渡辺浩二設計室 のブログ

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地震に強い家について考えるその前に、まずは地震の揺れによって建物がどのような挙動を示すのか、(独)防災科学研究所 兵庫耐震工学研究センター(兵庫県三木市)での実験映像を御覧ください。



この映像には明石市に建っていた、二世代前の耐震基準の住宅と、同じ住宅に現行基準の補強をおこなったものとを並べて、三次元震動実験をおこなった様子がおさめられています。入力地震波は1995年の阪神淡路大震災、JR鷹取駅にて計測されたものが再現されています。


こちらは実験と同じものをCGにて再現しています。(独)建築研究所開発のフリーソフト、wallstatによるものです。

映像・CGから、くりかえしの横揺れ縦揺れにより、

・建物(壁・柱)が傾き、
・壁がこわれ接合部が外れて次第に傾斜角が大きくなり、
・屋根や2階の床などの上部構造の重みを支えきれなくなって倒壊に至る、

一連のメカニズムを見ることができます

このことを踏まえて、どのようにすれば建物の倒壊を防げるかを考えてみると、
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一定の傾斜角を超えると上部構造を支えきれなくなって倒壊に至るということは、裏返せば、地震の揺れに対して建物(壁・柱)が一定以上傾かないようにすることが倒壊防止の最優先事項である、との答えにたどり着きます。

木造、鉄骨造、鉄筋コンクリート造の違いを問わず、住宅程度の規模の耐震構造の考え方に共通する肝の部分はまさにそこにあって、地域と地盤の種類、建物の構造と重量、規模により、その建物に必要な、一定以上傾かないための構造強度とバランスが建築基準法にて定められています(日本住宅性能表示基準の「構造の安定」での等級1~3の違いは、想定する地震力の違いをあらわしています)。
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強度とバランスについてもうすこしだけ具体的に書くと、必要な強度とは、骨組みが有する壁の質と量、もしくは変形(傾斜)に耐えられるだけの骨組み自体(≒接合部)の強さのことで、バランスとは、どの方向から揺れても同じ強度を保つためのそれらの配置のことをさしています。大掴みに言えば、高さを抑えた軽い構造で、強度とバランスのすぐれているものほど、地震に強い家だと言えるでしょう。

が、この考えがエスカレートして瓦屋根や塗り壁は住宅に使用するべきではないと口を滑らせてしまうのはあわて者の極論、もしくは(たいていの場合は)セールストークです。

相対的には重いにせよ、それは計画上、適正な範囲内である(絶対的な重さではない)ということを念のために申し添えておきます。建築物全体の各種構造のなかでは木造は、「軽い建物」としてグループ分けされます。
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また、近年の取り組みとして、建物の揺れを構造体のなかで吸収して弱めてしまう制振構造や、地盤と建物とを切り離し、間に挟んだ緩衝材で地震の揺れを吸収して弱めてしまう免震構造などの研究が進んでいます。

住宅の構造体に使える製品も目にするようになりましたが、位置づけとしては食べ物に例えるならば主食に対してのサプリメントのように、建物の耐震性に本来必要な強度を補うためものです。自然の食べ物から栄養を摂ることが人間の身体に大切なように、新築や改修を問わず、プランニングの初期段階から構造と意匠と使い勝手とをバランスよく計画してゆくことが建物の「身体」には大切で、それら個別の具体例に応じた設計・施工におけるコーディネートの質が、その家の地震などに対するほんとうの強さをあらわしているのだと言えます。

次回、その2(夏涼しく冬暖かい家)に続きます。
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夏涼しくて冬暖かな家、とは言うけれど、

「夏の暑さと冬の寒さが身体への負荷にならないように工夫された、ほどほどに快適な家」

くらいに言い直したほうが、実状とクライアントさんの心情をより正確にあらわしているように感じています。実際のところ夏は暑いし冬は寒いし、効きすぎた冷房も暖房も、どちらもあまり気持ちの良いものではないですよね。
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では夏と冬に「ほどほどに快適」であるためには、何が必要なのでしょうか?
私(渡辺)は、以下の6つであると考えています。

夏の場合:
①日射を防ぐこと。
②室内の空気(熱気)が澱まないようにすること。
③通風がよいこと。

冬の場合:
④室内の熱をできるだけ外に逃がさないこと。
⑤足元があたたかくなる(冷たくならない)ようにすること。
⑥できるだけ日差しを取り込めること。

こうしてみると、ヒトと衣類の関係に共通するところが多いようです。
そしてあえて言い切ると、これらが住宅の温熱環境一般を考えるうえで、考慮すべき項目の最低限です。
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次に、これらを盛り込んだ計画を進めるにあたって、最低限必要な自然環境の知識を整理しておきます。

