低層・多層コンクリートモジュール化工法の研究と応用

本稿は「プレキャスト・プレストレストコンクリート構造」からの転載であり、原著者は劉智龍  李進軍である。原文を読むには：原文を見る。転載の目的はより多くの情報を伝えることにあり、権利侵害がある場合はご連絡いただければ削除いたします。

导读：本稿は中東海外の大規模居住区プロジェクトを研究対象とし、建築方案が既定の条件下で、プレハブコンクリートPC体系からモジュール化コンクリートMIC集成建設体系への方案転換研究、方案比較検討、構造検算、施工シミュレーション及び技術経済比較を完了し、類似の海外プロジェクトのモジュール化建造に参考を提供する。

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プロジェクト概要

1.1 プロジェクト基本状況

本プロジェクトは中東海外地区の大規模総合居住コミュニティであり、住宅開発を主体とし、商業、教育、医療、緑地、市政及び交通サービス施設を同時に整備し、全体体量が大きく、機能構成が完全である。プロジェクトの主要製品形式は低層・多層コンクリート住宅であり、住戸タイプの標準化程度が高く、標準化・モジュール化建造を推進する良好な基礎を備えている。本研究ではプロジェクト内で占める割合が大きい主力住戸タイプを分析対象として選定し、元の建築平面、立面、階高及び使用機能を変更しない前提の下で、元のプレハブコンクリートPC体系をコンクリートモジュール化MIC集成建設体系にアップグレードし、方案転換、構造検算、施工シミュレーション及び技術経済比較などの面について系統的な研究を展開する。

中東地区は夏季に長期間酷暑が続き、日照が強く、屋外施工可能時間帯が限られ、現場作業効率は気候条件による制約が比較的顕著である。現地の施工チームは外国人労働者が主体であり、人員管理と技能水準にばらつきがあり、現場組織と品質管理の難度が高い。伝統的な現場打ち施工と通常のプレキャスト組立体系は現場工程が多く、人工依存度が高く、安定した納品と品質均一化の建設目標を実現することが比較的困難である。これに基づき、本プロジェクトは元のプレキャスト体系をモジュール化集成建設体系にアップグレードし、工場生産、現場一体吊り上げの方式を通じて、現場作業量を圧縮し、工期を短縮し、品質安定性を向上させ、海外中東地区の建設条件に適応する低層・多層コンクリート住宅建造の新たな経路を探索することを計画する。

1.2 研究の難点

プロジェクトの核心的な難点は以下の通りである：建築方案はすでに基本的に確定しており、構造体系のモジュール化への転換は空間配置を変更せず、使用面積を明らかに侵食せず、構造安全基準を低下させない前提の下で完了しなければならない；同時に、すべての構造分析は国内のコンクリートモジュール化建築関連規範に基づいて理論計算と方案シミュレーションを展開し、技術路線が合理的でデータ論理が厳密であることを保証しなければならない。

方案転換の合理性と実現可能性を保障するため、本研究は以下の基本原則に従う：第一に、構造性能を低下させないこと、転換後の構造検算指標は元の体系を下回らず、安全性と耐久性の要求を満たすこと；第二に、コストと工期が制御可能であること、工事費が合理的な範囲内で適度に上昇することを許容し、工期短縮と管理効率化を通じて総合価値の最適化を実現すること；第三に、機能空間が基本的に不変であること、容積率などの計画指標を満たす前提の下で、室内空間と使用機能に顕著な変化が生じないこと；第四に、モジュール生産と施工が現地条件に適応すること、工場プロセス、輸送限界、現場吊り上げ能力と気候環境などの要素を考慮すること。

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低層コンクリートモジュール化設計方案の比較検討

2.1 モジュール化体系方案の比較

プロジェクトの住戸タイプの特徴と構造応力の需要を組み合わせ、本研究では三つのモジュール化分割方案を提案し、施工難度、空間影響、リスク制御可能性、実現可能性などの次元から総合的な比較検討を行う。方案一：二重壁モジュール体系、モジュール全体が閉鎖箱型であり、両側壁板が一体成型され、現場接合が簡便で、節点数が少なく、施工精度が制御しやすく、品質安定性が高い；試算によれば、この方案は室内使用面積がやや減少するが、混合配置などの方式で補うことができる。方案二：単壁モジュール体系、室内空間への影響は小さいが、現場接合工程が増加し、節点処理の複雑度が高まり、施工精度と品質管理に対する要求が高い。方案三：混合モジュール体系、前者二つの利点を兼ね備えるが、モジュール規格が多様化した後、工場生産と現場組織の難度が上昇し、総合コストと工期の優位性がやや弱まる。

図1 モジュール体系の選択

総合的な技術信頼性、施工利便性、空間影響程度及びシミュレーション結果を踏まえ、研究は最終的に方案一の二重壁モジュール体系を基礎方案とし、混合体系の考え方を組み合わせて局部的に最適化し、工期と品質の優位性を保証すると同時に、使用空間への影響を可能な限り制御することを確定した。

2.2 モジュール分割設計原則

モジュール化ユニットの分割は以下の設計原則に従う：（1）輸送制限。プロジェクト所在地の道路の通常輸送限界要求を組み合わせ、モジュールの最大幅を4.5m以内に制御し、陸路輸送の通行条件を満たす。（2）吊り上げ適合。コンクリートモジュール化ユニットの自重が大きいため、モジュール分割は施工现场の起重設備の定格吊り上げ能力に適合しなければならず、単塊モジュールの重量を20トン以内に制御する。（3）建築機能の完全性。建築使用機能に従ってモジュール分割を行い、各モジュールが工場内で構造、断熱、表面層、配管及び内装部品の一体化生産を完了できることを保証する。（4）節点の合理性。モジュール間の接続節点は応力が明確で、施工が簡便で、防水が信頼でき、構造全体性と現場設置精度を兼ね備えるべきである。（5）標準化の調整。モジュール規格をできるだけ統一し、異形部品の数量を減少させ、工場生産と規模化普及の条件を創出する。

