【解説】SE構法の構造設計が大規模木造で評価される理由
SE構法の構造設計プロセスは、「構造計画」「構造設計」「構造計算」の３ステップで進めていきます。
・SE構法の構造計画は、鉄筋コンクリート造や鉄骨造など他工法で言うところの「仮定断面」に近いイメージと捉えてください。構造的な柱、梁の計画、耐力壁の位置、構造としての要望などをスケッチでご提案します。
・SE構法の構造設計は、まず意匠図を元に各階伏図、軸組図、構造パース等を作成します。その図面を元に、設計者と打合せを実施、もしくはチェックバックを頂きながら、意匠と構造の整合性を高めて構造設計をまとめていきます。
・SE構法の構造計算は、最終の意匠図を元に構造計算、基礎計算を実施します。確認申請に必要な構造図、構造計算書等を作成します。
このコラムでは大規模木造に最適なSE構法の構造設計プロセスについて詳しく解説します。
＜このコラムでわかること＞
・構造事務所でも大規模木造の構造設計ができるとは限らない
・大規模木造におけるSE構法の構造設計の考え方
・SE構法の構造設計の概要
・SE構法の構造計画のポイント解説
・SE構法の構造設計のポイント解説
・SE構法の構造計算のポイント解説
・SE構法へのお問合せ、ご相談について
・まとめ
構造事務所でも大規模木造の構造設計ができるとは限らない
大規模木造の計画する際に、身近に木造非住宅の構造設計を相談できる構造事務所がいなくて困っている建築実務者は多いと思われます。
建築設計を行う際、構造設計は「構造事務所（構造設計者）」に依頼しますが、木造を手掛けられる構造事務所は圧倒的に少ないと言われています。
特に大規模木造の「構造設計者不足」は深刻です。長く大規模木造をつくることのできない時代が続いたので、大規模木造に対応できる構造設計者が育たなかったという背景もあります。
大規模木造を計画する場合、規模的に構造計算が必須となりますので、構造設計のパートナー選びが重要になります。現実的には木造に対応できる構造設計者が不足しているため、計画に際しては早い段階から構造設計を担えるパートナーを決める必要があります。
建築業界の実情として、構造設計者は慢性的に不足しています。以前より構造事務所は数が少なかったのですが、耐震偽装問題の後、建築基準法や建築士法の改正により、構造設計者が減少しているのが実情です。
構造設計者は、構造設計に関する実務能力に加えて、工事監理では構造面で専門性の高い判断も求められる仕事です。そのため、実力・実績のある構造設計者は貴重な存在です。建築士の高齢化などの問題もあり、構造事務所の確保は木造建築の大きな課題です。
こうした現状を受けて、構造設計を中心に大規模木造全般の構造設計・構造材供給を全国展開している会社もあります。
「大規模木造の構造設計を誰に頼めばよいのかわからない」という問題に対して、そのような会社に相談することも選択肢の一つです。NCNは大規模木造に対応できる実力と豊富な実績がある構造事務所でもあります。
大規模木造におけるSE構法の構造設計の考え方
日本に住み続ける限り、いつか必ず地震や台風はやってきます。地震・風などの自然災害にも耐えうる理想的な構造を設計するため、SE構法では、構造計算により木造建築の強さを証明しています。
SE構法では構造計算によって、あらかじめ地震の揺れや風の力を想定し、それに耐えうる性能を持った木造建築づくりを可能にしています。木造建築は、土地の周辺環境や立地条件によって一棟一棟異なるため、SE構法では全棟構造計算しています。
SE構法は、柱や梁そのものを互いに強く接合し、強固な構造躯体をつくり上げます。SE構法は構造計算によってあらかじめ地震の揺れや風の力を予測し、それに耐えうる性能を持った大規模木造を可能にしています。
構造計算を実現するには以下の条件があります。こうした条件を満たすことによって構造計算が可能になり、SE構法は建築物の安全性を数値によって証明できるのです。
- 建築物の構造を構成するすべての部材の強度が分かっていること。
- 接合部に強度の基準があること。
- 基礎や構造部材、接合部の強度が一定の基準値を満たしていること。
SE構法の構造設計は、以下の流れで行います。
- 意匠の設計図を基に、「構造計画」を行う
- 構造伏図を描き、「構造設計」を検討する
- 重力や地震、台風を想定した、鉄骨造やＲＣ造と同じ「構造計算」を行う
こうした構造計算により、きたる自然災害に耐えうる強靭さを備えた上で、大規模木造が実現できるのです。
関連記事：耐震構法SE構法はより耐震性能を高める構造計算が可能な理由
SE構法の構造設計の概要
