(57)【要約】【課題】施工現場にて効率良く水硬性混合物を用いた複合構造物を構築する。【解決手段】施工現場Ｇにて水硬性混合物を用いた複合構造物であるフーチング１０を構築する際に、まず、第一の水硬性混合物であるプリント原料１を構築すべき殻壁の輪郭に沿って積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部１１を形成し、次いで、その殻壁部１１の区画１１ｋ内に第二の水硬性混合物である生コンクリート２を充填して充填部１７を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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複数の水硬性混合物を用いて複合構造物を施工する方法であって、
施工現場にて、構築すべき殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部を形成する殻壁形成工程と、前記殻壁部の区画内に第二の水硬性混合物を充填して充填部を形成する区画充填工程と、を含むことを特徴とする複合構造物の施工方法。
【請求項２】
前記第一の水硬性混合物は、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、を有する請求項１に記載の複合構造物の施工方法。
【請求項３】
前記第二の水硬性混合物は、生コンクリートである請求項１または２に記載の複合構造物の施工方法。
【請求項４】
前記第二の水硬性混合物は、流動化処理土である請求項１または２に記載の複合構造物の施工方法。
【請求項５】
施工時に流動性を有するとともに施工後には硬化する複数の水硬性混合物を用いて形成された複合構造物であって、
殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物が施工現場にて積層されて周囲が閉じた区画が形成されてなる殻壁部と、該殻壁部の区画内に第二の水硬性混合物が施工現場にて充填されてなる充填部と、を有することを特徴とする複合構造物。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合構造物の施工方法に用いられる複合構造物施工装置であって、
前記第一の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第一の材料供給装置と、前記第二の水硬性混合物を前記殻壁の区画内に供給する第二の材料供給装置と、を有することを特徴とする複合構造物施工装置。
【請求項７】
前記第一の材料供給装置は、３Ｄプリンタを含む装置である請求項６に記載の複合構造物施工装置。
【請求項８】
前記第二の材料供給装置は、コンクリートポンプ車両を含む装置である請求項６または７に記載の複合構造物施工装置。
【請求項９】
前記第一の材料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請求項６〜８のいずれか一項に記載の複合構造物施工装置。
【請求項１０】
前記第二の材料供給装置の材料供給部近傍に付設された締固め用バイブレータを備える請求項６〜９のいずれか一項に記載の複合構造物施工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生コンクリート等の水硬性混合物を用いて複合構造物を構築する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３Ｄプリンタ技術を応用して、水硬性混合物を用いて複合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、この種の複合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から生コンクリート等の水硬性混合物を用いた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次元の複合構造物を構築する。
【０００３】
ここで、この種の水硬性混合物は、セメントが水と反応して固まる水和反応を利用するところ、３Ｄプリンタ技術を利用して複合構造物を構築する場合、供給ヘッドから供給されるプリント原料の供給速度に比べて、プリント原料の凝固速度が遅いので、供給されたプリント原料が凝固して所期の構造物として必要な強度に達するまでに相当な時間を要する。そのため、完全に凝固していない層上に再びプリント原料が積層されると、積層形状が崩れるという問題がある。
【０００４】
また、一層を積層してその層が完全に凝固するまで待った後に、繰り返しその上の層を積層すると、作業時間が増加して生産性が低下するという問題がある。さらに、複合構造物の内部に骨組みとして鉄筋や鉄骨を埋入する構造物を構築する場合、従来の３Ｄプリンタ技術によっては、このような異種材料がプリント原料中に存する複合構造物の構築が難しいという問題がある。これらの問題は、構築しようとする複合構造物が大型化するほどより顕著となる。
【０００５】
このような問題点に対し、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複合構造物であっても構築し得るとしている。
【０００６】
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、複合構造物からなる壁を構築し得るとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−１０８８０１号公報
【特許文献２】特許第４５２７１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、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施工するとするものの、コンクリート等のプリント原料を吐出するロボットアームで施工するプリント原料の積層工程については、従来の３Ｄプリンタ技術での問題点を解決するものとはいえない。
つまり、同文献記載の技術では、プリント原料の積層工程では、従来同様に、供給ヘッドのノズル先端からプリント原料の総てを吐出して、精緻な積層作業を各層の２次元形状全体に亘って繰り返す必要がある。
【０００９】
よって、大型の複合構造物を構築する場合には従来同様に多くの施工時間を要するため、施工の迅速化を図る上で未だ検討の余地がある。また、特許文献２に記載の技術は、複合構造物からなる「壁」自体は構築し得るものの、底面積が大きな複合構造物に適用する上で未だ検討の余地がある。
