大成建設株式会社は、3Dプリンティング技術を活用した巻き立て耐震補強柱の性能確認実験を実施し、その成果を公開しました。本実験は、内閣府が推進する「スマートインフラマネジメントシステムの構築」の一環として行われたもので、3Dプリンティング技術を用いた耐震補強の実用化に向けた世界初の試みとなります。

この技術は、既存の柱に対して3Dプリンターで補強層を形成し、高強度コンクリートを充填することで、耐震性の向上を図るものです。特に、外部支保工を不要とし、生産性を向上させる点が大きな特徴となっており、今後のインフラ補修・補強の在り方を大きく変える可能性を秘めています。

耐震補強に3Dプリンティングを活用する理由

老朽化する社会インフラの耐震補強は、近年ますます重要性を増しています。日本国内には、建設後40年以上が経過した建造物が多数存在し、地震に耐えうる強度を確保するための補強工事が急務となっています。しかし、従来の補強工法には以下のような課題がありました。

• 施工時の支保工設置が必要 → 現場作業の手間とコストが増加
• 補強作業に多くの時間を要する → 工期が長期化し、交通規制などの社会的影響も大きい
• 補強材の重量が増すことで設計自由度が低下

こうした課題に対応するため、大成建設は3Dプリンティング技術を活用し、迅速かつ効率的な耐震補強を可能にする技術開発を進めています。

実証実験の内容と技術的なポイント

今回の実証実験では、以下の最新技術を組み合わせ、耐震補強の効果を検証しました。

1. 3Dプリンティング技術による外殻構築
   3Dプリンターを用いて、柱の外殻部分を短繊維補強モルタルで積層。補強筋を回避しながら成形することで、従来の施工方法では困難だった精密な耐震補強が可能となりました。
2. 高流動コンクリートの活用で支保工を不要に
   外殻と既設柱の間に高流動コンクリートを充填し、耐震性を強化。外殻自体が高強度であるため、従来必要だった外部支保工を省略し、施工の省力化とコスト削減を実現しました。
3. バサルトFRTPロッドによる補強
   巻き立て補強筋には、鉄筋よりも軽量かつ高耐久なバサルトFRTPロッドを使用。鉄筋の1/5の重量ながら、高強度・耐腐食性・低磁性といった特性を持ち、より柔軟な設計が可能になりました。

実験結果と今後の展開

実験の結果、3Dプリンティング技術とバサルトFRTPロッドを組み合わせた補強方法により、従来の鉄筋コンクリート柱と比較して耐震性能が大幅に向上することが確認されました。

さらに、SIPのプログラムディレクターである東北大学大学院の久田真教授からは、「この技術は世界と競争できる水準にあり、今後、イノベーションを加速させるための共通ルール作りが重要になる」との評価を受けました。

大成建設は今後、SIPでの関係機関との連携を深め、技術の標準化と社会実装を推進していく計画です。具体的には、

• インフラ補強の効率化 → 実際の施工現場への導入を進め、現場の生産性向上を目指す
• 品質評価基準の確立 → 技術の普及に向けた規格化と標準化を進める
• 持続可能なインフラ整備への貢献 → 省力化・低コスト化・高耐久化を実現し、全国の耐震補強工事に展開

まとめ 〜 3Dプリンティング技術が変えるインフラ補強の未来

本実験は、耐震補強工事の新たな可能性を示す画期的な取り組みとなりました。従来の耐震補強では、施工の手間やコストが課題でしたが、3Dプリンティング技術を活用することで、より迅速かつ精密な補強工事が実現可能となります。

今後、社会インフラの老朽化が進む中で、この技術が全国各地の耐震補強工事に採用されることで、安全で持続可能な社会づくりに大きく貢献すると期待されます。

技術の進化がもたらす建設業界のDX（デジタルトランスフォーメーション）は、今後も加速していくでしょう。大成建設のこの革新的な取り組みが、世界基準のインフラ補強技術として確立されることを期待したいと思います

この内容に関するお問い合わせ
□大成建設株式会社
お問い合わせフォーム：https://www.taisei.co.jp/contact/

記事のポイント

大林組は、日本ヒュームと共同で、岐阜県の新丸山ダム建設工事において、3Dプリンターを活用したプレキャスト部材を擁壁工事に適用しました。この取り組みにより、擁壁工事のフルプレキャスト化を実現し、工程を約30％短縮する成果を上げています。

擁壁工事のフルプレキャスト化を実現し工程短縮

背景と目的

建設業界では、労働力不足や労働環境の改善が課題となっています。プレキャスト工法は、工期短縮や品質確保、省人化に効果的ですが、特殊な形状の部材では型枠製作に時間とコストがかかるため、適用が難しい場合がありました。

