JP6930169B2 - 建物構造 - Google Patents

Description

本発明は、広大な空間を有する建物構造に関する。

データセンタ等の建物では、配置される高性能のサーバ（情報処理装置）の重量が重いため、丈夫な床構造が必要となる。そこで、床面構成材の支持強度等を確保し、作業性のよい二重床構造体を有した建物が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１には、各階の床下空間に配置したトラス構造の梁によって床面の重量を支持し、この床下空間を空調空気のプレナムチャンバとして用いる二重床構造体が記載されている。

また、発熱したサーバを効率よく冷却するために、コールドアイルとホットアイルとが形成されるように、サーバを配置する技術も検討されている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２には、筐体の底面側に設けられた冷気吸込口を介して、空調機から供給される冷気を導入し、筐体の背面側に設けた排気吸込口を介して、ホットアイル側に排気を行なうラック型空調機が記載されている。

一方、データセンタにおいては、冬期における冷たい外気を取り入れて情報処理装置を冷却することにより、省電力化を図る技術も検討されている（例えば、特許文献３参照。）。この特許文献３には、情報処理装置が部屋に設置されたデータセンタの冷却装置が開示されている。この冷却装置は、床面に開口する通風孔を備えた床下の第１の空調室と、外気を取り込むために天井裏に設けられた外気導入部、部屋に連通する開口及び開口から流入する空気を部屋の外に排出する内気排出部を備える第２の空調室と、第１の空調室と第２の空調室とを連通し、空気調和装置を備えるバイパスダクトとによって形成している。そして、内気排出部をビルに設けられたエレベータシャフトに接続してエレベータシャフトの煙突効果を利用して換気を行なう。

特開２０１１−１７４２８６号公報 特開２００９−２３６３３５号公報 特開２０１４−１０６５５８号公報

上述したように、冷却効率から、サーバラック列を、コールドアイル及びホットアイルを順番に配置する場合、サーバの配置の自由度を確保するために、柱がない大空間が望ましい。大空間を確保するためには、柱間のスパンを長くし、梁成を大きくする必要がある。

しかしながら、サーバの冷却のために、外気を取り込む場合、梁の梁成を大きくすると、建物の高さとの関係で、外気を取り入れる配管の管径や配置の自由度が低くなる。この場合、外気を取り込んだ効率的な冷却が難しい。

・上記課題を解決するための建物構造は、建物の第１階層の外側に配置される複数の第１柱と、これら第１柱を連結する第１梁とを備えた外側柱梁架構と、前記第１柱のスパンよりも長いスパンで前記建物内に配置される複数の第２柱と、これら第２柱を連結する長スパン横架材とを備えた長スパン柱梁架構とを有する建物構造であって、前記長スパン横架材は、前記第１階層の直上階の第２階層の床スラブに固定された下弦材と、前記第２階
層の直上階の第３階層の床スラブに固定された上弦材と、前記下弦材及び前記上弦材を連結する斜材とを備えたトラス構造で構成され、前記下弦材と前記第１柱とを複数の第２梁で接続した。これにより、長スパン横架材が設けられている下階の柱を少なくして、第１階層に大空間を確保することができる。更に、第１柱のスパンを短くしたので、外側柱梁架構の梁の梁成を小さくすることができる。従って、建物の高さを抑えた場合にも、第１階層の側面に大きな開口面を設ける等、レイアウトの自由度を高めることができる。

これにより、トラス構造により、長スパン横架材を実現することができる。

・上記建物構造において、前記第１階層の直下には、免震層が構成されていることが好ましい。これにより、揺れに対する耐性を高めることができる。
・上記建物構造において、前記免震層には、前記第１階層に配置される冷却対象装置を冷却する冷却水を循環させる冷却管が配置されていることが好ましい。これにより、免震層を用いて、第１階層の配置した冷却対象装置を水冷することができる。

・上記建物構造において、前記第１階層に配置される冷却対象装置を冷却する外気の換気ダクトを、前記第１柱の間に設けることが好ましい。これにより、大きな開口面の第１柱間から取り込んだ外気により、冷却対象装置を冷却することができる。

本発明によれば、大空間の外側に配置する梁の梁成を小さくすることができ、梁成を小さくした柱間に大きな開口面を確保することができる。

本実施形態の建物構造を説明する模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図。 本実施形態の建物構造を説明する平面図であり、（ａ）は建物の３階、（ｂ）は建物の２階、（ｃ）は建物の１階を示す。 本実施形態の建物構造の要部の具体的構成を説明する断面図。

以下、図１〜図３を用いて、建物構造を具体化した一実施形態を説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の建物構造を用いた建物１０は、データセンタ等として用いられる。建物１０は、地下に配置された免震層Ｌ１を備える。