そこで、本発明は、底面積が大きな構造体に適用する上で好適であり、施工現場にて効率良く水硬性混合物を用いた複合構造物を構築し得る複合構造物の施工方法、複合構造物および複合構造物施工装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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複合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複数の水硬性混合物を用いて複合構造物を施工する方法であって、施工現場にて、構築すべき殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部を形成する殻壁形成工程と、前記殻壁部の区画内に第二の水硬性混合物を充填して充填部を形成する区画充填工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明の一態様に係る複合構造物の施工方法において、前記第一の水硬性混合物は、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。また、前記第二の水硬性混合物は、生コンクリートであることは好ましく、また、前記第二の水硬性混合物は、流動化処理土であることは好ましい。
また、前記第一または第二の「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。
【００１２】
本発明の一態様に係る複合構造物の施工方法によれば、施工現場にて複合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第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部を形成し、次いで、その殻壁部の区画内に第二の水硬性混合物を充填して充填部を形成するので、複合構造物の総てをノズル先端から吐出する複合構造物の施工方法に比べて、施工現場にて効率良く複合構造物を構築できる。よって、底面積が大きな構造体に適用する上で好適である。
【００１３】
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る複合構造物は、施工時に流動性を有するとともに施工後には硬化する複数の水硬性混合物を用いて形成された複合構造物であって、殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物が施工現場にて積層されて周囲が閉じた区画が形成されてなる殻壁部と、該殻壁部の区画内に第二の水硬性混合物が施工現場にて充填されてなる充填部と、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様に係る複合構造物によれば、構築すべき殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部が形成されており、さらに、その殻壁部の区画内に第二の水硬性混合物を充填して充填部が形成されているので、複合構造物の総てをノズル先端から吐出してなる複合構造物に比べて、施工現場にて効率良く構築された複合構造物とすることができる。よって、底面積が大きな構造体に適用する上で好適である。
【００１５】
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る複合構造物施工装置は、本発明の一態様に係る複合構造物の施工方法に用いられる複合構造物施工装置であって、前記第一の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第一の材料供給装置と、前記第二の水硬性混合物を前記殻壁の区画内に供給する第二の材料供給装置と、を有することを特徴とする。
【００１６】
ここで、本発明の一態様に係る複合構造物施工装置において、前記第一の材料供給装置は、３Ｄプリンタを含む装置であることは好ましい。また、前記第二の材料供給装置は、コンクリートポンプ車両を含む装置であることは好ましい。また、前記第一の材料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。また、前記第二の材料供給装置の材料供給部近傍に付設された締固め用バイブレータを備えることは好ましい。
【００１７】
本発明の一態様に係る複合構造物施工装置によれば、施工現場にて複合構造物を構築する際に、第一の材料供給装置によって、構築すべき殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部を形成することができる。そして、第二の材料供給装置によって、殻壁部の区画内に第二の水硬性混合物を充填して充填部を形成することができる。そのため、複合構造物の総てをノズル先端から吐出する施工装置に比べて、施工現場にて効率良く水硬性混合物を用いた複合構造物を構築できる。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように、本発明によれば、底面積が大きな構造体に適用する上で好適であり、施工現場にて効率良く水硬性混合物を用いた複合構造物を構築できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一態様に係る複合構造物の施工現場の模式的説明図である。
【図２】図１のＺ−Ｚ断面を示す模式図であり、同図（ａ）は殻壁形成工程での殻壁部を示し、（ｂ）は区画充填工程で殻壁部に充填された充填部を示している。
【図３】殻壁形成工程で形成される殻壁部の変形例を説明する図（（ａ）〜（ｆ））である。
【図４】本発明の一態様に係る複合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。
【図５】本発明の一態様に係る複合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。
【図６】本発明の一態様に係る複合構造物施工装置の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））である。
【図７】本発明の一態様に係る複合構造物の施工現場の他の例を示す模式的説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、水硬性混合物を用いた複合構造物の生産性、施工性を向上し得る、３Ｄプリンタ技術を応用した複合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。
【００２１】
図１に模式図を示すように、本実施形態の複合構造物は、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第一の材料供給装置２０と、第二の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。
【００２２】
まず、第一の材料供給装置２０について説明する。
