JP4308696B2

JP4308696B2 - 模型構造物の試験装置とその試験方法及び模型構造物

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Publication number: JP4308696B2
Application number: JP2004101186A
Authority: JP
Inventors: 勝浩菊地; 雅宣飯田; 康彦伊積
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005283496A

Description

この発明は、実際の構造物を模擬した模型構造物内に実際の移動体を模擬した模型移動体を移動させたときに、この模型構造物内に発生する物理現象を試験する模型構造物の試験装置とその試験方法及び実際の移動体を模擬した模型移動体を内部に移動させてこの内部に発生する物理現象を試験するために使用される実際の構造物を模擬した模型構造物に関する。

風雨、雪、日差しなどから旅客を保護するために駅ホーム上に上家が設けられている。このような上家には、側壁と上家とを一体化させた構造によって駅ホームの全長を覆う全覆上家があり、全覆上家を有するホーム空間（線路上空を利用した建築物で軌道の設置されている階（以下、線路階という))に高速列車が進入すると、この空間内に圧力変動が発生することが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

古賀和博、列車圧力変動・列車振動対策工法の開発、鉄道建築ニュース、2000年3月、第12頁〜第15頁

図７は、全覆上家を有する線路階を高速列車が通過したときに仕上げ材に加わる圧力変動を一例として示すグラフである。
図７に示す縦軸は、圧力であり、横軸は時間である。図７に示すように、全覆上家を有する線路階を列車の先頭部及び後尾部が通過すると、線路階の内壁面の仕上げ材に正圧及び負圧が加わっている。高速で走行する列車が発生する圧力変動のピーク値と列車速度との間には相関関係があることが知られている。このため、高速で走行する列車が全覆上家を有する線路階を通過すると、高速で通過する列車によって発生する圧力変動が仕上げ材に繰り返し作用し、仕上げ材の固定ビスのゆるみ、破損等が生じ、仕上げ材の落下等発生している。

このような全覆上家を有する線路階を高速で列車が通過する駅の仕上げ材に対しては、アルミニウム製の板材と弾性ゴムパッキンとの間に仕上げ材を挟み込み耐振性ビスによって固定する補強対策が採用されている。しかし、今後の列車の高速化、新路線や新駅の開設などを考慮すると、全覆上家を有する線路階を高速で列車が通過する際に発生する圧力変動、風速などのデータを事前に得て、種々の検討を行う必要がある。

この発明の課題は、構造物内を移動体が移動する際に発生する物理現象を簡単な模型によって試験することができる模型構造物の試験装置とその試験方法及び模型構造物を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、実際の構造物を模擬した模型構造物（２）内に実際の移動体を模擬した模型移動体（１）を移動させたときに、この模型構造物内に発生する物理現象を試験する模型構造物の試験装置であって、前記模型移動体は、鉄道車両を模擬した模型車両であり、前記模型構造物は、前記鉄道車両が通過する駅を模擬した模型駅であり、前記模型駅は、前記模型車両の移動方向に沿って入口（２ａ）側から出口側（２ｂ）まで開口（２ｅ）部を有する屋根部（２ｄ）を備え、前記屋根部は、前記開口部の開口率が異なるものが複数用意されており交換可能であることを特徴とする模型構造物の試験装置（３）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の模型構造物の試験装置において、前記模型駅内の圧力変動を測定する圧力変動測定手段（８ａ〜８ｃ）を備えることを特徴とする模型構造物の試験装置である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の模型構造物の試験装置において、前記開口部からの気流を測定する気流測定手段（８ｄ）を備えることを特徴とする模型構造物の試験装置である。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の模型構造物の試験装置において、前記模型駅内に発生する物理現象を解析する解析手段（８ｋ）を備えることを特徴とする模型構造物の試験装置である。