免震層Ｌ１には、複数のアイソレータＩｓとダンパー（図示せず）とが配置されている。アイソレータＩｓは、建物１０の柱（１１，１２）に対応する位置等に設けられている。

建物１０は、屋上階を有した３階建ての建物であって、１〜３階は約５．５ｍの階高を有している。建物１０は、鉄骨や鉄筋コンクリートで構成される。この建物１０は、１階に第１マシン室Ｒ１、２階に電気室Ｒｐ、３階に第２マシン室Ｒ２が区画されている。第１マシン室Ｒ１には、大規模な高速演算処理を行なう情報処理装置（いわゆるスーパーコンピュータ）が配置される。また、第２マシン室Ｒ２には、例えばサーバ等の情報処理装置が配置される。本実施形態では、これらの情報処理装置が冷却対象装置になる。

そして、電気室Ｒｐには、電気設備が配置される。この電気設備は、第１マシン室Ｒ１及び第２マシン室Ｒ２に配置された情報処理装置に電気を供給する設備である。
図１（ｂ）に示すように、建物１０の外側の側面には、第１柱１１が複数、配置されている。建物１０の外側の両側面に沿って整列した第１柱１１は、梁１５によって連結されている。第１柱１１及び梁１５によって、外側柱梁架構が構成される。更に、建物１０の外側の両側面と平行な中央面には、複数の第２柱１２が、一列で配置されている。また、大梁２５が、外側柱梁架構の第１柱１１と第２柱１２とを連結して設けられている。

図１（ａ）に示すように、第２柱１２は、第１柱１１のスパンＳ１よりも長いスパンＳ２で配置されている。本実施形態では、第２柱１２のスパンＳ２は、第１柱１１のスパンＳ１の３倍の長さに設定されている。

そして、電気室Ｒｐが設けられた２階には、長スパン横架材としてのトラス梁２０が配置されている。第２柱１２とトラス梁２０によって、長スパン柱梁架構が構成される。
２階の床スラブＦ２は、１階の天井スラブであり、２階の天井スラブは、３階の床スラブＦ３である。そして、このトラス梁２０は、２階の床スラブＦ２と３階の床スラブＦ３とに連結されている。

図１（ｂ）に示すように、トラス梁２０は、下弦材２１、上弦材２２及び斜材２３を備えている。下弦材２１は、２階の床スラブＦ２に取り付けられており、上弦材２２は、３階の床スラブＦ３に取り付けられている。斜材２３は、下弦材２１及び上弦材２２を連結する。また、トラス梁２０の下弦材２１と斜材２３との連結部は、建物１０の両側面の第１柱１１に対して、大梁２５及び小梁２６によって連結されている。本実施形態では、大梁２５及び小梁２６が、長スパン柱梁架構と外側柱梁架構とを連結する複数の梁を構成する。この場合、大梁２５及び小梁２６と、長スパン柱梁架構及び外側柱梁架構とは、固定やピン接合によって連結されていてもよい。

次に、図２及び図３を用いて、建物１０の細部について、詳述する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、建物１０の詳細な各階層の平面図であって、それぞれ３階、２階、１階を示している。図３は、建物１０の要部の立断面図である。

図２（ａ）〜（ｃ）に示す各階では、建物１０の両側面に複数の第１柱１１が配置され、建物１０の中央面に複数の第２柱１２が配置されている。更に、第１柱１１と第２柱１２との間には大梁２５が設けられており、この大梁２５には、更に補助柱１３が設けられている。また、各階の建物１０内には、その外周に沿って廊下Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が配置されている。各廊下Ｐ１〜Ｐ３には、各第１柱１１と、中央面の端部に配置された第２柱１２とが配置されている。更に、建物１０の両側面に配置された第１柱１１の外側には、上方が開口されているチムニ５０が配置されている。このチムニ５０の詳細は後述する。

図２（ｂ）に示すように、２階の床スラブＦ２には、第２柱１２を連結する梁１５と、トラス梁２０と、大梁２５及び小梁２６とが固定されている。
図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、マシン室（Ｒ１，Ｒ２）の外側（チムニ５０側）には、空調機械室Ｍ１，Ｍ２が形成されている。空調機械室Ｍ１，Ｍ２には、空気調和機Ａ１，Ａ２が配置されている。なお、空調機械室Ｍ１，Ｍ２の外側には、廊下Ｐ１，Ｐ３が設けられている。

図３に示すように、建物１０の各階は、廊下Ｐ１〜Ｐ３を除き、二重床構造になっている。１〜３階の床スラブＦ１，Ｆ２，Ｆ３の上には、床面支持体（図示せず）に支持されて、床面構成体Ｆ１ａ，Ｆ２ａ，Ｆ３ａが配置されている。そして、床スラブＦ１〜Ｆ３と床面構造体Ｆ１ａ〜Ｆ３ａとの間には、床下空間が形成されている。２階の床下空間は、高さが約３０ｃｍであり、電気配線の敷設に用いられる。１階及び３階の床下空間は、高さが１ｍ弱程度であり、電気配線を敷設するとともに、冷気を通過させるために用いられる。

