JP7162458B2

JP7162458B2 - 高層建物の設計方法および施工方法

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Publication number: JP7162458B2
Application number: JP2018136652A
Authority: JP
Inventors: 正美戸澤; 一智横山; 英之眞野; 美治浅香; 貴俊桐山; 彰宏小川
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: JP2020012341A

Description

本発明は、地下躯体を備える高層建物の設計方法および施工方法に関するものである。

従来、超高層建物の地下は、一般的に地上部よりも大きな平面形状の躯体となっている。特に、超高層ＲＣ（鉄筋コンクリート）造建物の施工においては、超高層部分の荷重が大きく、外周の低層部分のみの荷重が小さいため、建物の施工進捗に応じて地盤に加わる荷重・沈下量が増大し、超高層部分と低層部分との境界部に大きな相対沈下差（強制変形量）が生じることがある（例えば、特許文献１～３を参照）。

その対応策の一つに、超高層建物の施工中には、超高層棟とその外周の低層棟（地下階や低層階）の境界部に施工ジョイントを設けておいて、相対沈下差による構造体の変形・ひび割れを回避し、超高層棟の躯体構築後に境界部をつなぐという方法が知られている。

特開２００２－６１２０３号公報特開２０１２－４６９５０号公報特開２００７－２３９３９０号公報

しかしながら、超高層建物の上棟まで地下階や低層階の躯体工事を残すということは、仕上工事への着手の遅れを招き、工程遅延のリスクを背負うこととなる。また、地下階における打継面の発生は漏水等の品質低下を招くおそれがある。そのため、高層躯体の上棟を待たずに低層躯体を施工することのできる方法が求められていた。

一方、従来の高層建物の設計においては、沈下による応力を計算する際には高層建物の基礎構造のみをモデル化し、基礎構造のみによって沈下による応力を負担するものとして計算することが一般的であった。

これに対し、本発明者が、高層建物の施工ステップを再現しながら沈下解析を行ったところ、高層建物の基礎構造だけではなく、高層建物の地下躯体も沈下に対して有効に働くことが確認された。その結果、従来は超高層部分と低層部分の境界部に施工ジョイントを設けてひび割れの発生を回避し、超高層部分の上棟後までつなぐことのできなかった躯体を、下層から上層に向けて順次構築していくことのできる本発明をするに至った。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高層躯体の上棟を待たずに低層躯体を施工することのできる高層建物の設計方法および施工方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高層建物の設計方法は、基礎地盤に設けられる基礎構造と、この基礎構造の上に設けられる地下躯体と、この地下躯体の上の地上に設けられる低層躯体と、この低層躯体の上に設けられ、低層躯体または地下躯体よりも小さい平面形状の高層躯体とを備えた高層建物を設計する方法であって、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工過程を模擬した沈下解析モデルにおいて、基礎構造および地下躯体によって沈下による応力を負担すると仮定して、沈下による応力を計算して、基礎構造および地下躯体の沈下に対する抵抗性能を把握する解析ステップと、把握した沈下に対する抵抗性能に基づいて、地下躯体または低層躯体と高層躯体との境界部における施工ジョイントを低減または不要として設計する設計ステップとを有することを特徴とする。

また、本発明に係る他の高層建物の設計方法は、上述した発明において、設計ステップの後、地下躯体の内部の耐力壁の仕様を変化させて、解析ステップおよび設計ステップを繰り返し実行することを特徴とする。

また、本発明に係る高層建物の施工方法は、上述した高層建物の設計方法において境界部における施工ジョイントを不要として設計した後、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していくことを特徴とする。

