JP4413239B2

JP4413239B2 - 建物

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Publication number: JP4413239B2
Application number: JP2007053939A
Authority: JP
Inventors: 和宏野原; 直人田中; 和彦岡下; 臣利羽田; 貴昭金子
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2027-03-05
Also published as: JP2008214958A

Description

本発明は、地震や強風などによって設計値より大きな水平外力が作用した際の耐力に優れた建物に関するものである。

従来、角部に配置された柱間に、天井梁と床梁を架け渡してラーメン構造体を構築し、その柱間に配置した間柱に外壁パネルを取り付けるユニット建物の構造が知られている（特許文献１など参照）。

また、特許文献２には、鉄骨で形成されたラーメン構造体に、ブレース構造の耐力壁を配置して耐力を向上させた構造が開示されている。この耐力壁は、柱や梁と同様に構造部材として構造計算上で考慮され、この耐力壁の有無及び配置箇所によって建物の設計耐力が異なることになる。

さらに、特許文献３には、鉄骨ラーメン構造体の建物ユニットに間柱を介して取り付けられる外壁パネルは、設計上は耐震構造部材として考慮されていないが、実際に地震によって水平外力が作用すると、建物ユニットの変形を抑える機能を発揮することが開示されている。
特開平８−６０７６５号公報特開２００２−１３８７０２号公報特開２００５−３５０９６４号公報

しかしながら、従来の外壁パネルなどの壁パネルを構造部材として考慮しない鉄骨ラーメン構造体では、壁パネルによって補強されて地震に強い建物になっていても設計上で評価を受けることが難しい。

また、構造部材として設計されていなければ、耐震性能にもバラつきが生じる可能性があるので、建物の耐力の定量的な評価が難しい。

一方、すべての壁パネルを耐力壁とすると、建物の剛性が非常に高くなって、変形によってエネルギーを吸収するというラーメン構造体本来の特性が充分発揮されなくなるおそれがある。

そこで、本発明は、地震などの水平外力に対する壁パネルの機能を的確に評価して利用できる建物を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の建物は、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記ラーメン構造体に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物であって、前記装着部は略直交する２面を有し、一方の面は前記壁パネルの構造体となるフレームに固定され、他方の面は前記ラーメン構造体の一部材と複数の棒状連結材によって接合されるとともに、前記一部材と略平行又は略直交する他部材と前記壁パネルも、略直交する２面を有して一方の面が前記フレームに固定される装着部の他方の面を介して複数の棒状連結材によって接合され、前記装着部の少なくとも一つには、前記一部材又は前記他部材に引掛けるための掛止片が前記他方の面の縁部から延出されており、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記フレームに外壁材が取り付けられた前記壁パネルを介して前記棒状連結材に作用するせん断力によって前記壁パネルとの接合が破壊する前に、前記掛止片が変形するとともに前記棒状連結材を挿通させる前記装着部の孔が塑性変形することを特徴とする。

ここで、「壁パネルが破壊する」とは、再利用できない程度に構造的に壁パネルが壊れる状態をいい、例えば棒状連結材の端部による支圧によって局所的に表面材などが損傷する場合などは破壊とはいわない。

また、前記上下の梁の少なくとも一方を前記一部材とすることができる。さらに、前記柱を前記一部材とすることもできる。

また、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される間柱を設け、その間柱を前記他部材とすることもできる。

さらに、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される間柱を設けるとともに、その間柱間に横材を架け渡し、その横材を前記他部材にしてもよい。

このように構成された本発明の建物では、ラーメン構造体を構成する柱と梁の少なくとも一部材に棒状連結材を介して壁パネルが取り付けられる。そして、大地震などの設計値より大きな水平外力が作用すると、壁パネルが破壊する前に棒状連結材を挿通させる孔が塑性変形し、この孔の塑性変形する過程において地震エネルギーが吸収される。

すなわち、水平外力が作用しても、棒状連結材を挿通させる孔が弾性変形する間は、ラーメン構造体の一部材とそれに略平行又は略直交する他部材とに連結された壁パネルの面的な拘束作用によって建物の変形が抑えられる。

