軽量鉄骨構造住宅の比較と分析

軽量鉄骨構造住宅の比較と分析

要約—軽量鉄骨構造の住宅は、グリーン、省エネ、環境保護などの特性を持っています。過去数十年で、建築のあらゆる面で冷間成形鋼構造の使用に関心が高まっており、多くの先進国では、冷間成形構造の建物に関して重要な開発がありました。ただし、一部の発展途上国では、軽量鉄骨構造の住宅は始まったばかりです。この論文では、軽量鉄骨構造の住宅のいくつかの特性と現在の研究状況を紹介します。それらに基づいて、北米、日本、ヨーロッパの軽量鉄骨構造の住宅を詳細に分析および研究し、いくつかの特徴を示します。次に、中国の特定の状況に応じて、いくつかの伝統的な住宅コンセプトと集約的な鉄骨住宅を含む軽量鉄骨構造の住宅の開発状況と特性を紹介します。上記の調査に基づいて、いくつかの提案と対策が提示されます。これは中国の住宅産業化を促進するために重要かつ役立つと考えられています。

キーワード - 軽量鋼構造、コンポーネント、住宅建築、冷間成形構造、低多層

I. はじめに

建築業界の発展に伴い、建築システムや建築材料の変化は住宅建築の発展における現在の潮流となっています。近年、人々の生活水準の継続的な向上に伴い、住宅に対する要求はますます高まり、特に低層住宅においては、美しいデザイン、優れた構造性能、利便性、施工の迅速性、経済性、そして合理的な住宅建築システムの研究開発と普及が急務となっています。

軽量鉄骨住宅は、経済的な鉄骨部材を耐荷骨として、加圧板や薄板材を軽量壁体として用い、高力ボルトなどの接合材やシーリング材を耐荷部材とする、現場で組み立てられるプレハブ住宅のような建物外壁部材で構成される建築材料である[1]。軽量鉄骨住宅の主な建築材料は、亜鉛メッキ軽量鉄骨を主要構造部材としていることが分かる。この材料を使用する最も重要な利点は、良好な住宅性能を保証できることに加え、建設される住宅の自重が軽く、プレハブ化の度合いが高く、施工速度が速く、労働強度が低いという利点も確保できることである[2,3]。軽量鉄骨住宅は、従来の住宅と比較して、以下の利点を有する。安定した構造、低コスト、コンクリート製の建物よりも軽量鉄骨住宅のスパン空間が広い。亜鉛メッキ鋼板は耐食性に優れ、耐久性があり、使用寿命が長い。しかし、中国における軽量鉄骨住宅はまだ発展段階にある。住宅設計プロセスには依然として深刻な問題がいくつか残っており、更なる研究が必要です。そこで本稿では、軽量鉄骨住宅を分析・比較し、海外と国内の軽量鉄骨住宅の特徴を紹介し、いくつかの合理的な提案を提示します。

本論文は以下のように構成されている。第2節では、海外における軽量鋼板住宅の特徴について述べる。第3節では、中国の軽量鋼板住宅の現状と特徴について述べる。最終節では結論を述べる。

II. 海外における軽量鋼板住宅

A. 北米軽量鋼板住宅 北米軽量鋼板住宅は、軽量木造構造の特徴を持つ木造建築です。北米の住宅市場において、シェアの20%を占めています[4]。住宅の躯体は主に冷間成形C型鋼板キールシステムで、地震発生率の高いカリフォルニアなどの地域では、1階から2階建てのヴィラ型住宅が建てられます。北米の軽量鋼板住宅の例を図1に示します。