そして、図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、床下空間において、各空気調和機Ａ１，Ａ２からの冷気が、破線の矢印で示すように供給される。そして、冷気は、この床下空間を介して、マシン室（Ｒ１，Ｒ２）のコールドアイルに臨む開口部から、マシン室（Ｒ１，Ｒ２）に供給される。

図３に示すように、第１及び第２マシン室Ｒ１，Ｒ２には、天井面構成体Ｃ１，Ｃ２が設けられている。床スラブＦ２，Ｆ４と天井面構成体Ｃ１，Ｃ２とによって、それぞれ第１及び第２マシン室Ｒ１，Ｒ２には天井裏が形成されている。本実施形態では、天井裏は、２ｍ〜２．５ｍ程度の高さを有している。各天井面構成体Ｃ１，Ｃ２には、空気の吸込口が設けられている。

更に、各階の廊下Ｐ１〜Ｐ３には、吊り具（図示せず）によって、天井面構成体Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０が吊り下げられて、天井裏が形成されている。廊下Ｐ１の天井裏及び空調機械室Ｍ１の上部には、給気管５３と排気管５５が配置されている。廊下Ｐ２の天井裏及び空調機械室Ｍ２の上部には、給気管５４と排気管５６が配置されている。本実施形態では、給気管５３，５４及び排気管５５，５６は、チムニ５０から第１及び第２マシン室Ｒ１，Ｒ２に延在している。

給気管５３，５４は、空気調和機Ａ１，Ａ２と外気取り込み部５１，５２とに接続されている。外気取り込み部５１は、チムニ５０の２階の位置に設けられ、１階の第１マシン室Ｒ１を冷却するために、外部から冷気を取り入れる。また、外気取り込み部５２は、チムニ５０の３階の位置に設けられ、３階の第２マシン室Ｒ２を冷却するために、外部から冷気を取り入れる。

図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、給気管５３，５４及び排気管５５，５６を、梁１５の下側で第１柱１１の間を通過させて配置する。なお、これら給気管５３，５４と、排気管５５，５６とは、水平面上に交互に配置されている。

排気管５５，５６は、排気用送風機（図示せず）を備え、マシン室（Ｒ１，Ｒ２）から発生した暖気をチムニ５０に排出する。具体的には、マシン室（Ｒ１，Ｒ２）の情報処理機器から発生した空気（暖気）を、実線の矢印で示すように、天井面構成体Ｃ１，Ｃ２の吸込口を介して吸引する。そして、この暖気は、排気管５５，５６を介して、チムニ５０から建物１０外部に排出される。

本実施形態によれば、以下のような作用及び効果を得ることができる。
（１）本実施形態の建物１０は、第１柱１１を連結する梁１５と、第１柱１１のスパンよりも長いスパンで建物１０内に配置される第２柱１２を連結するトラス梁２０と、トラス梁２０と梁１５とを連結する大梁２５及び小梁２６とを有する。トラス梁２０は、２階の床スラブＦ２と３階の床スラブＦ３とに連結して構成されている。これにより、トラス梁２０が設けられている下階（１階）の柱を少なくして、１階に大空間を形成することができる。また、第１柱１１のスパンが短いため、梁１５の梁成を小さくすることができる。

（２）本実施形態では、第１柱１１よりも外側に配置されたチムニ５０に、外部から冷気を取り入れる外気取り込み部５１，５２が設けられている。各外気取り込み部５１，５２は、給気管５３，５４を介して、空気調和機Ａ１，Ａ２に接続されている。梁１５の梁成が小さいため、建物１０の側面の開口面積を大きくする等レイアウトの自由度を高くして、効率的に給気を行なうことができる。

（３）本実施形態では、マシン室（Ｒ１，Ｒ２）には、建物１０の両側面側から、第２柱１２が配置された建物１０の中央面に向かって冷気が供給される。そして、マシン室（Ｒ１，Ｒ２）の情報処理装置から発生した暖気は、建物１０の両側面側に配置されたチムニ５０へと排出される。このため、建物１０内に配置された第２柱１２が気流の邪魔にならず、気流を円滑に流すことができる。

（４）本実施形態では、建物１０は、地下に配置された免震層Ｌ１の上に構成され、建物１０の１階を、大規模な高速演算処理を行なう情報処理装置を配置した第１マシン室Ｒ１として用いる。これにより、揺れに対する耐性を高めることができる。また、柱（１１，１２，１３）以外の位置に免震構造を配置して建物１０を支持することができるので、重い情報処理装置を１階に配置しても、十分に支持することができる。