そして、大きな水平外力が作用して孔が塑性変形する過程で地震エネルギーを吸収することになる。また、さらに設計値より大きな水平外力が作用すると、孔が広がって棒状連結材を介して壁パネルに荷重が伝達されにくくなり、それに代わってラーメン構造体が変形して地震エネルギーを吸収する。

このように壁パネルが破壊する前に棒状連結材を挿通させる孔が塑性変形して壁パネルが荷重を受けなくなるので、壁パネルが限界まで耐えた後に破壊して一気に建物が崩壊するというような破壊パターンにはならない。

そして、このような建物の地震時の挙動を把握してその挙動が再現される構造を構築することで、壁パネルの機能を的確に評価することができる。

また、このように設計された建物は、地震時の安全性が向上するうえに、地震によって損傷しても構造部材の再利用により容易に建物の修復をすることができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図２は、本実施の形態の建物を構成する建物ユニット１の概略構成を説明するための斜視図である。

この建物ユニット１は、横方向及び上下方向に複数連結させることでユニット建物（図示せず）を構成するものである。

まず、構成から説明すると、この建物ユニット１は、四隅に配置される４本の柱２，・・・と、その上端間に横架される梁としての天井梁３１，・・・と、その下端間に横架される梁としての床梁３２，・・・とから構成されるラーメン構造体１１を主たる構造部材としている。

この柱２と天井梁３１及び床梁３２とは、剛接合されているが、この剛接合はまったく柱２と梁３１，３２との角度が変わらないものに限定されるものではなく、現実的な構造物としての半剛接合で接合されているものも含むものである。

また、床梁３２，３２間には、所定の間隔を置いて複数の小梁３２１，・・・が架け渡されており、その上には図１に示すように床面材３２２が張られている。

この床梁３２側と同様に、天井梁３１，３１間にも図１に示すような天井野縁３１１が複数架け渡されており、その下面側には天井面材３１２が張り付けられている。

そして、図２の前面側の柱間２，２には複数の間柱４，・・・が所定の間隔で配置されている。この間柱４は、図４に示すように、上端が天井梁３１にボルト６２で連結されるとともに、下端が床梁３２にボルト６２で連結されている。

また、図２の前面側に配置される壁パネル５の構成を説明する斜視図を図３に示す。

この壁パネル５は、石膏ボードや硬質木片セメント板によって構成される壁面材５２と、その縁部を囲繞するように配置されるフレーム５３と、そのフレーム５３に固定される装着部としての固定金具５１Ａ，５１Ｂとから主に構成される。

このフレーム５３は、図３及び図１に示されるように、２本の縦枠５３３，５３３と、その縦枠５３３，５３３の上端間を繋ぐ上枠５３１と、その縦枠５３３，５３３の下端間を繋ぐ下枠５３２とから主に構成される。

そして、図３に示すように、このフレーム５３の上面側には、壁面材５２が張られて複数本のスクリュー釘５２ａ，・・・によって固定されている。

さらに、このフレーム５３の上枠５３１には、図１に示すように、壁パネル５の上縁を天井梁３１に接合するための固定金具５１Ａをスクリュー釘６１によって取り付ける。

この固定金具５１Ａは、図３に示すように、壁パネル５の幅よりも少し短い断面視略Ｌ字形の長尺金物であって、壁面材５２に当接させる片には、棒状連結材としての固定ボルト６を挿通させる孔としてのボルト孔５１１が複数開口されている。

また、下枠５３２には、図１に示すように、壁パネル５の下縁を床梁３２に接合するための固定金具５１Ｂをスクリュー釘６１によって取り付ける。

この固定金具５１Ｂは、図３に示すように、壁パネル５の幅よりも少し短い断面視略Ｚ字形の長尺金具であって、壁面材５２に当接させる片には、固定ボルト６を挿通させる孔としてのボルト孔５１１が複数開口されている。