実際には、この軽量鉄骨システムは北米でかなり成熟しており、現在では5層から6層の多階建て住宅をこの技術で建てることができる。米国では冷間成形鋼構造の研究が最も盛んに行われていることは特筆に値する。その理由としては、特に戸建て住宅の分野での裾野産業の拡大と木材価格の上昇が挙げられる。そのため、鉄骨造住宅はますます経済的になっている[5]。ペコズ[6]は、米国では1992年に約500戸の住宅が軽量鉄骨で建てられたと述べている。この数は1993年には15,000戸、1994年には75,000戸に増加し、2002年までにさらに5倍に増加すると予測されている。この形式の建設における主要なフレーム要素は、冷間成形鋼製の壁スタッドと床根太である。軽量鉄骨製の屋根トラスや垂木も使用される。現在、米国では100社がこうしたキールシステムを製造している。その中でも有名なのは、ワージントン・インダストリアル社の子会社であるディートリッヒ社で、同社は多層軽量鋼製住宅の建設にDBSシステムを開発した[4]。DBS技術システムを用いることで、多層軽量鋼製住宅を建設することができる。その壁は両側にCチャンネル石膏ボードを使用し、床には20mm厚の繊維セメント板を敷いたC型軽量鋼製キールを使用し、遮音効果のあるグラスウール断熱スペーサーを充填している。米国では、冷間成形C型断面が屋根トラス部材として一般的に使用されている[7]。実際には、初期の垂木形状は、単純なリップ付きチャンネルとゼット型断面であった。単純なチャンネルは、マルチビームマークI、II、IIIへと進化し、後者は複合リップを有する。図2に示すように、ゼット型からゼータ型、ウルトラゼット型への進化にも同様の傾向が見られる[6]。冷間成形部材は、さまざまな断面プロファイルで製造できます。最も一般的に使用される部品は、図 .3[10]に示すCチャンネルとZセクションです。北米では、この軽量鋼は遮音性が低いため、独立型またはタウンハウスに存在します。横風荷重と地震作用に抵抗するために、米国の多重軽量鋼構造住宅システムには、軽量鋼せん断壁またはクロススチールフレーム支持構造の使用という2種類の方法があります。軽量鋼せん断壁は一般的に住宅内に配置され、石膏ボードに0.5 mmの亜鉛メッキ鋼板を使用し、軽量鋼壁スタッドに固定します。各層間のスキン構造にせん断応力が形成されるのと同様に、上部と下部の階を接続するせん断壁の特別なコンポーネントがあり、壁スタッドに作用する水平力による水平せん断と張力を効果的に伝達します。地震発生地域においては、構造安全性を確保するため、クロス構造のケープを横力抵抗型鉄骨構造として採用し、軽量鋼で鉛直荷重を、普通鋼で水平荷重をそれぞれ受けるハイブリッド建築システムを採用しています。壁面断熱効果を確保するため、グラスファイバーを充填した間柱に加え、外壁材にも断熱層を貼り付けています。この工法により、間柱から壁パネルへの熱橋を効果的に遮断します。

B. 日本における鋼板住宅建設

日本は地震多発地帯であり、軽量鋼材は耐震性に優れているため、国内では軽量鋼材が人気です。日本では、その独自の特徴に合わせて、図4に示すような軽量鋼材住宅、すなわち鋼板住宅が建てられています[8,9]。この構造は、新しい建設プロセス、すなわち、溶接されていない亜鉛メッキ冷間成形鋼板の組み合わせを使用するもの（Steel 2×4とも呼ばれる）で、プレートリブ構造の住宅工芸品です。この構造は、以前の北米の建築形式で、壁パネルと床は、箱をベースに木材を使用して構築されています。ただし、鋼板住宅では、シート材料が厚さ1.0 mm程度の鋼材に置き換えられています。2面に軽量石膏ボードが貼り付けられています。この方法により、安定性、耐久性、断熱性、遮音性など、構造全体の性能が達成されます。

実際には、この鋼板構造建物は、鋼板と板リブ工法の長所と利点を兼ね備えた構造です。建築関係者による実験では、耐震性、耐風圧性能、耐積雪性能など、優れた性能特性を備えていることが実証されています。2003年には、日本の建築材料が木材から薄鋼板キールに変更されました。建築上の特徴を踏まえ、日本の建築基準法では、建築時に自動消火システムと自動排気システムを設置するよう特別指示が出されており、内装は壁間の熱伝達を低減しています。

C. 欧州における省エネ住宅

ドイツは2002年から新しい建築エネルギー仕様を実施し始めました[9]。その中核はエネルギー消費量の定量化です。各住宅のエネルギー消費量は、必要に応じて住宅の文書として管轄当局に建物のエネルギー計算を提供する必要があります。これは、国の住宅開発と建築資材市場に大きな影響を与えています。省エネ住宅では、スウェーデンは風力エネルギー、太陽エネルギー、地熱などのエネルギー源を含む再生可能エネルギーを可能な限り使用し、これらの技術を統合しています。つまり、ヨーロッパ諸国はエネルギー効率とグリーンビルディングの研究に重点を置いています。現在、冷間成形鋼部品は、現場に配送するために完全な構造ユニットに迅速かつ正確に組み立てることができます。英国では、ほとんどの郊外のホテルやモーテルがこの方法で建てられています。英国の建設業界は現在、年間30万トン以上の冷間成形鋼製品を使用しており、この消費率は着実に増加しています[10]。

III. 中国の軽量鋼板住宅

A. 軽量鋼板住宅の開発状況

中国では長い間、住宅建設は主にコンクリート製であった。大きな資材と長い工期が必要なため、今日のグリーンビルディングのテーマには適さなくなった。図5に示すように、中国は1996年以来世界最大の鉄鋼生産国であるため、国は土木産業における鉄骨の使用を奨励し始めた。建設用鉄骨加工産業が日々成長するにつれて、中国の鉄骨構造建設は高速発展期に入った[11]。コンクリート構造から普通の鉄骨建築へ、そして普通の鉄骨建築から軽量鉄骨構造へ。鉄骨住宅建築の発展は、先進的な技術や特殊なツールを追求するのではなく、欧州諸国のように成熟した統合された実用的な住宅技術に焦点を当てるべきである。統合のプロセスにおいて、鍵となるのは詳細な構造と相互の収束である。

