JPH11310962A

JPH11310962A - 開閉式ドーム

Info

Publication number: JPH11310962A
Application number: JP11927598A
Authority: JP
Inventors: Maki Konakawa; 牧粉川
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JP4224833B2

Abstract

(57)【要約】【課題】三次元多折はさみ要素から構成される開閉式
ドームにおいて、オルクスの直径及びドーム全体の幾何
学的形状を連続的に変化させることが可能で、しかも、
上記三次元多折はさみ要素の製作が比較的容易な構造を
提供する。【解決手段】本発明の開閉式ドームは、ドームの基本
形状を構成する部分球面Ｓの上に、三次元多折はさみ要
素１を、ラメラ状に、部分球面Ｓの中心軸Ｚの回りで等
角度に配置することにより構成される。三次元多折はさ
み要素１のピン交点２は、各要素１上で互いに隣接する
ピン交点２の間で、中心軸Ｚの回りで成す角度がそれぞ
れ等しく、且つ、それらの距離がそれぞれ等しくなる様
に配置される。また、各ピン交点２の回転軸は、部分球
面Ｓの法線方向に一致する様に構成される。この開閉式
ドームは、頂部の天窓９の開閉とともに、その幾何学的
形状を連続的に変化させることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、頂部に円形の天窓
を有する開閉式ドームの構造に係り、特に、その円形の
天窓の直径及びドーム全体の幾何学的形状を連続的に変
化させることが可能な開閉式ドームの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】開閉式のドームは、柱の無い広い空間を
実現することが可能で、しかも、天窓を開閉することに
よって、天候の変化に対応し、内部の採光状態を調整
し、あるいは内部の換気を行うことが可能なので、近
年、その構造に関して様々な提案が行われている。

【０００３】部分球面上にあるはさみ要素群（ Scissor
s Elements )をラメラ状に配置し、各交点をはさみピン
でつなげた構造体は、一種の不安定構造体で、理論上、
部材に歪エネルギーを蓄えることなく、その幾何学的形
状を変化させることができる。この様なはさみ要素群を
用いて構成された開閉式ドームの構造が開発されてい
る。

【０００４】その一例として、図９に、米国特許第５０
２４０３１号公報（ C.HOBERMAN ）に記載された「アイ
リス・ドーム」（ Iris Dome）の概要を示す。このアイ
リス・ドームは、偏心はさみ要素（ Angulated Scissor
s Elements) を用いて開閉式ド−ムを構成した最初の試
みである。アイリス・ドームは、ローマのパンテオンと
同様に、ドームの頂部にオルクス（円形天窓）を設ける
ことが可能で、しかも、このオルクスの直径を連続的に
変化させることが可能なので、ドーム内の雰囲気に劇的
な演出を加えることができるという優れた特徴を備えて
いる。

【０００５】しかしながら、アイリス・ドームに関して
は、偏心はさみ要素の接合部（ピン節点）の構造に問題
があり、ニューヨークのリバティ博物館に、直径が最大
で６ｍまで膨張する球状のオブジェが展示されている
が、スタジアムなどの実際の建築物への適用は行われて
いない。

【０００６】また、Z.YOU 及び S.PELLEGRINO （ FOLDA
BLE BAR STRUCTURES, Int.J.SolidsStructures, vol.3
4, No.15, 1997; pp.1825-1847 )は、三次元多折はさみ
要素（ Multi Angulated Scissors Elements) を用いて
上記のアイリス・ドームを改良した構造について発表し
ている。この構造も、外観上はアイリス・ドームと同様
であるが、ピン交点の回転軸が、ドームの底面と垂直で
なければならないと言う理論上の制約条件がある。この
ため、ピン交点に、加工上及び強度上の問題が残る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の様な
これまでの開閉式ドームの問題点に鑑み成されたもの
で、本発明の目的は、三次元多折はさみ要素から構成さ
れる開閉式ドームにおいて、オルクスの直径及びドーム
全体の幾何学的形状を、構造の安定性を保ちつつ連続的
に変化させることが可能で、しかも、上記三次元多折は
さみ要素の製作が比較的容易な構造を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の開閉式ドーム
は、ドームの基本形状を構成する軸対称状の部分曲面の
上に、三次元多折はさみ要素を、ラメラ状に、前記部分
曲面の中心軸の回りで等角度に配置することにより構成
され、頂部の天窓の開閉が可能な開閉式ドームにおい
て、前記三次元多折はさみ要素のピン交点を、各要素上
で互いに隣接するピン交点の間で、前記中心軸の回りで
成す角度がそれぞれ等しく、且つ、それらの距離がそれ
ぞれ等しくなる様に配置するとともに、各ピン交点の回
転軸が、前記部分曲面の法線方向に一致する様に構成し
たことを特徴とする。