また、図１に示すように、固定金具５１Ｂの上縁は、床梁３２の上面に引掛けるための掛止片５１３となっている。

このような固定金具５１Ａ，５１Ｂは、壁パネル５の構造体となるフレーム５３に直接固定されているうえに、上下の固定金具５１Ａ，５１Ｂによって壁パネル５が挟まれるように拘束されているので、例えば上下方向の力が壁パネル５に作用しても、固定金具５１Ａ，５１Ｂと壁パネル５との接合は破壊しにくい構造となっている。

また、図１に示すように、この壁パネル５の外部側には、セメント系のサイディング板などによって形成される外壁材５５が取り付けられ、この外壁材５５と壁面材５２との間には、ガラスウールなどの断熱材５４が配置される。

図４は、この壁パネル５，５Ａをラーメン構造体１１に取り付けた構成を、建物ユニット１の内部側から見た図である。

例えば間柱４，４間に装着される壁パネル５は、固定金具５１Ａを一部材としての天井梁３１に当接させるとともに、固定金具５１Ｂをその一部材と略平行する他部材としての床梁３２に当接させる。

そして、図１に示すように、固定金具５１Ａ，５１Ｂから突出させた固定ボルト６，６を天井梁３１と床梁３２の孔３１３，３２３に挿入し、建物ユニット１の内部側に突出した固定ボルト６，６の先端にナット６ａ，６ａを螺入することで、壁パネル５を天井梁３１及び床梁３２に取り付ける。

また、図４に示すように、一側縁が柱２に当接する壁パネル５Ａは、天井梁３１と床梁３２に固定するだけでなく、一部材としての天井梁３１と略直交する他部材としての柱２にも固定する。

すなわち、柱２から耳状に装着片２１を間柱４方向に突出させておき、この装着片２１に壁パネル５Ａを取り付ける。この装着片２１は、上下方向に間隔を置いて複数設けられる。

一方、壁パネル５Ａ側には、この装着片２１と対峙する位置に、装着部としての固定金具５１Ｃを取り付けておく。この固定金具５１Ｃは板片状に形成されて壁パネル５Ａに接合されるとともに、固定ボルト６が取り付けられている。

そして、壁パネル５Ａを天井梁３１及び床梁３２に取り付ける際に、固定金具５１Ｃを装着片２１に当接させ、建物ユニット１の内部側に突出した固定ボルト６の先端にナット６ａを螺入することで、壁パネル５Ａを柱２に固定する。

次に、本実施の形態の建物の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の建物ユニット１は、ラーメン構造体１１を構成する柱２と梁３１，３２の少なくとも一部材に固定ボルト６を介して壁パネル５，５Ａが取り付けられる。

そして、この建物ユニット１に、水平外力としての地震力が作用すると、始めは天井梁３１と床梁３２との間を連結する壁パネル５及び天井梁３１と床梁３２と柱２とを連結する壁パネル５Ａが、部材間の相対的な変形を面として抑え、ラーメン構造体１１とともに建物ユニット１の揺れを抑える働きをする。

この状態は、設計値を建築基準法で定める地震力とした場合は、その大きさに至るまで確実に続く。また、設計値を建築基準法で定める地震力の1.25倍又は1.5倍とした場合は、その地震力に至るまで続く。

以下、さらに詳細に一次設計と二次設計における状態について説明する。ここで、一次設計の地震力は、建築基準法でいう標準せん断力係数Cdを0.2としたときの地震力、二次設計の地震力は、建築基準法でいう必要保有水平耐力となる地震力とする。

そして、作用する地震力の大きさが一次設計の範囲内ならば、固定金具５１Ａ〜５１Ｃと天井梁３１等とを接合する固定ボルト６に作用するせん断力は、固定金具５１Ａ〜５１Ｃの支圧耐力の範囲内に収まり、ボルト孔５１１が塑性変形することはない。

