構造デザインの講義【トピック9：曲面構造のデザインを科学する】第4講：膜構造の力学とフォルムの可能性

伊藤拓海研究室

2024年7月17日 06:11

膜と骨組と力学の関係を理解して、有機的な空間を作る

東京理科大学・工学部建築学科、講義「建築構造デザイン」の教材（一部）です

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トピック9：曲面構造のデザインを科学する
第1講：シェルの力学とフォルムの可能性(1)
第2講：シェルの力学とフォルムの可能性(2)
第3講：ドームの力学とフォルムの可能性
第4講：膜構造の力学とフォルムの可能性(1)（ココ）
第5講：膜構造の力学とフォルムの可能性(2)
第6講：平板・折板の力学とフォルムの可能性

張力導入が必要な膜構造の、骨組を考える

膜構造は、屋根や外壁などに膜材を用い、シェルと同じく、面内応力によって抵抗します。
軽量で明るく、特徴的なフォルムとすることができます。
また、柱を少なくすることができ、自由度の高いデザインが特徴です。

葛西臨海水族館のテントデッキ
支柱とケーブルによって、膜材に張力が導入され、躍動感あふれるテント群を見ることができる

膜構造を安定させるためには、膜材に張力を与える必要があります。
そのため、骨組膜構造、サスペンション膜構造、空気膜構造に大別されます。

デンバー空港ターミナルは、膜構造によって、軽快で明るい空間を提供する
（写真：Denver Post, https://www.denverpost.com/）

膜構造の特徴は、以下があげられます。

開放的な大スパン空間の実現
高い透光性による明るい空間
工期の短縮
コストダウン
強度と柔軟性を兼ね備えた構造
温度や紫外線の抑制

旅の出発点に相応しい”光”の帆、グランルーフ

軽快で明るい大屋根と、大胆なフォルムのグランルーフは、大きな1枚の布が、東京を訪れる人、東京から出発する人を優しく包み込みます。
東京駅八重洲口のグラン・トウキョウを柔らかくつなぎ、空間的なグラデーションをもった都市景観になっています。

前面の柱は、外側に向かって傾斜しており、ダイナミックな表現となっています。
駅舎側に設けられた構造体との対比により、静と動が感じられます。
柱を傾斜させることで、梁間構面（短手方向）の骨組力学として安定が図られます。
異形鋼管の柱は、フォルムとしても特徴的なものになっています。

傾斜した柱は、懐の深い空間となり、東京駅を訪れる人々を迎え入れる
都市に開けたレイアウトにより、東京を訪れた人々を送り出す
傾斜した柱は、梁間構面の骨組力学の安定にも寄与する

屋根の中央に設けられた3本の梁は、両端にトラスが設けられ、端部のテンション材（ケーブル）により、桁行構面（長手方向）に向かって大屋根を接続して、張力を導入します。
大屋根に作用する地震力は、駅舎側の骨組に負担させることで、柱とともに屋根の構造を軽量化しています。
なお、桁行方向は、平面的な不均一と、道路側と線路側の構造体の違いにより、偏心していることから、グラントウキョウ・タワーとオイルダンパーを用いて接続し、地震時挙動を制御しています。

骨組は膜材の上で組まれているため、膜屋根を見上げた時に骨組が見えないように工夫されています。
大梁のスパン18mに合わせて膜面が設けられ、端部のケーブルによって膜材に張力が導入されています。

ミュンヘンオリンピック会場、オリンピアシュタディオン

1971, 1972年に開催されたミュンヘンオリンピックのメインスタジアムです。
開会式・閉会式、陸上競技の会場として利用されるとともに、FIFAワールドカップ決勝戦も開催されました。
蜘蛛の巣状の屋根が特徴です。
その有機的で唯一無二の膜構造は、建築家・ギュンター・ベーニッシュ、構造家・フライ・オットーによって実現されました。