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建築家のための構造システム

セクション 1：構造システムの選定

構造システムの選択は、建築設計における最初期の、そして最も重大な意思決定の一つです。階高、柱間隔、ファサードの表現、施工計画、コスト、建設時の炭素排出量が左右されます。以下の意思決定ツリーとシステム一覧を活用すれば、構造エンジニアに相談する前に、建築家が十分な情報に基づいて選定できます。

意思決定ツリー：主要な変数

1. スパンの要件 — プログラムで求められる有効スパンはどのくらいですか？
2. 建物の高さ — 低層（1～4階）、中層（5～12階）、高層（13～40階）、超高層（40階超）のどれですか？
3. 用途 — 住宅、オフィス、小売、産業、複合用途、文化施設のどれですか？
4. コストの範囲 — 予算重視、中価格帯、高級のどれですか？
5. 施工速度 — 工期は重要な要因ですか？
6. サステナビリティ目標 — 建設時の炭素排出量の予算（kgCO2e/m²）はどのくらいですか？
7. 耐火性能 — 30／60／90／120分のどれが必要ですか？
8. 敷地の制約 — 搬入経路、振動、騒音、隣接構造物はどうですか？

システムタイプ 1：組積造の耐力壁構造

• スパンの範囲：4～7m（コンクリート床スラブまたは木製根太を使用）
• 高さの上限：6階まで（無補強）、10階超まで（補強／拘束）
• 一般的な壁厚：215mm（一重壁）、300mm（二重壁）、215～327mm（下層階の組積造壁）
• スラブ厚：組積造壁上の150～200mm RCスラブ、または200～250mmのプレキャスト板
• コストの範囲：80～140 $/m²（構造のみ）
• 施工速度：1階あたり4～6週間（従来工法）、薄目地組積造なら短縮可能
• 耐火性能の確保方法：材料自体の耐火性 — 厚さ215mmの無垢ブロックで120分 REIを達成
• 建設時の炭素排出量：150～280 kgCO2e/m²（ブロックの種類とモルタルによる）
• 最適な建物タイプ：公営住宅、低層住宅、ホテル、学生寮、学校
• 代表的な建築物：
  • モナドノック・ビル、シカゴ（1891年）— 17階建て、基部の壁厚1.8m
  • メイプルトン・クレセント、ロンドン（2018年）— 組積造ファサードを備えた6階建てCLT建築
  • パーク・ヒル、シェフィールド（1961年）— 耐力クロスウォール構造

建築設計上の主な影響：壁の位置によって平面計画が固定されます。構造耐力の制約により、窓の開口部は限られます。内部の耐力壁は、将来的な柔軟性を制約します。反復性の高い細分化された平面計画（住宅、ホテル）に最適です。クロスウォール構造（戸境壁が荷重を支える）は、最も効率的な方式です。

システムタイプ 2：鉄筋コンクリートラーメン構造

• スパンの範囲：6～12m（フラットスラブ）、8～15m（梁スラブ）、10～18m（ワッフルスラブ）
• 高さの上限：なし（適切な水平力抵抗システムを備える場合）
• 一般的なスラブ厚：フラットスラブ 250～350mm、梁スラブ スラブ厚150～200mm＋梁せい450～700mm、ワッフルスラブ 全体の厚さ325～500mm
• 柱寸法：300x300mm（低層）～1200x1200mm（高層建築の基部）
• コストの範囲：120～220 $/m²（構造のみ）
• 施工速度：1フロアあたり7～14日（従来の型枠）、5～7日（テーブル型枠）
• 耐火性能の確保方法：鉄筋のかぶり厚さ — 60分で25mm、90分で35mm、120分で45mm（BS EN 1992-1-2）
• 建設時の炭素排出量：250～400 kgCO2e/m²（一般的な工法）、180～280 kgCO2e/m²（GGBS/PFAによるセメント置換）
• 最適な建物タイプ：あらゆる建物タイプ — 住宅、オフィス、病院、複合用途、高層建築
• 代表的な建築物：
  • バービカン・エステート、ロンドン（1969～76年）— コンクリートラーメン構造をあらわし仕上げとし、住宅棟は42階建て
  • マリーナベイ・サンズ、シンガポール（2010年）— ポストテンション方式のフラットスラブ、57階建て
  • ボスコ・ヴェルティカーレ、ミラノ（2014年）— 植栽用の片持ちバルコニーを備えたRCラーメン構造

建築設計上の主な影響：フラットスラブは、下がり梁がなく設備配管を自由に通せるため、最大限の柔軟性を実現します。ただし、柱位置のパンチングせん断に対処するため、ドロップパネルやせん断補強材が必要です。梁スラブは全体として厚くなりますが、長スパンではより効率的です。ワッフルスラブは、公共建築でスラブ下面をあらわしにする場合に適しています。

