(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮材を枠状に組んでなるフレーム体の内側に束材を配して該束材の両端と前記フレーム体の各頂点との間にケーブルを張設してなるグリッドユニットを構成要素とし、該グリッドユニットのフレーム体の頂点どうしを互いに連結することにより、それらフレーム体および各フレーム体間に形成される空隙を升目とするグリッドフレームを構成するとともに、隣接するグリッドユニットの束材どうしを引張材により連結して該引張材に張力を付与してなり、
前記各グリッドユニットのフレーム体を正方形状とし、かつそれらフレーム体間に形成される空隙を菱形状とすることにより、前記グリッドフレームは前記フレーム体により形成される正方形の升目とそれらフレーム体間に形成される菱形状の升目を有するものであることを特徴とするテンセグリッド構造。
【請求項２】
請求項１記載のテンセグリッド構造であって、前記圧縮材および束材として鋼管を用い、前記引張材としてケーブルを用いてなることを特徴とするテンセグリッド構造。
【請求項３】
請求項１記載のテンセグリッド構造であって、前記引張材として屋根材となる膜材を用いてなることを特徴とするテンセグリッド構造。
【請求項４】
請求項１、２または３記載のテンセグリッド構造であって、前記フレーム体どうしの連結部をボールジョイントによるピン接合としたことを特徴とするテンセグリッド構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種施設の屋根架構として有効なテンセグリッド構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大規模施設の屋根架構に適用するものとして、フレームとケーブルとを組み合わせることで軽量で大スパン架構を可能とする張弦梁構造や張弦アーチ構造、ケーブルドーム構造等が周知である。また、同様にフレームとケーブルを組み合わせたものとして、図１１に示すような張力安定トラス構造も試みられている。張力安定トラス構造は、（ａ）に示すように４本のトラス材ａをピン接合した不安定トラス構造にポストｂとケーブルｃを利用して自己釣り合い張力を導入して安定化させたトラスユニットＴを単位構造とし、これを集積して全体としてたとえば（ｂ）、（ｃ）に示すような円筒状の屋根架構を構成するというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような構造は、いずれも、必ずしも自由な曲面を構成できない、形態によっては境界部に大きな負担がかかる、施工性が良くない、応力制御や変形制御が必ずしも容易ではない、といった問題を残しており、より有効な構造の開発が進められている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明のテンセグリッド構造は、圧縮材を枠状に組んでなるフレーム体の内側に束材を配して該束材の両端と前記フレーム体の各頂点との間にケーブルを張設してなるグリッドユニットを構成要素とし、該グリッドユニットのフレーム体の頂点どうしを互いに連結することにより、それらフレーム体および各フレーム体間に形成される空隙を升目とするグリッドフレームを構成するとともに、隣接するグリッドユニットの束材どうしを引張材により連結して該引張材に張力を付与してなり、前記各グリッドユニットのフレーム体を正方形状とし、かつそれらフレーム体間に形成される空隙を菱形状とすることにより、前記グリッドフレームは前記フレーム体により形成される正方形の升目とそれらフレーム体間に形成される菱形状の升目を有するものである。 
【０００７】
請求項２の発明のテンセグリッド構造は、前記圧縮材および束材として鋼管を用い、前記引張材としてケーブルを用いたものである。
【０００８】
請求項３の発明のテンセグリッド構造は、前記引張材として屋根材となる膜材を用いたものである。
【０００９】
