JP6993794B2 - 積層構造物の施工方法、積層構造物および積層構造物施工装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層構造物を構築する技術に関する。

近年、３Ｄプリンタ技術を応用して、積層構造物を構築する技術が種々提案されている（例えば特許文献１ないし２参照）。３Ｄプリンタ技術を用いて積層構造物を構築する例としては、まず、構築しようとする構造物の３次元形状をコンピュータでモデリングし、次いで、そのモデリングされた３次元データから、多数の層に分けられた２次元データを生成する。
そして、各層の２次元データに基づいて移動可能な供給ヘッドのノズルからプリント原料を吐出し、各層の２次元形状を構築する。そして、構築された２次元形状のプリント層上に、続く層の２次元データに基づいて、プリント原料を一層ずつ積層し、これにより、３次元の積層構造物を構築する。

例えば特許文献１に記載の技術では、三次元的に移動可能な複数のロボットアームを備える構築装置により、複数種類の部材それぞれに対応する複数のロボットアームで総合的に施工することで、異種材料がプリント原料中に存する積層構造物であっても構築し得るとしている。
また、例えば特許文献２に記載の技術では、３Ｄプリンタ技術を利用し、複数の供給ヘッドから、例えば速硬性材料により対向方向に離隔する二つの縁部を同時に構築しつつ、二つの縁部の間にセメント等の充填材を同時に充填して、積層構造物からなる壁を構築し得るとしている。

特開２０１６－１０８８０１号公報 特許第４５２７１０７号公報

ここで、３Ｄプリンタ技術を用いた積層構造物は、プリント原料が積層された積層構造となるところ、３Ｄプリンティングのみでは、各層間をつないで引っ張り力を負担する軸部材が存在しないことから、各層間の接合強度（隣接する層相互の一体性）が低くなるおそれがあるという問題がある。このような問題は、構築しようとする積層構造物が大型化するほどより顕著となる。
また、コンクリート等の水硬性混合物をプリント原料とする場合、コンクリート材料は引張方向の応力に弱いため、予め、引張方向の補強となる繊維等の補強体をプリント原料中に入れておくことが従来から考えられている。しかし、３Ｄプリンタ技術を用いた積層構造物の場合、ノズルからプリント原料を吐出することを考慮すると、コンクリート材料に混入可能な補強体の混入量が限られたり、また、ノズルからのプリント原料の円滑な吐出を補強体が妨げたりするおそれがある。

これに対し、特許文献１に記載の技術は、複数種類の部材それぞれに対応する複数のロボットアームで総合的に積層構造物を施工するものの、プリント原料を吐出するロボットアームで施工する積層工程については、従来の３Ｄプリンタ技術同様なので、各層間の接合強度を向上させる上で未だ検討の余地がある。
また、特許文献２に記載の技術においても、積層構造物からなる「壁」自体は構築し得るものの、プリント原料の積層工程については、従来の３Ｄプリンタ技術同様なので、各層間の接合強度の問題点を解決するものとはいえない。
そこで、本発明は、各層間の接合強度を向上させ得る積層構造物の施工方法、積層構造物および積層構造物施工装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のうち、本発明の一態様に係る積層構造物の施工方法は、施工時に流動性を有するとともに施工後には硬化する水硬性混合物を積層して積層構造物を施工する方法であって、構築すべき殻壁の輪郭に沿って前記水硬性混合物を積層して殻壁部を形成する殻壁形成工程と、前記殻壁部の上下で隣接する層相互を繋ぐように補強体を埋入する補強体埋入工程と、を含むことを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係る積層構造物の施工方法において、前記水硬性混合物は、その供給時に前記輪郭に沿って載置可能な流動性と、その積層時に前記輪郭上の供給位置に固定され且つその上部にも積層可能に自立するチキソトロピー性と、その積層後に前記輪郭上の供給位置に固定され且つその上部にも積層可能に自立して硬化する速硬性と、を有することは好ましい。

本発明の一態様に係る積層構造物の施工方法によれば、積層構造物を構築する際に、まず、構築すべき殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物を積層して殻壁部を形成するとともに、殻壁部を構成する各層相互の接合強度を向上させる補強体を層内に埋入するので、各層間の接合強度を向上させることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る積層構造物は、施工時に流動性を有するとともに施工後には硬化する水硬性混合物を積層して形成された積層構造物であって、殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物が積層されてなる殻壁部と、該殻壁部を構成して上下で隣接する層相互を繋ぐように埋入された補強体と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る積層構造物によれば、構築すべき殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物を積層した殻壁部が形成され、さらに、その殻壁部を構成する各層相互の接合強度を向上させるように層内に補強体が埋入されているので、従来の積層構造物に比べて、層間の接合強度が向上された構造物とすることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る積層構造物施工装置は、前記水硬性混合物を構築すべき殻壁の輪郭に沿って供給する水硬性混合物供給装置と、前記補強体を前記殻壁部の前記層内に埋入する補強体埋入装置と、を有することを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係る積層構造物施工装置において、前記水硬性混合物供給装置は、３Ｄプリンタを含む装置であることは好ましい。また、前記水硬性混合物供給装置の材料供給口は、横断面が多角形形状のノズルを有することは好ましい。