そこで、大林組はこれまでの3Dプリンター技術の蓄積と、日本ヒュームのプレキャスト製品の生産力を組み合わせ、3Dプリンターを活用した土木構造物のプレキャスト製作に取り組みました。

取り組みの詳細

新丸山ダム建設工事の仮設工事用管理施設において、擁壁の直線部には規格化されたプレキャスト部材を、隅角部3カ所には3Dプリンターで製作したプレキャスト部材を適用し、2024年7月に設置を完了。

これにより、型枠製作から現場施工までの工程を約30％短縮し、コストも約5％削減することができました。さらに、現場での型枠製作とコンクリート打設に比べ、施工日数を約20日から1.5日に短縮し、約90％の工期短縮を実現しています。

今後の展望

新丸山ダム建設工事では、2025年度以降に着工するダム堤体工事において、堤体内部の監査廊でもフルプレキャスト化を検討しています。今回と同様に、工程短縮が見込まれる部分には3Dプリンター製のプレキャスト部材を適用し、現場の生産性向上を図る計画とのこと。

大林組は、これらの取り組みを通じて、建設業の生産性向上と安全・安心なインフラ整備に貢献していくとしています。

このように、3Dプリンター技術を活用したプレキャスト部材の導入は、建設工事の効率化と品質向上に寄与する新たな手法として注目されています。今後、さらなる技術開発と適用範囲の拡大が期待されます。

□株式会社大林組
擁壁工事に3Dプリンターを活用したプレキャスト部材を適用
リリース記事：https://www.obayashi.co.jp/news/detail/news20241203_1.html

□お問い合わせ先
大林組 コーポレート・コミュニケーション室広報課
お問い合わせフォーム：https://www.obayashi.co.jp/inquiry/disclaimer/press.html

3Dプリンター建築の黎明期にある今、着実に歩みをすすめる株式会社大林組の未来の建設ヴィジョンとスタートアップながらも革新的な3Dプリンター住宅メーカー、セレンディクス株式会社の想いをみつめます。

「3Dプリンター実証棟」にこめた3Dプリンターによる建築物の複層階化と大規模化の実現性

株式会社大林組（東京都　以下、大林組）は、セメント系材料を用いた3Dプリンターによる建築物として、国内初の建築基準法に基づく国土交通大臣の認定を取得した構造形式を用いた「（仮称）3Dプリンター実証棟」（東京都清瀬市 大林組技術研究所内）の建設に着手しました。

3Dプリンターは、建設業において複雑な曲面などデザイン性の高い形状を製造できるだけでなく、材料を現地に運ぶだけで済み、建設時のCO²排出量の削減や、自動化施工による省人化などの効果が期待されるため、構造物の部材や小規模な建築物の製作に利用する事例が増えています。

しかし、日本において一定の規模以上の建築物を建設するためには、構造物が建築基準法に適合していることの確認（建築確認）を取得しなければならず、鉄骨や鉄筋、コンクリートなどの指定建築材料を使わない場合は、建築物の安全性を証明するため個別に国土交通大臣の認定が必要となります。

大林組は、鉄筋や鉄骨を使用しない、3Dプリンター用特殊モルタル^※1や、超高強度繊維補強コンクリート「スリムクリート^®」^※2による構造形式を開発し、2019年に国内最大規模となるシェル型ベンチを製作するなど、技術開発を進めてきました（スギブログ掲載https://www.innovation.sugitec.net/22952/）。

そして、今般、本構造形式を用いた、地上構造部材を全て3Dプリンターによって製作する構造物として、一般財団法人日本建築センターの性能評価審査を受け、国内で初めて建築基準法に基づく国土交通大臣認定を取得した建築物「3Dプリンター実証棟」の建設に着手しました。

本施設は、プリント範囲内で最も少ない材料で最大の空間が得られるようにし、壁を複数層としてケーブルや配管ダクトを配置することで、通常の建築物と同様に利用することを想定したデザインとしています。

設備図を含めた建築確認や、スリムクリートを材料とする個別評定も取得し、2022年11月の完成を予定しています。完成後は耐久性、構造および環境性能の評価を行うとともに、3Dプリント技術のPR施設として公開します。

そして、今回の大臣認定の取得で得たノウハウを活用することで、複数階や面積規模を拡大した構造物の建設につなげるとともに、将来的には3Dプリンターによる宇宙空間での建設など幅広い可能性を追求していきます。

「3Dプリンター実証棟」の建設に関する特長は以下のとおりです。

国内で初めて地上構造部材を全て3Dプリンターにより建設

部材は基礎と屋上階の床版を除いて、外部で製作し組み立てるのではなく、建設地に3Dプリンターを据え付けてプリントします。

床版もあらかじめプリントしたデッキを架設してから、スリムクリートを充填（じゅうてん）する構造形式のため、全ての地上構造部材を3Dプリントにて製造した国内初の建築物となります。