構造形式 3：ポストテンションコンクリート

• スパン範囲：8～16m（フラットスラブ）；10～20m（バンドビーム）
• 高さ制限：なし
• 一般的なスラブ厚：200～300mm（フラットスラブのPT）；スラブ厚180～250mm＋バンドビーム高400～600mm
• コスト範囲：140～240 $/m²（構造体のみ — テンドンによりRCのコストは15～25％増加しますが、コンクリート量を削減できます）
• 施工速度：1フロアあたり5～7日（テーブルフォーム）；スラブが薄く、早期に型枠を取り外せるため、RCよりサイクルが速くなります
• 耐火設計の方針：基本的にはRCと同じですが、テンドンのかぶり厚さに関する要件があります（90分耐火で40mm）。耐火安全性の観点から付着型テンドンが推奨されます。非付着型には補強筋が必要です。
• エンボディドカーボン：200～320 kgCO2e/m² — コンクリート量を削減できるため、同等のRCフラットスラブより通常15～25％低くなります
• 最適な建物タイプ：大スパンのオフィス、駐車場、病院、空港、ポディウム構造
• 代表的な建築物：
  • One Canada Square、ロンドン（1991年） — PTフラットスラブ、50階建て
  • Apple Park、クパチーノ（2017年） — PT放射状スラブ、スパン12m
  • Broadgate Exchange House、ロンドン（1990年） — 10階を支持する、支間78mのPTアーチ

主な建築上の影響：RCよりスラブを薄くでき（通常20～30％薄い）、階高が抑えられ、外装材や設備の累積コストを削減できます。テンドンの位置によって貫通孔の配置が制約されるため、構造エンジニアと早期に調整する必要があります。施工後にテンドンを貫通するコア抜きはできません。

構造形式 4：鉄骨フレーム

• スパン範囲：6～20m（標準断面）；15～60m以上（トラス、カステラテッドビーム）
• 高さ制限：なし（適切な水平力抵抗システムを採用する場合）
• 一般的な梁せい：300～600mm（スパン6～12m）；500～900mm（スパン12～20m）；トラスは1.5～3.0m（スパン30～60m）
• 柱サイズ：200x200mm UCから400x400mm（または円形、直径219～508mm）
• コスト範囲：150～280 $/m²（耐火被覆を含む構造体のみ）
• 施工速度：1フロアあたり3～5日（鉄骨建方）；最も速い構造システムです。高層建築ではRCより工期を4～6か月短縮できます。
• 耐火設計の方針：耐火塗料（30～60分には薄膜、90～120分には厚膜）、耐火ボードによる被覆、コンクリート被覆、水充填中空断面、または妥当性が認められる場合の耐火設計に基づく無被覆鉄骨。
• エンボディドカーボン：200～350 kgCO2e/m²（一般的な鉄骨）；120～200 kgCO2e/m²（再生材含有率の高いEAF鋼材）
• 最適な建物タイプ：オフィス（シティ・オブ・ロンドンの標準）、高層建築、長スパン構造、展示ホール、スタジアム、短工期のプロジェクト
• 代表的な建築物：
  • The Shard、ロンドン（2012年） — コンクリートコアを備えた鉄骨フレーム、72階建て、高さ310m
  • Centre Pompidou、パリ（1977年） — 鉄骨のジェラベレットトラスを露出、支間48m
  • Beijing National Stadium「Bird's Nest」（2008年） — 鉄骨立体トラス構造、スパン330m

主な建築上の影響：最も軽量な構造システムで、地盤条件が悪い場所で有利です。建方が最も速く、商業プロジェクトでは特に重要です。耐火被覆は追加コストとなり、意匠上の検討も必要です。鉄骨を露出する場合は、耐火設計を慎重に行うか、耐火設計に基づく解決策を受け入れる必要があります。長スパンの鉄骨構造により、コンクリートでは実現できない柱のない空間を実現できます。

システムタイプ 5：鉄骨・コンクリート合成構造

• スパン範囲：9～18m（金属デッキを用いた合成梁）、12～20m（合成トラス）
• 高さ制限：なし
• 一般的な床構造：梁下に400～600mmの鉄骨梁を設けた厚さ130～170mmの合成金属デッキスラブ（または厚さ200～350mmのASB／薄型床梁）
• コスト範囲：140～250 $/m²（構造体のみ）
• 施工速度：鉄骨フレームと同等です。金属デッキが捨て型枠として機能するため、スパン3.6mまで支保工は不要です。
• 耐火性能の確保方法：メッシュ筋入りデッキで60分を確保できます。90～120分の場合は追加の鉄筋補強が必要です。鉄骨梁は鉄骨フレームと同様に保護します。
• エンボディドカーボン：220～340 kgCO2e/m²
• 最適な建物タイプ：商業オフィス（英国の標準仕様）、複合用途の基壇部、駐車場
• 代表的な建物：
  • 22 Bishopsgate、ロンドン（2020）— 合成構造フレーム、62階建て
  • One World Trade Center、ニューヨーク（2014）— 鉄骨・コンクリート合成構造
  • Leadenhall Building「Cheesegrater」、ロンドン（2014）— 合成床を用いたメガフレーム

主な建築上の留意点：英国における商業オフィスの標準的な構造方式です。スラブ厚150mmと梁せい400～500mmの場合、構造ゾーン全体の厚さは550～650mmになります。薄型床の仕様（ASB、Slimdek）では300～400mmまで抑えられますが、コストは高くなります。梁ウェブの開口部に設備を通すことで、構造ゾーン内に設備を納め、階高を抑えられます。