ここで仮に、ボルト孔５１１が拡大する前に壁パネル５，５Ａが破壊すると、その影響によってある地震力に達したときに一気に建物ユニット１が崩壊してしまうおそれがある。

これに対して、地震力が増加してボルト孔５１１が塑性変形して押し広げられて、壁パネル５，５Ａが荷重を徐々に受けなくなるようにすることで、建物ユニット１の変形量は大きくなるものの、それによって地震エネルギーを吸収することができるので、ラーメン構造体１１や壁パネル５，５Ａが壊滅的に破壊することを防止することができる。

また、図５（ａ）に示すように、固定金具５１Ｂのボルト孔５１１が広がる前は、天井梁３１と床梁３２との間は壁パネル５によって変形が抑制されているが、図５（ｂ）に示すようにボルト孔５１１が広がると、壁パネル５による拘束が緩くなって、その後の地震力の増加に対しても建物ユニット１はねばり強く耐えて、倒壊や崩壊を防ぐことができる。

ここで、「壁パネル５，５Ａが破壊する」とは、再利用できない程度に構造的に壁パネル５，５Ａが壊れる状態をいい、例えば固定ボルト６の頭部による支圧によって局所的に壁面材５２が損傷しても再利用に支障はなく、壁パネル５，５Ａが破壊したとはいわない。

なお、上側の固定金具５１Ａと天井梁３１との間も同様の連結構造で連結されているので、同様の機能が期待できる。

また、破壊する前に荷重を受けなくなった壁パネル５，５Ａやラーメン構造体１１は、再利用することができるので、地震後に短期間かつ経済的に建物ユニット１の修復をおこなうことができる。

以下、この実施例１では、前記実施の形態で説明した建物ユニット１の水平耐力を確認した実験及び解析について説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

この実施例１では、壁パネル５の固定金具５１（５１Ａ，５１Ｂ）には、JIS規格に規定される一般構造用圧延鋼材（SS400）を使用し、天井梁３１及び床梁３２には同じくSS400の固定金具５１より厚い鋼材を使用した。

また、固定ボルト６は、せん断強度が固定金具５１の引張強さより大きくなるものを使用した。

そして、この固定金具５１と天井梁３１及び床梁３２とを固定ボルト６で接合した接合部に単調載荷したせん断試験の結果、この接合部の降伏強度Pyと引張強さPmaxは固定ボルト６のせん断強度より小さくなり、固定金具５１のボルト孔５１１が最初に変形して接合が破壊されることが確認できた。

一方、建物ユニット１を解析用に２次元モデル化した建物ユニットモデルによる解析と、比較のために、壁パネル５を配置しないラーメン構造体モデルだけの解析もおこなった。

図６は、各モデルに繰り返し水平荷重Ｐを載荷した結果の包絡線を、水平荷重Ｐと層間変形角の関係で示した図である。ここで、層間変形角は、層間変位δを建物ユニットモデルの高さｈで割った値で、層間変位δは１階の床と２階の床との水平変位差をいう。なお、この建物ユニットモデルでは床梁が水平移動しないので、天井梁の水平変位量が層間変位δということになる。

この図６の破線で示した包絡線Ｓ_Ｒは、ラーメン構造体モデルのみの場合の復元力特性を示したものである。

これに対して、実線で示した包絡線Ｓ_ＲＷは、ラーメン構造体モデルに壁パネルを加えた場合の復元力特性を示したものである。

このように２つのモデルの層間変形角が1/120（建築基準法の損傷限界）に至るまでの傾き（一次剛性）を比較すると、壁パネル５を加えた場合の方が急勾配になっており、設計値以下の水平荷重Ｐが作用した場合の変形量が抑えられていることがわかる。

また、包絡線Ｓ_Ｒ，Ｓ_ＲＷとＸ軸とで囲む面積は、壁パネル５を加えた場合の方が広くなっており、地震時のエネルギー吸収量が大きくなっていることがわかる。

さらに、倒壊の可能性が出てくる安全限界（層間変形角1/15）に至るまでの水平荷重Ｐも、建物ユニットモデルの方が上回っていることがわかる。

この結果、壁パネル５を加えた建物ユニット１の方が、ラーメン構造体１１のみを構造部材として設計する場合に比べて、設計値以下の地震に対しては変形が抑制されるうえに、設計値より大きな地震に対しても崩壊し難い構造となっていることが定量的に説明できる。

