Origami-Inspired Textile-Reinforced Concrete Interlocking Modular System -- Design and Manufacturing Proof of Concept

技術要約：オリガミに着想を得たテキスタイル強化コンクリートによるインターロッキング・モジュラー・システム

問題提起
現在のコンクリート建設は、資源効率、炭素排出量、および薄肉構造の型枠の複雑さに関して重大な課題に直面している。テキスタイル強化コンクリート（TRC）、特にカーボン強化コンクリート（CRC）は高い強度と耐久性を備えているが、その設計概念が依然として鉄筋コンクリートのパラダイムに依存しているため、この材料特有の特性を十分に活用できていない。双曲放物面シェルやヴォールトといった既存のTRCの応用例は、通常、プロジェクトごとに専用の型枠を必要とするため、反復可能でスケーラブルなモジュール生産を妨げている。さらに、折り紙幾何学の数学と、非金属補強材のレイアウトおよび構造性能を体系的に結合させた、統合的な「設計から製造まで」のチェーンが欠如している。モジュール化され、スケーラブルなコンクリート建設のための互換性のあるインターロッキング戦略の不在が、このようなシステムの実現を困難にしてきた。

手法
著者らは、剛体オリガミのキネマティクスとCRCのフレッシュ状態での成形性を統合した「フォールド・アンド・プラグ（折って差し込む）」システムを提案している。その手法は以下のように構成される：

1. 幾何学的フレームワーク： 本システムは「ウォーターボム（水爆）」テセレーション・パターンを利用する。パラメータ的定式化により、基本セル幾何学（パラメータ $a, b, c, e$）および折り角（$\gamma$）を定義する。これにより、凹状から凸状のジオメトリ、さらには平坦な波状パネルまで、設計空間を生成することが可能となる。
2. モジュールの分解： 大規模なフレッシュコンクリートの折り畳みにおける製造上の制限に対処するため、連続的なテセレーションを有限の厚みを持つモジュールへと分解する。著者らは、ゼロ厚みのテセレーションから物理的なモジュールへの数学的な移行を以下の手順で開発した：
   • 表面を重なり合うモジュールへと分解する。
   • 中立面を有限の高さ（$h$）へと押し出す。
   • 重なり合うモジュール間の幾何学的適合性を確保するための、必要な移動ベクトルおよび回転ベクトルを算出する。
   • インターロッキングに必要となる特定の面厚さ（$t_I, t_{II}$）を導出する（これは面の傾斜により異なる）。
3. 製造プロセス（フォールド・イン・フレッシュ）： 空気圧駆動による折り畳み可能な型枠を開発した。これは、クリースライン（折り目）に沿って回転可能な、弾性膜に取り付けられた鋼板で構成される。
   • モジュールは、コンクリートと新鮮な状態で含浸されたカーボンテキスタイル補強材の逐次層を用いて、平坦な状態（$\gamma = \pi/2$）で鋳造される。
   • コンクリートがまだフレッシュな状態で、型枠を作動させてモジュールを最終的な3D構成へと折り畳む。
   • インターロッキングに必要な面厚さの変動という幾何学的要件に対応するため、一定の鋳造厚さと必要なインターロッキング厚さとの差を埋めるために、あらかじめ切断されたプラスチック製の補償パッドを型枠上に配置する。
4. 組立メカニズム： モジュールは「スリット誘導型トポロジカル・インターロッキング」機構を利用する。モジュールには特定のスリットが設計されており、これによって互いに貫入し合う配置へとスライドさせることができる。これにより、隣接するモジュールが交互の上部および下部面の接触によって運動学的に拘束され、接着剤や機械的ファスナーを必要としない自己支持構造が形成される。
5. デジタル計画： 半手動の製作プロセスにおいて避けられない幾何学的偏差を考慮し、著者らは製造されたモジュールのレーザースキャンを採用した。デジタル組立アルゴリズムを用いて「ベストフィット」の構成を見つけ出し、製造上の不完全さを補正することで、物理的な組み立てを成功させた。

主な貢献

• 統合された設計・製造チェーン： オリガミの数学、材料固有の製造法（フォールド・イン・フレッシュ）、およびトポロジカル・インターロッキングを組み合わせたワークフローを確立した。
• 有限厚みモジュール理論： ゼロ厚みのウォーターボム・テセレーションを、物理的に実現可能なインターロッキング・モジュール（面厚さの補償計算を含む）へと変換するために必要な幾何学的導出を提供した。
• フォールド・アンド・プラグ・システム： フレッシュコンクリートを折り畳むことで形状を作り、トポロジカル・インターロッキングによってファスナーなしで組み立てるモジュール・システムを導入した。
• フルスケール検証： 17個のモジュール（フルモジュール11個、境界モジュール6個）からなる、スパン3.54mの自己支持プロトタイプの製作および検証を行った。その総設置面積は約7 m²である。

結果

• 製造の実現可能性： フォールド・イン・フレッシュのプロセスにより、要求される幾何学的複雑さを備えたCRCモジュールの製造に成功した。空気圧型枠と補償パッドの使用により、インターロッキングに必要な特定の厚みプロファイルを持つモジュールの作成が可能となった。
• 構造的完全性： フルスケールのプロトタイプは、自重（約4 kN）に対して安定した自己支持構成を実現した。また、中央スパンにおける追加の活荷重を、目に見える損傷や亀裂を生じることなく支えることができた。
• 堅牢性： 構造体は、急勾配（垂直に近い状態）の構成においても機械的完全性を示し、トポロジカル・インターロッキングが外部支持なしに面内圧縮および負の曲げモーメントに耐えられることを証明した。
• 組立の成功： 移動式トロリーによる斜め組立アプローチは、手動製作に特有の幾何学的散らばりがあるにもかかわらず、デジタル組立計画によって制御され、モジュールのインターロッキングに成功した。

意義と主張
本論文は、本研究を、モジュール化され、解体可能な、オリガミに導かれた薄肉コンクリート構造の実現可能性を検証する概念実証（技術成熟度レベル4）として位置付けている。

• 材料効率： 本システムは、最適化された空間配置を通じて高性能な非金属補強材を効果的に活性化できることを示しており、従来の鉄筋コンクリートと比較して地球温暖化への影響を低減できる可能性がある。
• サーキュラー・エンジニアリング： トポロジカル・インターロッキングによる組立は本質的に解体可能であり、材料を損傷することなくモジュールを解体し、異なる構成で再利用できるため、サーキュラー・エンジニアリングの原則に合致している。
• アーキテクチャード・マテリアル・アプローチ： 本研究は、構造的性能が単なる構成材料の特性のみならず、離散的なコンポーネントの幾何学的配置と相互作用から創発するという、新しいクラスの「アーキテクチャード・マテリアル（構造化材料）」を確立している。
• スケーラビリティ： 現在のプロトタイプは主に手作業による製作であるが、システムのモジュール性とパラメトリック設計により、反復的でスケーラブルな生産への道筋が示唆されている。著者らは、将来的な自動製造が幾何学的散らばりを減少させ、荷重伝達の均一性を向上させると述べている。

著者らは、本システムは実用的な応用に向けた中間段階であり、構造性能の最適化、応力伝達の強化、および勾配テセレーションや多様な表面曲率を含む幾何学的設計空間の拡張に向けた基礎を提供するものであると結論付けている。