請求項５の発明は、実際の構造物を模擬した模型構造物（２）内に実際の移動体を模擬した模型移動体（１）を移動させたときに、この模型構造物内に発生する物理現象を試験する模型構造物の試験方法であって、前記模型移動体は、鉄道車両を模擬した模型車両であり、前記模型構造物は、前記鉄道車両が通過する駅を模擬した模型駅であり、前記模型車両の移動方向に沿って入口（２ａ）側から出口（２ｂ）側まで開口部（２ｅ）を有する屋根部（２ｄ）を備える前記模型駅にこの模型車両を移動させ、前記屋根部は、前記開口部の開口率が異なるものが複数用意されており交換可能であることを特徴とする模型構造物の試験方法である。

請求項６の発明は、請求項５に記載の模型構造物の試験方法において、前記模型駅内の圧力変動を測定（Ｓ１００）することを特徴とする模型構造物の試験方法である。

請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載の模型構造物の試験方法において、前記開口部からの気流を測定（Ｓ１００）することを特徴とする模型構造物の試験方法である。

請求項８の発明は、請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の模型構造物の試験方法において、前記模型駅内に発生する物理現象を解析（Ｓ１２０）することを特徴とする模型構造物の試験方法である。

請求項９の発明は、実際の移動体を模擬した模型移動体（１）を内部に移動させてこの内部に発生する物理現象を試験するために使用される実際の構造物を模擬した模型構造物であって、前記移動体は、鉄道車両であり、前記構造物は、前記鉄道車両が通過する駅であり、前記模型移動体の移動方向に沿って入口（２ａ）側から出口（２ｂ）側まで開口部（２ｅ）を有する屋根部（２ｄ）を備え、前記屋根部は、前記開口部の開口率が異なるものが複数用意されており交換可能であることを特徴とする模型構造物（２）である。

この発明によると、構造物内を移動体が移動する際に発生する物理現象を簡単な模型によって試験することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る試験装置の平面図である。図２は、この発明の実施形態に係る試験装置の模型構造物の展開図である。図３は、この発明の実施形態に係る試験装置の測定装置の構成図である。
図１に示す模型移動体１は、実際の鉄道車両（列車）を模擬した模型車両（模型列車）であり、新幹線列車などを縮尺して製作されている。模型移動体１には、実際の列車の先頭部を模擬した移動体前部１ａと、実際の列車の後尾部を模擬した移動体後部１ｂとが形成されている。

模型構造物２は、模型移動体１の移動方向に沿って構造物入口２ａ側から構造物出口２ｂ側に向かって開口部２ｅを有する模型である。模型構造物２は、実際の構造物を模擬した模型駅であり、新幹線列車などが通過する全覆上家（ドーム型上家）を有する線路階や駅などを縮尺して製作されている。模型構造物２は、図２に示すように、構造物入口２ａと、構造物出口２ｂと、線路階部２ｃと、屋根部２ｄと、開口部２ｅと、補強部２ｆなどから構成されている。

構造物入口２ａは、模型移動体１が突入する部分であり、構造物出口２ｂは模型移動体１が退出する部分である。線路階部２ｃは、線路階を模擬した部分であり外観が溝形に形成されている。線路階部２ｃは、列車が走行する軌道部分に相当する底板部２ｈと、この底板部２ｈの両縁に底板部２ｈに対して垂直に形成され線路階側壁に相当する一対の側板部２ｉとから構成されている。屋根部２ｄは、屋根を模擬した部分であり、線路階部２ｃの上部を塞ぐように着脱自在に装着されている。屋根部２ｄは、開口部２ｅの開口率が異なるものが複数用意されており交換可能である。開口部２ｅは、実際の全覆上家や線路階に形成された開口部を模擬した部分であり、構造物入口２ａ側から構造物出口２ｂ側まで連続して１つ形成されたスリットである。開口部２ｅは、実際の全覆上家や線路階に形成された全ての開口部や間隙部などを縮尺して一つのスリットに形成したものである。補強部２ｆは、屋根部２ｄを補強する部材である。補強部２ｆは、屋根部２ｄの上部に長さ方向に所定の間隔をあけて複数配置された梁状部材であり、開口部２ｅと直交するように屋根部２ｄに固定されている。