システムタイプ 6：大断面木造

• スパン範囲：CLT床は5～8m、集成材梁は8～15m、木造トラスは12～30m
• 高さ制限：18階まで（現行の規準。高度な設計ソリューションではさらに高層化可能。ノルウェーのMjosternetは18階建て／85.4m）
• 一般的な部材寸法：CLTパネルは厚さ100～300mm、集成材梁は200x400mm～300x900mm、LVL梁も同程度の寸法範囲
• コスト範囲：160～300 $/m²（構造体のみ。コンクリートより割高ですが、低下傾向にあります）
• 施工速度：非常に速く、1フロアあたり3～5日です。プレハブ化された乾式工法により、現場作業を削減できます。RCより30～50％速く施工できます。
• 耐火性能の確保方法：炭化速度法を採用します。木材は毎分0.65mm（針葉樹）炭化するため、犠牲層を設けます。断面を大きくすれば60～90分は容易に確保できます。120分の場合は被覆します。通常、4階を超える建物ではスプリンクラーが必要です。
• エンボディドカーボン：80～180 kgCO2e/m²で、コンクリートや鉄骨より大幅に低くなります。生物由来炭素の固定により、カーボンネガティブとなる可能性もあります。
• 最適な建物タイプ：中層の住宅、オフィス、学校、文化施設、バイオフィリックデザインが重視されるウェルネス施設・医療施設
• 代表的な建物：
  • Mjosternet、ブルムンダール、ノルウェー（2019）— 18階建て、85.4m、世界で最も高い木造建築
  • Dalston Works、ロンドン（2017）— CLT造の10階建て住宅、121戸
  • Sara Kulturhus、シェレフテオ、スウェーデン（2021）— 20階建て、大断面木造のハイブリッド構造

主な建築上の留意点：木材を露出させると、温かみのあるバイオフィリックな美観が得られます。遮音の確保には、慎重な納まり（弾性層、CLT上のコンクリート上塗り）が必要です。施工中の湿気管理が重要です。接合部の設計が最大の課題となり、鋼製ブラケット、セルフタッピングねじ、ダボ接合などを用います。木材は収縮やクリープにより動くため、異種材料との接合部では差動変位を見込む必要があります。

システムタイプ 7：ハイブリッドシステム

• 木材・コンクリート合成構造（TCC）：CLT または集成材にコンクリートの上部層を設けます。遮音性能を高め、熱容量を増やし、剛性を向上させます。スパンは 6～10m です。住宅でよく使われます。
• 鉄骨・木造：CLT 床パネルを備えた鉄骨主架構です。鉄骨の長いスパンと木材の持続可能性を組み合わせます。スパンは 8～16m です。
• コンクリートコア＋木造架構：水平力に対する安定性をコンクリートコアで確保し、鉛直荷重を木造架構で支えます。高層木造建築でよく使われます。
• コスト範囲：組み合わせに応じて 150～280 $/m²
• エンボディドカーボン：120～250 kgCO2e/m² — 木造のみとコンクリートのみの中間です
• 代表的な建築物：
  • 25 King、ブリスベン（2018）— 木材・コンクリート合成構造、10 階建て
  • Brock Commons、バンクーバー（2017）— コンクリートコア＋CLT 床＋集成材柱、18 階建て
  • 80 Atlantic Avenue、トロント（2022）— 鉄骨・木造のハイブリッドオフィス

システムタイプ 8：プレキャストコンクリート

• スパン範囲：中空床版 6～16m、ダブルティー 12～24m、プレキャスト梁 8～18m
• 高さ制限：30 階以上も可能です（安定性確保のため、現場打ちコアまたは耐震壁を使用）
• 一般的な部材寸法：中空床版は奥行き 150～400mm × 幅 1200mm、ダブルティーは奥行き 400～800mm × 幅 2400mm、柱は 300x300～600x600mm
• コスト範囲：130～230 $/m²（構造のみ）
• 施工速度：非常に速いです — 工場で品質管理を行い、現場での湿式工事を最小限に抑えます。1 フロアあたり 3～5 日です。
• 耐火性能の確保方法：部材自体の性能によります — 現場打ち RC と同程度です。厚さ 150mm の中空床版は 60 分、200mm では 90 分、250mm 以上では 120 分の耐火性能を確保できます。
• エンボディドカーボン：230～370 kgCO2e/m² — 現場打ち RC と同程度ですが、廃棄物は少なくなります
• 最適な建物用途：駐車場、小売施設、倉庫、学生寮、刑務所、規格化された住宅
• 代表的な建築物：
  • Welbeck Street Car Park、ロンドン（1970）— プレキャストのダイアグリッドファサード／構造
  • De Rotterdam、ロッテルダム（2013）— プレキャストコンクリート架構、高さ 150m、延床面積 162,000m² の複合用途施設
  • Habitat 67、モントリオール（1967）— プレハブコンクリートモジュール、354 戸

建築設計上の主な留意点：プレキャスト部材は建方の数週間前に製造されるため、早期の調整が必要です。現場での変更は困難で、費用もかかります。継手や接合部は、建築的な納まりを慎重に検討する必要があります。経済性を高めるには、グリッドと部材寸法の標準化が不可欠です。優れた表面仕上げ（打放し、研磨、テクスチャ仕上げ、着色骨材）を実現できます。

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セクション 2：構造グリッドの設計

構造グリッドは、あらゆる建築設計上の判断を支える骨格です。グリッド寸法は、柱の位置、ファサードのリズム、駐車効率、設備ルート、空間の質を左右します。基本設計段階でグリッドを適切に定めることで、後の高額な再設計を防げます。