本発明の一態様に係る積層構造物施工装置によれば、積層構造物を構築する際に、水硬性混合物供給装置によって、構築すべき殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物を積層して殻壁部を形成できる。そして、補強体埋入装置によって、水硬性混合物の積層とは別個に、殻壁部の層内に補強体を埋入できる。そのため、層間の接合強度が向上された積層構造物を効率良く構築できる。

上述したように、本発明によれば、各層間の接合強度を向上させ得る積層構造物の構築技術を提供できる。

本発明の一態様に係る積層構造物の施工現場の模式的説明図である。 図１の供給ヘッドの部分を示す要部拡大図である。 図１のＺ－Ｚ断面を示す模式図であり、同図（ａ）は殻壁形成工程および補強体埋入工程を経て形成された殻壁部を示し、（ｂ）は区画充填工程で殻壁部の区画内に充填部が形成された状態を示している。 図１に示す積層構造物の施工方法を説明する図であり、同図では、プリント層の断面をハッチングを省略して模式的に示している（他の施工方法の説明図において同様）。 図１に示す積層構造物の施工方法を説明する図（（ａ）～（ｃ））である。 本発明に係る補強体の変形例を説明する模式図（（ａ）～（ｅ））である。 本発明に係る補強体の変形例を説明する模式的斜視図（（ａ）、（ｂ））である。 図７に示す補強体の施工例を説明する図である。 本発明に係る補強体埋入装置の変形例（第一変形例）を説明する図である。 本発明に係る補強体埋入装置の変形例（第二変形例）を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は平面図である。 本発明に係る補強体埋入装置の変形例（第三変形例）を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は平面図である。 本発明に係る積層構造物を構成する殻壁部およびその施工方法の変形例を説明する図（（ａ）、（ｂ））である。 本発明に係る積層構造物を構成する殻壁部およびその施工方法の変形例を説明する図（（ａ）、（ｂ））であり、同図は、図１のＸ－Ｘ断面を示している。 本発明に係る供給ヘッドに付設されるノズルの変形例を説明する図（（ａ）～（ｃ））であり、同図は、図１のＹ－Ｙ断面を示している。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。本実施形態は、積層構造物の生産性、施工性を向上し得る、３Ｄプリンタ技術を応用した積層構造物の施工技術である。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態ないし変形例は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態ないし変形例に特定するものではない。

図１に模式図を示すように、本実施形態の積層構造物は、橋脚のフーチング１０を地上に施工する施工現場Ｇの例である。本実施形態のフーチング１０は、施工装置として、３Ｄプリンタを含む三次元積層装置として構成された水硬性混合物供給装置２０と、各層間の接合強度を向上させるための補強体埋入装置６０と、充填材料供給装置であるコンクリートポンプ車両４０と、によって施工される。

まず、水硬性混合物供給装置２０について説明する。
水硬性混合物供給装置２０は、同図に示すように、クライミングクレーン同様に構成され、地上に立設されて継ぎ足し可能なマスト２１と、ジャッキアップ装置が内蔵されてマスト２１に沿って昇降可能なベースフレーム２２とを備える。
ベースフレーム２２上には、旋回機構が内蔵された旋回台２３と、旋回台２３上に支持された多関節型のロボットアーム２４とが搭載されている。また、ベースフレーム２２には、水硬性混合物であるプリント原料１を貯留可能な供給チャンバ２８と、供給チャンバ２８に付設された供給ポンプ２９と、供給ポンプ２９、旋回台２３およびロボットアーム２４を制御する制御部３０と、が装備されている。

さらに、この水硬性混合物供給装置２０は、ロボットアーム２４の先端に連結されてノズル２６を有する供給ヘッド２５と、供給ヘッド２５に、プリント原料１を供給可能に接続された原料供給管２７とを備える。ロボットアーム２４は、複数の関節を構成するアーム２４ａ～ｅを有する多軸のロボットであり、フーチング１０の輪郭に沿って供給ヘッド２５を移動可能に構成されている。特に、最終段のアーム２４ｅは、水平面での３６０°の旋回動作が可能になっている。
供給チャンバ２８の一次側には、原料供給管２７の一次側供給管２７ａが着脱可能に接続され、例えばコンクリートミキサ車９０から必要なプリント原料１を、一次側供給管２７ａを介して供給チャンバ２８に補充可能になっている。供給チャンバ２８の二次側には、原料供給管２７の二次側供給管２７ｂが接続されている。コンクリートミキサ車９０側には、供給チャンバ２８までプリント原料１を圧送可能なポンプを設けている。

ここで、本実施形態のプリント原料１には、水硬性混合物を用いている。本明細書において、「水硬性混合物」とは、種々のセメント系混合材料（例えばセメントペースト、モルタル、コンクリート）を含む意味であり、自立するとともに、速硬性を有する材料を用いている。自立性の確認は例えばチキソトロピー性により確認できる。速硬性を得るためには、早強材、セメント硬化促進剤の添加、急結剤を使用すればよい。また、吹付けコンクリートも場合によっては使用できる。

