コンクリート・鉄鋼業界は世界の二酸化炭素排出量の15%を占めており、より持続可能な建設資材として木材を利用すべきだとの声が高まっています。
ケイトリン・ミューラー教授は、木材の構造をデジタル建築ツールと組み合わせる、5段階の「設計から製造までのワークフロー」を開発しました。
木の股枝は、建築の形に応用できる、強固な内部構造の自然な例です。
気候変動への懸念を背景に、建築分野、とりわけ建設資材の採取と加工に大きな注目が集まっています。コンクリート・鉄鋼業界は合わせて、世界の二酸化炭素排出量の最大15%を占めています。一方、木材は自然な炭素貯留の役割を果たすため、代わりに木材を使おうとする動きがあります。実際、一部の国では公共建築物の少なくとも一部に木材を使うよう求めており、世界各地で大規模な木造建築物が登場しています。
こうした動向に着目したケイトリン・ミューラー氏（’07年学士、’14年SM、’14年博士）は、MIT建築技術プログラムで建築学、土木・環境工学を担当する准教授であり、さらなる持続可能性向上の機会を見いだしています。木材業界は、従来のコンクリートや鉄鋼の部材に代わる木製品の生産を目指しており、木のまっすぐな部分を伐採することに重点を置いています。節や股枝などの不規則な部分は、ペレットにして燃やしたり、粉砕して庭のマルチ材にしたりします。マルチ材は数年以内に分解し、どちらの方法でも木に閉じ込められていた炭素が大気中に放出されます。
この4年間、ミューラー氏と彼女のデジタル・ストラクチャーズ研究グループは、こうした廃材を建設に活用して「アップサイクル」する方法を開発してきました。外観を良くするための外装材や仕上げ材としてではなく、構造部材として使うのです。「材料に与えられる最大の価値は、構造物の荷重を支える役割です」と彼女は述べます。しかし、建設にバージン材を使う場合、構造部材は大量の高強度材料を使うため、建物の中でも特に排出量の多い部分となります。こうした炭素排出量の多いシステムをアップサイクル材に置き換えることは、排出削減にとりわけ大きな効果があります。
ミューラー氏とチームが注目するのは、木の股枝です。幹や枝が二つに分かれ、Y字形になった部分を指します。建築図面には、まっすぐな部材が集まる同様のY字形の接合部が数多くあります。そうした接合部は、重要な荷重を支えられる強度が必要です。
「木の股枝は、樹木の中で片持ち梁として機能する、自然に形成された構造接合部です。内部の繊維構造のおかげで、力を非常に効率よく伝達できる可能性があります」とミューラー氏は述べます。「木の股枝を中央で切ると、繊維が絡み合い、樹木の中でしばしば三次元的な荷重伝達点を作り出す、驚くほど複雑なネットワークが見えます。私たちも3Dプリントを使って同じことを始めていますが、繊維の複雑な配向や形状という点では、自然の働きには遠く及びません。」
ミューラー氏とチームは、木の股枝のような自然の構造と、現在の建築設計で使われるデジタル・計算ツールを組み合わせた、5段階の「設計から製造までのワークフロー」を開発しました。手すりや装飾的な要素に天然木を使う「クラフト」運動は以前からありますが、計算ツールを使えば、過剰な切削をせずに木材を構造用途に使えます。過剰な切削はコストがかかり、木材本来の形状や内部の木目構造を損なうおそれがあります。
今日の建築家がデジタルツールを広く使っていることから、ミューラー氏はこの手法について、「少なくとも、工業化された材料加工システムの中で拡張可能であり、実現できる可能性があります」と考えています。さらに、木の股枝とデジタル設計ツールを組み合わせたこの新しい手法は、新たな形を探求する建築家の傾向にも応えられます。「過去20年間に建てられた象徴的な建築物の多くは、意外性のある形をしています」とミューラー氏は述べます。「木の枝には固有の形状があり、それ自体が導くことで、不規則な、あるいは標準的でない建築形態に適することがあります。恣意的なアルゴリズムによるものではありません。」
ステップ0：材料の入手先を見つけ、目標を設定する
設計から製造までのプロセスを始める前に、研究者たちは木の股枝の入手先を見つける必要がありました。ミューラー氏は、マサチューセッツ州サマービル市の都市森林部門の協力を得ました。同部門は、20種以上を含む2,000本を超える街路樹のデジタル台帳を管理し、各樹木の場所、幹のおおよその直径、状態を記録しています。