図１に示す試験装置３は、模型構造物２内に模型移動体１を移動させてこの模型構造物２内に発生する物理現象を試験する装置である。試験装置３は、例えば、模型構造物２内を模型移動体１が通過するときに発生する圧力変動を測定したり、模型構造物２内を模型移動体１が通過するときに開口部２ｅから発生する気流を測定したりする。試験装置３は、図１に示す発射装置４と、ガイド装置５と、制動装置６と、収音装置７と、図３に示す測定装置８などを備えている。図１に示す発射装置４は、模型移動体１を発射させる装置であり、一対の回転体４ａと回転体４ｂとを間隔をあけて配置し、これらの間で模型移動体１を順次加速させながら、模型構造物２に向かって発射口４ｃから模型移動体１を発射させる。ガイド装置５は、模型移動体１をガイドする装置であり、発射装置４から発射された模型移動体１を制動装置６に向かってガイドするワイヤなどである。制動装置６は、模型移動体１を制動させる装置であり、模型構造物２を通過した模型移動体１を減速させ受け止める。収音装置７は、模型構造物２を模型移動体１が通過したときに発生する圧力波を測定する装置であり、所定の位置に設置されるマイクロホンなどである。

図４は、この発明の実施形態に係る試験装置の測定装置の配置図であり、図４（Ａ）は側面図であり、図４（Ｂ）は平面図である。
測定装置８は、模型構造物２内を模型移動体１が移動するときにこの模型構造物２内に発生する物理現象を測定する装置である。測定装置８は、模型構造物２内の圧力変動や開口部２ｅからの気流を測定し、これらの測定結果に基づいて所定の解析処理を実行する。測定装置８は、図３に示すように、圧力変動測定部８ａ〜８ｃと、気流測定部８ｄと、信号処理部８ｅ〜８ｈと、波形変換部８ｉと、記憶部８ｊと、解析部８ｋと、制御部８ｍなどを備えている。

圧力変動測定部８ａ〜８ｃは、模型構造物２内の圧力変動を測定する手段であり、模型構造物２内に配置された圧力センサ（圧力計）やマイクロホンなどである。圧力変動測定部８ａ〜８ｃは、模型構造物２内を模型移動体１が移動するときにこの模型構造物２内に発生する圧力変動を測定する。圧力変動測定部８ａ〜８ｃは、図４に示すように、模型構造物２の長さ方向の略中央に配置されており、圧力変動測定部８ａは開口部２ｅ近傍の屋根部２ｄの下面に固定されており、圧力変動測定部８ｂは一方の側板部２ｉの内面に固定されており、圧力変動測定部８ｃは他方の側板部２ｉの内面に固定されている。圧力変動測定部８ａ〜８ｃは、測定した圧力に応じた圧力検出信号を発生して信号処理部８ｅ〜８ｇに出力する。

図３に示す気流測定部８ｄは、開口部２ｅからの気流を測定する手段であり、模型構造物２内に配置された風速計などである。気流測定部８ｄは、模型構造物２内を模型移動体１が移動するときにこの模型構造物２の開口部２ｅから発生する気流の風速及び風向などを測定する。気流測定部８ｄは、図４に示すように、開口部２ｅの長さ方向の中央に図示しない治具によって固定されており、測定した風速及び風向などに応じた気流検出信号を発生して信号処理部８ｈに出力する。

図３に示す信号処理部８ｅ〜８ｇは、圧力変動測定部８ａ〜８ｃの出力信号を処理する手段であり、信号処理部８ｈは気流測定部８ｄの出力信号を処理する手段である。信号処理部８ｅ〜８ｈは、圧力変動測定部８ａ〜８ｃが出力する圧力検出信号及び気流測定部８ｄが出力する気流検出信号を増幅する増幅回路と、増幅後のアナログ信号をディジタル信号に変換するA/D変換器などを備えており、A/D変換後の圧力検出信号及び気流検出信号を制御部８ｍに出力する。