第一の材料供給装置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、第一の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。
【００２３】
さらに、この第一の材料供給装置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。
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６０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６０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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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所期の構造物として必要な強度まで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。
【００２７】
第一の材料供給装置２０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。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、第一の材料供給装置２０全体を制御可能になっている。本実施形態では、第一の材料供給装置２０による３Ｄプリンティング処理で、図２（ａ）に示す、フーチング１０の外周殻壁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外周殻壁１１の輪郭に沿って３Ｄプリンティングが行われる。
【００２８】
次に、第二の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、第一の材料供給装置２０による３Ｄプリンティング処理でフーチング１０の外周殻壁１１を構築後に、図２（ｂ）に示すように、その外周殻壁１１の内側を、自己充填性がある第二の水硬性混合物で充填して充填部１７を構築する。第二の水硬性混合物としては、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。
なお、第二の水硬性混合物と第一の水硬性混合物とは、相互に異なる配合の材料を用いることができることは勿論、少なくとも流動性、チキソトロピー性、速硬性のいずれかが相違すれば、同一材料の配合比を変えて用いてもよい。この場合、例えば混練する水分量を適宜に変えれば流動性、チキソトロピー性、速硬性のいずれかを相違させることができる。
【００２９】
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、コンクリートミキサ車６０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６０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の外周殻壁１１内の打設個所に圧送可能に構成されている。
【００３０】
次に、本実施形態の複合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。
第一の材料供給装置２０の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外周殻壁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、予め第一の材料供給装置２０の制御部の記憶装置に格納されている。
【００３１】
オペレータは、第一の材料供給装置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。第一の材料供給装置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の構築すべき外周殻壁１１の輪郭上の積層開始点に供給ヘッド２５を位置させる。
【００３２】
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、旋回台２３およびロボットアーム２４の位置を基礎構築データに基づいて、構築すべき外周殻壁１１の輪郭に沿って移動させる。これにより、第一の材料供給装置２０は、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から吐出しつつ、基礎構築データに応じた一のプリント層を外周殻壁１１の輪郭上に型枠を用いること無く形成できる。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。
【００３３】
さらに、第一の材料供給装置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、型枠を用いること無く、プリント原料１を一層ずつ３Ｄプリンティングしてプリント層を積み上げる。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外周殻壁１１のプリント層は順次に硬化し、硬化されたプリント層上に再びその上の層の外周殻壁１１の２次元輪郭データに基づいたプリント層の形成を繰り返し行って、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）。次いで、本実施形態では、コンクリートポンプ車両４０によって、外周殻壁１１の区画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）。
【００３４】
なお、外周殻壁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。
【００３５】
ここで、複合構造物の外周に形成される殻壁部である外周殻壁１１の厚さおよび高さは、積層による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、外周殻壁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、殻壁拘束型の複合構造物を構築できる。本実施形態のように第一の材料供給装置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、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。
【００３６】