請求項４の発明のテンセグリッド構造は、前記フレーム体どうしの連結部をボールジョイントによるピン接合としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明するに先立ち、その基本となったテンセグリッド構造について参考例として図１〜図５を参照して説明する。本参考例のテンセグリッド構造は、図２に示すグリッドユニットＵを構成要素とするものである。そのグリッドユニットＵは、圧縮材としての４本の鋼管１ａを正方形枠状に組んでなるフレーム体１の内側に、同じく圧縮材としての鋼管からなる束材２を配し、その束材２の上下両端とフレーム体１の各頂点の間にケーブル３を張設して所定の張力を付与した構成のものである。
【００１４】
上記のグリッドユニットＵは図１１（ａ）に示した従来の張力安定トラス構造におけるトラスユニットＴと実質的に同様のもの（テンセグリティーとも称される）であるが、張力安定トラス構造においては図１１（ｂ）に示されるように構面全体がトラスユニットＴのみで構成され、隣接しているトラスユニットＴはトラス材ａを共有する状態で組み立てられているものであるのに対し、本参考例のテンセグリッド構造ではグリッドユニットＵの頂点どうしを連結してそれらグリッドユニットＵの間に空隙Ｓを確保し、かつそれらグリッドユニットＵどうしを張力を付与したケーブル４（本例では上部ケーブル４ａおよび下部ケーブル４ｂ）により連結しており、その点で従来の張力安定トラス構造とは異なる構造のものである。
【００１５】
すなわち、本参考例のテンセグリッド構造は、上記のグリッドユニットＵを図１に示すように千鳥状に配列して各フレーム体１の頂点どうしを互いに連結することにより、それらフレーム体１間にフレーム体１と同一の正方形状の空隙Ｓを形成し、全体として正方形の升目を有するグリッドフレームＦを構成している。そして、隣接しているグリッドユニットＵの束材２の上端部どうしおよび下端部どうしをそれぞれ引張材としての上部ケーブル４ａ、下部ケーブル４ｂにより連結し、それらケーブル４ａ，４ｂに所定に張力を付与してグリッドフレームＦ全体を安定に支持するものとなっている。
【００１６】
なお、フレーム体１どうしの連結部は任意の方向に相対回転可能なピン接合とされ、本参考例では図３に示すようなボールジョイントを採用している。すなわち、フレーム体１の頂点（鋼管１ａどうしの連結部）を円弧状に形成しておくとともにそこに半球形状のほぞ穴１ｂを設けておき、そのほぞ穴１ｂにジョイント用のボール１ｃ（鋼球）を嵌合させることで双方のフレーム体１どうしを接合し、各鋼管１ａの芯の交点をボール１ｃの中心と合致させることで双方のフレーム体１どうしが任意の方向に相対回転可能としている。
【００１７】
上記のテンセグリッド構造は、圧縮材としてのフレーム体１と束材２および引張材としてのケーブル３，４ａ、４ｂのみにより構成されるものであり、圧縮材としてのフレーム体１と束材２としてはいずれも小径の鋼管を用いることで十分であるので、架構全体として十分な軽量化を実現でき、意匠的にも軽快で好ましいものである。そして、ケーブル３，４の張力や束材２の長さを調整することで応力制御や変形制御を簡便かつ容易に行うことが可能であるし、後述するようにその施工も困難ではない。また、各グリッドユニットＵが自己釣合形であるので境界部の支持条件に依存することがなく、したがって任意形状の曲面を自由に構成することが可能なものであり、たとえば図４に示すような大スパン平板状の屋根架構に適用することはもとより、図５に示すような種々の曲面すなわち（ａ）に示すような円筒形、（ｂ）に示すような帽子形、（ｃ）に示すような山形ラーメン形、（ｄ）に示すようなドーム形、（ｅ）に示すような任意曲面形、等を自由に構成することができる。なお、図４に示すような平板状架構とする場合には、（ｂ）に示すように水平ブレースとして機能するケーブル５を架構全体にわたるように付加することで面外剛性を確保することが好ましい。
【００１８】
図６は本発明のテンセグリッド構造の実施形態を示す概要図である。これは、上記参考例と同様のグリッドユニットＵを用いるものであるが、それらグリッドユニットＵの間に形成する空隙Ｓを菱形状としたもの、つまりグリッドフレームＦの形態を、フレーム体１により形成される正方形の升目とそれらフレーム体１間に形成される菱形状の升目からなるものとしている。この場合も参考例のものと同様の作用効果を奏するが、図４に示すような平板状とした場合にもケーブル５を設けることなく自ずと面外剛性を確保できる。ただし、図６（ａ）に示しているようにいずれかの空隙Ｓに水平ブレースとして機能するケーブル６を設けることが好ましい場合があり、必要に応じて任意の位置にそのようなケーブル６を設ければ良い。