建物用途別のグリッド間隔

建物用途	一般的なグリッド（m）	備考
住宅（集合住宅）	5.0-8.0 x 5.0-8.0	戸境壁を兼ねた耐震壁は中心間隔5.0-7.5m。6.0mあれば2ベッドルーム住戸の幅を確保できます
住宅（ホテル）	3.6-4.2 x 7.5-9.0	客室幅は3.6-4.2m。浴室を含む客室奥行きは7.5-9.0m
オフィス（投機的開発）	7.5-10.8 x 7.5-10.8	9.0mが英国の標準です。高級なグレードAでは10.8mです
オフィス（自社使用）	6.0-9.0 x 6.0-12.0	グリッドの自由度が高く、荷重伝達構造にも対応できます
小売（ショッピングセンター）	8.0-12.0 x 8.0-12.0	柱のない小売区画が望まれます。8.1mは標準的な店舗正面に適しています
小売（スーパーマーケット）	10.0-16.0 x 10.0-16.0	商品棚の配置と柔軟性を確保するため、大きな無柱スパンが必要です
駐車場（地上）	8.1 x 5.4（1台分）	2台分＋通路＝車5.0m＋通路6.0m＋車5.0m＝ダブルベイ16.0m
駐車場（地下）	7.5-8.1 x 15.4-16.2	16.2mのダブルベイスパンは、ポストテンション方式の駐車場の標準です
病院	7.2-8.4 x 7.2-8.4	診療室のモジュールに適しています。7.2m＝3.6mの診療ベイ2区画
学校（教室）	7.5-9.0 x 7.5-9.0	8.1m x 8.1mは60m²の教室に適しています
倉庫／物流施設	12.0-24.0 x 12.0-24.0	長スパンの門型ラーメン構造またはトラスを使用します。24mの無柱スパンが標準です
研究施設	6.6-7.5 x 9.0-10.8	3.3mの実験台間隔を基準とするモジュールです（3.3m x 2＝6.6m）

無柱スパンの要件

用途	最小有効スパン
バドミントンコート	6.1 x 13.4m
バスケットボールコート	15.2 x 28.6m
プール（25m）	最小25.0 x 16.0m
プール（50m）	最小50.0 x 25.0m
劇場の客席ホール	座席数に応じて15-30m
コンサートホール	25-50m
展示ホール	30-100m+
空港ターミナル	30-70m（チェックインホール）

グリッドとファサードモジュールの整合

不自然な取り合いを避けるため、構造グリッドはファサードモジュールと調整する必要があります。

• カーテンウォール：マリオンの一般的な間隔は1.2m、1.5m、または1.8mです。9.0mの構造グリッドは、ファサードベイを6区画の1.5mまたは5区画の1.8mに分割できます。
• プレキャスト外装材：パネル幅は通常1.5-3.6mです。グリッドをパネルモジュールに合わせる必要があります。
• 組積造ファサード：れんがモジュールは225mm（英国）または200mm（モジュール寸法）です。グリッド寸法はれんがモジュールの倍数にする必要があります。
• ユニット式カーテンウォール：パネル幅は1.2-1.8mです。構造グリッドはパネル幅の整数倍にする必要があります。

ポディウムとタワーの接続部

タワーがポディウムの上に建つ場合（小売／駐車場のポディウムと住宅／オフィスのタワーを組み合わせた複合用途でよく見られます）、グリッドが一致しないことがほとんどです。

• 荷重伝達構造：荷重を伝達するために、伝達梁（深さ1.0-2.5m）または伝達スラブ（600-1200mm）を使用します。コストが高く、炭素排出量も多くなります。
• 柱の位置ずらし：傾斜部材を用いて柱を内側にずらします。慎重な詳細設計が必要です。
• グリッドの整合：最善の方法です。タワーのグリッドがポディウムのグリッドと合うように設計します。一般的な方法は、8.1mのポディウムグリッド（駐車場用）に対し、ポディウムの柱2本または3本ごとにタワーの柱を配置することです。
• メガ柱：ポディウムのグリッドとは独立した大断面の柱または壁で、タワーの荷重をポディウムを通して直接支えます。

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セクション3：水平安定システム

すべての建物は水平荷重（風荷重、地震荷重、仮定水平荷重）に抵抗する必要があります。水平抵抗システムは建築計画に大きく影響します。堅固な壁を設ける位置、ブレースが現れる場所、そして実現可能なファサード表現が決まるためです。

耐震壁（コンクリートまたは組積造）

• 原理：基礎に固定された垂直片持ちとして機能する平面状の壁です。
• 最小厚さ：150mm（コンクリート、10階建てまで）；200-300mm（より高層の建物）；215mm（組積造）
• 計画への影響：壁は屋根から基礎まで連続している必要があります。撤去や移設はできません。直交する2方向に配置する必要があります。
• 適用可能な高さ：30階建てまで（コンクリート）；10階建てまで（組積造）
• 利点：優れた防火区画性能、遮音性、ブレースが外部から見えない
• 配置方針：コア（エレベーター、階段）の周囲、戸境壁、妻側の端部、廊下に面する壁
• 耐震壁の最小設置量：20階建てまでの建物では、平面上の床面積の約3-5%

ブレース構造

• 種類：X形ブレース、V形ブレース（シェブロン）、逆V形ブレース、K形ブレース（連鎖的崩壊のリスクがあるため避ける）、偏心ブレース
• 部材寸法：一般に150x150mm～300x300mmの中空断面（鋼材）；または200x200mm～400x400mmの木材
• 計画への影響：ブレース構面が、ブレース構面内の移動を制限します。基本計画段階で解決する必要があります。
• 適用可能な高さ：20階建てまで（同心ブレース）；40階建てまで（塑性変形能力のあるリンクを備えた偏心ブレース）
• 利点：効率的で軽量です。ブレースを意匠として見せることで、印象的な建築表現が可能です。
• 欠点：ブレース構面の開口部を妨げます。基礎の固定度が必要です。

