モジュラー構造

モジュラー建築とは、オフサイトの工場で2Dパネルまたは3D立体構造をプレハブ化し、建設現場に輸送して組み立てる建築技術です。このプロセスは、時間とコストの両面で従来の建築よりも優れている可能性があり、従来の建築技術よりも20〜50％の時間の節約が期待されています。^[1]

2030年までに、モジュラー建築は米国と欧州の建設業界で年間220億ドルのコスト削減をもたらし、1.6兆ドルの生産性ギャップを埋めるのに役立つと推定されています。^[1]学生寮、手頃な価格の住宅、ホテル向けの標準化された繰り返し可能な3D容積測定住宅プレハブユニットと設計に対する現在のニーズが、モジュラー建築の需要を促進しています。

2018年の実務指針では、NECは、オフサイト建設から得られる利点は、主に、天候の影響を受けず、専用の専門設​​備を備えた組立ラインなどの製造技術を使用して工場で部品を作成することに関連していると述べています。^[2]適切な技術を使用することで、モジュラー建設は次のことが可能になります。

• 構成部品の製造速度を上げることで建設速度を上げる。
• 廃棄物を削減し、
• 規模の経済性を高める
• 品質を向上させ、資産の生涯コスト全体を削減する
• ほこりや騒音などの環境への影響を軽減し、
• 現場での建設作業量を減らすことで事故や健康障害を減らす

前述の利点とは対照的に、モジュール建築には2つの大きな障害がある。^[3]

• 物流上の課題: 完成したモジュールを建設現場に輸送するには、綿密な組織と同期が必要であり、多くの場合、多大なコストが発生します。

• サイズの制約: 製造および輸送手順により、個々のモジュール コンポーネントの寸法に制限が課される場合があります。これにより、建物内の部屋のサイズが影響を受け、全体的な建築設計に影響を及ぼす可能性があります。

モジュラー建築は、従来の現場建築よりも一貫して少なくとも 20 パーセント高速です。^[要出典]現在、モジュラー建築プロジェクトの設計プロセスは、従来の建築よりも時間がかかる傾向があります。これは、モジュラー建築がかなり新しい技術であり、多くの建築家やエンジニアがそれを扱った経験がないためであり、簡単に言えば、業界はまだこの方法で作業する方法を学んでいません。設計会社には、このプロセスの自動化を支援するモジュール ライブラリの開発が期待されています。これらのモジュール ライブラリには、標準化された構造を作成するためにデジタルで組み立てられる、さまざまな事前に設計された 2D パネルと 3D 構造が保持されます。

建物の基礎は、建物の剛性にとって極めて重要な部分です。基礎の大きさと複雑さは、建物の大きさと全体の重量によって異なります。したがって、従来の方法で建てられた家とプレハブ構造の重量の違いにより、必要な基礎は小さくなり、建設も速くなります。

オフサイト製造は、モジュール式建築の最高峰です。工場での活動を調整および繰り返す能力と自動化の強化により、オンサイト建設よりも製造時間が大幅に短縮されます。構造物の基礎と構造物自体の製造を並行して作業できるため、時間が大幅に節約されます。これは従来の建設では不可能です。オンサイト建設は大幅に簡素化されます。プレハブ部品の組み立ては、3D モジュールを組み立て、サービスをメインサイト接続に接続するのと同じくらい簡単です。5 人の作業員のチームは、1 作業日で最大 6 つの 3D モジュール、つまり完成床面積 270 平方メートル相当を組み立てることができます。

モジュラー建築のコンポーネントを製造するには技術が必要なため、モジュラー建物のプレハブ部品はモジュラー工場で製造されます。時間を最適化するために、モジュラー工場はプロジェクトの仕様とリソースを考慮し、この独自のプロジェクトのニーズを満たすスケジュール アルゴリズムを採用します。ただし、現在のスケジュール方法では、リソースの量がゼロになることは決してないと想定されているため、非現実的な作業サイクルになります。