以下の6つ、

夏の場合:
①夏の日射量は屋根面がもっとも大きい。東と西の壁面が同率2位。
②入口と出口があれば、室内の空気は流れる。
③空気は暖められると軽くなり上昇する。
      
冬の場合:
④建物から逃げる熱には、3つの逃げ道がある。
⑤熱の伝わり方にも、3つのルートがある。
⑥冬の日射量は南の壁面がもっとも大きい。

です。

なんだか中学校の理科みたいですね(^^)
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さあ、下ごしらえはこれで完了しました。

それでは、これら「ほどほどの6項目」を実現するために、現在どのような方法があって、どのような特徴、長所短所や課題を持っているのか、以降、順を追って書きます。
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夏は、太陽光が地表面に対して垂直に、つまり、正面からまともに当たること、日照時間が長いことにより、あれだけの暑さを生み出しているのだそうです。

植物は元気いっぱいですが、私たちがこの季節の光を直接浴び続けると、日射病や熱中症など、場合によっては生命の危険に関わります。「ほどほどに快適」をめざすとはいえ、これは絶対に避けねばなりません。

住宅の夏の日射の防ぎ方について要約するならば、

・窓は日射しの通り道をできるだけ避けて
・屋根と外壁は熱を室内に伝えにくいつくりにする

といえるのでしょうが、もうすこしだけ詳しく、屋根と外壁に分けて書いてゆきます。
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自らが動くことのできない住宅が、夏の日射を遮るためには、相手(太陽)の動きを知って、日射しが「自分」のどの部分に当たり、どこを通るのかを知ることがはじめの一歩です。

夏の太陽は一年を通じてもっとも高い軌道を通ります。夏至の正午にはほぼ真上から降り注ぐくらいの高度(角度)となるのが特徴で、前回のブログにも書きましたが、夏に建物が最大の日射を受けるのは屋根面です。次に東と西面の壁、南面の壁と続いて、北面の壁がもっとも日当たりが悪いです。

それでは日射の防ぎ方について、まずは屋根面からです。
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天窓を除けば、住宅の屋根には瓦や鉄板や下地材などが用いられ、ガラスなどの光を透す材料が使われることはありません。室内への日射対策は、光を透さなければ、つまり「屋根があれば」、ひとまずは大丈夫です。けれど話はそれでは終わりません。

太陽光を受けた瓦や鉄板は、ちょうど電子レンジであたためられるお弁当のように徐々にそれ自体が熱を帯びて(同じ原理なのだそうです)、下地材へと伝わってゆきます。熱は高いところから低いところへ流れるので、瓦(鉄板)から下地へ伝わった熱は、屋根裏の空気を経由して天井に伝わり、やがて室内まで到達します。これを防ぐためには、熱を伝えにくい素材を屋根から室内までの間に入れて通せんぼしてやることが必要で、このことを「断熱」といいます。

断熱に対して、その考え方と材料がまだ普及していなかった時代の家の2階に上がると、夏の午後には長居できないほどの暑さになることがあります。それは午前中のうちに熱せられた屋根材が屋根裏空間の蓄熱容量を超えた熱源となってオーバーヒートをおこし、その熱が2階の室内にも及んでいるからで、いうなれば当時の家は屋根裏の空気と天井と、場合によっては2階の部屋までが断熱層の役割を果たすことで1階の室内環境を太陽の熱から守っていたことになります。
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それじゃあんまりだよと叫ぶ、子供の頃の私をふくめた当時の2階の住人たちの声を聞いてくださったのかどうかはわかりませんが、現在流通している断熱材のほとんどは、一般的な屋根裏空間、いわゆる屋根の三角部分を必要としないほどに高性能です。そしてすべての商品名を把握できないくらいに多種多様で、「日本住宅性能表示基準」によると、断熱材の仕様は7つの区分にわかれ、種類だけでも合計で31あります。

それぞれの違いや特徴についてはあとで詳しく書きますが、その家の断熱性能を要約すると以下の式、

※その家の断熱性能
={(断熱材仕様+設計精度+施工精度)*施工面積}-ガラス窓と換気による熱損失

にまとめることができます。
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焚き火にあたっているとき、誰かが前に割り込むと、とたんにあたたかみが消えてしまいます。これは炎から出る遠赤外線が前の人によって遮られるからで、このように熱線を遮ることを「遮熱」といい、太陽光も熱線に含まれます。焚き火の前に割り込んだ人や晴天の日傘などはちょうど、遮熱材の役割を果たしているともいえます。