SE構法の構造設計はすべてNCNで行い、その安全性を確認するようにしています。構造計算は立体解析で行い、SE構法の接合部等の性能を忠実に反映できる構造システムです。
SE構法専用に開発された「SE-CAD」は、プレカット加工情報や接合部情報（ドリフトピン・SE金物）をすべて立体データで処理できるCADとなっております。SE-CADは梁サイズと接合金物の組合せ等を自動で判定するなど、合理的なCADシステムになっています。
耐力壁は釘間隔によって区分したブレース置換して解析しています。
水平剛性は等価部材に置換して、すべての部材において剛性マトリックスによる立体フレーム解析を行っています。
関連記事：耐震構法SE構法は全棟で立体解析による構造計算を実施
構造計算は許容応力度計算を行い、その構造計算書の出力結果は検定値一覧として安全性をカラー表示して、視覚的に理解することができます。
大規模木造の構造設計において、ポイントになるには「軒高」です。「軒高」とは、屋根を支える梁の高さです。屋根の形状により位置や高さが異なります。軒高が9mを超えるか、超えないかで、構造計算に求められる内容は大きく変わります。
SE構法における構造設計ルートで求められる構造計算項目は、大きくは次の2つになります。
<A>高さ13m、軒高9mを超えない建築の場合：ルート1
許容応力度計算、大地震時における柱頭、柱脚の接合部チェック、屋根葺き材の計算
<B>高さ13m、軒高9m以上の建築の場合（高さ31mを超えない建築）：ルート2
上記＜A＞の内容に加えて、層間変形角、偏心率、剛性率
高さが13m 又は軒の高さが9m を超える木造の建築物（上記＜B＞のルート２の建築）においては、通常の確認申請に加えて「構造計算適合性判定」が求められます。
＜SE構法の構造計算解説＞
SE構法の構造計画のポイント解説
具体的な計画案がある場合には、まずはSE構法による「構造計画」をご提案し、「この計画はSE構法であればこのように実現できる」というイメージをお伝えします。
SE構法の構造計画は、鉄筋コンクリート造や鉄骨造など他工法で言うところの「仮定断面」に近いイメージと捉えてください。構造的な柱、梁の計画、耐力壁の位置、構造としての要望などをスケッチでご提案します。
＜SE構法の構造計画のフロー＞
1.モジュールの検討
SE構法では、まずモジュールを決めることからはじめます。基本構造モジュールは、910mm・1,000mm の2種類を標準としています。
・910mm、1,000mm以外のモジュールも可能ですが、木材の流通する規格の都合上、経済的に不利になります。
・1,000mm を超えるモジュールには対応できません。
・モジュールの混用は可能ですが、構造的・経済的に無駄が多くなります。
2.高さの検討
横架材間の距離、つまり高さを検討します。各階の梁天端を「GL」という基準レベルで考え、仕上げ厚の加わるFLと区別して検討します。土台天端からレベルが異なる時は、
土台天端を基準の「1GL」として、「1GL ±○○」と表記されます。
・ＳＥ構法では、軒高9m を超える建物も建築可能ですが、構造計算がルート2相当となります。確認申請先にルート2建築主事（特定建築基準適合判定資格者）がいることを事前に確認してください。
3.構造グリッドの検討
構造グリッドとは、柱・大梁・耐力壁で構成された構造フレームを立体的に組み合わせるための基本となる立体格子状のグリッド線の集まりをいいます。この構造グリッド上に組み立てられた立体構造フレームが、鉛直荷重・水平荷重に対して安全であるように、構造計画を行います。各階の平面グリッドは下階の平面グリッドと重なるようになることが理想的です。上下階の平面グリッドが合わなくても構造的には対応できますが、柱梁等が増えたり部材断面が大きくなったりするなど、構造的・経済的に無駄が多くなります。
4.構造フレームの検討
構造フレームとは各通りの立面グリッド上に配置された柱･梁･耐力壁などで構成されたフレームです。この構造フレームは、鉛直力や同じ方向の水平力に対して抵抗する構造材になります。
耐力壁の配置については、以下の点に注意してください。
・平面上、バランスよく配置する。
・外周部の耐力壁合板は大壁納まりを標準とする。
・耐力壁の長さは455mm以上です。
・できるだけ通し柱・主柱の脇に配置する。
・できるだけ上下階の配置位置を合わせる。
配置によっては、上下の梁の負担が増え断面サイズが大きくなり不経済になる場合があります。