（５）本実施形態では、第１及び第２マシン室Ｒ１，Ｒ２を１階及び３階に配置し、その間の２階に、電気設備が配置される電気室Ｒｐを設ける。これにより、第１及び第２マシン室Ｒ１，Ｒ２に配置された情報処理装置の近傍に、電気設備を配置し、配線を短くすることができる。

また、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、大梁２５及び小梁２６は、トラス梁２０の下弦材２１と斜材２３との連結部において、トラス梁２０に固定した。トラス梁２０と梁１５とを連結する小梁２６は、下弦材２１と斜材２３との連結部以外のトラス梁２０に設けてもよい。また、大梁２５及び小梁２６は、外側柱梁架構の第１柱１１に対応するように設けたが、外側柱梁架構の梁１５とトラス梁２０の下弦材２１とを連結できれば、第１柱１１間に配置してもよい。

・上記実施形態において、建物１０内に配置されて第２柱１２を連結する長スパン横架材をトラス梁２０で構成した。長スパン横架材は、トラス構造に限らず、上下の床スラブに連結して構成される梁構造であればよく、例えば、ブレース構造、２階の床スラブＦ２及び３階の床スラブＦ３に接続した壁、Ｉ型鋼、ハニカム梁等で連結した構造等であってもよい。
・上記実施形態において、長スパン横架材のトラス梁２０は、２階の床スラブＦ２と３階の床スラブＦ３とに連結した。長スパン横架材は、２階（第２階層）の床スラブＦ２と、３階（第３階層）の床スラブＦ３とに接触して、荷重を支えることができる状態で構成されていれば、連結されていなくても、例えば、載置されているだけでもよい。

・上記実施形態において、建物１０内に配置されて第２柱１２を連結するトラス梁２０を１つ設けた。建物１０内に配置される第２柱１２を複数列配置し、各列に長スパン柱梁架構を設けて、長スパン横架材を複数列、有する建物１０を構成してもよい。

・上記実施形態において、１階（第１階層）に配置した第１マシン室Ｒ１に配置した情報処理装置を、外気を用いて冷却した。この情報処理装置を、更に冷却水を用いて冷却してもよい。この場合、１階の直下に配置した免震層に、冷却水を循環させる冷却管や冷却により温まった水を再冷却する装置を配置する。そして、免震層から１階の床下空間を介して、１階の情報処理装置に冷却水を供給するように冷却管を配置する。更に、第１マシン室Ｒ１の外側に、免震層に配置した冷却管に、冷却水を供給する装置を設ける。これにより、第１マシン室Ｒ１に配置した情報処理装置を、冷却水によっても冷却することができる。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（ａ）前記第２階層には、前記第１階層及び前記第３階層に配置される冷却対象装置に用いる電気設備が配置されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の建物構造。
従って、この（ａ）に記載の発明によれば、電気設備の近くの直上階及び直下階に冷却対象装置を配置することができるので、電気設備からの配線を短くすることができる。

Ａ１，Ａ２…空気調和機、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０…天井面構成体、Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４…床スラブ、Ｉｓ…アイソレータ、Ｌ１…免震層、Ｍ１，Ｍ２…空調機械室、Ｒ１…第１マシン室、Ｒ２…第２マシン室、Ｒｐ…電気室、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…廊下、Ｓ１，Ｓ２…スパン、Ｆ１ａ，Ｆ２ａ，Ｆ３ａ…床面構成体、１０…建物、１１…第１柱、１２…第２柱、１３…補助柱、１５…梁、２０…トラス梁、２１…下弦材、２２…上弦材、２３…斜材、２５…大梁、２６…小梁、５０…チムニ、５１，５２…外気取り込み部、５３，５４…給気管、５５，５６…排気管。

Claims (4)

1. 建物の第１階層の外側に配置される複数の第１柱と、これら第１柱を連結する第１梁とを備えた外側柱梁架構と、
   前記第１柱のスパンよりも長いスパンで前記建物内に配置される複数の第２柱と、これら第２柱を連結する長スパン横架材とを備えた長スパン柱梁架構とを有する建物構造であって、
   前記長スパン横架材は、前記第１階層の直上階の第２階層の床スラブに固定された下弦材と、前記第２階層の直上階の第３階層の床スラブに固定された上弦材と、前記下弦材及び前記上弦材を連結する斜材とを備えたトラス構造で構成され、
   前記下弦材と前記第１柱とを複数の第２梁で接続したことを特徴とする建物構造。
2. 前記第１階層の直下には、免震層が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の建物構造。
3. 前記免震層には、前記第１階層に配置される冷却対象装置を冷却する冷却水を循環させる冷却管が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の建物構造。
4. 前記第１階層に配置される冷却対象装置を冷却する外気の換気ダクトを、前記第１柱の間に設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の建物構造。

Images