本発明に係る高層建物の設計方法によれば、基礎地盤に設けられる基礎構造と、この基礎構造の上に設けられる地下躯体と、この地下躯体の上の地上に設けられる低層躯体と、この低層躯体の上に設けられ、低層躯体または地下躯体よりも小さい平面形状の高層躯体とを備えた高層建物を設計する方法であって、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工過程を模擬した沈下解析モデルにおいて、基礎構造および地下躯体によって沈下による応力を負担すると仮定して、沈下による応力を計算して、基礎構造および地下躯体の沈下に対する抵抗性能を把握する解析ステップと、把握した沈下に対する抵抗性能に基づいて、地下躯体または低層躯体と高層躯体との境界部における施工ジョイントを低減または不要として設計する設計ステップとを有するので、従来、地下躯体または低層躯体と高層躯体との境界部に要していた施工ジョイントを低減または不要とすることができる。そして、地下躯体等の物性を変えて解析ステップと設計ステップを繰り返し、施工ジョイントを不要にできるほど地下躯体または低層躯体と高層躯体との相対沈下量を小さくできれば、地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工が可能となる。このため、高層躯体の上棟を待たずに低層躯体を施工することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の高層建物の設計方法によれば、設計ステップの後、地下躯体の内部の耐力壁の仕様を変化させて、解析ステップおよび設計ステップを繰り返し実行するので、相対沈下量をより一層小さくし、施工ジョイントを不要にするための設計が可能になるという効果を奏する。

また、本発明に係る高層建物の施工方法によれば、上述した高層建物の設計方法において境界部における施工ジョイントを不要として設計した後、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していくので、施工ジョイントによる後施工箇所がなくなり、工程遅延のリスク、打継面での漏水等のリスクを排除することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る高層建物の設計方法および施工方法の実施の形態を示す解析モデルの図である。図２は、マットスラブ（基礎構造）モデルの平面図である。図３は、地下躯体モデルの斜視図である。図４は、基盤層で拘束圧依存を考慮した要素群の図である。図５は、最下層における柱荷重分布図である。図６は、柱荷重載荷位置を示す斜視図であり、（１）はＢ３Ｆ構築時、（２）は１Ｆ、２５Ｆ、ＲＦ構築時である。図７は、解析モデル図であり、（１）はマットスラブ（基礎構造）モデル、（２）は地下躯体を考慮したモデルである。図８は、施工ジョイントの施工位置を示す平面図である。図９は、鉛直沈下量分布の比較図であり、（１）は従来の解析結果（基礎構造の剛性のみを考慮）、（２）は本発明の解析結果（地下躯体の剛性も考慮）である。

以下に、本発明に係る高層建物の設計方法および施工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（高層建物の設計方法）
まず、本発明に係る高層建物の設計方法の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る高層建物は、基礎地盤（基盤層）上に設けられる基礎構造（マットスラブ）と、この基礎構造の上に設けられる地下躯体と、この地下躯体の上の地上に設けられる低層躯体と、この低層躯体の上に設けられ、低層躯体よりも小さい平面形状の高層躯体とを備えた高層建物である。本実施の形態の設計方法では、解析ステップと、設計ステップとを有している。

解析ステップは、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工過程を模擬した沈下解析モデルにおいて、基礎構造および地下躯体によって沈下による応力を負担すると仮定して、沈下による応力を計算して、基礎構造および地下躯体の沈下に対する抵抗性能を把握するものである。

設計ステップは、把握した沈下に対する抵抗性能に基づいて、地下躯体および低層躯体と高層躯体との境界部における施工ジョイントを低減または不要として設計するものである。

次に、解析ステップの一例を説明する。この解析ステップでは、地盤と地下躯体とを一体とした三次元の連成沈下解析モデルを用いて、沈下による応力を計算し、部材に加わる変形量を求め、基礎構造および地下躯体の沈下に対する抵抗性能を把握するものである。

図１は、この解析ステップにおいて使用した沈下解析モデル図である。この図に示すように、地盤、地下躯体を三次元有限要素でモデル化した。低層躯体および高層躯体については荷重として考慮するものとした。地盤は、表層（基礎下端以浅の地盤）と基盤層１、２の積層構造でモデル化した。また、地下躯体として地下６階分を、その上の低層躯体および高層躯体として地上５３階分を荷重として想定した。地下躯体の高さは４０ｍ程度、基盤層１、２の厚さは７０ｍ程度とした。

