光環境制御装置としての斜角型ハニカムコアの特性の分析
ー積算日射量と輝度分布の観点からー

成枝

大地

1.はじめに1-1.研究の背景と本研究の位置づけ
ハニカムコア (Honeycomb Core: 以下 HC）は航空機や建築物に用いられる、軽量で高強度な構造体として知られている。HC の新たな設計法として、斉藤らは(a) 正面日本の伝統的な折り紙と切り紙の技術を活用して、任意断面を持つ HC を展開図によって設計する手法を提案している [1]。この設計法により、任意の孔角度とパ(b) 斜め 45 度

図 1-2. 斜角型ハニカムパーテーション（写真：八代写真事務所）

1-2.研究の目的

ネル厚の HC パネルを容易に製作できる。パネル面に地球上では、地軸の傾きの影響で季節により太陽軌対して垂直な孔をもつ従来の HC( 図 1-1-a）と区別する道や気候が変化する。昼光照明に天空光を取り入れるために、これを斜角型 HC( 図 1-1-b,c）と呼んでいる。

パッシブな建築設計手法を考える場合、一般的には夏場の日射を遮り、冬場の日射を取り入れるのが定石である。また、日射を制御すると同時に、グレアの発生を抑えることも必要である。そこで、斜角型 HC を用(a)

図 1-1. ハニカムコア（HC） (a)90°

いて季節ごとの日射を選択的に取得または遮断するこ(c)(b)(b)55°とで、建築の構造と環境制御を一体で担う装置の実現(c)35°

この斜角型 HC をフスマとして導入している事例がが可能になる。本研究では、太陽軌道や気候データをあり ( 図 1-2）、正面から反対側は直接見えないが、孔もとに解析を行い、光環境制御装置としての斜角型内部での反射によりぼんやりと反対側の様子が分かり、 HC の特性を明らかにすることを目的とする。
見る角度を変えれば内部が直接見えるという特徴があ1-3.研究の方法[2]る 。ここから、斜角型 HC の厚みや孔の角度を調節

斜角型HCのパネルに平行光を当てると、孔角度(以下θ）すれば、光環境の制御にも活かせるという着想を得た。 とパネル厚(以下 T）( 図1-3-a）、光源の位置次第で HC パ
また、酒井らはフラクタル図形を用いた日除けを提[3]~[9]ネルを透過する光の量が変化する。本研究では、斜角型、時間帯や季節に応じた日射遮蔽と日HCの θ、T、太陽軌道をパラメータとするモデリングを行う

射取得の制御を実現している。さらに、春田はこのフ必要がある。そこで、3 次元 CADソフトであるRhinoceros

ラクタル日除けによる平行光の拡散性を輝度分布を解上で動作するGrasshopperを利用して、パラメータを組み案しており[10]。酒込んだモデリングを行う。積算日射量や輝度分布の解析

井らはフラクタル日除けの改良を繰り返す中で、フラシミュレーションをする必要があるため、これらのシミュ

クタル日除け自体をトラス状に組むことで別途の構造レーションを実行可能な LadybugとHoneybeeを用いる。

フレームを不要とする 10SIR モデルの開発に成功してまた、斜角型 HCの光環境制御能力の特徴を調べるた

析することで明らかにする研究を行っている[3]いる 。環境制御装置が構造体を兼ねることによって、 めに、斜角型 HCと同様の条件で 2 種類のルーバーを用建築意匠性と経済性の改善を実現している。

いた解析を行う。斜角型 HCと同じ間隔で板を東西方向

これまで HC の構造的性能や製法に関する研究は行に配置した平行ルーバー (Parallel Louver：以下 PL）と同われてきたが、環境制御装置としての研究は行われて間隔で板を南北方向にも配置し、グリッド状にしたグリッいない。主に構造体としてしか見られてこなかったドルーバー (Grid Louver：以下GL）の2 種類を用意する。

HC の環境制御能力を分析することは、新たに建築の斜角型 HCと同様にルーバーの板角度(θ)とパネル厚 (T)を構造と環境制御を一体で担う装置を開発する上で大き変数として設定する( 図1-3-b,c）。

な意義を持つ。

28-1

り口の断面は常に正六角形であり、この 1 辺を 11 ㎜とTθ定義する。θ を任意の値とするとき、T の値を 1 ㎜ず

θ(a)