速硬性を有する材料としては、例えば、特開２００５－１８７２５７号公報、特開昭４９－７７９３４号公報、特開昭４８－１０２４号公報等に開示される材料がある。また、高チキソトロピー性の材料としては、高チキソトロピータイプ無収縮特殊ポリマー系断面修復モルタル材「なおしタル（登録商標：ドーピー建設工業株式会社）」等がある。
生コンクリートであれば、例えばスランプ値が１５ｃｍ～２４ｃｍの範囲のものが好ましく、スランプ値が１８ｃｍ～２４ｃｍの範囲のものがより好ましい。モルタルであれば、例えば打撃フロー値が１７５～１９５ｍｍの範囲のものが好ましく、打撃フロー値が１８０～１９０ｍｍの範囲のものがより好ましい。

前記「水硬性混合物」として、例えば、ポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、エコセメント、スラグセメント、カルシウムアルミナセメント、プラスター、燐酸セメント、白色セメント、ハイアルミナセメント、マグネシウムオキシクロライドセメント、ＭＤＦセメント、ＤＳＰセメント、パイラメント型セメントおよびデンシト型セメントを用いることができる。

すなわち、本実施形態のプリント原料１は、その供給時に、型枠を用いること無くフーチング１０の輪郭に沿って載置可能な流動性と、その積層時に輪郭上の供給位置に固定され且つその上部にも積層可能に自立するチキソトロピー性と、その積層後に輪郭上の供給位置に固定され且つその上部にも積層可能に自立して硬化する速硬性とを有する。
なお、プリント原料１には、後述する補強体４以外の補強材としてポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリエステル繊維やアラミド繊維などの合成樹脂繊維を針状に形成した短長繊維や、鋼繊維、ガラス繊維、シリカ繊維、セラミック繊維、炭素繊維などの無機繊維を、主材に事前に混合して用いてもよい。

ここで、本実施形態の水硬性混合物供給装置２０には、殻壁部を構成する各層相互の接合強度を向上させる補強体４を層内に埋入する補強体埋入装置６０が供給ヘッド２５に付設されている。
詳しくは、補強体埋入装置６０は、図２に要部を拡大図示するように、供給ヘッド２５に装着された装置本体６１と、装置本体６１の下部に設けられた射出ノズル６２とを有する。装置本体６１の内部には、多数の補強体４を収容するとともに各補強体４を所定の射出位置に供給可能に設けられたマガジン６３が内蔵されている。そして、射出位置の上部には、射出位置にある補強体４の後方に向けて高圧のエアーを噴出可能な射出装置６４が配置され、射出位置の補強体４を射出ノズル６２から下方に向けて射出可能になっている。

水硬性混合物供給装置２０および補強体埋入装置６０は、不図示の遠隔操作器から無線による遠隔操作により作動させることができる。図１に示す制御部３０は、遠隔操作器から自動運転を実行する制御信号を受信すると、受信した制御信号に応じて、自動運転に対応する３Ｄプリンティング処理を実行し、補強体埋入装置６０を含む水硬性混合物供給装置２０全体を制御可能になっている。本実施形態では、水硬性混合物供給装置２０による３Ｄプリンティング処理で、図３（ａ）に示す、フーチング１０の殻壁部１１を構築する。本実施形態の例では、同図に示すように、平面視が矩形枠状をなす殻壁部１１の輪郭に沿って３Ｄプリンティングが行われる。

次に、充填材料供給装置であるコンクリートポンプ車両４０について説明する。
本実施形態では、水硬性混合物供給装置２０による３Ｄプリンティング処理でフーチング１０の殻壁部１１を構築後に、図３（ｂ）に示すように、その殻壁部１１の内側を、自己充填性がある充填材料で充填して充填部１７を構築する。充填材料としては、本実施形態のような生コンクリート２の他、有機繊維や、無機繊維を混合した、種々のセメント系混合材料（例えばセメントペースト、モルタル、コンクリート）を、補強材の量、充填スペース、充填形状等に応じて適宜用いることができる。高流動コンクリートを使用すれば、締固め作業をすることなく充填することができる。また、中流動コンクリートを使用すれば、締固め作業が軽減される。その他、流動性の高い材料として、流動化処理土、エアモルタル、セメントミルクなどのセメント系材料を充填することができる。
本実施形態では、充填部１７の打設工法としてコンクリートポンプ工法を採用している。本実施形態のコンクリートポンプ工法では、図１に示すコンクリートミキサ車９０等で建設現場に搬送されてきた生コンクリート２を、コンクリートポンプ車４０を使用して打設個所まで圧送して充填部１７の打設を行なう。

図１に示すように、このコンクリートポンプ車４０は、一般的なコンクリートポンプ車両であって、車両のフレーム４１上に搭載されたコンクリートポンプ４４と、フレーム４１上にシリンダで屈伸可能に設けられた多段ブーム４２とを備える。コンクリートポンプ４４は、フレーム４１上に設けられるホッパ４５内にコンクリートミキサ車９０から投入された生コンクリート２を吸入して移送管４３に送給可能に構成されている。コンクリートポンプ車両４０は、オペレータの操作により、コンクリートポンプ４４により吐出される生コンクリート２を、多段ブーム４２に支持される移送管４３の先端からフーチング１０の殻壁部１１内の打設個所に圧送可能に構成されている。