波形変換部８ｉは、圧力変動測定部８ａ〜８ｃが出力する圧力検出信号及び気流測定部８ｄが出力する気流検出信号を波形に変換する手段である。波形変換部８ｉは、例えば、圧力変動測定部８ａ〜８ｃが出力する圧力検出信号を圧力の時間変化を表す圧力波形に変換したり、気流測定部８ｄが出力する気流検出信号を風速の時間変化を表す風速波形に変換したりする。記憶部８ｊは、種々の情報を記憶する手段であり、波形変換部８ｉによって変換された圧力波形及び風速波形などの種々の情報を記憶するメモリである。

解析部８ｋは、模型構造物２内に発生する物理現象を解析する手段であり、圧力変動測定部８ａ〜８ｃの測定結果及び気流測定部８ｄの測定結果に基づいて模型構造物２内に発生する物理現象を解析する。解析部８ｋは、例えば、圧力変動測定部８ａ〜８ｃが出力する圧力検出信号が設計基準値（設定値）を超えているか否を評価したり、気流測定部８ｄが出力する気流検出信号が設計基準値（設定値）を超えているか否かを評価したり、圧力や風速が実際の構造物の基準値を超えているか否かを評価したりして、実際の構造物２の構造の妥当性を評価したりする。

制御部８ｍは、測定装置８の種々の動作を制御する中央処理部(CPU)である。制御部８ｍは、例えば、信号処理部８ｅ〜８ｈが出力する圧力検出信号や気流検出信号を波形変換部８ｉに変換させたり、圧力波形や風速波形などを記憶部８ｊに記憶させたり、圧力波形や風速波形などに基づいて解析部８ｋに解析処理を実行させたりする。また、制御部８ｍは、測定結果や演算結果を印刷装置に印刷させたり表示装置に表示させたりする。制御部８ｍは、測定解析プログラムに基づいて所定の処理を実行するパーソナルコンピュータなどによって構成されている。

次に、この発明の実施形態に係る試験装置の動作を説明する。図５は、この発明の実施形態に係る試験装置の動作を説明するためのフローチャートである。
ステップ（以下、Ｓという）１００において、圧力変動測定部８ａ〜８ｃが模型構造物２内の圧力変動を測定するとともに、気流測定部８ｄが開口部２ｅからの気流を測定する。図１に示す発射装置４が模型移動体１を発射してガイド装置５によってガイドされながら模型移動体１が模型構造物２内を通過する。このとき、図４（Ｂ）に実線で示すような中心走行時には、模型移動体１の中心線と模型構造物２の中心線とが一致するように模型移動体１が模型構造物２内を通過する。一方、図４（Ｂ）に二点鎖線で示すような偏心走行時には、模型移動体１の中心線と模型構造物２の中心線とが偏心量ｓだけずれるように模型移動体１が模型構造物２内を通過する。そして、移動体前部１ａが通過するときに発生する圧力変動と移動体後部１ｂが通過するときに発生する圧力変動とを圧力変動測定部８ａ〜８ｃが測定するとともに、模型構造物２内を模型移動体１が通過するときに開口部２ｅから発生する気流の風速及び風向などを気流測定部８ｄが測定する。

Ｓ１１０において、波形変換部８ｉが圧力波形や風速波形などに変換する。信号処理部８ｅ〜８ｈが出力する圧力検出信号及び気流検出信号を、圧力波形や風速波形などに波形変換部８ｉが変換し記憶部８ｊが記憶する。

Ｓ１２０において、解析部８ｋが模型構造物２内に発生する物理現象を解析する。解析部８ｋが圧力波形や風速波形などを記憶部８ｊから読み出して、模型構造物２内に発生する圧力変動などを解析し、実際の構造物２の構造の妥当性などを評価する。

図６は、この発明の実施形態に係る試験装置の圧力変動測定部の測定結果を一例として示すグラフであり、図６（Ａ）は開口率5％のときの圧力波形を示し、図６（Ｂ）は開口率3％のときの圧力波形を示し、図６（Ｃ）は開口率1％のときの圧力波形を示す。
図６に示す縦軸は圧力(Pa)であり、横軸は時間(s)である。図６に示す圧力波形は、図２に示す長さＬ₁=1000mm、長さＬ₂=500mm、長さＬ₃=2000mm、長さＬ₄=400mm、高さＨ₁=100mm、幅Ｗ₁=188.9mm、幅Ｗ₂=5.8mm、模型移動体長さｌ=1000mm、図４（Ａ）に示す高さＨ₂=28.6mm、模型移動体１の速度Ｕ=300km/h、偏心量ｓ=0（中心走行）であるときに、図４に示す圧力変動測定部８ａによって測定された波形である。なお、模型移動体１及び模型構造物２の縮尺は、実物の1/90であり、圧力変動の測定には圧力計（メーカー：豊田工機、型式:PD104K-0.1F）を使用した。