さらに外部階段を設けるとともに、床版の施工後には、3Dプリンターを屋上階へ据え付けて、2階建てを想定した際の立ち上がり壁を模したパラペットの打込み型枠をプリントするため、技術的には複数階を建築できます。

3Dプリンターの特長を生かした曲面形状の構造床と複層壁を製作

床版は、複雑な曲面形状の部材を製造できる3Dプリンターの特長を生かし、床版に生じる力が分散するように、力の流れに沿った形状の突起（リブ）で補強しています。

また、空調、洗面、照明などの設備も実装するため、壁は構造体層と断熱層、設備層 （ケーブル保護層^※3や空調ダクト層^※4）からなる複層構造としています。3Dプリントによる躯体工事と同時に断熱、設備工事の一部を行うことで工期短縮および省力化を実現します。

3Dプリンターによる施工に合わせた設計フローを整備

今回、建築・構造・設備の各設計と施工を連携するために、3次元で製造したモデルを一貫利用した設計・製作フローを構築するとともに、プリント経路の自動生成や傾斜部の積層性、障害物との干渉状況を確認するソフトウェアを開発しました。

これにより、デザインされた形状に、建築物として必要な情報を付加し製作するまでの時間を短縮することができます。

大林組は、お客様の多様なニーズに応えるデジタルファブリケーション技術^※5の一つとして、複雑なデザインや強度・耐久性を備えた構造物を実現できるセメント系材料を用いた3Dプリンター建設の研究をさらに進め、実用化をめざします。

※1　3Dプリンター用特殊モルタル
デンカ株式会社（東京都中央区）が開発した特殊なセメント系材料を用いたモルタル「デンカプリンタル^®」。
建築物や土木構造物に必要な強度と耐久性を持つとともに、吐出直後でも形状が崩れることなく維持されるチキソトロピー性と呼ばれる性質があり、型枠を使わずに部材の製作が可能。

※2　スリムクリート
大林組の保有技術である常温硬化型のモルタル材料で、圧縮強度180N/mm²、引張強度8.8N/mm²、曲げ強度32.6N/mm²を達成できる。
さらに、引張強度や曲げ強度が高いだけでなく、高い引張靭性を有するため、単独でも構造体としての使用が可能な材料。
スランプフローは600mm程度あり、自己充填性を有するため、3Dプリンター用特殊モルタルで製作した3次元曲面状の打込み型枠にも密実に充填できる

※3　ケーブル保護層
ケーブル用配管として一般的な電気工事におけるPF管と同様の役割を果たし、設備増強や更新時も利用可能

※4　空調ダクト層
中空層に空調空気を通し、壁面を冷やす/暖めることで、壁面放射冷暖房が可能。
今回は実験用空調として採用。3Dプリンター用特殊モルタルによる放射冷暖房の定量的な能力については継続検証予定

※5　デジタルファブリケーション
デジタルデータをもとに創造物を製作する技術のこと。
3Dスキャナーや3D CADなどを使い、アイデアや個人の身体データなどをデジタルデータ化した上で、3Dプリンターやレーザーカッターなどのデジタル工作機械で読み込んで造形するシステム。

セレンディクス ✕ KAP 地震災害に強い未来の住宅の施工実現を目指し始動

国内初の3Dプリンター住宅sphere^※を完成させたセレンディクス株式会社(兵庫県西宮市　以下 セレンディクス)は、駅や庁舎、スタジアムやホテルなど大小様々な規模の建築物を手がけ多くの受賞実績を持つ株式会社KAP（東京都　以下、KAP社）と、「世界最先端の住宅開発に関する基本合意書」を締結。
sphereの安全性、堅牢性を確保するための業務提携を開始することをお知らせします。

両社提携による最初の取り組みとして、今夏には国内3Dプリンター住宅としては初となる耐震強度実験を予定。

既にセレンディクスでは住宅建築において重要な耐震性機能における特許を2件出願していますが、本試験により自社の耐震強度における技術力を更に強化、3Dプリンター住宅の耐震領域において世界最高水準を目指します。

業務提携の背景と目的

セレンディクスは2018年、“世界最先端の家で人類を豊かにする”を理念に掲げ創業。

ファーストミッションとして、30年の住宅ローンに縛られることなく、高性能かつ安全・安価な家を誰もが手に入れられる社会の実現を目指しており、2022年には愛知県小牧市において国内初となる3Dプリンター住宅sphereの施工を23時間12分で成功。世界26ヶ国59媒体で報道されるなど話題となりました。

しかしながら、日本国内の3Dプリンター住宅における施工実績に関しては海外と比較すると大きく遅れをとっており、国内ではセレンディクスのみが唯一の施工実績を持ちます。

