[転載]プレキャスト構造体系と経済性の研究
WeChat連携 · 小纬 · 2021-02-02
一、プレハブ建築における11種の構造システム間の関係
プレハブ建築の11種のシステムの関係
主要構造部材に基づけば、プレハブ建築はプレキャストコンクリート構造、プレハブ鉄骨構造、プレハブ木構造建築に分類できる。プレキャストコンクリート構造と鉄骨構造を組み合わせると、鉄骨・コンクリート複合構造システムが形成される。プレキャストコンクリート構造に特有のものとして、プレストレスト構造システムと両面合成耐震壁構造システムがある。コンクリート構造と鉄骨構造で耐震壁または主フレーム・副フレームを用いる場合、プレハブ耐震壁高層住宅システムまたは主フレーム・副フレーム構造システムに細分化できる。鉄骨構造と木構造で千鳥トラス（スタッガードトラス）を用いる場合、千鳥トラス構造システムに細分化できる。また、3者がすべてフルプレハブ方式の低層住宅である場合はフルプレハブ低層住宅システムとなり、モジュールを用いる場合はモジュール化構造システムに細分化できる。
二、これらの構造システムの住宅への適用比較
各種プレハブ住宅システムの採用頻度は、主にデベロッパーと消費者の両者に関係している：
デベロッパー：住宅開発に関する政策、コスト、消費者の受容度、建設工期などを比較的重視する。プレキャストコンクリート構造は政策による普及が早く、組み立て一体化コンクリート耐震壁構造は開発時期が早く技術も成熟しているため、現在の中国における高層プレキャストコンクリート構造の主流システムとなっている。一方、プレストレストコンクリート、両面合成耐震壁、木構造などは、製品自体の品質や製作担当者・機械に対する要求が高いだけでなく、価格も比較的高い。ただし、プレストレストコンクリートと両面合成耐震壁は側方剛性が大きく、水平力を受けた際の変形抵抗性が高く、耐震性能に優れており、既存PC工場の工程変更も大きくないため、主に住宅以外のモデル事業で採用されている。
消費者：住宅の品質、価格、プライバシー性などを比較的重視する。現在、消費者はプレハブ建築についてまだ認知段階にあり、現場打ち住宅に近いプレキャストコンクリート住宅を受け入れやすい。主フレーム・副フレーム構造、千鳥トラス構造、鉄骨構造は展示ホールなどの大空間建築でよく見られるが、住宅に適用すると、消費者は住宅の遮音性や断熱性などを懸念するため、この種のプレハブ住宅に対する受容度は低い。また、田舎や山間部、海辺など遮音に対する要求が低く、耐震性と使いやすさを重視する低層住宅では、フルプレハブ低層住宅システムが多く採用されている。
したがって総合的に見ると、プレハブ耐震壁高層住宅システムとフルプレハブ低層住宅システムの適用が多い。
三、鉄骨構造の高層住宅の比率はなぜ低いのか？
中国の現段階のプレハブ建築では、PC構造が主要な位置を占め、次いで鉄骨構造となっている。住宅都市農村建設部（MOHURD）が2016年に発表した119件のプレハブ建築モデル事業を例にとると、PC構造の事業は41件で全体の35%を占め、鉄骨構造は19件で16%、木構造は4件であり、残りは部品・部材の生産事業である。
住宅都市農村建設部の2016年プレハブ建築モデル事業
ここ2年でプレハブ建築は急速に発展し、2018年の全国の新規着工プレハブ建築面積は2.9億平方メートルで、2017年比81%増となったが、鉄骨構造建築と鉄骨構造住宅の割合は依然として低い。鉄骨構造はプレハブ建築の重要な構造形式の一つであるが、実際にプレハブ建築に占める割合は約30%程度にすぎず、しかも鉄骨構造のプレハブ建築の大部分は公共建築であり、住宅の占める割合は1%未満とほぼ無視できる水準である。
中国のプレキャストコンクリート新規着工面積、2013～2023年（予測）
鉄骨構造の高層住宅の割合が低い主な理由は、以下のとおりである：
中国ではコンクリート構造の発展が早く、コスト面で優位性があり、鉄骨構造住宅はまだ規模の経済効果を生み出していない。一般的にプレハブ鉄骨構造の開発コストは、プレキャストコンクリート構造よりも約15%高いうえ、鉄筋コンクリート構造と比べればなおのこと高くなる。また、鉄骨構造は、コンクリートに比べて付帯する外皮・仕上げシステムが少なく、関連するサプライチェーンも未整備である。