図２に示すように、基礎構造は、地盤の解析モデルの平面中央に配置されるマットスラブとし、二次元有限要素でモデル化した。このマットスラブは長方形の中央マットとその周囲の外周マットとからなり、中央マットの厚さを５ｍ、外周マットの厚さを３．５ｍに設定した。中央マットの平面寸法は６０ｍ×４０ｍ程度、地盤モデルの平面寸法は２４０ｍ×２００ｍ程度とした。

図３に示すように、地下躯体モデルは、各階床スラブ、大梁、柱、外壁を備えるものとしてモデル化した。外壁はマットスラブ外縁から鉛直にシェル要素を立ち上げることで作製した。

地盤の非線形性として拘束圧依存性を考慮した。すなわち、地盤掘削による拘束圧減少分、建屋増築による拘束圧増分を求め、図４に示すように、高層棟直下の基盤層を対象として、深さ方向に基盤層１は２層、基盤層２は３層をグルーピングする。グルーピングした要素の初期平均応力に、拘束圧増分の平均値を加える。そして、グルーピングした要素のせん断剛性を、拘束圧が増加した分だけ増加させる。

境界条件については、鉛直載荷問題であることから、地盤モデルの側方は鉛直ローラーの条件（面外自由度固定）、底面は固定条件（全自由度固定）を付与した。また、地盤掘削時の境界条件については、地盤モデル内の山留め位置を鉛直ローラーの条件に設定した。

荷重は、マットスラブ構築時のマット自重、建屋構築時の建屋自重を考慮した。地盤要素の自重は物体力として付与した。マット自重や地下躯体自重は施工ステップに合わせ、要素追加時に自重として付与した。低層躯体および高層躯体の重量は施工ステップごとに節点力として、図５に示すように、該当する節点に付与した。各施工ステップにおける荷重載荷状況を図６に示す。

上述したように、従来の高層建物の設計においては、沈下による応力を計算する際には高層建物の基礎構造のみをモデル化し、基礎構造のみによって沈下による応力を負担するものとして計算していた。これに対し、本発明の解析ステップでは、上記の沈下解析モデルにおいて、マットスラブ（基礎構造）の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工過程を模擬し、マットスラブおよび地下躯体によって沈下による応力を負担すると仮定して、沈下による応力を計算する。本例では地下躯体までを構造要素でモデル化し、低層、高層躯体は荷重として剛性は考慮しなかったが、低層躯体、高層躯体も要素でモデル化することも可能である。

従来と本発明の解析結果を比較するために、図７（１）に従来の解析モデル（要部）を、（２）に本発明の解析モデル（要部）を示す。（１）の解析では、マットスラブ（基礎構造）の剛性のみを考慮し、マットスラブ全面に建物の全荷重を分布圧として付与し解析を行う。（２）の解析では、マットスラブ（基礎構造）および地下躯体の剛性を考慮し、上記の条件を使用して解析を行い、マットスラブおよび地下躯体の沈下に対する抵抗性能を把握する。

図９（１）に従来の解析結果を、（２）に本発明の解析結果を示す。図９（１）の基礎構造だけをモデル化した場合に比べて、図９（２）の地下躯体を含めてモデル化した場合の剛性が２倍以上となっており、基礎部分の相対沈下量、最大絶対沈下量を減らす効果が確認できる。

このように、本発明の解析ステップによれば、地下躯体の架構剛性の変化を考慮して施工進展による沈下量を適切に評価できる。このため、施工ジョイントなど後施工の要否を適切に判断できる。

建物剛性を考慮した沈下解析によって相対沈下量を適切に評価することにより、従来要していた施工ジョイントを低減または不要とすることができる可能性がある。本例では図８の位置Ｐの施工ジョイントが不要にできるので、他の部分と同様にＲＣ梁で構築することができた。