3Dプリンター住宅のグローバルコンソーシアムでは欧米のナレッジに注目が集まりがちですが、3Dプリンター住宅の耐震の構造設計に関しては日本が大きな知見を持ち得る領域です。

予定されている耐震実験では、震度7の地震を想定した実大実験(実大加力試験)を実施。

構造設計に造詣の深いKAP社協力の下、3Dプリンター住宅の更なる技術力の向上をはかり、安全性・堅牢性においても世界最先端の家を実現します。

※ 3Dプリンター住宅 sphere
3D プリンターを用い24 時間以内に球体の形状の家を創ることにより物理的にも最も強く自然災害より家族を守る家となる。
球体の為、最も表面積が少なく材料の低減ができ30坪300万円の価格帯を実現する。
また構造体強度・耐火性・耐震性・断熱性・美しさの５つの要素を持つ多機能素材の開発を行う。
大規模な自然災害時には緊急避難先の仮設住宅として3Dプリンターを用い24時間以内で家を創ることができる。

おわりに

海外に目を向ければ、巨大な3Dプリンターで家を“出力”している。
「WIRED」記事の日付は2018年だが、すでに実用化に動き出している。

エルサルバドルやボリビア、ハイチといった途上国の人々のために住宅を建設してきた米国、サンフランシスコを拠点に活動するNPOのNew Storyが建設技術関連のスタートアップICONと共同で、10カ月をかけて3Dプリンターで家をつくる方法を開発。

完成したプリントハウスは350平方フィート（約32.5平方メートル）の構造物は地域の住宅基準にも対応しており、経済的な余裕がなく貧困層に住まいを提供することができない国や地域での活用が期待されている。

従来の方法では住宅100軒を建てるのに8カ月かかり、1軒当たりの費用は約6,000ドル（80万ほど）。
3Dプリンターの場合、コストは4,000（54万ほど）ドルに下がる。そして、完成までに必要な時間はたったの1日。

より早く低コストな工法として途上国の人々の暮らしを激変させる可能性を秘めたプロジェクトは3Dプリンターハウスに住むのはシリコンヴァレーのエンジニアや未来主義の人々ためのものでなく、この住宅は世界でも特に貧しく、頭上にある屋根を最も必要としている人たちのための家である。

3Dプリンターは、2009年に基幹技術の特許が切れたことが量産につながり、一般に普及。
当時は第2の産業革命を引き起こすと言われ、建築分野でもさまざまな方法で応用が進んだ。

3Dプリンターを使った建築市場は、当初は中国の盈創建築科技（WinSun）が独占していた。
同社は14年、セメントと砂とリサイクル素材の混合剤で住宅10軒を1日で建てることに成功したほか、6階建てのアパートやオフィスビル、延べ床面積11,000平方フィートのマンションなどを「印刷」によってつくってみせている。

このころから、業界他社も建物を3Dプリントするというアイデアに興味を示すようなり、インクの代わりにモルタルを注入したプリンターを使って、小型住宅やアパート、ツリーハウスなどをつくる試みが行われた。

3Dプリンターを使えば、樹脂やプラスチックのフィラメントで簡単に住宅模型ができ、現場で巨大なマシンを使えば、コンクリートやそのほかの建材で実物大の家を建てられる時代に…
海の向こうでは既に到達している。

…日本は歩みはじめたばかりだ。

本日も読んでいただき、ありがとうございました。

参考・関連情報・お問い合わせなど

□大林組
https://www.obayashi.co.jp/

プレスリリース
大林組 コーポレート・コミュニケーション室 広報課
https://www.obayashi.co.jp/news/detail/news20220610_1.html

□セレンディクス株式会社 https://serendix.co
プレスリリース
https://www.atpress.ne.jp/news/315656

□株式会社KAP
https://kapstructure.wixsite.com/engineers

□WIRED
https://wired.jp/

同社はＰＣ建築分野へ本格参入し、道北エリアへの大型プレキャスト製品の供給を強化するべく、その足がかりとして深川工場に新棟を建設。と同時に、ロボットアーム式のコンクリート３Dプリンタも導入しています。

そのロボットアーム式の３Dプリンタを用いて、新棟を建設している深川工場の敷地内に上下水道が不要となる自己完結型のトイレを製作したとのこと。

外装は３Dプリンタで印刷した自己完結型のハイテクトイレ

會澤高圧コンクリートでは、現在新棟を建設中の深川工場の敷地内に、ロボットアーム式のコンクリート３Dプリンタを使って積層造形した国内で初となる小規模建築物となる公衆トイレを二基建設。20年9月16日に一般公開されています。