次に、本実施形態の積層構造物の施工方法およびその作用効果について説明する。
水硬性混合物供給装置２０による３Ｄプリンティングでは、予め、構築しようとするフーチング１０の３次元形状をコンピュータモデリングするとともに、そのモデリングされたデータから、数多くの薄層に分けられた殻壁部１１の輪郭の２次元データを生成して、３Ｄプリンティングに必要な基礎構築データが準備されている。そして、基礎構築データは、予め水硬性混合物供給装置２０の制御部３０の記憶装置に格納されている。

オペレータは、水硬性混合物供給装置２０に向けて、遠隔操作器から無線による遠隔操作により自動運転を実行する制御信号を送信する。水硬性混合物供給装置２０の制御部３０は、受信した制御信号に応じて、対応する３Ｄプリンティング処理を実行する。制御部３０で所定の３Ｄプリンティング処理が実行されると、制御部３０は、まず、旋回台２３およびロボットアーム２４を移動させて、フーチング１０の構築すべき殻壁部１１の輪郭上の積層開始点に、供給ヘッド２５および供給ヘッド２５に付設された補強体埋入装置６０を位置させる。

その後、制御部３０は、供給チャンバ２８に付設された供給ポンプ２９を駆動するとともに、基礎構築データに基づいて、構築すべき殻壁部１１の輪郭に沿って旋回台２３およびロボットアーム２４の位置を移動させつつ、二次側供給管２７ｂを介して供給ヘッド２５にプリント原料１を供給してノズル２６から吐出する。これにより、基礎構築データに応じた一のプリント層を殻壁部１１の輪郭上に形成できる。

ここで、殻壁部１１は、プリント原料１が積層された構造となるところ、３Ｄプリンティングのみでは、各層間をつないで引っ張り力を負担する軸部材が存在しないことから、各層間の打重ね部の接合強度が低くなるおそれがある。そこで、本実施形態では、水硬性混合物供給装置２０で殻壁部１１の各プリント層を形成時に、図２および図３に示すように、プリント層内に３Ｄプリンティングとは別箇に補強体４を埋入している。なお、補強体４として、水硬性混合物であるプリント原料１による殻壁部１１の輪郭の積層部に、例えば、鋼材，鉄筋，連続繊維等の補強部材を配置することができる。本実施形態では、補強体４として、線状の鉄筋部材をその軸線を縦に配置する例である。

本実施形態の積層構造物の施工方法では、水硬性混合物供給装置２０は、一のプリント層を形成後、基礎構築データに基づいて、プリント原料１を一層ずつ３Ｄプリンティングしつつ、各層内に所定の間隔で複数の補強体４を埋入したプリント層を順に積み上げることができる。
詳しくは、水硬性混合物供給装置２０は、まず、図２に示すように、プリント原料１を供給ノズル２６から所期の輪郭に沿って吐出し、プリント層のうち第一層１１ｐを形成する（工程１）。このプリント原料１は、上述したように、積層可能程度のチキソトロピー性があり、次のプリント層を吐出するまでに、ある程度の自立をする強度を有する材料を用いているので、所期の輪郭に沿ってプリント層のうち第一層１１ｐを形成できる。

次いで、補強体埋入装置６０は、供給ノズル２６からのプリント原料１の吐出タイミングからやや遅れて、未固化状態の第一層１１ｐに対し、補強体埋入装置６０の射出ノズル６２から所定の間隔で補強体４を第一層１１ｐに向けてその軸線を縦に射出し、補強体４の下端側を第一層１１ｐに埋入する（工程２）。補強体４の下端側の埋入量は、補強体４の形状やプリント原料１の粘度等に応じて射出圧を調整することにより、補強体４の全長の１／２が埋入するように予め設定される。

ここで、ロボットアーム２４は、上述したように、その最終段のアーム２４ｅが、水平面で３６０°の旋回動作が可能になっている。そのため、供給ノズル２６に対する射出ノズル６２の位置は、アーム２４ｅの旋回による追従制御によって、常に吐出タイミングからやや遅れた追従位置に位置することができる。
これにより、本実施形態によれば、補強体埋入装置６０は、供給ヘッド２５の移動経路に追従しながら射出ノズル６２から補強体４を射出し、図３（ａ）および図４に示すように、フーチング１０の輪郭に沿って、一のプリント層内に複数の補強体４を所定間隔および所定の深さで埋設することができる。
なお、各プリント層を構成する水硬性混合物であるプリント原料１は急速に硬化するため、制御部３０は、プリント原料１に含まれた水分量などの硬化条件に応じ、供給ヘッド２５の移動速度や、補強体埋入装置６０による各プリント層への補強体４の射出タイミングを制御する。但し、補強体４を埋入する時期は、プリント原料１によるプリント層が未固化状態であれば、本実施形態のようにプリント層を積層しながら補強体４を埋入してもよいし、プリント層の積層の前後において適切な時期に埋入してもよい。

