JP4007185B2 - 可変形状構造物 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々に変形し得る屋根構造物等の可変形状構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に、構造物の上部に渡設される屋根架構を、伸縮可能なアクチュエータで構成されたトラス部材を含み、かつ両端が固定された可変形状トラス構造体により変形可能に構築した可変形状屋根構造物を開発した（特許文献１）。
【０００３】
この屋根構造物では、前記アクチュエータの中の特定の一のアクチュエータを微小量だけ伸縮させたときに前記可変形状トラス構造体の両端座標が前記特定の一のアクチュエータの伸縮前と伸縮後とで一定になるような他のアクチュエータの伸縮量を求め、その結果に基づき前記他のアクチュエータを各々伸縮制御するとともに、前記特定の一のアクチュエータを前記微小量だけ伸縮させる制御手法によって形状制御を行っている。
【０００４】
つまり、この制御手法は、屋根架構の一端を固定し、屋根形状の変化に伴う他端位置を形状の逆解析手法を用いて常に一定の位置となるように制御するものであり、これにより、屋根面を多彩に変形させることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特願２００１−１４５５９４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造にあっては、形状の逆解析手法が必要であり、その手法を踏まえた屋根架構の形状制御手法及びそのプログラムが必要であった。このような逆解析手法は、非線形であるため、繰り返し計算が必要であり、かつ、その解はある範囲内での誤差を含んでいる。そのため、屋根架構の端部には、若干の誤差を含む設計が必要であるという課題がある。
【０００７】
また、以上の構造では、両固定端を直線状に結ぶ形状にすることができないため、ある形状から他の形状に変化する際には、特定の軌道を通る必要があり、動きがスムーズでなく、中間形状の多様性が低い。以上の構造を屋根架構に適用した場合、水平形状とすることができないため、施工やメンテナンス作業が容易ではない。中間形状の多様性が低いと、中間形状が力学的に不安定な形態となるおそれがあるほか、寒暖差による熱応力が支持部に集中するので、これらを見込んだ設計が必要になる。
【０００８】
さらに、以上の構造では、いずれかのアクチュエータが故障すると、両端位置が固定されているため、変形が不能である。いずれかのアクチュエータをメンテナンスのために稼動を停止とする場合も同様である。
【０００９】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、多彩な形状を力学的に安定した状態でスムーズに作り出すことができながら、複雑な制御をすることなく、故障時やメンテナンス時にも稼動することができる可変形状構造物を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の可変形状構造物は、関節部を介して相互に折曲可能な複数のトラス部材からなり、このトラス部材の非関節位置に介在されたアクチュエータにより該トラス部材を伸縮させることにより各関節部を介して変形可能なトラス構造体と、このトラス構造体の両端を回動可能に支持する支持架台とを備え、前記トラス構造体の少なくとも一端と前記支持架台との間にガイド手段を備え、該ガイド手段が、前記トラス構造体の一端を回動可能にヒンジするヒンジ架台と、前記支持架台に固定され前記ヒンジ架台をトラス構造体の長手方向又はこれと交差する方向に沿って移動ガイドするリニアガイドとを備え、前記リニアガイドと前記ヒンジ架台との間に、前記トラス構造体側のアクチュエータと同期制御されるアクチュエータを介在させたことを特徴とするものである。従って、本発明によれば、複雑な解析手法を採用することなく、個々のアクチュエータを自由に伸縮させることができ、この伸縮動作に応じて直線を含む多様な変位形状を得ることができる。
【００１１】
本発明においては、前記トラス構造体の少なくとも一端と前記支持架台との間にガイド手段を備え、該ガイド手段が、前記トラス構造体の一端を回動可能にヒンジするヒンジ架台と、前記支持架台に固定され前記ヒンジ架台をトラス構造体の長手方向又はこれと交差する方向に沿って移動ガイドするリニアガイドとを備えることにより、トラス構造体の変形の際の移動をスムーズに行うことができる。
【００１２】
また、前記リニアガイドとヒンジ架台との間に前記トラス構造体側のアクチュエータと同期制御されるアクチュエータを介在させることにより、各位置で固定条件と同じ条件を作ることができる。
【００１３】
さらに、前記可変形状構造物を屋根構造物とすることにより、近年、多数登場している多彩な屋根構造物に新たな形状を付加することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明にかかる可変形状構造物を可変形状屋根構造物に適用した好ましい実施の形態における一スパン分の全体的構成を示し、図２はその要部を示すものである。