ラーメン構造

• 原理：梁と柱の剛接合部が、曲げによって水平荷重に抵抗します。
• 部材寸法：柱は重力荷重のみを考慮した設計より50-100%大きくなり、接合部では梁せいが大きくなります。
• 計画への影響：ブレースも耐震壁も不要なため、空間設計の自由度が最大になります。
• 適用可能な高さ：25階建てまで（鋼構造）；それ以上では効率が低下します。
• 利点：計画の自由度が高く、透明なファサードも実現できます。
• 欠点：水平力抵抗システムの中で最も高価です。ブレース構造より鋼材使用量が大幅に増加します（30-50%増）。部材寸法も大きくなり、接合部も複雑です。
• 層間変形の制御：通常、強度よりも層間変形角（一般にH/500）が支配的な設計基準となります。

コア構造

• 原理：エレベーター、階段、縦シャフトを収めたコンクリートコアが、主要な水平力抵抗要素として機能します。
• 計画への影響：コアは平面計画の要となります。コアの位置は、構造効率、賃貸可能面積、避難距離に影響します。
• 中央コア：水平荷重に対して最も構造効率が高く、商業オフィスビルで標準的です。外周部の利用可能な空間を最大化できます。
• 側部／端部コア：住宅タワーで一般的で、柱のない床面を実現できます。水平力抵抗の効率は低く、補助的な壁が必要となる場合があります。
• 二重コア：奥行きのある平面の建物で用いられます。2つのコアを床ダイアフラムで連結します。
• 適用可能な高さ：コア単独で40-50階建てまで。アウトリガーを用いれば、さらに高層化できます。
• コア寸法：20階建てを超える建物では、一般に基準階床面積の15-25%

アウトリガーシステム

• 原理：深梁またはトラスでコアと外周柱を連結し、建物全幅を水平力抵抗に活用します。コアの曲げモーメントと頂部たわみを大幅に低減します。
• アウトリガーの高さ：一般に1-2階分（機械設備階が理想的な設置場所です）
• 適用可能な高さ：40-80階建て
• 計画への影響：アウトリガー階は通常の用途に使えないため、機械設備階として専用に使用します。
• 効率：高さの2/3の位置にアウトリガーを1つ設置すると層間変形を約50%低減できます。2つのアウトリガーを1/3および2/3の位置に設置すると、約65%低減できます。
• 代表例：台北101、ワン・ワールド・トレード・センター、上海タワー

チューブ構造

• フレーム付きチューブ：建物外周に密に配置した柱（中心間隔2-4m）と奥行きの深いスパンドレル梁でチューブを形成します。40-80階建て。
• 束ねチューブ：複数のチューブを組み合わせます（Sears/Willis Tower）。80-110階建て。
• ブレース付きチューブ：建物外周に斜めブレースを設けます（John Hancock Center、30 St Mary Axe）。40-100階建て。
• ダイアグリッド：三角形を組み合わせた外周構造で、ファサードに垂直柱はありません。非常に効率的です。30-70階建て。
• 計画への影響：外周柱や斜材は建築表現に活用できますが、眺望やファサード開口が制限されます。通常、エントランスでは1階の柱の荷重移行が必要です。

メガフレーム／ベルトトラス

• 原理：四隅のメガコラムを、一定間隔で配置したベルトトラスで連結します。内部構造は、鉛直荷重のみを支える軽量フレームです。
• 適した高さ：60-120階以上
• 代表例：HSBC Building Hong Kong（メガフレーム）、Leadenhall Building London（メガフレーム）
• 計画への影響：メガコラムは非常に大きい（寸法1.5-3.0m）ため、計画の初期段階から組み込んでください。

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セクション4：基礎の種類

基礎の選定は、地盤条件、構造荷重、許容沈下量、地下水位、敷地へのアクセス制約によって異なります。建築家は、地下室の実現可能性を評価し、地下構造との調整を行い、工期への影響を把握するために、基礎の種類を理解する必要があります。

布基礎

• 説明：耐力壁の下に連続して設けるコンクリート基礎
• 一般的な寸法：幅450-900mm x 深さ200-450mm（無筋）。鉄筋を入れる場合はさらに幅広く、深くなります。
• 適用対象：低層の耐力組積造建築、軽量なフレーム構造
• 地盤要件：浅い深度に堅固な地盤があること（通常、地盤面下<1.5m）
• 利用する地耐力：50-200 kPa

独立基礎

• 説明：各柱の下に設ける個別のコンクリート基礎
• 一般的な寸法：平面寸法1.0x1.0m～3.5x3.5m。深さ500-1500mm。
• 適用対象：良好な地盤上のフレーム構造（鉄骨、コンクリート、木造）
• 地盤要件：浅い深度に堅固～硬質の地盤があること
• 利用する地耐力：100-600 kPa

べた基礎／マット基礎

• 説明：建物の全平面下に設ける連続した鉄筋コンクリートスラブ
• 一般的な厚さ：300-600mm（軽量建築物）。600-1500mm（重量建築物／タワー）。
• 適用対象：地盤のばらつきが大きい場合や軟弱な地盤、地下水位が高い場所、地下室の防水が必要な建築物
• 利点：広い面積に荷重を分散します。地下室の床スラブとして機能し、不等沈下を抑制します。
• 地盤要件：比較的軟弱な地盤（50-150 kPa）でも施工可能です。