プレハブ建築には一定の経路依存性の問題があり、総請負制度が企業の鉄骨構造分野での発展を制約している。現在、多くの鉄骨構造企業は鉄骨構造専門工事の請負資格しか持っておらず、鉄骨構造が主体となる多くの工事は、いまだに土木建築会社が総請負しなければならないため、鉄骨構造企業は発言権を持ちにくい。
鉄骨構造の住宅では、梁や柱の主体に一般的にH形鋼が用いられるが、鉄骨構造は本来固体伝播音が生じやすく、振動による音の伝わりが顕著である。間仕切り壁は軽量鉄骨、スタッド（下地材）、石膏ボードが主体であるため、伝音の問題を解決するのは難しい。軽量鉄骨構造の住宅は、荷重を負担する部材の自重が軽く、内部が基本的に中空構造であるため、太鼓の膜のような振動（ドラム効果）を生じやすい。さらに、一部の保護材の耐火性能が基準に達していないこともあり、市場における鉄骨構造住宅の受容度は高くない。
四、なぜ2019年、政策は鉄骨構造のプレハブ化を強調し始めたのか？
政策は、プレハブ鉄骨構造の発展にとってきわめて重要である。中国の鉄骨構造に対する政策は、「用鋼量の節約」「合理的な用鋼」から「用鋼の奨励」へと転換しており、これが鉄骨構造建築の発展に強力な保証をもたらしている。
2019年の中国における鉄骨構造に関する主要政策
2019年にプレハブ鉄骨構造の普及が図られた理由は、以下のとおりである：
（1）鉄骨構造フルプレハブ住宅システムは、農村部や遠隔の郊外地域において他に類を見ない優位性を持つ。鋼材はコンクリートに比べて軽量で輸送が容易であり、一部の農村部の道路は等級が低く、コンクリート壁パネルを運搬するトラックの重量に耐えられないことがある。鉄骨構造は乾式工法のため施工がより容易で、大がかりな基礎工事も不要であり、完全なボルト接合も可能で、技術的要求も高くない。一方、プレキャストコンクリートの接合には、難度の高いグラウト式スリーブ接合技術が必要である。鉄骨構造には腐食しやすい、遮音性が低いといった問題があるものの、農村部の低層住宅にとっては影響が小さい。
（2）鉄骨構造は、コンクリート構造に対してますます代替の役割を果たすようになっている。主に次の点に表れている：鉄骨構造は汚染対策コストが比較的低い。土木建築プロジェクトは建設現場で発生する粉じんが多く、粒子状物質の重要な発生源の一つとなっている。中国は環境保護のためセメント生産量の抑制を開始し、その結果セメント価格が上昇した。一方、鉄鋼価格は比較的安定した状態にあり、プレキャストコンクリート構造は原材料コストが上昇した。建設業は労働集約型の産業であり、労働コストが土木建築プロジェクトに占める割合は高いが、鉄骨構造は現場施工期間がコンクリート構造より短いため、労働コストが低い。
（3）現在の市場では、プレキャストコンクリート構造を採用した住宅の割合はすでに高くなっているが、スリーブグラウト工法には安全性の面で未整備な問題があり、急速な発展の中ではいったんペースを落として再検証する必要がある。鉄骨構造は溶接やボルト接合を採用しており、安全性に関する問題はない。また、鉄骨構造は20年以上の発展を経て、もはや新しい建築構造ではなく、現在では多くの設計院が鉄骨構造の設計担当者を擁しており、鉄骨構造普及のための必要な条件が整っている。このため、政府は政策面からプレハブ鉄骨構造の発展を導くようになった。今回の感染症対応も、一部の公共建築の建設において鉄骨構造の優位性がきわめて明確であることを証明している。
（4）2015年末の供給側改革の実施以降も鋼材の社会在庫量は依然として高水準にある。市場における広範な応用の見通しを持ち、自主的知的財産権を有するプレハブ鉄骨構造建築システムと鉄骨構造住宅システムを普及させることは、過剰生産能力の解消と市場消費の誘導につながり、鉄骨構造建築の中国における大規模な普及と活用を後押しできる。
2014～2018年に生産量5万トン以上を達成した鉄骨構造企業