図６に示すように、移動体前部１ａが通過した先頭部通過時と移動体後部１ｂが通過した後部部通過時に大きな圧力変動があり、開口率が小さくなるほど圧力のピーク値が大きくなっている。また、先頭部通過時の負圧部と後尾部通過時の正圧部は、開口率が小さくなるほど小さくなっている。図６に示す圧力波形は、模型移動体長さｌが実際の列車の長さよりも短いため、図７に示すような圧力がゼロになる３秒から７秒までの波形に相当する部分が表れていない。しかし、図６に示すように、移動体前部１ａの通過と移動体後部１ｂの通過とによって発生する圧力は分離されており、図７に示す実際の圧力波形を概ね模擬していることが確認された。

この発明の実施形態に係る試験装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、模型移動体１の移動方向に沿って構造物入口２ａ側から構造物出口２ｂ側に向かって模型構造物２が開口部２ｅを有する。このため、全覆上家を有する線路階などを列車が高速で通過する状況を模擬して模型構造物２内に発生する圧力変動などを測定し、実際の駅の仕上げ材や壁面などに与える影響を解析することができる。その結果、駅の強度や仕上げ材に作用する荷重などを予測するために必要な予測解析モデルの検証用データなどを得ることができる。

(2) この実施形態では、模型構造物２内の圧力変動を圧力変動測定部８ａ〜８ｃが測定するため、この圧力変動測定部８ａ〜８ｃの測定結果に基づいて実際の駅の仕上げ材や壁面などに加わる圧力を評価することができる。また、この実施形態では、開口部２ｅからの気流を気流測定部８ｄが測定するため、この気流測定部８ｄの測定結果に基づいて実際の駅の仕上げ材や壁面、旅客などに加わる風圧などを評価することができる。さらに、この実施形態では、模型構造物２内に発生する物理現象を解析部８ｋが解析するため、実際の構造物２の構造の妥当性などを評価することができる。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
この実施形態では、模型移動体１が鉄道車両を模擬した模型車両である場合を例に挙げて説明したが、磁気浮上式鉄道、航空機、自動車などの他の移動体を模擬した模型移動体についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、直線状に連続した一つのスリットを開口部２ｅに形成した場合を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、直線状、曲線状又はジグザグ状に一つのスリットを形成したり、直線状、曲線状又はジグザグ状に間隔をあけて複数の貫通孔を開口部２ｅに形成したり、打抜きによって種々の形の貫通孔を形成したパンチングメタルや、薄く細長い板を平行又は格子状に形成したルーバーなどを開口部２ｅに設置したりすることもできる。

(2) この実施形態では、一つの開口部２ｅを屋根部２ｄに形成した場合を例に挙げて説明したが、一つの開口部２ｅを側板部２ｉに形成したり、屋根部２ｄ及び側板部２ｉに開口部２ｅを分けて形成したりすることもできる。また、この実施形態では、圧力変動測定部８ａ〜８ｃ及び気流測定部８ｄの両方を測定装置８が備えているが、いずれか一方を省略することもできる。

(3) この実施形態では、一対の側板部２ｉを底板部２ｈに対して垂直に形成した場合を例に挙げて説明したが、一対の側板部２ｉを湾曲又は傾斜させて形成することもできる。また、この実施形態では、底板部２ｈと側板部２ｉとによって線路階部２ｃを構成する場合を例に挙げて説明したが、パイプなどの円筒状部材を利用して線路階部２ｃを形成し、この円筒状部材の入口側から出口側にスリットを形成することもできる。この場合には、このスリットの幅が均一となるように、スリットの長さ方向に間隔をあけてスペーサなどを挟み込むことができる。