杭基礎

表層地盤が建物荷重を支えられない場合、杭によって荷重をより深い位置にある良好な地盤へ伝達します。

• 場所打ち杭（CFA — 連続フライトオーガー）：直径300-1200mm、深さ30mまで。低振動、低騒音です。都市部の敷地に適しています。一般的な支持力：杭1本あたり500-5000 kN。
• 場所打ち杭（ロータリー式）：直径600-2400mm、深さ60m以上。大きな荷重に対応します。支持力：杭1本あたり2000-30000 kN。
• 既製コンクリート杭（打込み杭）：一辺250-450mmの正方形断面、深さ30mまで。振動が大きいため、都市部の敷地では制限されます。支持力：杭1本あたり500-3000 kN。
• 鋼製H形鋼杭（打込み杭）：寸法200-350mm、深さ40mまで。障害物を貫通して打ち込めます。支持力：杭1本あたり500-4000 kN。
• スクリュー杭：直径200-800mm。迅速に設置でき、撤去可能です。仮設構造物や軽荷重の恒久構造物に適しています。支持力：100-1500 kN。

土質別の一般的な支持圧力

土質／岩種	想定支持力（kPa）
強固な火成岩／変成岩	10,000+
強固な石灰岩／砂岩	2,000-10,000
軟岩（チョーク、泥岩）	500-2,000
密な砂礫／密な砂	300-600
中密な砂	100-300
緩い砂	50-100（推奨されません）
硬い粘土（非排水せん断強度 >150 kPa）	150-300
硬めの粘土（Su 75-150 kPa）	75-150
軟らかい粘土（Su <75 kPa）	50-100（沈下に注意が必要）
非常に軟らかい粘土／泥炭	直接基礎には適しません

地下水と地下室の設計

• 地下室床版より高い地下水位：防水層を設ける構造（タイプA防水 — メンブレン）、構造体と一体化した防水コンクリート（タイプB — BS 8102）、または排水空間（タイプC）が必要です。
• 浮き上がり抵抗：地下水位が高い場合、基礎は静水圧による浮き上がりに抵抗する必要があります。地下水位より3m深い地下室には、30 kPaの浮力圧が発生します。
• 一般的な地下室のコスト：800-1500 $/m²（1層）；1000-2000 $/m²（複数層）— 上部構造より大幅に高額です。

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セクション5：スパンとせいの比率

これらの経験則を使うと、設計初期段階で建築家が構造せいを見積もり、詳細な構造設計の前に階高を決定できます。

コンクリート部材

部材	スパン／せいの比率	例：スパン8m
一方向RCスラブ（単純支持）	L/28	286mm
一方向RCスラブ（連続）	L/32	250mm
二方向RCスラブ（単純支持）	L/33	242mm
二方向RCスラブ（連続）	L/40	200mm
ポストテンションフラットスラブ	L/40 to L/48	167-200mm
RC梁（単純支持）	L/12	667mm
RC梁（連続）	L/18	444mm
ポストテンション梁	L/18 to L/24	333-444mm
RC柱（高さ／最小寸法）	H/15 to H/8	—

鋼部材

部材	スパン／せいの比率	例：スパン12m
鋼梁（UB、単純支持）	L/20	600mm
鋼梁（連続）	L/24	500mm
カステレーテッドビーム	L/18 to L/22	545-667mm
セルラービーム	L/20 to L/25	480-600mm
鋼トラス（平行弦）	L/10 to L/15	800-1200mm
鋼トラス（勾配屋根）	L/8 to L/12	1000-1500mm
プレートガーダー	L/12 to L/15	800-1000mm

木質部材

部材	スパン／せいの比率	例：スパン7m
集成材梁（単純支持）	L/15 to L/20	350-467mm
集成材梁（連続）	L/18 to L/24	292-389mm
CLT床スラブ	L/25 to L/30	233-280mm
LVL梁	L/16 to L/22	318-438mm
木製I形梁	L/15 to L/20	350-467mm
木造トラス（勾配屋根）	L/8 to L/12	583-875mm

プレキャストコンクリート部材

部材	スパン／せいの比率	例：スパン10m
ホロコア板（150mm）	L/30 to L/35	286-333mm
ホロコア板（250-400mm）	L/35 to L/40	250-286mm
プレキャストダブルティー	L/20 to L/25	400-500mm
プレキャスト梁（矩形）	L/12 to L/16	625-833mm
プレキャスト梁（L形／逆T形）	L/14 to L/18	556-714mm

スパン対せい比の適用

床から床までの高さを推定する手順：

1. グリッドから構造スパンを決定します
2. 部材の種類（スラブ、梁など）を選択します
3. L／比率を使って構造せいを算出します
4. 設備用の天井裏空間を加えます：150～400mm（住宅）、400～800mm（オフィス）、600～1200mm（病院）
5. 床仕上げを加えます：50～150mm（二重床）または20～50mm（スクリード／カーペット）
6. 天井仕上げを加えます：15～25mm
7. 合計＝床構造ゾーン
8. 室内有効高さを加えます：2400～2700mm（住宅）、2700～3000mm（オフィス）、2700～3600mm（小売店舗）
9. 合計＝床から床までの高さ