このように、本実施形態によれば、施工現場にて、複合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の構築すべき外周殻壁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を有する殻壁部を形成し、次いで、その殻壁部の区画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、高いチキソトロピー性により自立し、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。
【００３７】
そして、本実施形態によれば、施工現場にて、複数の水硬性混合物を用いて複合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（第一の水硬性混合物）を積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部である外周殻壁１１を形成し、次いで、その外周殻壁１１の区画内に生コンクリート２（第二の水硬性混合物）を充填して充填部１７を形成するので、複合構造物を構築する水硬性混合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複合構造物を構築できる。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。よって、フーチング，梁，柱等の底面積が大きな複合構造物への適用に好適である。
【００３８】
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複合構造物の構築が難しいという問題がある。これに対し、本実施形態の複合構造物施工装置であれば、第一の材料供給装置２０で外周殻壁１１を形成し、その外周殻壁１１の内側を、コンクリートポンプ車４０により、自己充填性がある第二の水硬性混合物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、コンクリート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、第二の水硬性混合物は、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、第二の水硬性混合物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、コンクリート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。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、底面積が大きな構造体に適用する上で好適であり、施工現場にて効率良く水硬性混合物を用いた複合構造物を構築できる。なお、本発明に係る複合構造物の施工方法、複合構造物、および複合構造物施工装置は、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。
【００４０】
例えば、上述した外周殻壁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、各層間の接合強度が低くなるおそれがある。そこで、例えば第一の材料供給装置２０で外周殻壁１１の各プリント層を形成時に、プリント層内に別箇に補強材を埋入してもよい。
【００４１】
例えば、第一の水硬性混合物であるプリント原料１による外周殻壁１１の輪郭の積層部に、鋼材，鉄筋，連続繊維等の補強材を配置することができる。この場合、積層前に補強材を配置してもよいし、積層しながら補強材を配置してもよい。また、外周殻壁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。
【００４２】
具体的には、供給ヘッド２５のノズル２６近傍に備えられる補強材射出部から補強材を所定間隔で各プリント層に射出し、一のプリント層内に補強材を所定間隔で埋設することができる。補強材射出部は、供給ヘッド２５の移動経路を追従しながら補強材を射出することが好ましい。なお、プリント層を構成する第一の水硬性混合物であるプリント原料１は急速硬化するため、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、補強材射出部とプリント層との間の間隔を制御することが好ましい。
【００４３】
また、外周殻壁１１の第一の水硬性混合物と殻壁内部の第二の水硬性混合物とは、要求性能に応じて使いわけてもよい。例えば、外周殻壁の第一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、殻壁内部の第二の水硬性混合物は、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、第一の水硬性混合物と第二の水硬性混合物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、外周殻壁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、複合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、外周殻壁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。
【００４４】
また、例えば上記実施形態では、殻壁部として、平面視が略矩形枠状の外周殻壁１１を形成する例を示したが、殻壁部の形状はこれに限定されない。つまり、本発明に係る複合構造物の殻壁部は、施工現場にて、構築すべき殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有するものであれば、種々の態様とすることができる。具体的な変形例を図３に示す。
同図に示すように、殻壁部としての外周殻壁１１の輪郭の形状は、平面視において略矩形枠状に限定されず、同図（ａ）に示すように、例えば円環状とすることができる。また、同図（ｂ）に示すように、外周殻壁１２と、この外周殻壁１２の外周面に付設した一または複数の外側補強壁１５とから殻壁部１１を構成してもよい。
【００４５】
また、同図（ｃ）に示すように、殻壁部１１は、外周殻壁１２と、この外周殻壁１２の内周面に付設した一または複数の内側補強壁１６とから構成できる。また、同図（ｄ）に示すように、殻壁部１１は、例えば多角形の環状とすることができる。同図の例は六角形の環状とした例である。
【００４６】
さらに、殻壁部１１による殻壁内の区画１１ｋの形態についても、上記実施形態や同図（ａ）〜（ｄ）に示すように、一の区画とする場合に限定されず、外周殻壁１２の内部に更に内周殻壁１３を形成して、複数の区画を有する構成としてもよい。例えば同図（ｅ）に示すように、内周殻壁１３により多数の区画に区分してハニカム構造としてもよい。