モジュール工場が常に単一のプロジェクトを処理することはまれであり、収益は低くなります。HyunとLeeの研究では、さまざまなプロジェクトの特性を考慮してリソースを共有する遺伝的アルゴリズム（GA）スケジューリングモデルを提案しています。^[4]このアルゴリズムの生産シーケンスは、どのモジュールをどのサイトに輸送する必要があるか、およびそれらが到着する日付によって大きく左右されます。生産、輸送、現場での組み立ての変数を考慮した後、目的関数は次のようになります。ここで、S _iは1日あたりの在庫ユニット数、P _{i は}1日あたりのユニット数、E _{i は}1日あたりに設置されるユニット数です。モジュール構造の建物の生産をさらに加速し、従来の建設方法との時間節約のギャップを拡大するために、生産アルゴリズムが継続的に開発されています。 $${\displaystyle min\Sigma (S),\ldots S=S_{i}+P_{i}-E_{i}}$$

モジュラー建築は、総プロジェクトコストの最大 20 パーセントを節約できます。ただし、コストが 10 パーセント増加するリスクもあります。^[要出典]これは、建設の労働力の節約が物流と材料のコストの増加を上回った場合に発生します。モジュラー建築で使用されるコンポーネントのプレファブリケーションは、従来の建築よりも物流コストが高くなります。パネルまたは 3D 構造は工場で製造され、建設現場に輸送される必要があるため、建設の流れを変える新しい変数が存在します。

当然のことながら、製造された部品の輸送は、原材料の輸送よりも高価です。まず、2D パネルを何枚も積み重ねただけでも、それらを組み立てるために使用された生のセメント、木材、または材料よりもはるかに輸送が困難です。パネルは、陸上輸送中に軽微または重大な損傷を受けるリスクが高くなります。パネルが損傷した場合、完全に交換する必要がある可能性があります。工場では、このパネルを交換するために他のパネルの製造を一時的に停止する必要があり、全体的な製造時間が増加し、したがってコストも増加します。製造時間に加えて、輸送時間も増加し、さらに別のコストが増加します。いずれにせよ、2D パネルの輸送は、現場での建設に代わる優れた方法です。

輸送コストは、3D立体構造物を輸送するときにピークに達します。2D床面積1m2を250km輸送するのに約8米ドルかかりますが^、 3D床面積では45米ドルかかります。^[1]これに輸送中に構造物が損傷した場合の交換コストを加えると、コストが大幅に増加します。

オフサイトの工場で部品を組み立てるということは、作業員が構造の繰り返し性と自動化を利用して製造プロセスを円滑にできることを意味します。構造の全体的な設計を標準化することで、通常は特定のスキル (機械、電気、配管など) を持つ高額な作業員を必要とする作業を低コストの製造業者が完了できるため、総給与コストが削減されます。現場での製造はほとんど行われないため、従来の労働活動の最大 80% をオフサイトのモジュール工場に移すことができます。これにより、必要な下請け業者の数が減り、総給与コストがさらに削減されます。全体的に、プロジェクトの労働集約的な部分が大きいほど、モジュール構造を使用した場合の節約額も大きくなります。

学生寮、ホテル、低価格住宅などのプロジェクトは、モジュール建築に最適です。構造の再現性により、製造時間が短縮され、全体的なコストが削減されます。一方、プロジェクトが（たとえば）非常に不規則な壁スペースと天井を備えたモダンなビーチハウスである場合は、従来の建築方法が適している可能性があります。業界が適応と成長を続けるにつれて、これらの再現可能な設計は、コストを削減しながらあらゆる種類の構造に合わせて変更および適応される可能性があります。