上の表からわかるように、近年、生産量が5万トン、10万トン、30万トンを超えた鉄骨構造企業の数は増え続けており、中国の建築用鋼材使用量が年々増加していることを示している。これは、社会の鋼材在庫の削減に一定の助けとなる。
したがって、政策と鉄骨構造自体の特性を踏まえると、プレハブ鉄骨構造住宅システムは農村部で大いに活躍の場があると考える。また、PC構造の縦部材スリーブグラウト技術に依然として安全上のリスクが残っていることを踏まえれば、都市部でも鉄骨構造の公共建築と住宅の割合を適切に増やすべきである。
五、プレキャスト率とプレハブ率とは何か？プレキャスト率が異なる建築では、どの部分がプレキャスト化されるのか？
プレキャスト率とは、プレハブ建築の屋外の地盤面（GL）より上方の主体構造および外皮構造におけるプレキャスト部分のコンクリート使用量が、対応する部材のコンクリート総使用量に占める体積比を表す。一方、プレハブ率とは、プレハブ建築におけるプレキャスト部材・建築部品の数量（または面積）が、同種の部材・部品の総数量（または総面積）に占める比率を表す。
プレハブ建築の採点表
業態やプレキャスト率が異なる住宅では、どの部材をプレキャスト化するかによってコストが異なる。下表は、不動産開発プロジェクトの観点から、上海のプロジェクトを例にケース分析を行い、上下に重なる低層ヴィラ（スタックヴィラ）、洋風低層住宅、高層という3つの業態について、プレキャスト率別の主要な単体部材の経済的な組み合わせ案を示したものである：
業態・プレキャスト率別の主要な単体部材
現場打ちの建築であっても、プレハブ式の階段、バルコニー、空調室外機用スラブを採用すれば、約15%のプレハブ率を達成できる。「工業化建築評価基準」GB/T51129-2015では、プレハブ建築のプレキャスト率は20%以上と規定されており、各地域でプレキャスト率の計算方法や基準はやや異なる。プレキャストコンクリート耐震壁構造を例にとると、プレキャスト率30%の場合、一般に合成床スラブが追加され、40%になると一般に外壁パネルが追加される。
六、プレハブ建築の工事費はなぜ高いのか？現場打ち工法より安くなる可能性はあるのか？
プレハブ工法のコストは、従来の現場打ち工法と比べて増える部分もあれば減る部分もあり、構造形式、技術システム、耐震設計水準、プレキャスト率、管理水準、プロジェクト規模などの具体的な状況によって異なるため、プレハブ建築のコストが高いとも安いとも一概には言えない。具体的には、プレハブ建築のコスト増加分には、主にプレキャスト部材の製品代と運送費、現場での据え付け・吊り上げ費、大型機械のレンタル費、壁パネルと床スラブの継ぎ目処理および関連材料費が含まれる。コスト減少分には、主に以下のものが含まれる：鉄筋工事とコンクリート工事はいずれもプレキャスト部材工場で行われるため、現場での組積費用が減り、労働コストが減り、さらに現場での支保工と型枠の費用も削減される。
（1）プレキャストコンクリート耐震壁システムのケース1
ほとんどのプレハブ建築は、現場打ちより工事費が高い。「プレハブ建築の総合効益分析方法に関する研究」という論文に基づく瀋陽のあるプロジェクトの試算によると、一定の運送費を考慮すれば、現在のプレハブ建築（PCを例とする）の工事費は現場打ちより約20%高い。このプロジェクトはフレーム・耐震壁構造の住宅棟であり、うち1号棟はプレハブ建築で、基礎から3階までは現場打ち、4～17階はプレハブ方式である。3号棟は完全な現場打ち建築である。プレハブ建築は土木工事部分、特に鉛直部材において現場打ちより工事費が高く、その大部分は鉛直鉄筋の接合コストと、プレキャスト外壁と現場打ち部材との接合部におけるコスト増に由来する。
現場打ち建築とプレハブ建築の工事費比較
（2）プレキャストコンクリート耐震壁システムのケース2
亚泰集团の张建国氏らによる2017年の分析結果によると、現場打ち建築と比較して、プレハブ率がそれぞれ20%、40%、60%の建築の1平方メートル当たりの建設コストは、それぞれ11.1%、30%、33.8%増加する。ただし、プレハブ率の上昇に伴って人件費の割合は徐々に低下する。その主な理由は次の3つである：
