特許 7602874 構造体の構築方法および構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-11

(45)【発行日】2024-12-19

(54)【発明の名称】構造体の構築方法および構造体

(51)【国際特許分類】

   E04G 21/02 20060101AFI20241212BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241212BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20241212BHJP

   E04G 21/12 20060101ALI20241212BHJP

   E04B 1/16 20060101ALI20241212BHJP

   E04B 2/86 20060101ALI20241212BHJP

   E04C 5/02 20060101ALI20241212BHJP

   B28B 1/30 20060101ALI20241212BHJP

   B28B 7/00 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

E04G21/02 103Z

B33Y10/00

B33Y80/00

E04G21/12 105A

E04B1/16 B

E04B2/86 601E

E04C5/02

B28B1/30

B28B7/00 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020100306

(22)【出願日】2020-06-09

(65)【公開番号】P2021195731

(43)【公開日】2021-12-27

【審査請求日】2022-12-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096091

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 誠一

(72)【発明者】

【氏名】デヴィン グナワン

(72)【発明者】

【氏名】曽我部 直樹

(72)【発明者】

【氏名】松田 有加

(72)【発明者】

【氏名】小林 聖

(72)【発明者】

【氏名】中村 真人

【審査官】山口 敦司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２１７６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１８５２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１８８４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０５３８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０３０６９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０４Ｇ ２１／０２

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ８０／００

Ｅ０４Ｇ ２１／１２

Ｅ０４Ｂ １／１６

Ｅ０４Ｂ ２／８６

Ｅ０４Ｃ ５／０２

Ｂ２８Ｂ １／３０

Ｂ２８Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形材料を3Dプリンタにより積層して基層部を製作する工程と、
前記造形材料の硬化後、前記基層部の表面に吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、
を有し、
前記基層部の表面に、前記表層部との付着性を向上させるための平面における凹凸が、前記造形材料により形成されることを特徴とする構造体の構築方法。

【請求項2】

造形材料を3Dプリンタにより積層して基層部を製作する工程と、
前記造形材料の硬化後、前記基層部の表面に吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、
少なくとも前記表層部を型枠として用い、コンクリートを打設する工程と、
を有することを特徴とする構造体の構築方法。

【請求項3】

造形材料を3Dプリンタにより積層して基層部を製作する工程と、
前記造形材料の硬化後、前記基層部の表面に吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、
を有し、
前記基層部は中空部を有する筒状あるいはその周方向の一部であり、
前記表層部は前記基層部の外側に設けられ、
前記表層部より内側の中空部で充填材を充填することを特徴とする構造体の構築方法。

【請求項4】

造形材料を3Dプリンタにより上から積層して基層部を製作する工程と、
前記基層部の表面に側方から吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、
を有し、
複数の前記基層部と前記表層部が、交互に重ねられることを特徴とする構造体の構築方法。

【請求項5】

前記表層部に補強材が埋設されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の構造体の構築方法。

【請求項6】

3Dプリンタの造形材料を積層して製作された基層部と、
吹付材により前記基層部の表面に形成された表層部と、
を有し、
前記基層部の表面に、前記表層部との付着性を向上させるための平面における凹凸が、前記造形材料により形成され、
前記表層部の厚みが前記基層部よりも大きいことを特徴とする構造体。

【請求項7】

3Dプリンタの造形材料を積層して製作された基層部と、
吹付材により前記基層部の表面に形成された表層部と、
前記基層部と前記表層部を型枠として打設されたコンクリートと、
を有し、
前記表層部の厚みが前記基層部よりも大きいことを特徴とする構造体。

【請求項8】

3Dプリンタの造形材料を積層して製作された基層部と、
吹付材により前記基層部の表面に形成された表層部と、
を有し、
前記基層部は中空部を有する筒状あるいはその周方向の一部であり、
前記表層部は前記基層部の外側に設けられ、
前記表層部より内側の中空部で充填材が充填され、
前記表層部の厚みが前記基層部よりも大きいことを特徴とする構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構造体の構築方法および構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄筋コンクリート造の躯体の施工時には、コンクリートを打設するための型枠が構築される。型枠には比較的剛性の高い材料が用いられ、これによりコンクリートの打設中や打設後の変形を小さくする。

【0003】

しかしながら、曲面や複雑な形状を有する躯体の場合、型枠の構築は難しくなり、手間がかかる。また近年は建設技能者、特に大工作業員が不足する傾向が著しく、今後は大工の人員確保が困難となると予想される。

【0004】

これに対し、特許文献１には、3Dプリンタを用いて躯体の外殻部分を製作した後、その内側にコンクリート等を充填して躯体を構築することが記載されている。これにより、従来の型枠構築作業を省略できるだけでなく、曲面や複雑な形状を有する躯体を容易に施工できる可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開2019-147338号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