さらに、本実施形態の積層構造物の施工方法では、図５（ａ）に示すように、プリント層の第一層１１ｐに補強体４を埋入後に、その第一層１１ｐ上にプリント層の第二層１１ｑを構築するプリント原料１を供給ノズル２６から吐出しつつ、工程２と同様に、未固化状態の第二層１１ｑに対し、補強体埋入装置６０の射出ノズル６２から所定の間隔で補強体４を第二層１１ｑに向けて射出し、補強体４の下端側を第二層１１ｑに埋入する。これにより、第二層１１ｑとその一段下の第一層１１ｐとの層間における補強体４は、殻壁部１１を構成する各層相互の接合強度を向上させるように、上下で隣接するプリント層相互を繋ぐように埋入される（工程３）。

このとき、同図（ｂ）に示すように、多段のプリント層のうち、一段下のプリント層１１ｑに埋入済みの複数の補強体４の配置に対し、その一段上のプリント層１１ｖにこれから埋入する補強体４を、現在積層中のプリント層１１ｖの延在方向にて前後する位置に配置して千鳥状の配置とすれば、より強固に殻壁部１１を一体化できる。
本実施形態では、このような千鳥状の配置となるように補強体４の射出タイミングを各層毎に制御している。以下、同図（ｃ）に示すように、プリント原料１による複数のプリント層の形成と補強体４の埋入とを上述した手順で、第一層１１ｐ、第二層１１ｑ、第三層１１ｖ、第四層１１ｗ、第五層１１ｘ、第六層１１ｙ・・・・と繰り返すことで、積層間が一体化された積層構造物である殻壁部１１を形成できる（工程４）。

このように、本実施形態では、供給ヘッド２５から供給されてフーチング１０の基礎上に構築された殻壁部１１の各プリント層が順次に硬化し、硬化されたプリント層上に再びその上の層の殻壁部１１の２次元輪郭データに基づいたプリント層の形成を所定の間隔で補強体４を埋入しつつ繰り返し行って、所望するフーチング１０の３次元殻壁形状を構築する（殻壁形成工程、補強体埋入工程）。次いで、本実施形態では、上述したコンクリートポンプ車両４０によって、殻壁部１１の区画１１ｋ内に生コンクリート２を充填して充填部１７を形成する（区画充填工程）。

このようにして施工された本実施形態の積層構造物の殻壁部１１によれば、層間相互の補強体４の配置状態は、上下に隣接する他の層の補強体４に対して千鳥に位置するように交互に補強体４が配置される。よって、これにより構築されたフーチング１０は、殻壁部１１全体として補強体４が千鳥に配置されるので、各層間の接合強度を向上させる上で好適である。なお、同図（ｃ）に示すように、殻壁部１１の最上段のプリント層については、補強体４の埋入を不要とすることができる。

なお、殻壁部１１のＺ軸方向での積層位置は、旋回台２３およびロボットアーム２４の移動可能範囲であれば、旋回台２３およびロボットアーム２４の移動制御によって行われる。また、旋回台２３およびロボットアーム２４の移動可能範囲を超える場合には、マスト２１に対するベースフレーム２２のジャッキアップ装置が駆動され、ベースフレーム２２のクライミング動作によって行われる。

ここで、積層構造物の外周に形成される殻壁部の厚さおよび高さは、積層による殻壁部の構築時に自重による変形が抑制でき、内部充填時に作用する外周高さ相当の液圧を考慮して適宜決定することができる。
例えば、図１に示すように、本実施形態では、殻壁部１１の下から順に、施工領域α、β、γ等に区分して、上記施工領域α、β、γをそれぞれ１サイクルとして、以降、同手順を繰り返すことにより、殻壁拘束型の積層構造物を構築できる。本実施形態のように水硬性混合物供給装置２０がクライミングクレーン型であれば、ジャッキアップ装置の駆動によって、各施工領域に併せてベースフレーム２２の高さを移動できるので好適である。

このように、本実施形態によれば、施工現場にて、積層構造物であるフーチング１０を構築する際に、まず、フーチング１０の構築すべき殻壁部１１の輪郭に沿ってプリント原料１を積層して周囲が閉じた区画１１ｋを有する殻壁部１１を形成し、次いで、その殻壁部１１の区画１１ｋ内に生コンクリート２を充填して充填部１７を形成するので、施工の迅速化，省力化，危険作業の無人化を目的とし、コンクリート施工の施工性を向上し得る、３Ｄプリンタ技術を応用したコンクリート施工技術を提供できる。
特に、本実施形態によれば、プリント原料１には、チキソトロピー性が高く自立し速硬性を有するセメント系材料等を主材とする配合を用いており、対象とする構造物の外周殻壁（外郭）を３Ｄプリンタで精緻に積層・構築できるため型枠が不要である。また、足場の構築およびその撤去作業を不要とすることができる。

そして、本実施形態によれば、積層構造物を構築する際に、まず、構築すべき殻壁の輪郭に沿ってプリント原料１（水硬性混合物）を積層して周囲が閉じた区画を有する外周殻壁である殻壁部１１を形成し、次いで、その殻壁部１１の区画１１ｋ内に生コンクリート２（充填材料）を充填して充填部１７を形成するので、積層構造物の総てをノズル先端から吐出するプリント原料１で施工する方法に比べて、施工現場にて効率良く積層構造物を構築できる。よって、フーチング，梁，柱等の底面積が大きな積層構造物への適用に好適である。