T

θのデータから日射遮蔽率を算出し、その θ における最(c)(b)

図 1-3. θ : 孔（板）角度つ変化させ、解析面に到達する積算日射量を得る。こT

T: パネル厚も優れた T の値を得る。θ を 1 度ずつ変化させること(a) 斜角型 HC (b)PL (C)GLで最適な θ と T の値の組み合わせを明らかにする。

2. 解析概要
本研究では以下の 3 種類の解析を行った。2-1. では(2)GL の日射制御

斜角型 HC を屋根材として水平に設置した場合の積算斜角型 HC と同様に、日射遮蔽物を置かない場合と日射量を解析し、GL と比較する。2-2. では、幾何学GL を置いた場合の 6 月と 12 月の 1 か月間の積算日射的特徴を最大限に活用するため、パネルの取り付け角量の解析結果から日射遮蔽率を算出する。なお、この度を考慮して解析を行い、パネルの設計法に関する考とき孔の軸方向に対して垂直な面で孔を切断した際察を行う。2-3. では輝度分布解析を行い、GL、PL との切り口は常に正方形である。また、グリッドの板の比較することで、斜角型 HC によるグレア低減や輝度間隔 ( 断面正方形の 1 辺の長さ）は斜角型 HC の向かい分布調節の特性を明らかにする。

合う 2 面の距離 (11√3 ㎜）と同じ長さとして定めている。

2-1. 積算日射量の解析

2-2. パネル取り付け角度に関して斜角型 HC、GLそれぞれによる積算日射量の制御能力(1) パネル取り付け角度に応じた最適なθ、T の予想の解析を行う。2-1.(1)では、斜角型 HCを用いて、夏季(6月）太陽軌道から図学的に遮光率を計算するシステムと冬季(12月）の日射遮蔽率の差を最大にする形状を明らを Grasshopper 内に構築し、パネル取り付け角度 ( 以下かにする。夏季の日射遮蔽率から冬季の日射遮蔽率を引θ') を変化させたときの最適な θ と T を冬至と夏至の南いた値が大きいほど、夏場の日差しを遮蔽し、冬場の日差中高度から予想する。ハニカムは同じ方向を向いた孔しを取得できていると判断できる。2-1.(2)では、同様の解の集合体であるため、平行光に対して遮光率が 0% と析を GLについても行う。

なる角度がある。つまり、ハニカムの孔の方向を冬(1) 斜角型 HC の日射制御季の日射を多く取得できる方向に向けることで、冬福岡市 (2005 年）の 6 月 1 日～ 6 月 30 日と 12 月 1 日～季の日射を極力多く取得できると予想される。また、

12 月 31 日の積算日射量のデータをもとに、日射遮蔽パネルの厚さを大きくするほど、日射を多く遮ること物を置かない場合と斜角型 HC を置いた場合の 1 か月が予想される。そこで、冬至の南中時に遮光率が 0%間の積算日射量の解析を行う。となるように θ と θ' を定め、夏至の南中時に遮光率が斜角型 HC の 1 つの孔を θ と T を変数にしてモデリングし、解析面をその孔の最下面とする。なお、このと100% となるように T を定める。つまり θ と θ' の間には、その土地の冬至の南中高度を用いて、
θ = θ' + 冬至の南中高度

き孔の軸方向に対して垂直な面で孔を切断した際の切θ

θ’

θ’
冬至の南中高度(a)
図 2-3. θ '：パネル角度(a)(b)(b)GL のθ '(b)図 2-1. 斜角型 HC の積算日射量解析(a) 真上(a)図 2-2.GL の積算日射量解析(a) θとθ ' の関係(b) パース(a)T ＝ 10 ㎜(b)(a) 真上

図 2-4. 夏至の遮光率(b) パース

28-2(b)T ＝ 24 ㎜(a)49%(b)99%

の関係式が成立する。次に、T を 0.1 ㎜ずつ増やしていき、夏至の南中高度からの水平面への平行投影が、内部に光をもたらさなくなるときの T を求める。これによって、各パネル取り付け角度 θ' における最適な θと T の組み合わせを予想することができると考える。
なお、福岡市の冬至の南中高度は 33 度、夏至の南中高度は 80 度とする。また、天候データは Climate.
OneBuilding.Org[11] からダウンロードしたものを用いる。