第一に、現在、中国国内のプレキャスト部材は標準化の度合いが低く、規格・寸法の種類が多い。また、プレキャスト部材の生産は、規模化された調達・生産・輸送が実現されておらず、バラ積み輸送方式では効率が低い。第二に、プレキャスト部材は標準化の程度が異なるため部材費用が高い。大半のメーカーは依然として階段や階段スラブなどの水平プレキャスト部材の生産にとどまっており、壁パネルなどの鉛直部材の生産は少ない。これらのことが、プレキャストメーカーに設備投資上の大きな資金負担をもたらすと同時に、プレキャスト部材の設備償却コストの増加を招いている。したがって、次のことがわかる：プレキャスト率が20%から40%に上がる際には、コストが大幅に上昇する。第三に、現在は設計・生産・施工の一体化の程度が低いことなどが挙げられる。プレキャスト部材のサプライヤーが総請負者として設計を行うことができれば、コストを削減できる。
（3）プレキャストコンクリート構造と鉄骨構造の消費歩掛の比較
住宅都市農村建設部は「プレハブ建築工事消費量歩掛」（意見募集稿）においても、PC率（プレハブ率）が異なる9種類のプレキャストコンクリート住宅およびプレハブ鉄骨構造住宅工事の投資概算について、それぞれ参考指標を示している。これにより、プレハブ建築のコスト計算のための明確かつ統一された基準と根拠が得られる。鋼材はコンクリートより高価であるため、鉄骨構造の工事費はプレキャストコンクリート住宅よりも高くなる。
ただし、プレハブ建築のコストが現場打ちに近づきつつあることにも目を向ける必要がある。理由はいくつかある。まず、全国各地でプレハブ建築に対する優遇政策が打ち出されている。例えば上海市では、プレハブ建築の外壁にプレキャスト断熱サンドイッチ外壁を採用した場合、容積率3%を超えるボーナス容積率を与える。2018年12月時点で、上海市では合計81のプロジェクトがこの容積率ボーナス政策の審査を通過し、これらのプロジェクトの総建築面積は約700万平方メートルに上り、合計で約19.5万平方メートルの容積率不算入面積のボーナスを獲得した。このように容積率が緩和されれば、プレハブ建築の工事費を相対的に抑えられる。次に、プレハブ建築は施工期間が短い。特に現在は、新築のマンションは躯体が完成して初めて住宅ローンが支給されるため、プレハブ住宅は短期間で躯体を完了でき、融資の実行・販売の基準に達するという強みがある。したがって、プレハブ建築の工事費は低下している。
（4）その他のプレハブシステムのケース
プレハブシステムの中で、千鳥トラス構造は現場打ちよりコストを抑えられる場合がある。一般に高層鉄骨構造の自重はコンクリート構造の自重の約1/2～3/5であり、千鳥トラス構造は通常の鉄骨フレーム・耐震壁構造よりさらに軽く、用鋼量も少ないため、基礎の工事費を抑えることができる。特に南方の軟弱地盤地域では、構造自重が下がると基礎工事費の削減幅がいっそう顕著になる。
フルプレハブ低層住宅構造システムのコストは、現場打ちよりやや低い。農村部の住宅建設は単純な消費行為ではなく生産行為であり、顧客が住宅の建設に参加できるためである。フルプレハブ方式は量産化に対応できるうえ、開放性と柔軟性を備え、施工方法も簡単で地域住民の参加によって完成させることができるため、建設工期が短く、労働コストも低い。
一般的な傾向として、プレハブ鉄骨構造はプレキャストコンクリート耐震壁構造よりやや高く、プレキャストコンクリート耐震壁の高層住宅は現場打ちより高い。ただし、千鳥トラス構造やフルプレハブ低層住宅構造システムなどのプレハブシステムは、建設コストが現場打ちより安くなる可能性がある。現在把握しているデータを見ると、プレハブのコストは現場打ちへと近づきつつある。PCはコストがより低く、普及させる意義が大きいと考えるが、鉄骨構造については客観的条件のさらなる成熟が必要である。
【著作権表示：本稿は“設計最適化サークル”】
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