軽量鉄骨部材は、高度な機械化、高い商業化、そして現場での迅速な施工により、工場で容易に生産できます。また、周辺住民への影響が少なく、文明的な建設への貢献度も非常に高いです。軽量鉄骨は環境に優しく、持続可能な開発製品であり、その総合的な経済指標は鉄筋コンクリート構造に勝るものではありません。したがって、軽量で優れた耐震性能を備えた軽量鉄骨建築は、建設業界の主流となるべきです。現在、建築は軽量鉄骨建築の転換期を迎えています。

B. 軽量鋼板住宅の特徴

軽量鉄骨は当初は新しい概念でしたが、人々の生活水準の向上に伴い、徐々に人々の生活に浸透してきました。北京、上海などの中国の主要都市では、北米や日本の技術を導入することで、軽量鉄骨住宅が建設されてきました。現在、中国の軽量鉄骨住宅のほとんどは、鉄骨構造、軽量壁、軽量床、軽量屋根工法を採用した軽量省エネ住宅です。一般的なH形鋼溶接鋼材、熱間圧延H形鋼の小断面、または直線鋼材を使用し、耐震壁の横力係数と組み合わせることで、多層構造を構築できます。これは、我が国の現行規格体系と整合し、耐震要件も満たしています[9]。2011年、中国は「低レベル冷間成形鋼建築建設技術規則」を公布・施行し、北米の冷間成形鋼キールシステムを取り入れ、このキールシステムを推進しました。 Cチャンネル冷間成形鋼とU形鋼を使用して設計する過程で、耐力壁は柱、上部ガイドビームと下部ガイドビーム、サポート、ブレースとストラット、壁パネルなどの構造部品で構成されます[12]（下の図6を参照）。 関連仕様の規定にもかかわらず、この構造はまだ広く普及していません。 軽量鉄骨構造は、軽量、優れた耐震性能、短い工期、構造安定性などの利点がありますが、騒音が大きい、耐火性が劣るなど、さらに対処する必要がある問題もあります。 この建物の短い工期は現在、人々に認められておらず、その安全性と信頼性は検証されていません。

しかし、この軽量鉄骨建築は中国建築の発展の潮流であり、その安全性、信頼性、耐久性についてより多くの研究者による研究が必要です。一言で言えば、中国は軽量鉄骨住宅建築の黎明期にあり、道のりは長いと言えます。先進国と比較すると、多くの課題があり、中国は依然として大きく遅れをとっています。継続的な改善と完成が必要です[13]。

C. 推奨事項と戦略

軽量鉄骨住宅は、性能、重量、工期、施工スピード、労働集約度が低いなどの特徴を持つため、過去30年間で欧米で徐々に発展し、非常に成熟した技術体系を築き上げてきました。現在、国内外の多くの企業が、軽量鉄骨住宅技術を中国に移転したいと強く望んでいますが、その実現には至っていません。その理由は以下のとおりです。

1) 軽量鋼の体系的な規格が存在しない。

2011年に「冷間成形鋼構造技術規則」が公布されましたが、主要な荷重支持部材を鋼板厚2mm以下で製造することはほとんど考慮されていません。海外で広く使用されている肉厚0.8～1.6mmの亜鉛めっき金属フレーム支持システムについては、構造に関する理論分析や関連する実験データが存在しないため、中国における軽量鋼構造の設計は非常に困難です。

2) 社会全体でこの新しい住宅制度を受け入れるプロセスが必要です。

人々はまだそのような構造に非常に慣れておらず、その安全性、安定性、快適性などについてあまり理解していません。

3) プロジェクトコストが高い。

この技術はまだ初期段階にあり、熟練労働者の不足と海外からの軽量鋼材の導入の必要性が住宅価格の高騰につながっています。これらの問題を解決するために、以下の提言と戦略が挙げられます。

1) 軽量鋼の仕様を改善するために、複数のパイロットプロジェクトを構築することで、この側面の技術ギャップを埋める。この分野で研究を行っている大企業を支援する必要がある。

2) パイロットプロジェクトの建設と得られた経験を基に、対応する軽量鉄骨構造住宅の技術基準と規則を準備する機会を捉えるべきである。

3) 技術基準が公布されたら、その技術体系を教育内容として専門学校に取り入れるべきである。

4) 海外の成功事例を一部取り入れ、具体的な状況を想定した科学的研究を実施しています。各国は、軽量鉄骨構造が段階的に普及するよう、この技術の研究を支援する政策を策定すべきです。この方法によって、より多くの人々に軽量鉄骨構造が認知されることを期待します。

IV. 結論

つまり、中国の軽量鉄骨多層住宅は、材料使用量が少なく、汚染が少なく、工期が短く、国内建築の発展傾向にも合致しており、将来性も高く、中国の住宅建築の新たな局面となるでしょう。鉄骨住宅技術ガイドラインと規格の公布に伴い、軽量鉄骨多層住宅も更なる発展が求められています。海外の軽量鉄骨構造システムの技術を吸収・向上させ、生産能力と鉄骨技術の能力開発を強化することで、軽量鉄骨構造は中国で広く普及し、発展していくと確信しています。