3Dプリンタにより躯体の外殻部分を製作してその内側にコンクリート等を充填する場合、当該外殻部分を型枠として機能させることから外殻部分に高い剛性と止水性が要求される。加えて、当該外殻部分は供用時の躯体において最外層に位置することから、高い耐久性も要求される。

【0007】

しかしながら、造形材料を吐出して層状に重ねるという3Dプリンタの造形手法の特性上、3Dプリンタにより製作された外殻部分では層間に打継目（層間目地）が生じ、剛性、止水性、耐久性等の弱部となる可能性がある。また造形材料の吐出量に製作効率が依存するため、剛性等を確保するため外殻部分を厚くする場合には、多大な製作時間を要するという課題もある。

【0008】

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、構造体を好適に構築できる構造体の構築方法等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前述した課題を解決するための第１の発明は、造形材料を3Dプリンタにより積層して基層部を製作する工程と、前記造形材料の硬化後、前記基層部の表面に吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、を有し、前記基層部の表面に、前記表層部との付着性を向上させるための平面における凹凸が、前記造形材料により形成されることを特徴とする構造体の構築方法である。
第２の発明は、造形材料を3Dプリンタにより積層して基層部を製作する工程と、前記造形材料の硬化後、前記基層部の表面に吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、少なくとも前記表層部を型枠として用い、コンクリートを打設する工程と、を有することを特徴とする構造体の構築方法である。
第３の発明は、造形材料を3Dプリンタにより積層して基層部を製作する工程と、前記造形材料の硬化後、前記基層部の表面に吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、を有し、前記基層部は中空部を有する筒状あるいはその周方向の一部であり、前記表層部は前記基層部の外側に設けられ、前記表層部より内側の中空部で充填材を充填することを特徴とする構造体の構築方法である。
第４の発明は、造形材料を3Dプリンタにより上から積層して基層部を製作する工程と、前記基層部の表面に側方から吹付材を吹付けて表層部を形成する工程と、を有し、複数の前記基層部と前記表層部が、交互に重ねられることを特徴とする構造体の構築方法である。

【0010】

本発明では、3Dプリンタにより製作した基層部の表面に吹付材を吹付けることで構造体を構築する。基層部は3Dプリンタにより製作するため曲面や複雑な形状であっても容易に製作でき、吹付材を吹付けるだけの簡単な作業により基層部の形状に従った自由形状の構造体を構築できるので、建設技能者の不足にも対応することができる。

【0011】

また、3Dプリンタにより造形材料を積層した層間目地も、吹付材がシームレスに覆うことで、剛性、止水性、耐久性等の弱部を補うことができる。さらに、本発明の手法は、3Dプリンタで製作した基層部を吹付材により増厚するものであるため、吹付等に対し自立することのできる基層部の最小限の形状を3Dプリンタで製作し、剛性など構造体の必要性能は、簡単に行える吹付作業により形成した表層部で満たすことで、高い剛性等を有する構造体を短時間で製作することができる。

【0012】

また第２の発明により、柱や開口部を有する壁体など、さまざまな構造体を構築することができる。

【0013】

第３の発明において、前記基層部は中空部を有する筒状あるいはその周方向の一部であり、前記表層部は前記基層部の外側に設けられ、前記表層部より内側の中空部で充填材を充填する。前記中空部に補強材を配置した後、前記充填材を充填することも可能である。
これにより基層部と表層部が中空部を有する筒状あるいはその周方向の一部として形成され、中空部にコンクリート等の充填材を充填することで中実の構造体を構築できる。中空部には、鉄筋など構造体の補強材を予め挿入することができる。

【0014】

第４の発明では、複数の前記基層部と前記表層部が、交互に重ねられる。また前記表層部に補強材が埋設されることも望ましい。
これにより、剛性や耐力等の構造性能を向上させることができる。

【0015】

第５の発明は、3Dプリンタの造形材料を積層して製作された基層部と、吹付材により前記基層部の表面に形成された表層部と、を有し、前記基層部の表面に、前記表層部との付着性を向上させるための平面における凹凸が、前記造形材料により形成され、前記表層部の厚みが前記基層部よりも大きいことを特徴とする構造体である。

【0016】

第６の発明は、3Dプリンタの造形材料を積層して製作された基層部と、吹付材により前記基層部の表面に形成された表層部と、前記基層部と前記表層部を型枠として打設されたコンクリートと、を有し、前記表層部の厚みが前記基層部よりも大きいことを特徴とする構造体である。
第７の発明は、3Dプリンタの造形材料を積層して製作された基層部と、吹付材により前記基層部の表面に形成された表層部と、を有し、前記基層部は中空部を有する筒状あるいはその周方向の一部であり、前記表層部は前記基層部の外側に設けられ、前記表層部より内側の中空部で充填材が充填され、前記表層部の厚みが前記基層部よりも大きいことを特徴とする構造体である。