森林部門の許可を得て、チームは2018年、新しいサマービル高校の建設予定地近くで多数の木が伐採された際に立ち会いました。現場には重機が並び、その中には廃材をすべてマルチ材にするチッパーもありました。ところが作業員たちは快く、廃材を研究者たちのトラックに積み込み、MITに運べるようにしてくれました。
MITチームはこのプロジェクトで、廃材をアップサイクルするだけでなく、地域の人々に価値を認められる構造物を作るために活用することも目指しました。「私の住む地域では、外来種の甲虫による被害で、市が多くの木を伐採せざるを得ませんでした」とミューラー氏は説明します。「人々がひどく怒るのも当然です。木は都市環境の重要な一部で、日陰と美しさをもたらします。」彼女とチームは、「伐採した木を新たな機能的構造物として再設置し、伐採前の木々がもたらしていた雰囲気と空間体験を再現する」ことで、その反感を和らげたいと考えました。
材料の入手先と目標が定まった研究者たちは、木の股枝の台帳を使って空間構造物を作るための、設計から製造までの5段階のワークフローを実証する準備が整いました。
ステップ1：デジタル材料ライブラリーを作成する
最初の作業は、集めた木の股枝をデジタルライブラリーにすることでした。まず余分な部分を切り落として、個々の股枝を取り出しました。次に、それぞれを3Dスキャンしました。写真測量（写真を使った物体の計測）と3Dスキャンの最近の進歩により、比較的安価な機器で、個々の木の股枝を高解像度のデジタルデータにできるようになったとミューラー氏は指摘します。一般的なスマートフォンで動くアプリも利用できます。
デジタルライブラリーでは、それぞれの股枝を、3本の直線状の棒が一点で交わる様子を示した「骨格化」モデルで表します。枝の相対的な形状と向きは、部材の強度を生み出す内部繊維の配向を決めるため、特に重要です。
ステップ2：初期設計と材料ライブラリーの最適な組み合わせを見つける
木と同じように、一般的な建築設計には、重要な荷重を支えるために3本の直線状の部材が集まるY字形の接合部が数多くあります。そのため、材料ライブラリーにある木の股枝を、サンプル建築設計の接合部に組み合わせることが目標でした。
まず研究者たちは、特定の木の股枝の形状が設計上の接合部にどの程度合うかを数値化する「不一致指標」を開発しました。「構造物の直線状の部材を、木の中で枝が元々あった位置に合わせようとしています」とミューラー氏は説明します。「そうすることで、荷重伝達に最適な向きが得られ、木の繊維が本来持つ強度を最大限に活用できます。」位置合わせが悪いほど、不一致指標は高くなります。
目標は、対象設計の接合部に木の股枝全体を最適に割り当てることでした。そのため研究者たちは、股枝と接合部のさまざまな割り当てを試し、それぞれについて個々の不一致誤差を合計し、全体、つまりグローバルな適合スコアを算出する必要がありました。最も適合スコアの高い割り当てによって、木の股枝の総在庫を最も構造効率よく活用できます。
この作業を手作業で行うと実用にならないほど時間がかかるため、研究者たちは、こうした問題を解くために1955年に開発された「ハンガリー法」を使いました。「このアルゴリズムの優れた点は、その［マッチング］問題を非常にすばやく解けることです」とミューラー氏は言います。汎用性の高いアルゴリズムだと彼女は指摘します。「結婚相手のマッチングなどに使われます。二つの集合の間で重複しない組み合わせを見つけたい場合なら、いつでも使えます。ですから、私たちがアルゴリズムを発明したわけではありませんが、この問題に使えると初めて見いだしたのです。」
研究者たちは、在庫にある木の股枝の割り当て候補を示すために繰り返しテストを行い、材料ライブラリーで利用できる股枝の数が増えるにつれて、ある時点までは適合スコアが向上することを確認しました。概して、不一致スコアが最も低く、つまり最良となるのは、材料ライブラリーの股枝の数が対象設計の接合部の約3倍ある場合だと結論づけました。
ステップ3：設計者の意図と構造性能のバランスを取る