例1 — スパン9mのオフィス、合成鋼梁の場合：

• 構造せい：9000/20 = 梁450mm（合成デッキ150mmを含め、合計600mm）
• 天井裏空間：200mm（梁ウェブの開口部に設備を通し、梁下に追加）
• 二重床：150mm
• 天井タイル：15mm
• 有効高さ：2750mm
• 床から床までの高さ：600 + 200 + 150 + 15 + 2750 = 3715mm → 3750mmまたは4000mmに丸めます

例2 — スパン6mの住宅、RCフラットスラブの場合：

• 構造せい：6000/28 = 214mm → 225mmのフラットスラブを使用します
• 天井裏空間：200mm（配管、スプリンクラー、ケーブル）
• 床仕上げ（スクリード＋カーペット）：75mm
• 天井仕上げ：15mm
• 有効高さ：2500mm
• 床から床までの高さ：225 + 200 + 75 + 15 + 2500 = 3015mm → 3100mmに丸めます

例3 — スパン7.5mの病院、RC梁スラブの場合：

• 構造せい：スラブ200mm + 梁600mm = 600mm（ゾーンは梁のせいで決まります）
• 天井裏空間：800mm（設備が多い場合 — HVAC、医療ガス、データ、スプリンクラー）
• 床仕上げ（スクリード上のビニル）：75mm
• 天井タイル：15mm
• 有効高さ：2700mm
• 床から床までの高さ：600 + 800 + 75 + 15 + 2700 = 4190mm → 4200mmまたは4500mmに丸めます

例4 — スパン16.2mの駐車場、PTフラットスラブの場合：

• 構造せい：16200/40 = 405mm → 400mmのPTスラブを使用します
• スラブ下の設備：150mm（スプリンクラー、照明、排水のみ）
• 床仕上げなし、天井仕上げなし
• 有効高さ：最低2400mm（BS 8110に基づき、障害物がある箇所では2100mm）
• 床から床までの高さ：400 + 150 + 2400 = 2950mm → 3000mmに丸めます

構造システム比較表

基準	組積造	RCフレーム	PTコンクリート	鉄骨フレーム	合成構造	大断面木造	プレキャスト
経済的な最大スパン	7m	12m	16m	20m	18m	15m（集成材）	16m（HC）
最大高さ	6階	無制限	無制限	無制限	無制限	18階	30階
床から床までの高さ（オフィス、9m）	該当なし	3.6-4.0m	3.4-3.8m	3.7-4.0m	3.5-3.8m	3.5-3.9m	3.5-3.8m
エンボディドカーボン	低～中	高	中	中	中～高	非常に低い	中
施工速度	遅い	中	中～速い	非常に速い	非常に速い	非常に速い	非常に速い
計画の柔軟性	低	高	高	非常に高い	非常に高い	中	低
遮音性能	良好	良好	良好	低い（対策が必要）	普通	低い（対策が必要）	良好
耐火性能	もともと備わる	もともと備わる	もともと備わる	被覆が必要	部分的	炭化＋被覆	もともと備わる
現場での湿式工事	多い	多い	多い	少ない	中	非常に少ない	少ない
品質管理	ばらつきあり	ばらつきあり	良好	良好	良好	非常に良好（工場製造）	非常に良好（工場製造）

振動に関する検討事項

軽量な床構造（鉄骨、木材）は、人の動作による振動（歩行振動）の影響を受けやすくなります。

• コンクリートスラブ（>250mm）：固有振動数は通常 >8 Hz で、あらゆる用途で許容範囲です
• 合成鋼製デッキ（130-170mm）：スパン >7.5m の場合は確認が必要です。固有振動数の目標値：>4 Hz（オフィス）、>8 Hz（病院の手術室）
• CLT床：スパンが5mを超えると影響を受けやすくなります。コンクリート上打ち（50-80mm）を追加して、質量と減衰を高めます。目標値：住宅では >8 Hz
• ポストテンションスラブ：剛性と重量の比が高いため、一般に問題ありません
• 長スパン鉄骨梁（>12m）：振動解析が必要になることがよくあります。対策：梁の剛性を高める、コンクリート上打ちによる質量を追加する、制振装置（TMDs）を調整する

特別な配慮が必要な振動に敏感な用途：

• 病院の手術室および画像診断室（VC-A～VC-D基準）
• 実験室の精密機器（VC-A～VC-E）
• レコーディングスタジオおよびコンサートホール
• 20階を超える高層住宅（風による揺れ）

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セクション 6：荷重伝達経路の説明

鉛直荷重の伝達経路

荷重は、構造体を連続して下方へ伝達されます。

1. 作用荷重（人、家具、機器、積雪）が床仕上げに作用します
2. 床仕上げから床スラブ／デッキ（一方向または二方向スパン）へ荷重が伝達されます
3. スラブから梁（ある場合）、または柱／壁（フラットスラブ）へ直接荷重が伝達されます
4. 梁から柱または耐力壁へ荷重が伝達されます
5. 柱／壁から各階を通じて基礎へ荷重が伝達されます
6. 基礎から地盤へ荷重が伝達されます

重要なルール：荷重伝達経路上のすべての部材に十分な耐力が必要であり、経路は連続していなければなりません。5階の柱の下には、4階にも柱が必要です。そうでない場合は、トランスファー構造が必要です。

水平荷重の伝達経路

風力および地震力は、水平経路をたどります。

1. 風圧がファサード／外装材に作用します
2. ファサードから各階の床スラブ（水平ダイアフラムとして機能）へ荷重が伝達されます
3. 床ダイアフラムから水平力抵抗要素（コア、耐震壁、ブレース構造、モーメント抵抗フレーム）へ、面内せん断を通じて荷重が伝達されます
4. 水平力抵抗要素から基礎へ鉛直方向に荷重が伝達されます
5. 基礎から地盤へ転倒モーメントと基部せん断力が伝達されます