(2) パネル角度とθ、T の関係
2-2.(1) で日射制御を最適化する形状を太陽軌道から(a)図学的に予想する方法について示した。次に、実際に解析を行い、その仮説が妥当であるか判断する。θ' を0 度から 15 度刻みで 60 度まで切り替え、その θ' ごとに θ と T の最適な組み合わせを見つける。その結果から、θ' を変化させたときの日射制御能力の変化を斜角型 HC と GL のそれぞれについて明らかにする。
2-3. 輝度分布解析
ここまでの積算日射量の解析および遮光率の算出は、遮光物の孔の内部表面での反射を考慮せずに行うものである。しかし、実際は孔内部の表面での反射がパネ(b)ルの反対側の見え方に影響を与えることから、輝度解

図 3-1.T ごとの日射遮蔽率差析においては孔内部の表面での反射を考慮して解析を行う。斜角型 HC はアルミニウムで製作することが想定されるため、鏡面仕上げのアルミニウムの可視光線(a) 斜角型 HC(b)GLθ’(°)

051015202530354045505560θ(°)

33384348535863687378838893T(mm)25.7

2626.12625.7 25.2 24.5 23.7

22.6 21.4

2018.5 16.8

反射率が 70 ～ 80% 程度であることを踏まえ、反射率

表 3-1. 福岡市におけるパネル角度ごとの予想θ、Tを 75% として設定し解析を行う。
3. 結果

θ’(°)

015304560θ’(°)

015304560

θ(°)

304558,607589

θ(°)

3045607589T(mm)191917,181613T(mm)25232015153-1. 積算日射量の解析(a)HC(b)GL
表 3-2. 福岡市におけるパネル角度ごとの最適θ、Tθ’=0 の 時 の 斜 角 型 HC と GL の 日 射 遮 蔽 率 の 6 月と 12 月 の 差 を グ ラ フ に ま と め た も の を ( 図 3-1）に示 す。 斜 角 型 HC と GL と も に、θ=30 度 で 最 大 と なり、そのときの T は斜角型 HC は 19 ㎜であるが、GLは 25 ㎜ で あ っ た。 ま た、θ、T が 最 適 値 の と き の 6月と 12 月の日射遮蔽率差は斜角型 HC、GL それぞれ12.49% と 12.91% であり大きな差は見られなかった。
3-2. パネル取り付け角度に関して
2-2.(1) で述べた、図学的に求めたパネル取り付け角度 (θ') を変化させたときの θ と T の最適な組み合わせの予想を ( 表 3-1）に示す。
次に、 解析で求めた最適な θ と T の組み合わせを( 表 3-2）に示す。パネル取り付け角度は θ'=15 度、30 度、45 度、60 度の 4 つのケースについて θ'=0 のときと同様に解析した。

図 3-2. θ’ごとの夏冬日射遮蔽率差28-3

解析の結果、最適な θ と T は必ずしも ( 表 3-1）と一4. 考察とまとめ致せず、3 度程度の差が生じた。福岡市における最適積算日射量の解析の結果、斜角型 HC と GL はほぼな孔の向きは冬至の南中高度よりも 3 度低い 30 度の方同等の性能を示したが、パネルの厚さは斜角型 HC の向であると分かった。

方が 24% 薄かった。また、斜角型 HC の夏と冬の日射

パ ネ ル 取 り 付 け 角 度 を 0 度 ～ 60 度 ま で 変 化 さ せ

遮蔽率はそれぞれ 93%、81% であった。3-2. の結果かた と き の 斜 角 型 HC と GL の 積 算 日 射 の 遮 蔽 率 の 差

らパネル取り付け角度を変化させるとこの性能はさをグラフにまとめたものを（図 3-2）に示す。斜角型らに高い性能を示すことが明らかになった。特に 60

HC、GL ともに θ' が増えると夏と冬の遮蔽率の差は度の取り付け角度において 77%、50% の遮蔽率を示し、拡大することが分かる。θ'=0 のときに 12% 程度だっ夏と冬の遮蔽率の差は 27% に達し、0 度の時の 2 倍以た日射遮蔽率差は θ'=60 の時には 27% 程度まで向上す上の性能を示した。

