防食性の高いチタンを使用することも可能である。

フレーム３同士の端部の結合も直接溶接や接着するなども考えられるが、組立の容易性を考慮してジョイント部材４により組み立てることとした。

テトラモジュール１のジョイント部材４の一例を図２２、図２３に示すと、ジョイント部材４はこの細長接合面２を有するフレーム３により正四面体架構に組み立てる事ができるものであれば特に形状を問わないが、細長接合面２を有するフレーム３への接合片部５を３つ平面視で相互に１２０°の開きで展開し、これら接合片部５は天板もしくは側板６で相互に連結するものが好適である。図示の例は側板６で相互に連結した。側板６はこれがなくてもよい。

ジョイント部材４の材質も前記フレーム３と同様であり、用途によって種々選択でき、鋼、アルミニュウムなどの金属、木、合成樹脂等である。

なお、テトラモジュール１の相互の接合に支障をきたさないように、長方形細長接合面２の端面はジョイント部材４の天井部には覆い被さらないようにし、ジョイント部材４の天井部７は正三角形の開口面とするとか、図示のように平面視略正三角形状（六角形状）の天板とする。この天井部７の各（辺）縁に接合片部５の端部や側板６が連続的に接続している。

図示は省略するが、ジョイント部材４の天井部７を天板で構成する場合は、その中央部にボルト接合用の貫通孔を設けてもよい。

前記細長接合面２を有するフレーム３とジョイント部材４との結合に関しては、ジョイント部材４の接合片部５と長方形細長接合面２の結合箇所では、双方を重ね合わせてから固定することや、細長接合面２を有するフレーム３にスリットを形成し、接合片部５をこのスリットへ差し込んで挟み込むものであり、接合片部５とフレーム３の双方の固定はボルト・ナットによる締結や溶接などによる。

なお、接合片部５が細長接合面２を有するフレーム３の外側で接合する場合は細長接合面２に対してジョイント部材４の接合片部５は突出しないように面一を同じくすれば、ジョイント部材４の存在が細長接合面２を有するフレーム３同士の重ね合わせ接合に邪魔になることはない。

なお、このテトラモジュール１の相互を接合し、かつ固定するには、細長接合面２を有するフレーム３の相互をフレーム３の部分で固定する行う場合と、細長接合面２を有するフレーム３同士は固定せずにジョイント部材４相互を結合して行う場合と、その両方を採用する場合とがある。

また、細長接合面２を有するフレーム３を重ね合わせた相互をこのフレーム３の部分で固定するには、ボルト・ナットによる締結、溶接、凹凸結合、バンド等による加締めなどの手段で結合することが可能である。

本発明はこのようなモジュールの細長接合面２を有するフレーム３の相互を細長接合面２を接合させてモジュール同士を相互に連結していくことでモジュールを増殖させ、立体トラス構造物を形成するものである。

テトラモジュール１の場合、接合は細長接合面２を有するフレーム３の相互を細長接合面を軸とした回転対称性によって接合できる。テトラモジュール１の２個を組み合わせたものをさらに回転対称性によってテトラモジュール１の４個を組み合わせる。（図３上図に示す）

図３に示すように、４個のテトラモジュール１で組み立てる立体トラス構造物は、各テトラモジュール１の対向するフレーム３を上面と下面に設定し各テトラモジュール１の頂点を一点に集めるように配置すると、各フレーム３の細長接合面２が正方形枠Ａを構成し、相補的な四角錐状トラス架構領域Ｂが形成される。

ちなみに、前記相補的な四角錐状トラス架構領域Ｂの体積はテトラモジュール１を２つ合わせた体積と同一である。テトラモジュールだけで相補的な四角錐状領域Bの体積を自動的に生成できる。

また、図４に示す様に図３に示す組合せをさらに上下に重ねることで、前記相補的な四角錐状トラス架構領域Ｂを合体させた正八面体状架構領域Ｃを内部に組むようにトラス構造物を形成する。正八面体状領域によって、テトラモジュールの体積の４倍を自動的に生成できる。