【発明の効果】

【0017】

本発明により、構造体を好適に構築できる構造体の構築方法等を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】柱部材１００の外殻部分１０１および柱部材１００の構築方法を示す図。

【図2】外殻部分１０１ａの例。

【図3】柱部材１００ａの例。

【図4】開口部１０３を有する壁部材１００ｂを構築する例。

【図5】複数の基層部１、１ａと表層部２、２ａを交互に重ねる例。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

【0020】

図１は本発明の実施形態に係る構造体の構築方法を示す図である。本実施形態では、構造体として、柱部材１００の外殻部分１０１を構築した後、さらにその内側でコンクリート４等の充填材を充填することで柱部材１００を構築する。

【0021】

図１（ａ）～（ｄ）は柱部材１００を構築するまでの各工程を示したものである。図１（ａ）～（ｄ）の上図は下図の線ａ－ａによる水平方向の断面図、下図は上図の線ｂ―ｂによる鉛直方向の断面図である。これは後述する図２（ａ）、図３においても同様である。

【0022】

本実施形態では、まず図１（ａ）に示すように、3Dプリンタにより造形材料を積層することで閉断面を有する筒状の基層部１を製作する。造形材料は3Dプリンタのノズルｃから吐出され、積層される。3Dプリンタは造形材料を積層するものであれば特に限定されず、例えば特許文献１に開示された押出式の3Dプリンタを用いることができる。

【0023】

本実施形態では造形材料としてモルタル等のセメント系材料が用いられ、基層部１のセメント系材料が硬化した後、図１（ｂ）に示すように吹付機械ｄを用いて基層部１の側方から基層部１の表面に吹付材を吹付けて塗布する。これにより、基層部１の外側に表層部２が形成される。図１の例では表層部２の厚みを基層部１よりも大きくするが、これに限ることはない。

【0024】

本実施形態では、吹付材にモルタル等のセメント系材料が用いられ、繊維補強セメント系材料などの高性能セメント系材料、特に超高強度繊維補強モルタルを用いることで、コンクリート４の充填時の型枠としても、供用時の柱部材１００の最外層としても高い剛性、耐久性が期待できる。吹付材の表面は例えば人力でコテ仕上げして平滑にする。

【0025】

吹付材が硬化することにより、基層部１と表層部２からなる柱部材１００の外殻部分１０１（構造体）が構築される。吹付材に、硬化を早めるための既知の硬化促進剤を添加することも可能である。

【0026】

本実施形態では、その後、図１（ｃ）に示すように外殻部分１０１の内側の中空部１０２に鉄筋３を配置する。鉄筋３は柱部材１００の補強材であり、例えば予め鉄筋籠として地組みしたものを中空部１０２に挿入する。なお鉄筋３の代わりに形鋼などその他の鋼材を補強材として用いてもよい。

【0027】

そして、図１（ｄ）に示すように、外殻部分１０１を型枠として用い、中空部１０２にコンクリート４を打設して充填し、柱部材１００の内側部分を構築する。こうして柱部材１００（構造体）が構築される。なお、場合によっては、筒状の外殻部分１０１の周方向の一部のみを本実施形態の手法により基層部１と表層部２から形成し、残りの部分が他の構造体等により閉じられるような形としてもよい。

【0028】

以上説明したように、本実施形態では、3Dプリンタにより製作した基層部１の表面に吹付材を吹付けることで柱部材１００の外殻部分１０１を構築する。基層部１は3Dプリンタにより製作するため曲面や複雑な形状であっても容易に製作でき、吹付材を吹付けるだけの簡単な作業により基層部１の形状に従った自由形状の外殻部分１０１を構築できるため、建設技能者の不足にも対応することができる。

【0029】

また、3Dプリンタにより造形材料を積層した基層部１の層間目地も、吹付材がシームレスに覆うことで、剛性、止水性、耐久性等の弱部を補うことができる。

【0030】

さらに、本実施形態の手法は、3Dプリンタで製作した基層部１を吹付材により増厚するものであるため、吹付等に対し自立することのできる基層部１の最小限の形状を3Dプリンタで製作し、剛性など外殻部分１０１の必要性能は、簡単に行える吹付作業により形成した表層部２で満たすことで、高い剛性等を有する外殻部分１０１を短時間で製作することができる。