ちなみにそのロボットアームですが、オランダの「サイビー・コンストラクション」という企業との技術交流を通じてABB（スイス）製の大型アームロボット式を導入したとのこと。

この製作された二基のトイレのうちの一基は、インドに向けて作られたプロトタイプのものとなっています。これは同社の持続可能な開発目標「SDGs」の６番目の目標「安全な水とトイレを世界中に」という取り組みの一貫でもあるとのこと。

出典：會澤高圧コンクリート

同社ではこのトイレの開発にあたり、女性スタッフを中心とする開発チームをインドへ派遣。現地のニーズや課題となっていることを探ったそうです。

インドでは野外排泄による水質汚染が申告な社会問題になっていること。トイレ自体が不浄なものとして設置していない家庭も多く、またトイレを使用する上での治安が確保されていないケースが少なくないようです。

トイレ整備を進めるにも、都市部を除き下水道などのインフラが整っていないなどの理由から、水洗式を全土に普及させるには膨大なコストと時間がかかってしまうという状況のようです。

これらの課題を解決するには、上下水道と連結せずに使用できる自己完結型の公衆トイレの普及を急ぐべきという判断をし、バイオによるトイレの処理技術や空気中から水を抽出する技術を持ったベンチャー企業などと協業し、外装を３Dプリンタで印刷した自己完結型のハイテクトイレの試作に至っています。

３Dプリンタ活用の概要

出典：會澤高圧コンクリート

３Dプリンタは速乾性の特殊モルタルをロボットアームのノズルから抽出し、印刷する仕組み。型枠を必要とせず複雑なテクスチャーの構造物をスピーディーに造形可能。

ただし日本ではコンクリートが建築基準法上の指定建築材料となっており、特殊モルタル等の使用には大臣認定等の性能評価が必要です。そのことから、今回の例ではプリントした中空状の外装を型枠代わりにし、その中にコンクリートを充填し配筋を施した鉄筋コンクリート造の構造体としているそうです。

ハイテクトイレの概要

バイオテクノロジーが活用されたこのトイレでは、「正和電工」が開発したおがくずを使用するモジュールを採用。スクリュー付きタンクにおがくずを充填することで、おがくずが排泄物により保水。

出典：正和電工

その後タンクに設置されているヒーターにて加熱し、スクリューで撹拌することで排泄物の90％の成分である水が蒸発。残った10％の固形物をバクテリアが分解し、発散するという仕組みです。

特別な菌の使用は不要で、排泄物に含まれている腸内細菌と自然界に生息している微生物との働きで水と二酸化炭素に分解処理。蒸発も分解もされない無機成分だけが残り、粉状態でおがくずに吸着。これを肥料にできるということです。

安全確保のための技術

また、使用に際しての治安の部分に関しては、インドではスマートフォンが広く普及していることに着目し、トイレ用のスマートロックを「メディアスケッチ」と共同開発。

トイレの開閉をスマートフォンだけで行えるだけでなく、ブロックチェーンを活用し、自分の前の利用者の利用状況をレーティングできる仕組みを導入しているのが特徴。これには「次のひとのためにトイレをきれいに使う習慣」を定着させるという狙いもあるそうです。

まとめ

コンクリート３Dプリンタを導入することで、構造物をスピーディーに製作できる所から各種ブロックチェーンなどの先端技術を導入し、他国の持つ課題とSDGsの目標に対しピンポイントにアプローチできているのが素晴らしいですね。

近年では様々なテクノロジーがありますが、それを自社や業界の為に活用するだけでなく、国外・世の中の課題の為にどう活用していけるか、という所まで視野広げて考えることも重要だと考えさせられます。

海外では工業用のコンクリート３Dプリント施設も開設している国もあり、主に住宅や橋などの建設の材料として使うコンクリートパーツを製造していくそうです。

３Dプリントを行うことのメリットとしては、効率的に早く大きなパーツを生産できることと、従来のコンクリートのように型枠を必要としないので、廃棄物の量も減らすことができ環境に優しいということが挙げられています。

そんなコンクリートの３Dプリントですが、国内でも大手ゼネコン等が取り組んでおり、今回は「清水建設」が新たに「ラクツム（LACTM）」という、繊維補強モルタル材料を開発したとのことで、そちらご紹介したいと思います。

高さが２ｍ超の埋設型枠の３Dプリンティングを実現

この度同社では、３Dコンクリートプリンティングによる構造体を兼ねた柱型枠「埋設型枠」の造形を目的とした、高強度・高靱性の繊維補強モルタルである「ラクツム（LACTM）」を開発。

出典：清水建設

背景・概要

御存知の通り、昨今の建設業界では慢性的な人手不足が懸念されています。その中でも特にRC造の施工では、省力化・省人化が喫緊の課題となっていますが、その解決のキーとなる物に、部材のプレキャスト化が挙げられます。