建設業は最も危険な産業の一つと考えられている。労働者は高所から転落し、物は落下し、筋肉は緊張し、環境上の危険が見つかる。モジュール建築は、すべての製造活動を地上レベルのクリーンな空間に制限し、必要な労働者も少なくなる。報告義務のある事故は、現場集中建設に比べて80％以上減少すると推定されている。^[5] 2013年にMcGraw Hill Constructionが実施した建設業界の安全管理に関する調査で尋ねられたとき、建設業界の50％がプレファブリケーションは従来の現場建設よりも安全であると信じていたが、プレファブリケーションまたはモジュール建築が安全パフォーマンスに悪影響を与えると答えたのはわずか4％だった。調査対象のゼネコンと専門請負業者のうち、78％と59％が、最も大きな安全への影響は地上レベルでの複雑な作業の実行であると答えた。^[6] CDCによると、転落は建設業における労働関連死亡事故の主な原因であり、業界全体での死亡事故の3分の1以上を占めている。^[7]作業員が作業を行う高さが低くなると、死亡リスクが減り、業界全体の安全性が大幅に向上します。また、ゼネコンの69％と専門業者の69％が、オフサイト工場でさまざまな作業を行う作業員の数が減ったことで、建設現場の安全性も向上したと述べています。全体的に、モジュラー建設は次のような理由でより安全です。

• 安定した勤務地
• 十分なスペースで作業が行われます
• 地上レベルの組み立て
• 厳しい天候から身を守る
• 安全でない活動の監視の改善
• 建設現場での作業時間を30～50パーセント削減
• 現場の人員が減少

モジュラー建築は、まだ完全に安全な代替手段とは考えられていません。しかし、事故や死亡者数を大幅に減らすことができます。特にプロジェクトの製造プロセスではそうです。建設現場での事故の48.1％は転落関連でしたが、製造工場での事故のうち転落によるものはわずか9.1％でした。^[6]製造工場の労働者は、物体や機器にぶつかる可能性が高く（37.1％）、骨折と切断は27.3％で同じ傷害頻度でした。それでも、建設業界が適応を続け、プレハブのモジュラー建築などのより持続可能な建設方法に移行するにつれて、建設現場での事故の全体的な安全数は減少すると予想されます。

モジュール式建設方法の使用は、建設における設計による予防技術の支持者によって奨励されています。これは、国立労働安全衛生研究所が発行した「PtD - 建築設計および建設教育モジュール」に、建設プロジェクトの推奨される危険管理として含まれています。^[7]

モジュラー建築は、各工法で発生する廃棄物の量を見ると、従来の建築に代わる優れた方法です。ウォルバーハンプトンの高層ビルの建設では、824 個のモジュールが使用されました。この工程で、建築物の総重量の約 5% が廃棄物として発生しました。従来の工法での平均廃棄物の 10～13% と比較すると、わずかな違いが見られます。^[5]この違いは、小規模な構造物について話しているときは大したことないように思えるかもしれませんが、100,000 lb/ft ^{2 の}建物について話しているときは、かなりの割合になります。また、現場への配送の数は最大 70% 減少しました。^[5]配送は、代わりにモジュラー工場に移され、そこでより多くの材料を受け取ることができます。現場での騒音公害も大幅に削減されます。製造工程をオフサイト工場 (通常は市外にある) に移すことで、従来の建築工程のように近隣の建物に影響が及ぶことはありません。

モジュラー建築に使用されるオープンソースおよび商用のハードウェアコンポーネントには、オープンビーム、ビットビーム、メーカービーム、グリッドビーム、コントラプター、OpenStructuresコンポーネントなどがあります。 ^{[8] [9]} スペースフレームシステム（Mero、Unistrut、Delta Structuresなど）もモジュール設計になる傾向があります。^[10]建設に使用されるその他の材料で、連結可能で再利用可能/モジュール化されているものとしては、連結レンガなどがあります。^{[11] [12] [13]}

• オープンソースアーキテクチャ – コラボレーションと使いやすさを重視した新しい設計パラダイム
• 商業用モジュール建築 – 主にオフサイトで建設される非住宅構造物
• モジュラー建築 – 繰り返しのセクションで構成されるプレハブの建物または家屋
• 大量生産 – 標準化された製品の大量生産
• プレハブ建築 – プレハブ工法で建設された建物