図５に図１、図２の立体トラス構造物でさらにテトラモジュール１を増殖させた展開例を示すと、並進、積上げ（周期的な繰り返し）により図２の盤状体を直交させた状態でのトラス構造物である。

図５に示すように、盤状体Ｘ、盤状体Ｙの組合せで、Ｘ部分とＹ部分の結合で、床・壁や屋根としての立体トラス構造物を直角に組むことができ、床や屋根に対して直角に立ち上がる（または立ち下がる）壁を形成することができる。

モジュールその２は、前記テトラモジュール１の補強用として考案したもので、図１７～図１９に示すようにテトラモジュール１を相互に接合する場合において、テトラモジュール１のＡ，Ｂが接合箇所の回転軸Ｘを中心に左右に回転する動きを生じた場合に、フレーム３ａは接合する２個のテトラモジュール１同士の回転を阻止する部材となる。

また、図１９においてフレーム３ａがあることで√２オクタモジュール内部の頂点部のＯＰＱＲが４面体を形成することになる。

√２オクタモジュール１５同士を連結する場合もテトラモジュール１同士を連結する場合と同じく、細長接合面２を有するフレーム３の相互を細長接合面２を接合させて行うことは同一である。

前記のように√２オクタモジュール１５は２個のテトラモジュール１のフレーム３に対して√２倍の長さを有するフレーム３ａで連結してなるが、この√２オクタモジュール１５を構成するテトラモジュール１を２個とも接合するようにして、２個の√２オクタモジュール１５を相互に接合すると、図６、図７に示すようにフレーム３ａは、立体トラス構造物の内部に構成されるテトラモジュール１自体の内部の正四面体状架構領域に対して、相補的に形成される四角錐状トラス架構領域Ｂの底辺面である正方形枠Ａの対角にたすき架けもしくは袈裟懸けに架け渡され、フレーム３ａは正方形枠Ａを三角形化し、ブレース的な役割となる。

図８は前記図６、図７に示す状態からさらに√２オクタモジュール１５を左右につぎ足すように展開したものであり、図１、図２に示すテトラモジュール１からなる構造体と比較すれば、図８では√２オクタモジュール１５のフレーム３ａによって四角錐状トラス架構領域Ｂの底辺面である正方形枠Ａが三角形化されている。

図示は省略するが図８に示す構造体を横方法に並進させて展開して盤状トラス構造物を形成することができる。

図９は、前記√２オクタモジュール１５を相互に直角方向に組み合わせたものを１グループとして、これを横に並進させて列を構成し、さらにその列を並進させたものであり、相補的な四面体領域を形成すると同時に完全に総三角形化され、総四面体化されたトラス構造である。

図１０は√２オクタモジュール１５を縦、横に並進させるように展開させたものである。この場合もトラス構造は完全に総三角形化され、総四面体化し、相補的な四面体領域を形成する。

図１１は、√２オクタモジュール１５からなる３回回転対称と鏡像対称（左・右の構造単位）によるトラス構造を形成する２種の最小限の構造単位を示すもので、３個の√２オクタモジュール１５に包囲された最初の相補的な４面体領域が上下に２個形成される。３個の√２オクタモジュール１５が接合してモジュール内部に形成される正８面体領域（相補的な正４面体領域ではない）には３本のフレーム３ａが互いに接合し直行する。

図１２に図１１に示す３個の√２オクタモジュールからなる３回回転対称によるトラス構造を形成する最小限の右勝手の構造単位を中心に左勝手の構造単位６個を周囲に配置し盤状に増殖した場合のトラス構造物を示す。

図１３に示すオクタモジュール１０の想定した正八面体とは正多面体の一種であり、空間を８枚の正三角形で囲んだ立体である。正四面体の各頂点を辺の中心まで切り落とした形でもある。

本発明のオクタモジュール１０の場合も相互に接合して立体トラス構造物を形成するが、前記テトラモジュール１と同じくこの接合は細長接合面２を有するフレーム３の相互を細長接合面２で重ね合せて接合する。