次の段階では、設計者の意図や好みを取り入れます。その柔軟性を確保するため、各設計には、棒材の長さや曲げひずみなど、限られた数の重要なパラメーターが含まれます。設計者はそれらのパラメーターを使って、設計全体の形状を手作業で変更できます。または、アルゴリズムを使い、形状を自動的に変化、つまり「モーフィング」させることもできます。設計形状が変わるたびに、ハンガリー法が最適な股枝と接合部の組み合わせを再計算します。
「ハンガリー法は非常に高速なので、モーフィングも設計の更新もとても滑らかに行えます」とミューラー氏は述べます。また、新しい形状に変更するたびに構造解析を行い、構造物のたわみ、ひずみエネルギー、その他の性能指標を確認します。最適な適合スコアを出す自動生成設計が、設計者の当初の意図から大きく外れることもあります。その場合は、設計意図と低い適合スコアを満足のいく形で両立させる別の解を見つけられます。
ステップ4：高速切削用の機械コードを自動生成する
構造形状と木の股枝の割り当てが確定したら、実際の構造物の建設に移ります。組み立てとメンテナンスを簡単にするため、研究者たちは股枝の端面を切り直して、隣接する直線状の木材に合うように調整します。また、腐朽や火災への弱さを抑えるため、残った樹皮を取り除きます。
この作業を支援するため、研究者たちは専用アルゴリズムを開発しました。指定された接合部に木の股枝をはめ込み、樹皮を剥がすために必要な切削を自動計算します。目標は、材料の除去を最小限に抑えながら、複雑で時間のかかる加工を避けることです。「切削が少なすぎると、重要な構造材を切り落としすぎてしまいます。しかし、百万回も細かく切るわけにもいきません。終わるまでに時間がかかりすぎるからです」とミューラー氏は説明します。
チームは、オートデスク・ボストン・テクノロジー・センターのビルドスペースの設備を利用しています。そこにあるロボットはMITのどのロボットよりもはるかに大型で、加工はすべて自動化されています。それぞれの股枝を準備する際には、ロボットアームに取り付け、コンピューターで生成した指示に従って、さまざまな向きで従来型の帯のこ盤に通します。ロボットは構造接合部用の穴もすべて加工します。「すべてが期待どおりの位置にそろうので助かります」とミューラー氏は述べます。
ステップ5：利用可能な股枝と直線状の部材を組み立てて構造物を作る
最後の段階は構造物の組み立てです。木の股枝を使った接合部はどれも不規則な形をしており、あらかじめ切断した直線状の木材と組み合わせるのは難しい場合があります。しかし、それぞれにラベルが付いています。「形状に関する情報はすべて接合部に組み込まれているので、組み立てはとても簡単です」とミューラー氏は述べます。「子どものおもちゃのセットのようなものです。接合部の指示に従って、すべての部品を組み合わせるだけです。」
研究者たちは最終構造物の一部をMITのキャンパスに仮設しましたが、ミューラー氏によると、これは最終的に建設する予定の構造物の一部にすぎません。「私たちのプロセスを使って設計・製作した接合部は12個でした」と彼女は述べ、チームの作業は「パンデミックのため少し中断されました」と付け加えます。キャンパスでの活動が再開されるなか、研究者たちは約40個の接合部を含む全体の設計・建設を完了する予定です。完成した構造物は、サマービルで木が伐採された場所に屋外パビリオンとして設置されます。
研究者たちは今後も研究を続けます。複数の枝に分かれた股枝を含む、より大規模な材料ライブラリーを扱うほか、3Dスキャン技術をコンピューター断層撮影技術に置き換える計画です。これにより、木の股枝の正確な繊維配向と密度を含む、詳細な形状データを自動生成できます。また並行プロジェクトでは、このプロセスを別の材料源にも応用する方法を探っており、事例研究の一つでは、木造軸組住宅の解体材を使って十数個の測地線ドームを建設することに焦点を当てています。
ミューラー氏によると、これまでの研究はすでに建築設計プロセスに新たな指針をもたらしています。デジタルツールを使えば、設計案のエンボディド・カーボンや将来のエネルギー使用量を建築家が簡単に分析できます。「今では、新たな性能指標が加わりました。利用可能な資源をどれだけ有効に使っているか、という指標です」と彼女は述べます。「ハンガリー法を使えば、その指標をほぼリアルタイムで計算できるので、設計プロセスへの新たな入力情報として活用し、迅速かつ創造的に作業できます。」
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