図2 プロジェクト単体モジュール化分割モデル

プロジェクトの全過程でBIM技術を採用してモジュール化設計、分割、協同及び成果出力のデジタルシミュレーションを完了し、方案の実現可能性に有力な支援を提供する。BIMソフトウェアに依拠して各専門モデルを構築し、空間分析、方案比較検討、面積統計及び三次元検査を展開し、モジュール化分割の実現可能性と合理性を検証する。方案比較段階において、BIM技術は低層・多層コンクリートモジュール化研究に可視化分析ツールを提供し、体系転換、部材分割、節点構造と専門協同などの重要环节を事前にシミュレーションし最適化できるようにした。

2.3 モジュールの短期工况応力検算

モジュール化構造は全体構造の正常使用限界状態設計要求を満たすほか、施工吊り上げの短期工况に対して専項の応力検算を行わなければならない。図2に示すモジュール1を例として、単個コンクリートモジュールの精細化有限要素計算モデルを構築する；吊り点境界はヒンジ拘束で模擬し、モジュールの安定要求を考慮して、輸送吊り上げ工况下の仮設支持を追加し、吊り上げ短期工况下のモジュール部材の変形応答と壁板内力分布を求解し、さらにモジュール剛性と耐力性能を検証し、吊り点配置、仮設補強措置及び輸送方案の根拠を提供する。

図3 モジュール有限要素計算モデル

図4 モジュール有限要素計算変形図

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モジュール建築方案の比較分析

3.1 施工方式の比較

元のPC方案はプレキャスト部材と現場打ちを組み合わせた方式で完成し、プレキャスト床スラブ、梁、階段、外壁板などの部材を含み、現場では依然として大量の組立、型枠支保、打設と養生作業が必要であり、部材種類が多く、工程环节が多く、機電設置と装修は主体構造完工後に展開する必要があり、全体の施工チェーンが長い。

MIC体系は箱型モジュール分割の考え方を採用し、建物全体を若干の空間モジュールに分割し、工場内で構造、断熱、表面層、配管及び内装部品の一体化生産を一度に完了し、現場では基礎施工、モジュール吊り上げ、節点封鎖と收尾作業のみが必要であり、湿式作業が大幅に減少し、機電と装修が工場で並行して完成し、現場工期が明らかに圧縮される。試算によれば、MIC方案のコンクリート使用量はPC方案よりやや多いが、部材の全体性がより強く、品質安定性がより良く、全周期総合効益がより優れている。

図5 国内プロジェクトMICモジュール工場製作現場

3.2 工期と工事費試算の比較

施工フローシミュレーションによれば、PC方案の現場総工期は比較的長く、基礎施工、各階構造施工、機電装修及び屋外工程などの环节を含む；MIC方案は大量の工程が工場で並行して完成するため、現場は吊り上げと節点施工が主体であり、工期が明らかに短縮される。試算によれば、MICモードは現場主体施工周期を約40%圧縮でき、全体建設効率の向上が顕著であり、具体的には表1に示す通りである。

表1 PCプロジェクトとMICプロジェクトの施工方式差異比較

工事費の面では、MIC方案は工場生産、一体化装修、輸送と吊り上げなどを含むため、単方工事費試算値はPC方案より高い；しかし工期短縮、現場人工減少、管理コスト低減、資金回転加速により、その全周期総合効益は大規模快速開発プロジェクトにより適している。

3.3 総合優位性分析

方案比較検討結果から見ると、MIC体系は本プロジェクトにおいて明らかな優位性を備えている：第一に施工速度が速く、高温気候の影響が小さく、海外中東地区の建設条件と高度に適合する；第二に工場製作精度が高く、品質安定性が良く、漏水、ひび割れなどの品質通病リスクが顕著に低減する；第三に現場作業量が少なく、労働力数量と技能への依存が低下し、現地の炎熱気候と労働構造に良好に適応できる；第四に建築、断熱、装飾、機電の一体化集成により、納品基準が高く、後期維持コストが低い；第五にモジュール化建築は標準化、規模化普及が容易であり、大規模居住コミュニティの統一建設に適し、特に住戸タイプが少なく数量が多いプロジェクトに適用される。

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結論

本稿は中東海外の大規模居住区プロジェクトを研究対象とし、建築方案が既定の条件下で、プレハブコンクリートPC体系からモジュール化コンクリートMIC集成建設体系への方案段階の転換研究、方案比較検討、構造検算、施工シミュレーション及び技術経済比較を完了した。

低層・多層コンクリートモジュール化体系は構造安全、使用機能、計画指標を満たす前提の下で、工期を顕著に短縮し、現場作業を減少させ、建造品質と効率を向上させることができ、現地の高温気候と労働力条件に良好に適応できる。本稿が提案する低層・多層コンクリートモジュール化分割方法、構造検算の考え方、節点構造原則、BIM協同経路及び方案比較ロジックは、中東及び海外の類似気候地区の大規模居住プロジェクトのモジュール化建造に参考を提供でき、また中国のコンクリートモジュール化建築技術の海外進出に前期研究と技術蓄積を提供できる。今後、現地化政策、標準、サプライチェーンと管理模式を組み合わせてさらに最適化した後、モジュール化建造は海外の大規模居住コミュニティ建設においてより広範な応用空間を持つであろう。

参考文献

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基金プロジェクト：華東建築設計研究院有限公司課題「低層・多層コンクリートモジュール化建築設計方法研究」助成

著者所属：華東建築設計研究院有限公司

原著者：劉智龍  李進軍

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