【００４７】
また、殻壁部１１は、同図（ｆ）に示すように、内周殻壁１３および外周殻壁１２を相互に隣接させて組としてもよく、この場合、外周殻壁１２が内周殻壁１３を実質的に兼ねる構成としてもよい。同図の例では、平面視矩形枠状の多数の区画に区分した例を示した。さらに、殻壁部１１の内側を複数の区画に区分する場合において、必ずしも全ての区画を充填部１７とする形態に限定されず、同図（ｅ）および（ｆ）に示すように、複数の区画のうち適宜の箇所には第二の水硬性混合物を充填しないで空隙部１８としてもよい。
【００４８】
また、本発明に係る複合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。
【００４９】
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４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第一の水硬性混合物を吐出する。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とに第一の水硬性混合物を吐出する。また、同図（ｂ）の例では、殻壁部１１の、一の層の内周側１１ａ、その外側１１ｃ、および外周側１１ｂとに第一の水硬性混合物を吐出する。
【００５０】
また、本発明に係る複合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、図５（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１１ｒ、第四層１１ｓ・・・・）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１１ｔ、１１ｕ、１１ｖからなり、第二層１１ｑが、幅方向に２つの吐出部１１ｗ、１１ｘからなり、第三層１１ｒが、幅方向に１つの吐出部１１ｙからなるという組から構成することができる。さらに、当然に、上述した図３、図４、図５に示した構成相互を適宜に組み合わせることができる。
【００５１】
また、本発明に係る複合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、種々の形状とすることができる。つまり、図６（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向上させる上で好適である。
【００５２】
さらに、図７に本発明に係る複合構造物の施工方法の他の例を示す。
同図に示す例は、埋め戻し材の妻壁・仕切り壁への適用例であって、地下工事現場において、地下施設５１と鋼矢板からなる土留壁５２との間に、仕切壁５５を構築する例である。特にこの例では、地下施設５１の壁面と土留壁５２の壁面とを殻壁部の一部としている点が上記実施形態と相違する。
【００５３】
つまり、本発明に係る複合構造物の施工方法において、殻壁形成工程において、「構築すべき殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有する殻壁部を形成する」とは、「周囲が閉じた区画を有する殻壁部」が形成されていれば、「構築すべき殻壁の輪郭」の全てが「第一の水硬性混合物を積層」してなる場合に限定されず、「構築すべき殻壁の輪郭」の一部が「第一の水硬性混合物を積層」してなる場合をも含む意味である。
【００５４】
同図に示すように、この変形例では、施工現場にて、構築すべき殻壁のうち、地下施設５１の壁面と土留壁５２の壁面との間に、対向方向に離隔する二つの殻壁面１１ｍを構築し、これら二つの殻壁面１１ｍと地下施設５１の壁面と土留壁５２の壁面との協働によって周囲が閉じた区画１１ｋを有する殻壁部１１を形成する。その後に、その殻壁部１１の区画１１ｋに、セメント等を含む第二の水硬性混合物として、地上部５３のコンクリートポンプ車４０から流動化処理土３を充填して充填部１７を構築する。
【００５５】
この変形例では、第一の材料供給装置２０は、地下部５４にて車載型のロボットアーム２４を用いており、殻壁の構築工事が必要な所期位置に迅速に移動することができる。そして、所期位置に移動後には、上記実施形態同様に、第一の材料供給装置２０の制御部３０による殻壁構築のための３Ｄプリンティング処理のプログラムに基づき、殻壁部１１による囲い部を積層により無人で迅速に施工することができる。なお、この変形例では、殻壁部１１は、流動化処理土３を充填する際の液圧に耐えられる殻壁を短時間で構築できればよいことから、殻壁面１１ｍの出来形の精度はおおまかでよい（例えば、出来形の誤差が±５ｃｍ以内）。
【００５６】
なおまた、プリント原料１を一層ずつ３Ｄプリンティングしてプリント層を積み上げる工程についても、上記実施形態同様に、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、図７に示したような簡単な積層工程に有効である。
【００５７】
また、第一の材料供給装置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、図７の変形例では、車載型のロボットアーム２４を装備した例を示したが、これらに限定されず、施工現場にて、構築すべき殻壁の輪郭に沿って第一の水硬性混合物を積層して周囲が閉じた区画を有する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。
【符号の説明】
【００５８】
１    プリント原料（第一の水硬性混合物）
２    生コンクリート（第二の水硬性混合物）
３    流動化処理土（第二の水硬性混合物）
１０    フーチング（複合構造物）
１１    殻壁部
１１ｒ    殻壁の輪郭
１１ｕ    内輪郭線
１１ｓ    外輪郭線
１１ｋ    殻壁の区画
１２    外周殻壁
１３    内周殻壁
１５    外側補強壁
１６    内側補強壁
１７    充填部
１８    空隙部
２０    第一の材料供給装置（３Ｄプリンタを含む装置：複合構造物施工装置）
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（第二の材料供給装置：複合構造物施工装置））
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
５０    地下工事現場（施工現場）
５１    地下施設
５２    土留壁
５３    地上部
５４    地下部
５５    仕切壁
６０    コンクリートミキサ車
Ｇ    施工現場
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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