ここで、従来の３Ｄプリンタ技術にあっては、このような異種の材料が複合した積層構造物の構築が難しいという問題がある。これに対し、本実施形態の積層構造物施工装置であれば、水硬性混合物供給装置２０で外周の殻壁部１１を形成し、その内側を、コンクリートポンプ車４０により、自己充填性がある充填材料としての生コンクリート２で充填する構成なので、充填部１７を形成する際に、内部に鉄筋や鉄骨が骨組みとして補強される構造物の構築が可能である。
なお、充填材料は、生コンクリートに限定されないことは勿論、生コンクリートも種々の態様のものを採用できる。例えば、自己充填性の程度も、高流動性のある生コンクリートを用いたり、通常の生コンクリートを用いたりすることができる。通常の生コンクリートを用いる場合、締固め用バイブレータを使用することは好ましい。また、充填材料を供給する装置についても、コンクリートポンプ車４０に限らず、シュートから直接供給したり、パケットにより供給したり等、種々の装置を用いることができる。

コンクリートポンプ車４０の材料供給部である移送管４３の近傍に締固め用バイブレータを設け、生コンクリート２を充填しつつ、締固め用バイブレータを駆動すれば、内部に鉄筋や鉄骨が骨組みとして補強される構造物の場合であっても、生コンクリート２を効率良く充填する上で好適である。なおまた、殻壁部１１の内側の充填部１７についても、必要に応じて、事前に鋼材，鉄筋，連続繊維等の補強材を配置することができる。

そして、特に、本実施形態の積層構造物の施工方法では、積層構造物を構築する際に、まず、構築すべき殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物であるプリント原料１を積層して殻壁部１１を形成するとともに、殻壁部１１を構成する各プリント層相互の接合強度を向上させる補強体４を層内に埋入するので、各層間の接合強度を向上させることができる。

また、本実施形態の積層構造物であるフーチング１０によれば、構築すべき殻壁の輪郭に沿ってプリント原料１を積層した殻壁部１１が形成され、さらに、その殻壁部１１を構成する各プリント層相互の接合強度を向上させるように層内に複数の補強体４が埋入されているので、従来の積層構造物に比べて、層間の接合強度が向上された構造物とすることができる。

さらに、本実施形態の積層構造物施工装置によれば、フーチング１０を構築する際に、水硬性混合物供給装置２０によって、構築すべき殻壁の輪郭に沿ってプリント原料１を積層して殻壁部１１を形成できる。そして、補強体埋入装置６０によって、プリント原料１の積層とは別個に、殻壁部１１の層内に複数の補強体４を所定間隔で埋入できる。そのため、層間の接合強度が向上されたフーチング１０を効率良く構築できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、各層間の接合強度を向上させ得る積層構造物の構築技術を提供できる。なお、本発明に係る積層構造物の施工方法、積層構造物、および積層構造物施工装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。

例えば、外周の殻壁部１１の水硬性混合物とその殻壁内部の充填材料とは、要求性能に応じて使いわけてもよい。例えば殻壁部１１の水硬性混合物には、長期耐久性に優れた高品質な配合を用い、殻壁部１１の区画１１ｋを充填する充填材料は、普通品質の配合のコンクリートを用いることでコストダウンが可能となる。
また、水硬性混合物と充填材料との使いわけにより、コンファインド効果を含む補強効果を狙って、例えば充填部１７を形成するコンクリートには比較的に安価な材料を用いつつも、殻壁部１１を形成するプリント材料の強度を上げることができる。これにより、積層構造物全体としての耐力や靱性を向上させることができる。
また、内部に鋼材を用いた場合の耐久性を高める方策として、殻壁部１１を構築する材料に、水セメント比の小さい材料や、緻密な材料を使用すれば、鋼材の劣化因子である塩化物イオンの浸透や、コンクリートの中性化の原因となる二酸化炭素の浸透を防止することができ、耐久性を向上させることができる。

また、例えば上記実施形態では、積層構造物としてフーチング１０を構築する例を説明し、平面視が略矩形枠状の殻壁部１１を形成する例を示したが、本発明を適用可能な積層構造物はフーチングに限定されない。つまり、本発明の殻壁とは、内部を囲繞するように形成された殻壁部１１に限定されず、施工時に流動性を有するとともに施工後には所期の構造物として必要な強度まで硬化する水硬性混合物を積層して形成された積層構造物であれば、種々の積層構造物に適用可能である。
また、殻壁部１１の形状も上記実施形態に限定されない。つまり、本発明に係る積層構造物の殻壁は、構築すべき殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物を積層したものであれば、種々の態様とすることができる。具体的には、殻壁部１１の輪郭の形状は、枠状に限定されず、種々の態様の壁面状とすることができるし、また、枠状に構築する場合であっても、平面視において略矩形枠状に限定されず、例えば円環状や、多角形の環状とすることができる。