この発明の実施形態に係る試験装置の平面図である。この発明の実施形態に係る試験装置の模型構造物の展開図である。この発明の実施形態に係る試験装置の測定装置の構成図である。この発明の実施形態に係る試験装置の測定装置の配置図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は平面図である。この発明の実施形態に係る試験装置の動作を説明するためのフローチャートである。この発明の実施形態に係る試験装置の圧力変動測定部の測定結果を一例として示すグラフであり、（Ａ）は開口率5％のときの圧力波形を示し、（Ｂ）は開口率3％のときの圧力波形を示し、（Ｃ）は開口率1％のときの圧力波形を示す。全覆上家を有する線路階を高速列車が通過したときに仕上げ材に加わる圧力変動を一例として示すグラフである。

符号の説明

１模型移動体（模型車両）
１ａ移動体前部（先頭部）
１ｂ移動体後部（後尾部）
２模型構造物（模型駅）
２ａ構造物入口
２ｂ構造物出口
２ｃ線路階部
２ｄ屋根部
２ｅ開口部
２ｆ補強部
２ｈ底板部
２ｉ側板部
３試験装置
８測定装置
８ａ〜８ｃ圧力変動測定部
８ｄ気流測定部
８ｋ解析部
８ｍ制御部

Claims

実際の構造物を模擬した模型構造物内に実際の移動体を模擬した模型移動体を移動させたときに、この模型構造物内に発生する物理現象を試験する模型構造物の試験装置であって、
前記模型移動体は、鉄道車両を模擬した模型車両であり、
前記模型構造物は、前記鉄道車両が通過する駅を模擬した模型駅であり、
前記模型駅は、前記模型車両の移動方向に沿って入口側から出口側まで開口部を有する屋根部を備え、
前記屋根部は、前記開口部の開口率が異なるものが複数用意されており交換可能であること、
を特徴とする模型構造物の試験装置。
請求項１に記載の模型構造物の試験装置において、
前記模型駅内の圧力変動を測定する圧力変動測定手段を備えること、
を特徴とする模型構造物の試験装置。
請求項１又は請求項２に記載の模型構造物の試験装置において、
前記開口部からの気流を測定する気流測定手段を備えること、
を特徴とする模型構造物の試験装置。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の模型構造物の試験装置において、
前記模型駅内に発生する物理現象を解析する解析手段を備えること、
を特徴とする模型構造物の試験装置。
実際の構造物を模擬した模型構造物内に実際の移動体を模擬した模型移動体を移動させたときに、この模型構造物内に発生する物理現象を試験する模型構造物の試験方法であって、
前記模型移動体は、鉄道車両を模擬した模型車両であり、
前記模型構造物は、前記鉄道車両が通過する駅を模擬した模型駅であり、
前記模型車両の移動方向に沿って入口側から出口側まで開口部を有する屋根部を備える前記模型駅にこの模型車両を移動させ、
前記屋根部は、前記開口部の開口率が異なるものが複数用意されており交換可能であること、
を特徴とする模型構造物の試験方法。
請求項５に記載の模型構造物の試験方法において、
前記模型駅内の圧力変動を測定すること、
を特徴とする模型構造物の試験方法。
請求項５又は請求項６に記載の模型構造物の試験方法において、
前記開口部からの気流を測定すること、
を特徴とする模型構造物の試験方法。
請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の模型構造物の試験方法において、
前記模型駅内に発生する物理現象を解析すること、
を特徴とする模型構造物の試験方法。
実際の移動体を模擬した模型移動体を内部に移動させてこの内部に発生する物理現象を試験するために使用される実際の構造物を模擬した模型構造物であって、
前記移動体は、鉄道車両であり、
前記構造物は、前記鉄道車両が通過する駅であり、
前記模型移動体の移動方向に沿って入口側から出口側まで開口部を有する屋根部を備え、
前記屋根部は、前記開口部の開口率が異なるものが複数用意されており交換可能であること、
を特徴とする模型構造物。