幅20m・高さ4.5mの大規模造形物を施工場所でそのまま “印刷”

清水建設（株）＜社長 井上和幸＞はこのほど、施工場所で実大構造物を直接“印刷”できるガントリー型の建設3Dプリンタ「Shimz Robo-Printer」を開発、東京都江東区内に建設中の自社施設「（仮称）潮見イノベーションセンター」の建設現場でオンサイト3Dプリンティングの実証施工を行いました。適用対象は、敷地内に整備する研修施設の壁状柱のコンクリート施工で、繊維補強セメント複合材料「ラクツム」をShimz Robo-Printerで積層し、外装部材を兼ねる3次元曲面形状の埋設型枠を造形しました。

3Dプリンティング技術の活用が多分野で進むなか、建設分野ではコンクリート施工の省力化・省人化を企図した技術開発が主に進められています。3Dプリンティングの適用対象として、例えば、3Dプリンタで造形したコンクリート型枠を外装部材としてそのまま利用すれば、型枠の組み立てやコンクリート打ち込み後の脱型作業が不要となります。また、在来工法では難しかった自由曲面形状の造形も容易に実現できるため、意匠の表現の幅が広がるメリットもあります。

当社はこれまで、デジタル施工の促進に向け、3Dプリント材料「ラクツム」を独自開発するとともに、技術研究所内に専用実験施設「コンクリートDXラボ」を新設し、ロボットアーム型3Dプリンタを活用したプリンティング施工の技術開発に取り組んできました。その成果として、実験施設内で製作した埋設型枠を実現場のコンクリート柱の施工に適用するなど、着実に実績を重ねています。今回、3Dプリンティング施工の生産性のさらなる向上を図るべく、現場でのオンサイトプリンティングに対応した建設3Dプリンタ「Shimz Robo-Printer｣の開発に至りました。

Shimz Robo-Printerは、レール上を水平移動する幅7.2m・高さ7.5mの門型フレームと、上下・左右にノズルを移動させながらプリント材料を積層する材料押出方式のプリント機構を組み合わせたガントリー型の建設3Dプリンタです。材料を下方に押し出すノズル部は、クランク形状となっており、先行して施工した鉄筋や鉄骨と接触することなくその周囲をスムーズに移動し、プリント材料を積層します。プリンティングの造形範囲は奥行20m・幅4.5m・高さ5.1m、造形速度は最大10cm/秒です。なお、本装置は、（株）北川鉄工所（本社：広島県府中市）の協力の下、製作したものです。

オンサイトプリンティングの実証施工では、ラクツムをプリント材料として、鉄骨鉄筋コンクリート造の壁状柱の外装部材を兼ねる奥行20m・高さ4.5m・厚さ80mmの埋設型枠を印刷。緩やかに波打つ埋設型枠の3次元曲面形状は、構造上不要な部分をそぎ落とした合理的な躯体デザインを反映したもので、これにより、矩形の型枠で躯体を構築した場合と比べて、コンクリート躯体のボリュームを約1割削減できました。

施工に際しては、鉄骨と鉄筋を所定の位置に組み立てた後、ノズルを周回させながら外周にラクツムを積層。積層体が1m積み上がったタイミングでコンクリートを内部に打ち込むプロセスを繰り返しました。造形速度は、外周約42mの型枠1層分の印刷に約10分、型枠全体の印刷に要した延べ時間は75時間です。

また、今回の実証施工では、環境配慮の取り組みとして、型枠内に充填するコンクリートに低炭素型コンクリート「ECMコンクリート」を使用しています。ECMコンクリートは、セメントの60～70％を鉄鋼製造の副産物である高炉スラグの粉末に置き換えたコンクリートで、コンクリート由来のCO₂排出量を6割削減できます。他方、中性化が進みやすい特性があり、これまでの適用事例は地下躯体や地盤改良体の施工に限られていました。今回の取り組みでは、外装部材を兼ねる3Dプリンティング型枠がECMコンクリートを大気から隔離するため、地上躯体への適用が可能になりました。

Shimz Robo-Printerを活用したオンサイトプリンティングにより、大規模積層体の一括印刷が可能になり、部材の運搬費用が不要となる効果も見込めます。今後、潮見イノベーションセンターを構成する他施設のコンクリート施工にもオンサイトプリンティングを適用し、施工の省力化・省人化につなげていく考えです。