また、例えば上記実施形態では、補強体４として、線状の鉄筋部材をその軸線を縦に配置する例を示したが、これに限らず、補強体４は、種々の材料を採用できるし、また、図６に示すように、様々な形状とすることができる。例えば線状の鉄筋部材を用いる場合に、補強体４の付着強度を高める上で、同図（ａ）に示すように、補強体４の軸部４ａに対し、その両端部４ｂを曲げて略コ字状ないしＵ字状とすることで、付着強度を高めることができる。また、同図（ｂ）に示すように、補強体４の軸部４ａの両端部に張り出し部４ｃをそれぞれ形成して、略Ｉ字状ないしＨ字状とすることで、付着強度を高めることができる。また、同図（ｃ）に示すように、補強体４の軸部４ａに対し、その端部に環状部４ｄを付設してもよい。

また、同図（ｄ）に示すように、補強体４の軸部４ａの途中部分を曲げてもよいし、更にその補強体４の端部を曲げたり、端部に張り出し部を形成したりする態様を組み合わせてもよい。同図の例では、補強体４の軸部４ａの途中部分でＶ字状に曲げるとともに、端部に張り出し部４ｃを形成した例である。また、同図（ｅ）に示すように、補強体４は、線状に限らず、補強体４自体の形状を円環状にしても付着強度を高めることができる。

また、補強体４の材料についても、様々な材料を用いることができる。例えば、鉄筋などの鋼材の他、連続繊維等の部材を用いてもよいし、また、図７に示すように、軸部４ａの上端に、「Ｈｅａｄ－ｂａｒ」のようなプレート定着形の鋼板材４ｔを付設してもよい。なお、同図（ａ）は、円形の鋼板材４ｔを付設した例であり、（ｂ）は矩形の鋼板材４ｔを付設した例である。
補強体４の形状を「Ｈｅａｄ－ｂａｒ」のようなプレート定着形とすれば、図８に示すように、複数のプリント層１１ｑ～１１ｘに対し、隣接する補強体４のコーン破壊面Ｄｍが重なるように複数の補強体４を互いに配置することで耐力の向上が見込める。
また、補強体４として、プレート定着形の鋼材を用いるとコーン破壊面Ｄｍが拡大して補強効果が向上する。このように、本発明では、積層間の一体化を、繊維（有機繊維もしくは鋼繊維）または線材（鋼線、鋼撚り線）の補強材を積層方向に沿ってまたは積層方向と直交方向に配置して層間の一体化を図ることができる。

また、例えば、上述した補強体４を配置する手段には、様々の装置を用いることができる。例えば、図９に示す第一変形例の補強体埋入装置６０Ｂのように、補強用線材４ｒを巻きつけたリール６３からその補強用線材４ｒを順次に繰り出し、内蔵された切断装置６５によって所定長に補強用線材４ｒを切断して補強体４を形成し、その切断後の補強体４をプリント層に沿って射出ノズル６２から送り出すことにより補強体４を配置することができる。

また、上記実施形態では、線材からなる補強体４をその軸線を縦にしてプリント層に向けて所定の間隔で配置する例を示したが、これに限らず、本発明では、補強体４の配置姿勢や配置間隔、配置方向等についても種々設定することができる。
例えば、図１０に示す第二変形例のように、繊維状の補強体４を供給可能な補強体埋入装置６０Ｃからプリント層に沿って繊維状の補強体４を吹き付けることができる。同図の例では、繊維材ないし鋼線材を予め適宜の長さに切断加工されたものを補強体４としており、この補強体４を圧縮空気により順次にプリント層の上面に吹き付けて、補強体４をプリント層の上面にばらまくように載置する例である。また、補強体４の配置手段としては、射出や吹付けの他、機械的に補強体４の線材部分を掴み、プリント層に沿って層中に、田植えのように植え込むことで配置してもよい。

また、例えば直交方向に埋設した上記補強体４と併用可能な水平方向への補強材の配置例を図１１に示す。水平方向に補強体を設置する場合、先組みした鉄筋をプリント層に沿って載置できる他、同図に示す第二補強体埋入装置７０のように、供給ヘッド２５のノズル２６から、プリント原料１とともに、プリント層に沿って補強用の線材からなる補強体５を連続して送り出し、プリント層に載置または埋入して設置することができる。

ここで、本発明に係る積層構造物の殻壁部を構築する際に、「殻壁の輪郭の形状」とは、線および面を含む意味に解釈されるものである。つまり、殻壁部１１を形成する構築すべき殻壁の輪郭の形状は、ノズル２６から一度に吐出されるプリント原料１の幅である場合には、実質的に「輪郭線」と解することができる。

他方、ノズル２６から一度に吐出されるプリント原料１の幅を超える場合には、図１２に示すように、内輪郭線１１ｕと外輪郭線１１ｓとの間の領域と解することができる。この場合、各層の２次元の輪郭形状内に殻壁の輪郭に沿ってプリント原料１を吐出するとともに補強体４を埋入する。例えば同図（ａ）の例では、殻壁部１１の一の層の内周側１１ａと外周側１１ｂとにプリント原料１を吐出するとともにそれぞれに補強体４を埋入する。また、同図（ｂ）の例では、一の層の内周側１１ａ、その外側１１ｃ、および外周側１１ｂにプリント原料１を吐出するとともにそれぞれに補強体４を埋入する。なお、必ずしも全てに同様に補強体４を埋入する場合に限らず、適宜に間引きを行ってもよい。