実際に使用した事例を私自身はまだ持ちませんが、アルミなどの金属を蒸着した遮熱シートを複層の屋根下地に貼ったり、改修工事では屋根表面に遮熱性能をもった塗料を塗ることもあるようです。反射率の高い色や素材を選ぶことは、シンプルですが手堅い遮熱の手法ともいえます。

遮熱材の国内販売がはじまったのはこの10年くらいのところで、まだ公による分類や性能に応じた仕様は定められてはいません。が、実際に使用され公開されているデータからみると、相応の効果はあるようです。私見ですが、いずれは断熱材をアシスト(特に外断熱で有効だと思います)する方向で基準が固められてゆくのではないかと予想しています。


次回は、外壁への日射の防ぎ方についてです。
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屋根に続いて今回は外壁への日射の防ぎ方です。キーワードは2つ。

庇(ひさし)と簾(すだれ)です。

もうすこし詳しく書けば、

・南の窓の軒(庇)と
・東西の窓の簾(すだれ)

日射量は屋根面の次ですが、夏の遮熱はここからが本番です。
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朝、東の壁面を勢いよく照らした太陽は、その勢いのままに高度を稼いで正午にはほぼ天空の頂にまで達します。そこでほぼ真上から地面と屋根面にぎらぎらと光を降り注いだ後、今度は昇りと同じ勢いで高度を下げ、夕方に西の壁面を存分に熱して、西北西の空に沈んでゆきます。なんだかやたらにエネルギッシュで暑苦しいかんじです。

屋根とは違い、外壁には窓があります。窓のない部分については屋根と同じように、熱を室内に持ち込まない(断熱・遮熱)工夫をすればよいのですが、ガラス窓は「ノーガード」ですから、そこだけは温室のように、日射を透して室内を直接熱してゆきます。

日射は防ぎたいけれど、明るさや通風、そして視界の抜けは確保したい。そのためには窓は日射に対して「閉じながら開いて」いなければなりません。こうした一見矛盾することがらを実現できる方法は、実は、先人からの知恵として、今も「ふつうの家のこと」として生き続けています。

せっかくですからその仕組みを再確認しましょう。まずは南面から。
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結論から先に言えば、南側壁面に当たる日差しは、平屋ならば軒が、総2階でも窓上の庇(もしくはバルコニー)があれば遮ることができます。

夏至のころ、南東に位置する午前11時の太陽はもうすでに高く、高度(仰角)75度と、建てかけた梯子くらいに急勾配です。この角度で高さ2メートルの掃き出し窓に差し込む日差しを計算すると、窓から室内に向けて、奥行き40センチほどになります。

木造住宅の場合、大抵の屋根の南側には軒が出ていて、その寸法は夏の直射日光を遮れるだけのものです。夏至の11時の太陽ならば計算上は、床高3メートル(平屋建を想定)のところに軒先があったならば、たいていの家(80センチの軒の出)では、日差しは室内には入りませんし、窓上端に庇を設ける場合も、一般的な庇の出(40センチ)で遮ることができます。

次は東・西面です。
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東(西)側に位置したときの太陽高度はまだ(もう)低く、朝7時~8時半(15時半~17時)のあいだの日差しは、ほぼ横殴りです。この角度では、暴風雨でさす雨傘のように、庇でも軒でも防ぐことはできません。朝はセミの鳴き声とともに、そして夕方には地表面が一日蓄えた熱とともにギラギラした光を窓越しに受けるのは、夏らしいといえばこのうえないほどに夏らしいのですが、実際のところ暑くてやってられません。そこで対策です。

いちばん効果的なのは、これらの面にいっさい窓を設けないことですが、汎用性のある考え方ではありません。ではどうするのかといえば、まず開口は必要最小限にとどめて(かつ、外壁面積もできるだけ小さくして)、その開口にはキーワードの2つめの「簾(すだれ)」を設えて日射を遮ります。

簾でも朝顔でもゴーヤーでも植栽でも、原理としての括りは「外付けブラインド」なのですが、ナチュラルでユルいイメージに反してなかなか「いい仕事」をしてくれます。性能値でいえば、日射の80%を遮る効果があり、それは熱線反射ガラス、いわゆるlow-Eガラスを凌ぐものです。
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太陽の動きは一定なので、その動きを見越して窓の位置を決めて日除けを設けてやると、効果は毎年持続して、しかもイメージ以上に効果的です。