【００１５】
図において、それぞれが４本のポスト１，１に支持された複数対（同図では一対のみを主に示している）の屋根支持架台２，２間には、可変トラス構造体３が架設されている。可変トラス構造体３は、水平方向に梯子状に配された上弦材４と、上弦材４の下方中央に平行に配された下弦材５と、上弦材４及び下弦材５の間を斜めに連結したブレース６とから構成されている。さらに、図１の正面図に示されるように、上弦材４の上面に変形追随可能な屋根膜７を張設することにより、屋根架構とすることができる。
【００１６】
本実施の形態では、下弦材５の各端部が、それぞれ４本の上弦材４からなる一単位の中央（平面視）に位置し、かつ、上弦材４の４つの格点との間が４本のブレース６により連結されている。この結果、側面視において上弦材４，下弦材５及びブレース６によりトラスが構成され、かつ、正面視において上弦材４及びブレース６によりトラスが構成される。
【００１７】
そして、これらの上弦材４，下弦材５及びブレース６からなる複数のトラス部材３Ａは、それぞれの接合部に介在されたヒンジ３Ｂを関節部として、相互に折曲げ可能であるとともに、下弦材５には、各ヒンジ３Ｂ間に例えば合計４セットの伸縮可能なアクチュエータ８が直列に接続され、下弦材５の伸縮を可能としている。
【００１８】
このような可変トラス構造体３の一端３ａ（中央に位置するトラス構造体３について、図１中で左側、図２中で右側）は固定端として機能するものであり（以下固定端３ａと称する）、屋根支持架台２に回動可能にピン結合されたもので、図２の特に側面図に示すように、この固定端３ａは前記屋根支持架台２の一端上部に固定された固定側ヒンジ架台９にヒンジピンを介して回動可能に支持され、図中破線で示すごとく、これを支点として回動可能となっている。
【００１９】
また、可変トラス構造体３の他端３ｂ（図１中で右側、図２中で左側）は可動端として機能するものであり（以下可動端３ｂと称する）、図２の特に側面図に示すように、この可動端３ｂは、可動側ヒンジ架台１０にヒンジピンを介して回動可能に支持され、かつこのヒンジ架台１０は屋根支持架台２上の他端側に固定されたリニアガイド１１に対して水平方向にスライド移動可能となるように跨設されており、図中破線で示すごとく回動及び水平移動可能となっている。これらの可動側ヒンジ架台１０及びリニアガイド１１は、ガイド手段を構成している。
【００２０】
次に、以上の構成における可変トラス構造体３の変形作用を図３を用いて説明する。同図では、中央に位置するトラス構造体３の右側を固定端３ａ、左側を可動端３ｂとしている。
先ず（ａ）に示すように、各アクチュエータ８が縮小すると、可変トラス構造体３の下弦材５は縮小し、上弦材４は元の長さのままであるから、各関節部を介して上弦材４は上部側に向けて円弧状に湾曲し、アクチュエータ８の駆動を停止することによりこの湾曲形状を保って停止する。
この変形過程において、固定端３ａ側は固定側ヒンジ架台９を支点として上方側に向けて回動する。この回動に伴って、可動端３ｂ側は可動側ヒンジ架台１０を支点として上方に回動しつつ、可動側ヒンジ架台１０とともにリニアガイド１１上をスパン短縮側に向けてスライド移動する。
【００２１】
（ｂ）では、各アクチュエータ８は中立位置までそのアームを伸ばし、上弦材４と下弦材５の長さは等しくなり、直線状となり、この状態で停止する。
この変形過程において、固定端３ａは固定側ヒンジ架台９を支点に水平位置に向けて回動する。この回動に伴って、可動端３ｂは可動側ヒンジ架台１０を支点に水平位置に向けて回動しつつ、可動側ヒンジ架台１０とともに、リニアガイド１１上をスパン伸張側に向けてスライド移動する。この結果、可変トラス構造体３は直線状となる。
【００２２】
（ｃ）では、各アクチュエータ８が伸張し下弦材５が伸びる。この結果、可変トラス構造体３は下部側に凸となるように湾曲し、この湾曲形状を保って停止する。
この変形過程において、固定端３ａは固定側ヒンジ架台９を支点に下方側に向けて回動する。この回動に伴って可動端３ｂは可動側ヒンジ架台１０を支点に下方側に向けて回動するとともに、可動側ヒンジ架台１０とともにリニアガイド１１上をスパン短縮側に向けて水平方向に移動する。
【００２３】
以上において、可動端３ｂの移動量Ｌは屋根架構の形状や、ストロークに応じて任意に設定可能であることはいうまでもない。
また、以上の変形過程における各アクチュエータ８の駆動は、駆動の有無及び駆動量も個々別々であってよく、また面倒な逆解析手法による制御が不要となるほか、形状変化過程において、各アクチュエータ８の順次駆動制御により、各種の波動形状を伴って変化させることも可能である。さらに、本実施の形態では、一スパン分の可変トラス構造体３の形状変化について述べたが、直線または平行に連続する複数の可変トラス構造体３全体の形状変化に対応して各アクチュエータ８を駆動制御することもできる。
【００２４】
屋根架構の力学的面からみると、屋根形状を変化させない休止状態では、屋根架構、架台、柱等に作用する力をなるべく良好な状態で停止することが最適である。従って、このように可動端３ｂが屋根支持架台２上を移動する機構では、その最適値を解析により導くことにより、最も良い状態となる位置で停止させることができ、他の架構部分の設計を容易に行うことができる。