また、本発明に係る積層構造物の殻壁部を構築する際に、「殻壁の輪郭の形状」とは、縦断面視において、同一形状に限定されず、各層毎の２次元の輪郭形状を定義できる。つまり、上述した実施形態同様、図１３（ａ）に示すように、殻壁部１１を構成する各層が、同図の下側から同一の形状（第一層１１ｐ、第二層１１ｑ、第三層１１ｖ、第四層１１ｗ・・・・）である場合は勿論、同図（ｂ）に示すように、第一層１１ｐが、幅方向に３つの吐出部１１ｄ、１１ｅ、１１ｆからなり、第二層１１ｑが、幅方向に２つの吐出部１１ｇ、１１ｈからなり、第三層１１ｖが、幅方向に１つの吐出部１１ｍからなるという組から構成することができる。これら積層構造に対し、当然に、上述した実施形態や図６～図８に示した補強体４ないし図１１に示した補強体５を埋入する構成相互を適宜に組み合わせることができる。

また、本発明に係る積層構造物の殻壁部を構築する際に、ノズル２６から吐出されるときのプリント原料１の横断面形状も、図１４に例示するように、種々の形状とすることができる。つまり、図１４（ａ）に示すように、ノズル２６を円筒形状とし、プリント原料１の吐出時の横断面形状２６ｎを円形状にできることは勿論、同図（ｂ）に示すように、ノズル２６を矩形筒形状とし、プリント原料１の吐出時の横断面形状２６ｎを矩形状にできる。また、同図（ｃ）に示すように、ノズル２６を矩形以上の多角形筒形状とし、プリント原料１の吐出時の横断面形状２６ｎを多角形状にできる。同図の例は六角形とした例である。このようなノズルを用いて積層すれば、各層間の接合強度をより向上させる上で好適である。

さらに、本発明に係る積層構造物の施工方法において、上記実施形態のように、予め格納されている３Ｄプリンティング処理のプログラムに基づき、殻壁を構築する以外に、現場でのオペレータによるティーチング・プレーバックを実行可能な３Ｄプリンティング処理のプログラムに基づき殻壁を構築してもよい。特に、現場でのオペレータによるティーチング・プレーバックであれば、簡単な積層工程に有効である。

また、水硬性混合物供給装置２０の例として、上記実施形態では、ロボットアーム２４をクライミングクレーン型の装置に装備した例を示したが、これに限定されず、構築すべき殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物を積層して殻壁部を形成可能な装置であれば、種々の態様とすることができる。例えばロボットアーム型に限定されず、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸に移動可能な供給ヘッドを備える装置であれば種々の態様の３Ｄプリンタを含む装置を採用することができる。

１ プリント原料（水硬性混合物）
２ 生コンクリート（充填材料）
３ 流動化処理土（充填材料）
４ 補強体
５ 第二の補強体
１０ フーチング（積層構造物）
１１ 殻壁部（積層構造物）
１１ｒ 殻壁の輪郭
１１ｕ 内輪郭線
１１ｓ 外輪郭線
１１ｋ 殻壁の区画
１７ 充填部
２０ 水硬性混合物供給装置（３Ｄプリンタを含む装置：積層構造物施工装置）
２１ タワー
２２ ベースフレーム
２３ 旋回台
２４ 多関節アーム
２５ 供給ヘッド
２６ ノズル
２７ 原料供給管
２８ 供給チャンバ
２９ 供給ポンプ
３０ 制御部
４０ コンクリートポンプ車（充填材料供給装置：積層構造物施工装置））
４１ フレーム
４２ 多段ブーム
４３ 移送管
４４ コンクリートポンプ
４５ ホッパ
６０ 補強体埋入装置（積層構造物施工装置）
６１ 装置本体
６２ 射出ノズル
６３ マガジン
６４ リール
６５ 切断装置
７０ 第二補強体埋入装置
９０ コンクリートミキサ車
Ｇ 施工現場

Claims (2)

1. 施工時に流動性を有するとともに施工後には硬化する水硬性混合物を、３Ｄプリンタを含む三次元積層装置で積層して積層構造物を施工する方法であって、
   構築すべき殻壁の輪郭に沿って前記水硬性混合物を積層して殻壁部を形成する殻壁形成工程と、前記殻壁部の上下で隣接する層相互を繋ぐように補強体を埋入する補強体埋入工程と、を含み、
   繊維材ないし鋼線材を予め適宜の長さに切断加工された前記補強体を、圧縮空気により順次に前記殻壁部を構成するプリント層の上面に吹き付けることを特徴とする積層構造物の施工方法。
2. 施工時に流動性を有するとともに施工後には硬化する水硬性混合物を、３Ｄプリンタを含む三次元積層装置で積層して形成された積層構造物であって、
   殻壁の輪郭に沿って水硬性混合物が積層されてなる殻壁部と、該殻壁部を構成して上下で隣接する層相互を繋ぐように埋入された補強体と、を有し、
   繊維材ないし鋼線材を予め適宜の長さに切断加工された前記補強体が、前記殻壁部を構成するプリント層の上面に吹付けられていることを特徴とする積層構造物。

Images