そしてそれらは基本的には設置位置の検討+αですから、無駄にスペックを引き上げないという意味で、潜在的なコストダウンと同義です。

外からの熱を防ぐ方法に続いて次回は、室内の熱気を外に出す方法について書きます。
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真正面からまともに照りつける夏の太陽は、そのぶんだけ強烈に地表面を熱します。そこに触れた空気はあたためられて上昇し気圧を下げ、風を招きます。熱自体は放射を続けてそのまま大気圏外に放出されます。だから夜は涼しいのだそうです。

避暑のために高原に向かうときに浮かぶ定番の疑問、

「どうして太陽に近づいているのに、標高が上るほどに涼しくなるのだろう?」

は、

「夏の暑さは、そのほとんどが(太陽光を受けた)地表面であたためられた空気によるので、標高がある程度上がって空気が薄くなれば、そのぶん伝わる熱も薄く(涼しく)なるから」 が答えなのだそうです。
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日射を防いでも、完全に防ぎきれなかった熱は一定の割合で室内に入ってきます。
そこで今回は、その熱を速やかに外に出す方法をご紹介します。

・あたためられると上昇する空気の特性を知り、
・その特性を生かした窓の配置と間取りの工夫をおこなうと、

室内には熱はこもらずサラッとして、風速1メートルの風は肌に触れて熱を奪うことで体感温度を1℃下げる効果があるといわれますが、風向きによれば、場合によっては寒いほどになります。

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夏、室内の空気はあたためられて軽くなり、天井へ向かって上昇します。多くの場合、天井面から窓の上端のあいだには「下がり壁」が付いているので、上昇は天井に阻まれ、上昇するルートをさがして水平移動しようにも壁に阻まれて、熱を帯びた空気はそこに留まり続けます。

そうならないように、風の出口を前もって計画しておきます。具体的には壁の最も高い位置、天井に接するところには下がり壁はつくらずに、窓を設けます。逃げ場のない熱気に出口(窓)を与えてやると、ちょうど水を張ったバケツに穴をあけたように、熱を帯びた空気はたちまち外に流れ出ます。流れ出たら気圧が下がり、下部から空気を呼び込んでまた流れ出て、そこに気流を作り出します。

以前設計した住宅で、廊下の上部を吹き抜けにして高窓(下がり壁なし)を設け、明かり取りと排熱を兼ねたことがあるのですが、竣工後、梅雨時にお邪魔して廊下に立つと、湿気を帯びた空気が、汗ばんだ肌を通り抜けて、高窓に向かって流れてゆく様子がとてもよくわかりました。更に言えばこうした空気の特性は屋根裏や外壁の排熱にも応用されて、「通気工法」との名称で、今では木造住宅の一般的な工法になっています。
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日本列島において夏の風は南東から北西へ吹いて、冬はその逆で北西から南東へ吹く、というのが基本的な流れです。これは、夏はユーラシア大陸の地表面があたためられて空気が上昇し、低気圧となって太平洋からの風を呼び込み、冬はその逆に熱容量の大きな太平洋上の空気があたためられて大陸からの風を呼び込むからなのだそうです。

建築環境・省エネルギー機構の気象データによると、弊社のある境港の8月(7~22時)の最多の風向きは東北東で、お隣の米子市は北東、松江市では東で、平均風速は2~3メートルほどでした。たしかに境港の夏は、東からの風がきもちよく、冬は西風が厳しい印象です。

ただ厳密には風は、日ごと時間ごとに絶えず風向きと風速が変わります。その家が「よい風」を得るには、気象データに加えて周囲の建物の配置や実際に生活する時間帯の考慮が必要で、建物のほうにも風を招く工夫が必要です。
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建物の工夫といっても特別なことは必要ありません。季節や時間帯によって、よい風が通り抜けやすいように、南~北、東~西、下階~上階への通風経路をその建物のなかに確保しておけば十分です(とはいえこれはなかなか大変ですが)。排熱ができて上下の気流の道があれば、京都の町屋のように、建物自体が風を招きます。

この先、ひょっとしたら、人間が風をおこし雨を降らせることができる時代がやってくるのかもしれませんが、空気の流れにあわせた家づくりは、手間さえ惜しまなければ今日確実につくることができます。

次回からは、冬の室内環境について書きます。