また、後施工箇所がなくなることで、工程遅延のリスク、打継面での漏水等のリスクを低減することができる。

なお、上記の実施の形態において、地下躯体等の物性を変えて解析ステップと設計ステップを繰り返し、不同沈下を最小とする最適な躯体設計を可能とすることができる。

また、上記の解析モデルでは、地下躯体モデルが各階床スラブ、大梁、柱、外壁を備える場合を例にとり説明したが、本発明の解析モデルはこれに限るものではなく、さらに内部に耐力壁を備える地下躯体モデルを用いて解析してもよい。そして設計ステップの後、地下躯体の内部の耐力壁の仕様（例えば位置や数など）を変えて、解析ステップおよび設計ステップを繰り返し実行してもよい。この結果、耐力壁を有効に配置することができれば、地下躯体の沈下に対する抵抗性能が高まり、相対沈下量等をより一層小さくすることができる。

（高層建物の施工方法）
次に、本発明に係る高層建物の施工方法の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る高層建物の施工方法は、上述した高層建物の設計方法において境界部における施工ジョイントを不要として設計した後、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していくものである。このようにすることで、施工ジョイントによる後施工箇所がなくなり、工程遅延のリスク、打継面での漏水等のリスクを排除することができる。

以上説明したように、本発明に係る高層建物の設計方法によれば、基礎地盤に設けられる基礎構造と、この基礎構造の上に設けられる地下躯体と、この地下躯体の上の地上に設けられる低層躯体と、この低層躯体の上に設けられ、低層躯体または地下躯体よりも小さい平面形状の高層躯体とを備えた高層建物を設計する方法であって、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工過程を模擬した沈下解析モデルにおいて、基礎構造および地下躯体によって沈下による応力を負担すると仮定して、沈下による応力を計算して、基礎構造および地下躯体の沈下に対する抵抗性能を把握する解析ステップと、把握した沈下に対する抵抗性能に基づいて、地下躯体または低層躯体と高層躯体との境界部における施工ジョイントを低減または不要として設計する設計ステップとを有するので、従来、地下躯体または低層躯体と高層躯体との境界部に要していた施工ジョイントを低減または不要とすることができる。そして、地下躯体等の物性を変えて解析ステップと設計ステップを繰り返し、施工ジョイントを不要にできるほど地下躯体または低層躯体と高層躯体との相対沈下量を小さくできれば、地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工が可能となる。このため、高層躯体の上棟を待たずに低層躯体を施工することができる。

また、本発明に係る他の高層建物の設計方法によれば、設計ステップの後、地下躯体の内部の耐力壁の仕様を変化させて、解析ステップおよび設計ステップを繰り返し実行するので、相対沈下量をより一層小さくし、施工ジョイントを不要にするための設計が可能になる。

また、本発明に係る高層建物の施工方法によれば、上述した高層建物の設計方法において境界部における施工ジョイントを不要として設計した後、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していくので、施工ジョイントによる後施工箇所がなくなり、工程遅延のリスク、打継面での漏水等のリスクを排除することができる。

以上のように、本発明に係る高層建物の設計方法および施工方法は、地下躯体を備えた高層建物に有用であり、特に、高層躯体の上棟を待たずに低層躯体を施工するのに適している。

Ｐ施工ジョイントの位置

Claims

基礎地盤に設けられる基礎構造と、この基礎構造の上に設けられる地下躯体と、この地下躯体の上の地上に設けられる低層躯体と、この低層躯体の上に設けられ、低層躯体または地下躯体よりも小さい平面形状の高層躯体とを備えた高層建物を設計する方法であって、
基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していく施工過程を模擬した沈下解析モデルにおいて、基礎構造および地下躯体によって沈下による応力を負担すると仮定して、沈下による応力を計算して、基礎構造および地下躯体の沈下に対する抵抗性能を把握する解析ステップと、把握した沈下に対する抵抗性能に基づいて、地下躯体または低層躯体と高層躯体との境界部における施工ジョイントを低減または不要として設計する設計ステップとを有することを特徴とする高層建物の設計方法。
設計ステップの後、地下躯体の内部の耐力壁の仕様を変化させて、解析ステップおよび設計ステップを繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載の高層建物の設計方法。
請求項１または２に記載の高層建物の設計方法において境界部における施工ジョイントを不要として設計した後、基礎構造の上に地下躯体、低層躯体、高層躯体の順に各躯体を順次構築していくことを特徴とする高層建物の施工方法。