３Dコンクリートプリンティングによる埋設型枠の施工は、プレキャスト化の概念を現場施工に採り入れた新たなソリューションと言えます。

出典：清水建設

３Dコンクリートプリンティング装置によって型枠のような薄い構造物を造形しようとすると、通常のモルタルの場合では１０cm程度でも積層すると形状を維持できず崩れてしまうそうで、かと言ってモルタルの凝結を待ちながらプリンティングするのでは作業の効率化は望めません。

同社では、材料押し出し方式の３Dコンクリートプリンティング装置を配備した専用の実験施設「コンクリートDXラボ」を新設し、同施設内でラクツムの材料配合や圧送方法、プリント速度の最適化を図るとともに、積層造形物の埋設型枠としての構造性能の検証を進めてきています。

ラクツム特徴

ラクツムの構成材料は、通常のモルタルに使われるセメントの砂の他に、長さ６mmの合成短繊維、高性能減水剤、シリカフュームを付加。これら材料は順に、モルタルの粘性付与と高靱性化、凝固時間の制御、高強度化に寄与します。

同社の実験では、プリンティング装置が幅２～４cm、厚み0.7cm、秒速１０cmの範囲でラクツムを押し出していけば、フレッシュな状態でも形状を維持したままで高さ２.１mの実大規模の柱型枠を約２時間で造形することに成功したそうです。

出典：清水建設

このラクツムで積層造形した埋設型枠は、実適用に必要な構造性能と耐久性能を兼ね備えているとのこと。埋設型枠にコンクリートを充填して構築した柱部材の構造耐力や靭性は、載荷実験による検証結果から、既往技術で構築したコンクリート柱を上回ることが実証されているそうです。

耐久性能についても問題はなく、積層面が目視で確認できないほど一体化していることで、劣化の原因になる水や空気の侵入を助長する気泡や空隙は内部にほとんど生じていないそうです。

出典：清水建設

まとめ

３Dプリント技術で加工した材料が通常のものよりも高耐力、高靭性であることは驚きです。しかも造形にかかる時間も短縮され、劣化原因もほぼ生じないというメリットの大きいものとなっています。

同社では、施工現場で直接プリントしていくという「オンサイト３Dプリンティング」を実現すべく引き続き研究開発を行っていくとのこと。

施工に関しての明らかなメリット部分や、環境面においても負荷が軽減できることから、この「オンサイト３Dプリンティング」は、今後の施工現場ではスタンダードなものになっていくと考えられます。

しかし現在はその他のテクノロジーの影に隠れてしまった感があります。しかし、着実にその技術は進化してきており、それを実感できるような技術が開発されたのが今回ご紹介する、コンクリートを現場でプリント造形できるという技術です。

コンクリート構造物を「現場で直接プリント造形」On-Site Shot Printer

この技術は、岐阜大学と施工技術総合研究所、住友大阪セメント、清水建設、NIPPO、丸栄コンクリート工業、エフティーエスなどをメンバーとする研究開発グループが開発。

建設分野で既に技術として構築されている「乾式吹付け」と「湿式吹付け」の両方のメリットを兼ね備えているという、ハイブリッド吹付けシステムを開発するとともに、降水や粉塵に強く実績の豊富な建設機械の中で近年活躍しているICT建機と、３Dプリンティング技術を融合。

現場にて構造物を直接プリント造形できるという技術を開発。その名も「On-Site Shot Printer」です。

出典：施工技術総合研究所

背景

コンクリートの分野では、国土交通省が取り組むi-Constructionの３本柱のひとつとして、工場製品によるプレキャスト化が推進されています。

しかし、他分野での生産性向上と比べても研究開発の余地が多く残されており、そこで同研究開発グループでは「社会が求めているインフラにおける生産性向上技術とは、現場打設から工場製品に移行するだけでなく、全く新しい発想によるコンクリート構造物の製造技術の開発である」と考え、３Dプリンティング技術に着目。

その研究開発を進めているとのこと。ちなみにこの研究開発は「令和元年度建設技術開発助成制度」の支援を受けています。

On-Site Shot Printer概要

１. ハイブリッド吹付けシステムにより長距離圧送、最適圧力積層の実現

現場で直接プリント造形するには、造形するための材料を長距離搬送する必要があります。また、構造物としての造形物の強度確保が重要となります。

出典：施工技術総合研究所

そこで、前者に対しては材料を個別搬送し、先端のノズルで混合吹付けを行う「乾式吹付け技術」。後者に対しては、あらかじめ混合した材料を先端ノズルから吹付けする「湿式吹付け技術」が有効とされており、ここでは両技術のメリットを兼ね備えたハイブリッド吹付けシステムを開発。