【0031】

また、本実施形態では基層部１と表層部２によって中空部１０２を有する筒状の外殻部分１０１あるいはその周方向の一部が形成され、外殻部分１０１を型枠として中空部１０２にコンクリート４を打設し、充填することで中実の柱部材１００を構築できる。本実施形態では外殻部分１０１がコンクリート４の打設時の型枠として機能するので型枠工が省略され、大工作業員が不足しても対応可能である。また中空部１０２には、鉄筋３など柱部材１００の補強材を予め挿入することができる。

【0032】

しかしながら、本発明は上記の実施形態に限らない。例えば図２（ａ）に示すように、基層部１の外側に鉄筋やその他の鋼材による補強材５を配置して、それらを巻き込むように吹付材を吹付けることで表層部２を形成し、外殻部分１０１ａを形成してもよい。表層部２に補強材５を埋設することにより外殻部分１０１ａの耐力等の構造性能を向上させ、吹付材のグレードを落とすことによるコストの削減が期待できる。

【0033】

また図２（ｂ）に平面で示すように、基層部１の外側と内側（それぞれ図２（ｂ）の上方と下方に対応する）の表面に凹凸を設けることで、基層部１とその外側の表層部２、および、基層部１とその内側のコンクリート４の付着性を向上させても良い。なお、図２（ｂ）の例では基層部１の外側の表面の凹部に前記の補強材５が収納されている。

【0034】

また本実施形態では基層部１と表層部２からなる筒状の外殻部分１０１の中空部１０２にコンクリート４を打設、充填して柱部材１００を構築するが、外殻部分１０１から基層部１を撤去し、その後、図３に示すように表層部２を型枠として用い、その内側の中空部にコンクリート４を打設、充填して柱部材１００ａを構築することも可能である。

【0035】

また、本実施形態では中空部１０２に充填材として通常のコンクリート４を充填しているが、充填材はこれに限らず、改良土や高流動コンクリート、砂利等を用いてもよい。

【0036】

また本実施形態では基層部１が円筒状であるが、基層部１の形状は吹付材の吹付けが可能であれば特に限定されず、円筒状のほか角筒状であってもよく、また閉断面を有する筒状のものに限ることもない。基層部１の形状は自由に設定して様々な構造体を構築でき、柱部材１００以外にも、例えば壁部材や梁部材を構築することも可能である。また、コンクリート４等の充填を省略して基層部１と表層部２のみからなる構造体を構築することも可能である。このように、本実施形態は幅広い構造体の構築に適用できる。

【0037】

図４（ａ）はその一例であり、開口部を有する壁部材について、その開口縁を基層部１と表層部２により構築するものである。開口縁の外側では壁部材の鉄筋６が配筋されており、図４（ｂ）に示すように、基層部１と表層部２からなる開口縁を型枠としてその外側にコンクリート７を打設することで、開口部１０３を有する壁部材１００ｂ（構造体）が構築される。

【0038】

さらに、本実施形態では基層部１を3Dプリンタにより製作する際の造形材料としてセメント系材料を用いたが、造形材料はこれに限らない。

【0039】

造形材料は、その積層時や吹付材の吹付時の変形量が許容でき、吹付材やコンクリート４との付着が確保できればセメント系材料以外の材料に代替できる。これにより、材料費の削減や硬化時間の短縮が期待できる。例えば紫外線で硬化する樹脂材料を造形材料として用いることもでき、これにより空中に自立する梁部材や複雑な形状の構造体を製作することも可能となる。

【0040】

また表層部２を形成する吹付材も、運搬時のポンパビリティ、吹付後の自立性、仕上げ性を有していれば、セメント系材料に限らない。

【0041】

また図５（ａ）に示すように、壁状の基層部１の表面に吹付材を吹付けて表層部２を形成した後、表層部２の基層部１と反対側の表面で再び3Dプリンタにより造形材料を積層して基層部１ａを形成し、図５（ｂ）に示すように更に当該基層部１ａの表層部２と反対側の表面に吹付材を吹付けて表層部２ａを形成することにより、複数の基層部１、１ａと表層部２、２ａを内外に交互に重ねてもよい。これにより剛性等の構造性能を向上させることができる。

【0042】

図５の例では基層部１ａをメッシュ状の部材としており、材料費の削減や硬化時間の短縮が可能であるとともに、表層部２ａとの付着性を高めることができる。またメッシュ状の基層部１ａの製作時に高い引張強度、剛性を有する樹脂や金属などの材料を用いることで、基層部１ａが引張材として機能し、構造体に大きな強度や剛性を与えることができる。メッシュ状の基層部１ａと表層部２ａを１層ずつ重ねて構造体としてもよい。

【0043】

以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0044】

１、１ａ：基層部
２、２ａ：表層部
３、６：鉄筋
４、７：コンクリート
５：補強材
１００、１００ａ：柱部材
１００ｂ：壁部材
１０１：外殻部分
１０２：中空部
１０３：開口部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】