以下、この実施例２では、前記実施の形態で説明した壁パネル５，５Ａの取付構造とは別の形態の壁パネルの取付構造について、図７を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

図７（ａ）は、略平行する柱２，２間に壁パネル７１を装着する取付構造を示した模式図である。この壁パネル７１は、前記実施の形態で説明した壁パネル５の３枚分の大きさのパネルで、壁パネル７１の両側縁が固定ボルト６，・・・を介してそれぞれ構造部材である柱２，２に固定される。

また、図７（ｂ）は、略平行する柱２と間柱４とに壁パネル７２を装着する取付構造を示した模式図である。この壁パネル７２は、一方の側縁が構造部材である柱２に固定ボルト６，・・・を介して固定されており、他方の側縁が非構造部材である間柱４に固定ボルト６，・・・を介して固定されている。

さらに、図７（ｃ）は、略直交する柱２と横材としてのまぐさ４１とに壁パネル７３を装着する取付構造を示した模式図である。このまぐさ４１は、開口部の上下に横架される非構造部材で、ここでは構造部材である柱２と非構造部材である間柱４との間を連結している。

この壁パネル７３は、一方の側縁が一部材としての柱２に固定ボルト６，・・・を介して固定されており、上縁が他部材としてのまぐさ４１に固定ボルト６，・・・を介して固定されている。

また、図７（ｄ）の壁パネル７４は、図７（ｃ）の壁パネル７３の固定箇所に加えて間柱４にも固定ボルト６，・・・を介して固定されている。

このように構造部材である柱２を一部材として壁パネル７１〜７４を取り付ける場合には、他部材としては、その柱２に略平行する柱２や間柱４、又は柱２に略直交するまぐさ４１などの部材が選択できる。

また、このようにして壁パネル７１〜７４を取り付けることによって、前記実施の形態で説明したように、壁パネル７１〜７４によって地震初期の変形が抑制され、壁パネル７１〜７４とラーメン構造体１１とを繋ぐ固定ボルト６を挿通させるボルト孔５１１の塑性変形過程において地震エネルギーが吸収され、その後もラーメン構造体によって地震エネルギーが吸収されるので、建物ユニット１の耐震性能が向上し、倒壊や崩壊を防ぐことができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以下、この実施例３では、前記実施の形態又は実施例２で説明した壁パネル５，７１〜７４の取付構造とは別の形態の壁パネルの取付構造について、図８を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態又は実施例２で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

図８（ａ）は、略平行する天井梁３１と床梁３２に加えて、天井梁３１と略直交する間柱４，４にも固定する壁パネル８１の模式図である。すなわち、この壁パネル８１は、上縁と下縁が構造部材である天井梁３１と床梁３２に固定ボルト６，・・・を介して固定されるとともに、両側縁が非構造部材である間柱４，４に固定ボルト６，・・・を介して固定されている。

また、図８（ｂ）は、略平行するまぐさ４１と床梁３２とに壁パネル８２を装着する取付構造を示した模式図である。すなわち、この壁パネル８２は、上縁が非構造部材であるまぐさ４１に固定ボルト６，・・・を介して固定されており、下縁が構造部材である床梁３２に固定ボルト６，・・・を介して固定されている。

さらに、図８（ｃ）の壁パネル８３は、図８（ｂ）の壁パネル８２の固定箇所に加えて間柱４にも固定ボルト６，・・・を介して固定されている。

また、図８（ｄ）の壁パネル８４は、構造部材である略直交する柱２と床梁３２に固定ボルト６，・・・を介して固定されるとともに、非構造部材であるまぐさ４１と間柱４にも固定ボルト６，・・・を介して固定されている。