ることが読み取れる。また、θ' が大きくなっても、6輝度分布解析結果から、斜角型 HC は GL、PL に比月と 12 月の日射遮蔽率差に関して、斜角型 HC と GLべてグレアが少なく、光の均質性の面でも優れた性能間に大きな差は見られなかった。

を示した。これは、HC の六角柱内部で複雑に光が反3-3. 輝度分布解析

射を繰り返し散乱させる効果があるためと考えられる。

( 図 3-3,4,5）に輝度解析の結果を示す。ただし θ'=0 度

本研究成果によって、斜角型 HC の光環境制御装置の時の結果のみを示す。立方体の上面は θ と T が等しとしての基本的な特性を明らかにした。ハニカム構造

い斜角型 HC、GL、PL であり、視点は部屋の中央のの持つ優れた機械的特性や構造材としての特性と組み高さで水平北向きに置かれている。図の正面が北側の合わせることで、魅力的な建材ができると期待される。

壁であり、左右はそれぞれ西側、東側の壁である。

本研究ではモデル化とシミュレーションによる比較

グレア評価には DGP を用いた。DGP とは、0.45 をまでしかできなかったが、今後実験を行うことで、シ上回ると人間が耐え難く感じるとされるグレアの指標

ミュレーションでは明らかにできなかった反射光を考である。θ、T が等しい斜角型 HC、GL、PL では、斜慮した日射量測定や輝度分布測定、パネル下での温熱角型 HC が最も優れた DGP の値を示した。また、14 時環境の測定を行うこともできると考えられる。さらに、の GL と 14,16 時の PL では縞状の直射光が差している

材料を変えた解析や実験を行うことで、斜角型 HC のが、14,16 時の斜角型 HC と 16 時の GL では直射光はほ特性をより引き出す素材を発見し、優れた環境制御装とんどが反射 · 拡散され、均質な光環境となっている。

置の開発に発展していくと思われる。

(a)0.45(b)0.22(c)0.16
図 3-3. 斜角型 HC のグレア分布と DGP (a)12 時 (b)14 時（c）16 時(a)0.51(b)0.26(c)0.17
図 3-4.GL のグレア分布と DGP (a)12 時 (b)14 時（c）16 時(c)0.32(a)0.55(b)0.50
図 3-5.PL のグレア分布と DGP (a)12 時 (b)14 時（c）16 時【参考文献】[1] 斉藤一哉 , 野島武敏 :「任意断面を持つハニカムコアの展開図
設計法」日本機械学会論文集 A 編 ,78,324-335 (2012)[2] 斉藤一哉 , 岩元真明 , 中元翔一 , 田米開三恵子：「折紙の幾何学に基づく斜角型ハニカムコアの開発とその視覚効果の検証」
応用数理学会論文集 31(3) 160-171 (2021)[3] 酒井敏 :「フラクタル日除けについて」http://www.gaia.h.kyoto-u.
ac.jp/~fractal/detail/index.html/(2022.11.23 アクセス )[4] 酒井敏 :「フラクタル日除けによるパッシブな都市型クールアイランド創生実験」(2017)[5] 酒井敏 , 菅原広史 , 三坂育正 , 成田健一 , 清田誠良 , 本條毅：「フラクタル日除けによるクールアイランドの創出 その① 実験概
要と気温特性」日本建築学会 (2016)[6] 菅原広史 , 酒井敏 , 三坂育正 , 成田健一 , 清田誠良 , 本條毅：「フラクタル日除けによるクールアイランドの創出 その② 日除けの熱収支と放熱特性」日本建築学会 (2016)[7] 酒井敏 , 中村美紀 :「フラクタル日除けの基本原理 都市表面の形状と表面温度について」(2012)[8] 酒 井 敏 :「Sierpinski’s forest: New technology of cool roof withfractal shapes」(2012)[9] 酒井敏 , 中村美紀：「フラクタル日除けによる放射環境改善効果」日本ヒートアイランド学会論文集 Vol.6 (2011)[10] 春田昌也：「フラクタル図形を用いた平行光の拡散に関する研究」大阪市立大学大学院 都市系専攻 修士論文概要集 (2014)[11]「Climate.OneBuilding.Org」https://climate.onebuilding.org/(2022.12.07 アクセス )28-4