【００２５】
また、上記の可動端３ｂの移動範囲内の位置で可動端をストッパーにより固定し、その時点でこれまでの屋根架構の逆解析をもとに形状を決めることもできる。すなわち、スライド機構と形状逆解析を併用することで、前記のごとく最適な休止位置を見出すことも可能であるほか、両端がヒンジのアーチ構造物の形状およびスパン等の最適制御手法にも応用できる。
【００３０】
図４は、リニアガイド１１と可動側ヒンジ架台１０との結合関係を示す。同図に示すように、ヒンジ架台と後部ストッパ１１ｄとの間をアクチュエータ１５で結合している。このアクチュエータ１５は、電動、油圧、空気圧などによるもので、前記可変トラス構造体３の各アクチュエータ８と同期した制御を行うことで、各位置で固定状態と同じ条件を作ることができる。すなわち、屋根架構の形状変化と端部の位置を解析し、同期制御を行うことで最も安定した変位構造を作りだすことができることになる。
【００３１】
なお、上記実施の形態では、（ｂ）〜（ｄ）の構造について、バネ材１２，ダンパ材１４がヒンジ架台１０の一方（同図中で右側）のみに配置した例を示したが、他方（同図中で左側）のみ、又は双方（左右両側）に配置することもできる。
【００３２】
また、上記実施の形態では、屋根支持架台２の水平レベルが同じであるため、可変トラス構造体３の可動端３ｂが、両屋根支持架台２を結ぶ直線、すなわち水平方向にスライド移動可能となるように構成したが、両支持架台２を結ぶ直線と交差（直交を含む）する方向にスライド移動可能とすることもできる。
【００３３】
また、アクチュエータ８は上弦材４と下弦材５の一方だけでなく、双方またはブレース６にも配置することができ、要は、両端の回動支持位置間を結ぶ線とずれた位置（偏心位置）に配置すればよい（仮に、本実施の形態において、上弦材４にアクチュエータを配置した場合には、上反り状態と下反り状態とでアクチュエータの伸張量が等しくなり、形状が一意に決まらないことになる）。
【００３４】
さらに、上記実施の形態では、可変トラス構造体３の架設方向を水平としたが、これに限定されるものではなく、その構造物の使用目的、デザインなどに応じて垂直、斜めいずれでも可能であることも勿論である。さらにまた、本実施の形態では、本発明を屋根架構に適用した場合について説明したが、例えば室内競技場や多目的ホールの床構造体としても適用可能である。この場合には、上弦材４の上面にこれに対する変形追随性のある甲板材を張巡らすことによって、床面を曲面形状に形成できる。また、例えば室内競技場や多目的ホールの内装天井などにも適用可能である。この場合は上弦材４側にアクチュエータ８を設け、下弦材５側に変形追随性のある内張材を張ることによって、内装天井を音響目的などに応じた曲面空間に変形させることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明により明らかなように、本発明による可変形状構造物にあっては、直線、円弧、逆円弧などの多彩な形状を力学的に安定した状態でスムーズに作り出すことができながら、複雑な制御をすることなく、故障時やメンテナンス時にも稼動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる可変形状屋根構造物の一スパン分を示す側面図、正面図及び平面図である。
【図２】 同屋根構造物の要部を示す平面図、正面図及び側面図である。
【図３】 （ａ）〜（ｃ）は同屋根構造物の変化形態を示す側面図である。
【図４】 リニアガイドと可動側ヒンジ架台の結合関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２ 屋根支持架台
３ 可変トラス構造体
３ａ 固定端
３ｂ 可動端
４ 上弦材
５ 下弦材
６ ブレース
８，１５ アクチュエータ
９ 固定側ヒンジ架台
１０ 可動側ヒンジ架台（ガイド手段）
１１ リニアガイド（ガイド手段）

Claims (2)

1. 関節部を介して相互に折曲可能な複数のトラス部材からなり、このトラス部材の非関節位置に介在されたアクチュエータにより該トラス部材を伸縮させることにより各関節部を介して変形可能なトラス構造体と、このトラス構造体の両端を回動可能に支持する支持架台とを備え、
   前記トラス構造体の少なくとも一端と前記支持架台との間にガイド手段を備え、該ガイド手段が、前記トラス構造体の一端を回動可能にヒンジするヒンジ架台と、前記支持架台に固定され前記ヒンジ架台をトラス構造体の長手方向又はこれと交差する方向に沿って移動ガイドするリニアガイドとを備え、
   前記リニアガイドと前記ヒンジ架台との間に、前記トラス構造体側のアクチュエータと同期制御されるアクチュエータを介在させたことを特徴とする可変形状構造物。
2. 前記可変形状構造物が屋根構造物であることを特徴とする請求項１記載の可変形状構造物。

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