オクタモジュール１０は、内部に四角錐トラスの２つを底辺面四角形を共通にして有し、図１３に示すように、３回回転対称性で組んだ場合に、立体トラス構造物内部に相補的な正四面体状架構領域Ｄが形成される。

図１４はさらにオクタモジュール１０の組合せを展開して盤体を構成した場合であり、細長接合面２を有するフレーム３の細長接合面２を接合させると、この細長接合面２が重なるフレームは斜材となる。立体トラス構造物の内部に相補的な正四面体状架構領域Ｄが形成される。

以上はモジュール同士の結合としてモジュールを構成するフレーム同士を重ねて行う例について説明したが、前記√２オクタモジュール１５はこれを相互に組む場合に、図２７、図２８に示すようにフレーム３ａ同士を重ねて、このフレーム３ａで連結して組むことも可能である。

この場合、√２オクタモジュール１５はフレーム３ａをアングル材で形成し、かつ、２個のテトラモジュールの相対向する頂上部の相互を連結するのに外側に位置させた。

このようにすれば、√２オクタモジュール１５を並べて組むのに、重合するフレーム３ａ同士で固定できる。

このようにして、フレーム３ａを相互に連結させることで四角錐の１／２領域である四面体が２個結合した状態は、同時に相補的な四角錐を自動生成しており、√２オクタモジュール１５内部の四面体領域ＯＰＱＲ（図１９参照）が、√２Ｌ材によって相互に「二重結合」の機能を形成する。

√２オクタモジュール１５の八面体モジュールに内包された四面体領域ＯＰＱＲは、正四面体モジュール２個と違って、八面体モジュールから分離できない四面体領域を形成している。稜線部のストラットの相互接合で連続していく正四面体モジュールと同様に、√２Ｌ材の相互の連結によって力学的安定性をトラス構造全体に形成することができる。

また、図１２に示すように、最大３本のフレーム３ａを互いに直交させてＸ型に直交した４個の四面体領域ＯＰＱＲは正八面体を形成し、最強のオクテットトラスを形成できる。

１…テトラモジュール ２…細長接合面
３、３ａ…フレーム ４、４′…ジョイント部材
５…接合片部 ６…側板
７…天井部 １０…オクタモジュール
１１…アングル材 １３…Ｈ形鋼
１４…チャンネル材 １５…√２オクタモジュール
Ａ…正方形枠 Ｂ…四角錐状トラス架構領域
Ｃ…正八面体状架構領域 Ｄ…正四面体状架構領域
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ…正方形枠の一部
Ｘ、Ｙ、Ｚ…盤状体
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ…正方形枠の一部

Claims (5)

1. 立体トラス構造の単位架構となるモジュールを造り、モジュールを相互に接合して立体トラス構造物を構築するトラス構造物の構築方法であり、モジュールは、多面体の稜線部分を細長接合面を有するフレームで形成し、これら細長接合面を有するフレームの端部を連結して組み立てたもので、モジュールの細長接合面を有するフレームの相互を細長接合面を接合させてモジュール同士を相互に連結していくことでモジュールを増殖させ、立体トラス構造物を形成することを特徴としたモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法。
2. 増殖は回転対称性、並進対称性、鏡像対称性によるいずれかの結合である請求項１記載のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法。
3. モジュールは、正四面体を想定し、正四面体の稜線部分となるフレームを細長接合面を有する部材で形成し、これら細長接合面を有する部材は同一の長さであり、その端部を連結した正四面体状架構のテトラモジュールである請求項1記載のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法。
4. モジュールは、テトラモジュールをその細長接合面を有するフレームの相互を細長接合面を接合させて相互に連結した２個のテトラモジュールの相対向する頂上部相互を前記テトラモジュールを形成するフレームの√２倍の長さを有するフレームで連結した八面体状架構のオクタモジュールである請求項１または請求項２記載のモジュールの増殖によるトラス構造物の構築方法。
5. モジュールは、正八面体を想定し、正八面体の稜線部分となるフレームを細長接合面を有する部材で形成し、これら細長接合面を有する部材は同一の長さであり、その端部を連結した正八面体状架構のオクタモジュールである請求項１記載のトラス構造物の構築方法。

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