【００１９】
以上、本発明のテンセグリッド構造の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限らず種々の変形、応用が可能である。たとえば上記実施形態では束材２の上下両端をそれぞれ上部ケーブル４ａおよび下部ケーブル４ｂにより連結するようにしたが、架構の形態や荷重の方向によっては束材２の上端部もしくは下端部のいずれか一方のみをケーブル４により連結することで十分な場合があり、そのような場合にはいずれか一方を省略することも可能である。また、上記構造の架構に対して取り付ける屋根材としては膜材を用いることが好適であるが、その膜材がグリッドユニットＵどうしを所望の張力で連結し得るものであれば、それをケーブル４に代えて引張材として採用してケーブル４を省略することも可能である。また、軽量化を図る上では支障とはなるが、意匠上その他の事情によってはケーブル４や膜材に代えて鋼管等の部材を引張材として採用することも妨げるものではない。勿論、フレーム体１や束材２は圧縮材としての強度を確保できるものであれば鋼管に限らずアルミ材や木材、ＦＲＰ材等の他の素材も採用可能である。
【００２０】
なお、上記構造では各部材に与える初期釣合応力（自重や地震力、風、積雪等の一般的な設計荷重が作用していない状態で架構全体を安定させるために各部材に予め導入する応力）を設定する必要がある。その初期釣合応力は、架構全体が外力を受けた際に引張材（ケーブル３およびケーブル４ａ，４ｂ）の軸力が抜けず、圧縮材（フレーム体１の各鋼管１ａおよび束材２）の軸力が引張にならないように設定し、かつその初期釣合応力は可及的に小さくすることが好ましい。そのような初期釣合応力の設定には、たとえば単純遺伝的アルゴリズム等の解析手法が好適に採用可能である。
【００２１】
次に、上記実施形態のテンセグリッド構造の施工方法について説明する。以下で説明する施工方法は、上述した実施形態のテンセグリッド構造による図７（ｂ）に示すようなドーム状あるいはアーチ状の構造物を施工する場合に適用したものである。なお、この構造物は一端側がピン支承とされ他端側はローラ支承とされるものである。
【００２２】
図７に示す施工方法では、（ａ）に示すように地表部においてグリッドユニットＵを連結してグリッドフレームＦを地組するとともに、各束材２の下端部どうしを連結する下部ケーブル４ｂを配設し、その下部ケーブル４ｂには束材２下端部に対する定着点をマークしておく。また、束材２の上端部の間には予め設定長とした上部ケーブル４ａを定着しておく。
【００２３】
そして、下部ケーブル４ｂの両端部にジャッキ１０を配し、グリッドフレームＦから反力を取って下部ケーブル４ｂを緊張する。これにより、グリッドフレームＦは自ずと上方へ迫り上がっていき、下部ケーブル４ｂに設定張力を導入すれば（ｂ）に示すようにグリッドフレームＦは自ずと設計形状となり、その状態で下部ケーブル４ｂの各定着点をそれぞれ束材２の下端部に対して定着すれば各部材には自ずと初期応力が導入される。
【００２４】
なお、下部ケーブル４ｂの緊張によりグリッドフレームＦを迫り上げる際には必要に応じてジャッキ１１により補助的にグリッドフレームＦをジャッキアップしても良い。また、このような形態の構造物では束材２の下端部どうしを連結する下部ケーブル４ｂは不可欠であるが、上述したように状況によっては束材２の上端部どうしを連結する上部ケーブル４ａは省略することも可能であり、上部ケーブル４ａを省略した場合においても下部ケーブル４ｂを緊張することのみでグリッドフレームＦを迫り上げて架構全体を完成させることができる。
【００２５】
図８は上記の変形例であり、束材２間の各下部ケーブル４ｂをそれぞれ個別にジャッキ１２により順次緊張するようにしたものであり、この場合も同様にグリッドフレームＦを迫り上げることができ、各部材に初期応力を導入できる。
【００２６】