間取りの計画上、どうしても耐力壁が設置できない場合、代わりに耐力フレームを配置することができます。耐力フレームとは、平角柱と大梁で構成した門型の構造フレームです。柱脚部と柱梁接合部の曲げ剛性を上げることで、ラーメンとしての効果が期待できます。
5.水平構面の構成
水平構面とは、梁に合板を直接打ち付けて剛床とし、荷重を各フレームに伝達する役目をします。木造建築では一般に、床面・小屋面・屋根面が水平構面となります。この水平構面がしっかりしていないと荷重を十分に伝達できず、一部の構造フレームに過度に応力が集中す
る場合があります。
6.簡易な表現での構造計画図を提出
いただいた意匠図の上にスケッチで書き込むかたちで、構造的な柱、梁の計画、耐力壁の位置、構造としての要望などをご提案します。
SE構法のポテンシャルを最大限に活用するために抑えておきたいのが「構造グリッド」の考え方です。構造グリッドを有効に活用した設計を行うことで、意匠と構造の計画的な整合性が上がり、構造躯体のコストパフォーマンスも向上します。
SE構法は単純に「剛性のある木質フレーム」というだけではなく、さまざまな利点を追求し、大規模木造で求められる大空間・大開口を可能にして、意匠設計者の創造性を活かせる設計の自由度を提供しています。その理由は下記です。
1.SE構法は剛性のある木質フレームに囲まれた耐力壁を併用することで、耐力壁の性能を最大限生かすことが可能となり、壁量を少なくできる
→SE構法は構造架構（構造フレーム）は独自の接合金物によって高い性能を発揮します。その構造フレームと併用可能な耐力壁（合板の厚みや釘ピッチを変えることで調整）の強度を調整することにより、大空間や大開口を実現します。
2.SE構法は構造上必要な耐力壁を、適切な構造設計により、意匠設計に合わせて配置することが可能
→耐力壁は、合板の厚みや釘ピッチによる剛性の違う壁のバリエーションをつくることで、均等でない壁の配置であっても構造上バランスの取りつつ、設計の自由度の高い木造建築を実現します。
関連記事：「耐震構法SE構法で構造とコストを両立させる鍵は構造グリッドの理解」
計画のスタートにはいろいろなケースが想定されますが、基本的には発注者から建築を建てる相談を受け、企画案を計画することから始めることが多いと思われます。
発注者から単独で設計の相談を受ける場合もあれば、コンペティションやプロポーザルによる設計者選定を経て、設計者に指名されることもあります。どちらの場合でもNCNへの相談は可能です。
コンペティションやプロポーザルの場合は、設計者として選定される前の「応募段階」からのサポートも可能です。木造でどのような建築を実現したいかのイメージを共有しながら、そのプロジェクトに最適な構造計画、構造躯体の施工面、構造材の供給体制などをトータルにご提案します。
計画の初期段階では、工法が決定していないことも多いと思われます。鉄筋コンクリート造や鉄骨造で設計を進めても何らかの理由で木造を検討することもあるでしょう。そのような「工法未定」の状態でもNCNへお気軽にご相談ください。
基本設計段階では、設計案がどんどんブラッシュアップされていくため変更も多いと思われますが、何案でも遠慮なくご相談ください。
木造は鉄筋コンクリート造や鉄骨造と比較すると、スパンや高さ、壁量などの構造のスペックに限界があることも事実です。そのため、計画の初期段階から意匠設計と構造設計を並行して進めることが、大規模木造建築の設計のポイントになります。
設計の初期段階（スケッチやエスキース段階）から、「SE構法だったら、どんな木構造が可能なのか」という視点でお気軽にご相談ください。NCNの構造設計スタッフが、意匠設計者のニーズを汲みとりながら、最適な構造計画をご提案します。
関連記事：「中大規模木造でコストダウンできる構造計画、構造躯体の考え方」
SE構法の構造設計のポイント解説
SE構法は単純に「剛性のある木質フレーム」というだけではなく、さまざまな利点を追求し、大規模木造で求められる大空間・大開口を可能にして、意匠設計者の創造性を活かせる設計の自由度を提供しています。
＜SE構法の構造設計のフロー＞
1.構造伏図の依頼
基本設計から実施設計に進む段階では、構造的に必要な柱や壁の位置、梁せいなどの情報が必要になってきます。その段階でNCNへSE構法による「構造伏図」をご依頼ください。もちろん、その前の基本設計段階からでも構いません。
2.構造伏図の作成
頂いた意匠図を元にSE構法による各階伏図、軸組図、構造パース等を作成します。構造図面をメールで受領したら、各階伏図、軸組図で構造の計画内容や意匠設計への要望などをご確認ください。