２. ICT建機活用により現場で直接プリント造形

ICT建機のバケットに吹き付けノズルを取り付け、無限の平面設計データを作成し入力し、水平軸を制御。また、高さについてはオフセット機能により調整。

出典：施工技術総合研究所

これらのICT建機技術を活用し、壁や埋設型枠を想定したコンクリート構造物を直接プリント造形することに成功したそうです（施工総研構内での実施）。

３. 目標とする活用場面

フェーズ１【現段階】：埋設型枠としての利用（例：コンクリート構造物の型枠等）
特に材料の運搬など困難な場所に施工する

フェーズ２：構造部材としての利用（例：橋台、橋脚、ケーソン等）
施工精度や施工管理システムを構築した後、下部工などの大型部材に適用

出典：施工技術総合研究所

フェース３：構造部材としての利用（例：床版、壁高欄等）
繊細な制御が可能になった後、橋梁上部工や浮体構造物などに適用

出典：施工技術総合研究所

まとめ

これまでには大林組が型枠無しでモルタルブロックを製造できる３Dプリンタを公開していましたが、この技術の特徴としては、３DプリンターにICTショベルを活用しているところ。

ICTショベルを使うことで現場でそのまま生成でき長距離搬送の手間がなくなります。今後は造形できる大きさもどんどんと大きくなってくると思われます。

現状で３Dプリンターで造形された大きい構造物といえば、ドバイで建てられたオフィスです。巨大な３Dプリンターを使用し、ボックスカルバートを複数作成。それを組み合わせて広さ２５０㎡のオフィスを完成させたそうです。

工期はわずか１７日で通常の５０〜７０％の短縮に成功し、人件費に至っては５０〜８０％も削減されたそうです。巨大な３Dプリンターという所がなんともドバイらしいですが、３Dプリンターの技術は今後さらに進化することで業界の一つのスタンダードな選択肢になる可能性は高そうですね。

所で京都では京都造形芸術大学の名称変更の件が話題になっていますが、皆様どうお感じでしょうか？炎上商法という見方が多いかもしれませんね。そもそも造形大学の前身は美術ではないそうです。

一方、日本初の絵画学校として開設されてから最も長い歴史を持ち、これまで国立５大芸大として歩んできた京芸としては反発は当然のことかと思います。造形大学の生徒さんや卒業生からしても、こんなので話題になるのは嫌でしょうね。

さて、本日は昨日に引き続き大林組さんの新しい技術のご紹介。以前に３Dプリンターでコンクリート構造物を作成する技術を発表していましたが、今回はその規模がかなり大きな物となっています。

３Dプリンターで国内最大規模の構造物製造に着手する

同社は３Dプリンター用の特殊モルタルと、超高強度繊維補強コンクリートの「スリムクリート(※1)」を一体化する構造を開発。セメント系材料を用いた３Dプリンターで国内最大規模となる構造物の製造に着手したそうです。

その構造物はシェル型のベンチで、大きさは「幅7,000mm、奥行き5,000mm、高さ2,500mm」

出典：大林組

(※1)スリムクリートとは
大林組保有技術の常温硬化型のモルタル材料で、圧縮強度180N/m㎡、引張強度8.8N/m㎡、曲げ強度32.6N/m㎡を達成。引張強度や曲げ強度が高いだけでなく、高い引張靭性を有し、単独でも構造体として使用が可能な材料。

背景

ロボットアームに取り付けたノズルから３Dプリンター用の特殊モルタルを吐出し、積層造形する３Dプリンターを2017年開発（以前紹介した記事）、これは現在も実用化を目指して研究開発が行われています。

コンクリートなど多くのセメント系材料は、主に構造物に生じる圧縮力を負担するため、セメント系材料を構造物に用いる際には、引張力を負担する鉄筋などの鋼材と組み合わせた複合構造にすることが必要。

出典：大林組

セメント系材料を用いた３Dプリンターの実用化においても、その引張力の負担方法の開発が重要課題となっていたそうです。

同社では外形を３Dプリンター用の特殊モルタルで製造した構造物の内部に、引張力を負担できるスリムクリートを流し込むという複合構造を開発。その実証として今回の大型構造物の製造に着手しています。

技術の特長

１．超高強度繊維補強コンクリートの「スリムクリート」との複合構造

引張強度の高いスリムクリートは、単独でも構造物として利用できる材料で常温で硬化します。また自己充てん性のある材料であることから、３Dプリンター用特殊モルタルで製造した外形内部に流し込むことも容易で、鉄筋を人力で配筋する場合と比較して、大幅な効率化が可能。

２．独自の積層制御技術および大型ロボットアームを用いた３Dプリンターの開発

従来では３Dプリンター用特殊モルタルの吐出を途中停止することができないため、積層経路が一筆書きになるという制約がありましたが、今回ロボットアームとポンプを連動して制御することで、吐出の開始と停止を自由に行うことが可能に。