図９に示す施工方法では、各グリッドユニットＵの束材２を設計長よりも短くしておき、それらグリッドユニットＵを適宜仮支持して互いに連結してグリッドフレームＦを形成するとともに各束材２どうしの間にケーブル４ａ，４ｂを設定長として定着し、しかる後に、各束材２をジャッキ１３により設計長となるまで伸張させることで各ケーブル３，４ａ，４ｂを緊張し、各部材に初期応力を導入するようにしたものである。
【００２７】
図１０に示す施工方法では、上記の各施工方法もしくは他の適宜の方法により（ａ）に示すようなグリッドフレームＦの分割体Ｆ１を地表部において完成させ、（ｂ）に示すようにそれら分割体Ｆ１を仮設構台１４により仮支持した状態で分割体Ｆ１どうしの間にケーブル４ａ，４ｂを配設し、それらケーブル４ａ，４ｂをジャッキ１５により緊張して定着するようにしたものである。
【００２８】
上記いずれの施工方法によっても、本発明のテンセグリッド構造によるドーム状あるいはアーチ状ないしそれに類する任意の形態の大規模構造物を容易に施工することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明のテンセグリッド構造は、圧縮材を枠状に組んでなるフレーム体の内側に束材を配して該束材の両端と前記フレーム体の各頂点との間にケーブルを張設してなるグリッドユニットを構成要素とし、該グリッドユニットのフレーム体の頂点どうしを互いに連結することにより、それらフレーム体および各フレーム体間に形成される空隙を升目とするグリッドフレームを構成するとともに、隣接するグリッドユニットの束材どうしを引張材により連結して該引張材に張力を付与してなるものであるから、架構全体として十分な軽量化を実現でき、意匠的にも軽快で好ましいものであり、引張材に付与する張力や束材の長さを調整することで応力制御や変形制御を簡便かつ容易に行うことが可能であり、しかも任意形状の曲面を自由に構成することが可能である。
【００３１】
特に、請求項１の発明のテンセグリッド構造は、グリッドユニットのフレーム体を正方形状としてそれらフレーム体間に形成される空隙を菱形状とすることにより、グリッドフレームはフレーム体により形成される正方形の升目とフレーム体間に形成される菱形状の升目を有するものとしたので、自ずと面外剛性に優れるものとなる。
【００３２】
請求項２の発明のテンセグリッド構造は圧縮材および束材として鋼管を用い、引張材としてケーブルを用いるので、何等特殊な部材を必要とせず、コストや施工性の点で有利である。
【００３３】
請求項３の発明のテンセグリッド構造は、引張材として屋根材を兼ねる膜材を用いるのでより合理的である。
【００３４】
請求項４の発明のテンセグリッド構造は、フレーム体どうしの連結部をボールジョイントによるピン接合としたので、簡便な構造でフレーム体どうしを確実にピン接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本となったテンセグリッド構造を参考例として示す図である。
【図２】同、グリッドユニットを示す図である。
【図３】同、フレーム体の接合部を示す図である。
【図４】同構造による架構の例を示す図である。
【図５】同、他の架構の例を示す図である。
【図６】本発明のテンセグリッド構造の実施形態を示す図である。
【図７】同、施工方法を示す図である。
【図８】同、他の施工方法を示す図である。
【図９】同、変形例を示す図である。
【図１０】同、さらに他の施工方法を示す図である。
【図１１】従来の張力安定トラス構造を示す図である。
【符号の説明】
Ｕ  グリッドユニット
Ｆ  グリッドフレーム
Ｓ  空隙
１  フレーム体
１ａ  鋼管（圧縮材）
２  束材
３  ケーブル
４ａ、４ｂ  ケーブル（引張材）
【図１】
0003616904.tif 000002
【図２】
0003616904.tif 000003
【図３】
0003616904.tif 000004
【図４】
0003616904.tif 000005
【図５】
0003616904.tif 000006
【図６】
0003616904.tif 000007
【図７】
0003616904.tif 000008
【図８】
0003616904.tif 000009
【図９】
0003616904.tif 000010
【図１０】
0003616904.tif 000011
【図１１】
0003616904.tif 000012