屋根形状などは構造パースでもイメージを共有できるようになっています。SE構法の構造設計は、プレカットとも連動した独自の３次元CADを使っておりますので、設計者の希望のアングルで構造パースを提出することも可能です。
3.構造伏図による意匠・構造のやりとり
この構造伏図の段階から、設計者と電話やメールでのやり取り、打合せなどを実施して、チェックバックを頂きながら、意匠と構造の整合性を高めて構造設計をまとめていきます。
SE構法の構造計算のポイント解説
SE構法の構造計算は、立体フレームモデル（接合部にバネがあるモデル）で立体解析を行っており、床や屋根の水平構面は変形する前提で解析しています。また、接合部や層間変形角の確認など高度な構造特性を活かした構造設計をおこなっています。
SE構法は、柱や梁そのものを互いに強く接合し、強固な構造躯体をつくり上げます。SE構法は構造計算によってあらかじめ地震の揺れや風の力を予測し、それに耐えうる性能を持った大規模木造を可能にしています。
＜SE構法の構造計算のフロー＞
1.構造計算の依頼
実施設計もまとまり、確認申請を提出する３週間以上前にはNCNへ「構造計算」をご依頼ください。設計者より、最終の意匠図をいただき、その内容をもとに構造計算を実施します。構造計算図書には、確認申請に必要な情報を記載しますので、正確な情報提供をお願いします。
2.構造計算の実施
SE構法の構造計算は、まず木造部分の構造計算を実施します。木造部分の構造計算後図面を設計者にご承認いただいた後に、基礎計算に着手します。次に基礎部分の構造計算後図面を設計者にご承認いただいた後に、確認申請に必要な構造図、構造計算書等を出荷します。
3.構造計算書の提出、申請対応
SE構法の構造計算書が出荷されたら、確認申請の構造資料として添付して申請機関にご提出をお願いします。確認申請の構造に関する質疑は、NCNが対応します。一般の構造事務所様と同じ役割とお考えください。
SE構法へのお問合せ、ご相談について
大規模木造をSE構法で実現するための流れは下記となります。
1.構造設計
SE構法を活用した構造提案を行います。企画段階の無料の構造提案・見積りから、実施設計での伏図・計算書作成、確認申請の指摘対応等を行っております。また、BIMにも対応可能です。
2.概算見積り
SE構法は構造設計と同時に積算・見積りが可能です。そのため躯体費用をリアルタイムで確認可能で、大規模木造の設計において気になる躯体予算を押さえつつ設計を進めることが可能です。
3.調達
物件規模、用途、使用材料を適切に判断して、条件に応じた最短納期で現場にお届けします。また、地域産材の手配にも対応しております。
4.加工
構造設計と直結したCAD/CAMシステムにより、高精度なプレカットが可能です。また、多角形状、曲面形状などの複雑な加工形状にも対応可能です。
5.施工
SE構法の登録施工店ネットワークを活用し、計画に最適な施工店を紹介します。（元請け・建方施工等）
SE構法へのお問合せ、ご相談は下記よりお願いします。
https://www.ncn-se.co.jp/large/contact/
まとめ
大規模木造においては、SE構法の構造躯体の強みを活かした構造設計により、コスト減、施工性向上を実現することができます。
SE構法は構造用集成材の中断面部材（柱は120mm角、梁は120mm幅）が標準なため、住宅と同等の部材寸法でスパン8m程度までの空間を構成できるコストパフォーマンスをうまく活用していただければと考えております。スパンが10mを超える空間は、特注材やトラス、張弦梁などを活用することも可能です。
計画段階からNCNの特建事業部に相談することで、木造建築に関する知見をうまく利用していただき、ファーストプランの段階から構造計画を相談することで、合理的に設計実務を進めることが可能です。
集成材構法として実力・実績のある工法の一つが「耐震構法SE構法」です。SE構法は「木造の構造設計」から「構造躯体材料のプレカット」に至るプロセスを合理化することでワンストップサービスとして実現した木造の工法です。
また構法を問わず、木造の構造設計から構造躯体材料のプレカットに至るスキームづくりに取り組む目的で「株式会社木構造デザイン」が設立されました。構造設計事務所として、「⾮住宅⽊造専⾨の構造設計」、「構造設計と連動したプレカットCADデータの提供」をメイン事業とし、構造設計と⽣産設計を同時に提供することで、設計から加工までのワンストップサービスで木造建築物の普及に貢献する会社です。
株式会社エヌ・シー・エヌ、株式会社木構造デザインへのご相談は無料となっておりますので、お気軽にお問い合わせください。