重要なルール：床ダイアフラムは連続し、水平力抵抗要素に接続されていなければなりません。床スラブの大きな開口（アトリウム、階段）はダイアフラムの作用を弱めるため、開口部周囲に補強と集力梁が必要です。

構造上の問題を引き起こす一般的な建築設計上の判断

1. ある階の柱を取り除く — トランスファー梁が必要となり、コストと梁せいが増加し、下階にも影響します
2. 複数階にわたる大きなアトリウム吹き抜け — ダイアフラムの作用を妨げ、縁梁と補助ブレースが必要になります
3. 片持ち床 — 背面スパンの定着と、より重い構造が必要です。片持ち先端部ではたわみが重要な検討事項です
4. 上階をセットバックさせる — 水平力の伝達経路が変わり、柱の切り替えが必要となるため、トランスファー構造が追加されます
5. ポディウムとタワーのコアの位置ずれ — ねじれの影響と複雑なトランスファーが生じます
6. 四方が開放された地上階（ピロティ） — 地震地域では弱層のリスクがあり、慎重な水平力設計が必要です
7. 曲線状または不整形な床形状 — ダイアフラムの作用が複雑になり、スラブの増厚や梁の追加が必要になる場合があります
8. 貫通部の位置を後から変更する — 特に、緊張材を切断できないポストテンションスラブでは大きな問題になります
9. 鉛直方向に異なる構造システムを混在させる — システム間の剛性や変形の差を考慮した慎重な詳細設計が必要です
10. 施工順序を無視する — 支保工、仮設時の安定性、コンクリートの打設順序は、最終的な応力に影響します

進行性崩壊と頑健性

建築構造物は、局部的な部材の破壊が連鎖して構造物の大部分の崩壊に至る、不釣り合いな崩壊を防ぐように設計する必要があります。これは法規上の要件です（Eurocode 1991-1-7、ASCE 7、Approved Document A）。

頑健性を確保する設計戦略：

• 規定に基づく連結：すべての部材を水平方向および鉛直方向につなぐ、連続した補強筋または鋼製タイ材を設けます。床スラブを梁に、梁を柱に、柱を上下階の床につなぎます。
• 代替荷重経路法：柱が1本失われた場合でも、構造物が隣接部材に荷重を再配分し、崩壊しないようにします。靱性のある接合部と冗長性が必要です。
• 重要部材の設計：移行柱や単独支持部材などの重要部材は、その部材および接続する構造部分に適用される34 kN/m²の偶発荷重（Eurocode）に対して設計します。
• 分割：構造物を区画に分け、ある区画の崩壊が隣接区画に広がらないようにします。伸縮目地や構造的な分離帯を設けます。

建築設計上の留意点：広い範囲を単一の柱で支持するのは避けます。支持する各範囲に、少なくとも2つの荷重経路を確保します。移行構造は定義上、重要部材であるため、より高い頑健性を確保して設計する必要があります。

ムーブメントジョイント

建物は温度変化によって膨張・収縮します。コンクリートは硬化に伴って収縮します。建築面積が広い建物では、不等沈下が生じます。ムーブメントジョイントは、こうした動きを吸収します。

• RC構造の伸縮目地：50～60mごと（外気にさらされる構造では、より短い間隔）。目地幅：25～50mm。
• 鉄骨構造の伸縮目地：80～100mごと。鉄骨は熱容量が小さい一方で、線膨張係数が大きくなります。
• 沈下目地：建物の各部分で荷重や地盤条件が大きく異なる箇所（例：タワーとポディウムの接続部）に設けます。
• 耐震目地：地震地域では、高さや剛性が異なる建物部分を耐震目地で分離し、衝突を防ぐのに十分な幅を確保する必要があります（建物の高さや層間変位に応じて、通常50～200mm）。
• 目地カバー：床、壁、天井、屋根に建築用目地カバーが必要です。防火区画の境界には、耐火目地シールを設けます。

建築家の調整責任

• コンセプト段階：構造エンジニアの意見を踏まえ、グリッド、階高、水平抵抗システムの位置、地下階の範囲を定めます
• 基本設計段階：柱の位置、コアの形状、移行構造の位置を確定します。構造エンジニアが部材の予備寸法を提示します。
• 実施設計段階：貫通部、固定部、ムーブメントジョイント、外装接合部を調整します。構造エンジニアが詳細な計算書と図面を作成します。
• 施工段階：施工図を確認し、重要なコンクリート打設や建方に立ち会い、施工後の状態を確認します

初期調整チェックリスト

• 構造グリッドを合意し、駐車場、ファサード、計画モジュールと調整済み
• 階高を確認済み（設備スペースを含む）
• 水平安定システムを定め、コア／壁の位置を確定済み
• 地盤調査に基づいて基礎形式を選定済み
• 移行構造を特定し、最小限に抑制済み
• 貫通部のゾーンを定義済み（特にPTスラブ）
• ムーブメントジョイントの位置を設定済み（RCでは50～60mごと、鉄骨では80～100mごと）
• 構造形式の選択が施工工程に与える影響を把握済み
• 防火方針を構造システムと整合済み
• エンボディドカーボンの予算を設定し、それに応じて構造システムを選定済み