このように構造部材である床梁３２を一部材として壁パネル８１〜８４を取り付ける場合には、他部材としては、その床梁３２に略平行する天井梁３１やまぐさ４１、又は床梁３２に略直交する柱２や間柱４などの部材が選択できる。

また、このようにして壁パネル８１〜８４を取り付けることによって、前記実施の形態で説明したように、壁パネル８１〜８４によって地震初期の変形が抑制され、壁パネル８１〜８４とラーメン構造体１１とを繋ぐ固定ボルト６を挿通させるボルト孔５１１の塑性変形過程において地震エネルギーが吸収され、その後もラーメン構造体によって地震エネルギーが吸収されるので、建物ユニット１の耐震性能が向上し、倒壊や崩壊を防ぐことができる。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態又は実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では建物ユニット１を建物として説明したが、これに限定されるものではなく、建物ユニット１を横方向及び上下方向に複数連結させることで構築されるユニット建物を建物としてもよい。また、本発明の建物は、建物ユニット１などの工業化住宅に限定されるものではなく、在来工法で構築される建物にも本発明を適用できる。

また、前記実施の形態では、壁パネル５，５Ａの取り付けには使用しない間柱４，・・・を配置した構成について説明したが、これに限定されるものではなく、間柱４，・・・を省略することもできる。

さらに、前記実施の形態では、壁パネルとして外部側に外壁材５５を取り付ける壁パネル５，５Ａについて説明したが、これに限定されるものではなく、一部材と他部材間を所定の強度で連結するとともに、固定ボルト６を挿通する孔が先に塑性変形するような強度を備えているパネルであれば、外装材を備えた外壁パネルや間仕切りパネルを壁パネルとしてもよい。

本発明の最良の実施の形態の壁パネルのラーメン構造体への接合構造を説明するための断面図である。建物ユニットの構成を説明する斜視図である。壁パネルの構成を説明する斜視図である。壁パネルを取り付けた構成を建物内部側から見た図である。（ａ）は壁パネルと床梁との連結構造の構成を説明する断面図、（ｂ）はボルト孔が広がって壁パネルが下方に移動した状態を説明する断面図である。解析結果の水平荷重と層間変形角との関係を示した図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例２で説明する壁パネルの取付構造を説明する模式図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例３で説明する壁パネルの取付構造を説明する模式図である。

符号の説明

１建物ユニット（建物）
１１ラーメン構造体
２柱
３１天井梁（梁）
３１３孔
３２床梁（梁）
３２３孔
４間柱
４１まぐさ（横材）
５，５Ａ壁パネル
５１Ａ〜５１Ｃ固定金具（装着部）
５１１ボルト孔（孔）
５２壁面材（面材）
６固定ボルト（棒状連結材）
７１〜７４壁パネル
８１〜８４壁パネル

Claims

複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記ラーメン構造体に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物であって、
前記装着部は略直交する２面を有し、一方の面は前記壁パネルの構造体となるフレームに固定され、他方の面は前記ラーメン構造体の一部材と複数の棒状連結材によって接合されるとともに、前記一部材と略平行又は略直交する他部材と前記壁パネルも、略直交する２面を有して一方の面が前記フレームに固定される装着部の他方の面を介して複数の棒状連結材によって接合され、
前記装着部の少なくとも一つには、前記一部材又は前記他部材に引掛けるための掛止片が前記他方の面の縁部から延出されており、
所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記フレームに外壁材が取り付けられた前記壁パネルを介して前記棒状連結材に作用するせん断力によって前記壁パネルとの接合が破壊する前に、前記掛止片が変形するとともに前記棒状連結材を挿通させる前記装着部の孔が塑性変形することを特徴とする建物。
前記上下の梁の少なくとも一方が前記一部材となることを特徴とする請求項１に記載の建物。
前記柱が前記一部材になることを特徴とする請求項１又は２に記載の建物。
前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される間柱を設け、その間柱を前記他部材にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の建物。
前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される間柱を設けるとともに、その間柱間に横材を架け渡し、その横材を前記他部材にすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の建物。