一筆書きにならない積層経路による自由な積層造形が実現できるそうです。積層経路は三次元の設計データから自動的に生成。アーム長が約３mという大型のロボットアームを導入することで、大型の部材製造を可能にしています。

３．複雑なデザインの実現とトポロジー最適化※による構造的な合理性追求

３Dプリンターは型枠を使用せずに複雑な形状の部材を製造できるという特長があり、それを活かして今回製造するシェル型ベンチのデザインには、曲面や中空が取り入れられています。

出典：大林組

また、骨のように軽量で丈夫な形態を導出できるトポロジー最適化(※2)と呼ばれる技術を用いることで構造的な合理性も追求。この技術により内部構造の中空部分を決定した結果、内部構造を密実とした場合と比較して、構造性能を損なうこと無く、重量を約５０％軽量化しています。

出典：大林組

(※2)トポロジー最適化とは
荷重条件に対し、構造物として必要となる部分に材料が分布するような形態を求めることができる。生物の形態を模倣するバイオミメティクスと呼ばれる分野でも用いられ、構造設計では骨のように丈夫で軽量な形態を導出する際に用いられる。

まとめ

スリムクリートと呼ばれる、引張強度が高く充てん性のあるセメント系材料が、従来の鉄筋コンクリートの鉄筋にあたる部分となります。

通常のコンクリートでは材料の密実性が重要になってきますが、この３Dプリンターを用いた工法では、構造的に必要な部分にのみ材料を配置することが可能となり、重量の軽量化と作業の効率化を実現します。

型枠も配筋もいらない全く新しいコンクリート構造物の構築方法ですね。これぞ革新。まだ研究開発の途中ですが、これが実用化されればこれまでにない複雑なデザインの構造物も効率よく製造できそうですね。

本日は建設業界での３Dプリンター活用事例をご紹介。３Dプリンターと言えばご存知の通り、様々な物体を緻密に造形することができ、色んな業界で注目されているものです。最近では利用シーンも広がってきているのではないでしょうか。

モルタルブロックの作成を自動で

しかし建設業界で言えば、建築物の模型製作に活用されている程度と言ったところで、なかなか３Dプリンターを建築物や、土木構造物を対象にするまでには至っていないのが現状です。

時間と労力をかけていたものを自動に

一般的には建築物、土木構造物にはコンクリート材をはじめとしたセメント系の材料を用いますが、それらは必要強度になるまでに一定時間掛かります。当然ながらその時間内に形を維持したり、寸法も保たなければならないので型枠が必要になりますね。

出典：大林組

今回開発されたという３Dプリンターはロボットアームのような形のもので、アームから特殊なセメント系の材料が吐出るようになっており、その材料を造形しながら積み上げていくことで、建築物・土木構造物の部材を製造します。

ちなみに３Dプリンターの開発は大林組さん。３Dプリンターから出るセメント系材料の開発はデンカ株式会社様です。この材料は建築・土木構造物に必要な強度と耐久性を満たしており、材料の吐出し直後でも形状が崩れることがなく維持する性質を持っているそうです。

出典：大林組　モルタルブロックを製造する様子

形状が維持されるということは型枠がいらないということになりますね。これだけでもかなりの効率化になりそうです。

セメント系材料３Dプリンターの特長

１．型枠を使用せずに様々な形状の部材の製造が可能
型枠を必要とせず、材料の吐出し直後においても、形状が崩れることなく下層と一体化して短時間で固まるため、型枠の組み立て・解体に労力のかかる曲面や中空形状のほか、様々な形状の部材を型枠を製造可能。

２．オフラインティーチングにより自動で正確に材料を積層
開発された３Dのプリンターには、７軸のロボットアームの先端に材料を吐出しするノズルが取り付けられています。ノズルはオフラインティーチングにより一定速度で所定経路を正確に移動するように制御されていることから、自動で正確に材料を積層造形することが可能。
※オフラインティーチングとは、ロボットへの動作の教示（ティーチング）を、実機でおこなわずに作業プログラムを入力したコンピュータなどでおこなう手法。

出典：大林組

大きさとしてはまだまだ小さめのものになりますが、今後の改良・改善でさらに利便性の高い機器となっていくでしょう。大きいものとしては、昨年ドバイで巨大な３Dプリンターを使ってボックスカルバートを複数作成し、それを組み合わせてオフィスが建てられたそうです。広さは250㎡、その際の工期はわずか１７日。５０～７０％の短縮になったそうです。（人件費に至っては５０～８０％の削減！）

３Dプリンターが建設機械のような形で使われる時代になってきましたね。i-constructionの波はさらに広がりそうです。