【０００９】また、上記のピン交点の配置方法に代っ
て、前記三次元多折はさみ要素のピン交点を、各要素上
のピン交点が、前記部分曲面の頂点を通り前記中心軸に
対して斜めに交差する各同一平面上にあり、且つ、各要
素上で互いに隣接するピン交点の間で、前記中心軸の回
りで成す角度がそれぞれ等しくなる様に配置するととも
に、各ピン交点の回転軸が、前記部分曲面の法線方向に
一致する様に構成することもできる。

【００１０】なお、前記ドームの基本形状の典型的な例
としては、部分球面がある。なお、上記の構造を備えた
開閉式ドームの開閉は、下記のいずれかの方法によって
行うことができる。

【００１１】（ａ）三次元多折はさみ要素の最下端に位
置するピン交点群の上側に隣接するピン交点群を、ケー
ブルを用いて円周方向に結束し、このケーブルの結束長
さを制御することによって、ドームの天窓の開閉を行
う。あるいは、（ｂ）三次元多折はさみ要素の最下端に
位置するピン交点群の上側に隣接するピン交点群に、こ
れらのピン交点群の基礎面からの高さを調整する油圧ロ
ッドを取付け、この油圧ロッドのストロークを制御する
ことによって、ドームの天窓の開閉を行う。

【００１２】更に、三次元多折はさみ要素の最下端に位
置する各ピン交点と基礎面との間に、三角トラス要素を
挿入するとともに、前記最下端に位置する各ピン交点と
前記各三角トラス要素の頂点とを、ヒンジを介して結合
することによって。ドーム全体の幾何学的形状に多彩な
変化を与えることができる。

【００１３】なお、この様な構造の場合、ドームの開閉
は、三次元多折はさみ要素の最下端に位置するピン交点
群を、ケーブルを用いて円周方向に結束するか、あるい
は、これらのピン交点群の上側に隣接するピン交点群の
基礎面からの高さを調整する油圧ロッドを設けることに
よって、上記の場合と同様に行うことができる。

【００１４】本発明の開閉式ドームによれば、三次元多
折はさみ要素の各ピン交点の回転軸を、ドームの基本形
状を構成する部分曲面（典型的には球面）の法線方向に
一致させているので、その製作が極めて容易である。従
って、部材間の応力伝達がスムーズに行われ、構造体と
しての強度に優れている。

【００１５】

【発明の実施の形態】（例１）図１及び図２に、本発明
に基づく開閉式ドームの構造の一例を示す。なお、図１
（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、オルクスを閉じた状態
（基本形状）の正面図及び上面図、図１（ｃ）及び
（ｄ）は、それぞれ、オルクスを僅かに開いた状態の正
面図及び上面図、を表す。図２は、この開閉式ドームを
構成する三次元多折はさみ要素の一本の形状を示す。

【００１６】三次元多折はさみ要素１は、図１に示す様
に、ドームの基本形状を構成する部分球面Ｓ上に、この
部分球面Ｓの中心軸Ｚの回りで等角度に、ラメラ状に配
置される。

【００１７】各三次元多折はさみ要素１は、図２に示す
様に、上記部分球面Ｓの上にある各部材（通常、直線部
材、但し、基本形状に沿った曲線部材等でも良い）Ａ−
Ｂ、Ｂ−Ｃ、Ｃ−Ｄ及びＤ−Ｅなどを、ピン３を介して
直列に接合することによって構成されている。各三次元
多折はさみ要素１は、各接合部において、このピン３を
共有する状態で他の三次元多折はさみ要素と交差してい
る。

【００１８】本発明に基づく開閉式ドームでは、その基
本形状において、図３に示す様に、各ピン交点２（ピン
３）の回転軸が上記部分球面Ｓの法線方向（即ち、球の
中心方向）に一致する様に構成される。なお、この例で
は、ピン３と各部材とは、自動調心玉軸受１１を介して
接続されている。

【００１９】また、本発明に基づく開閉式ドームでは、
この三次元多折はさみ要素１の接合部（ピン交点２）の
配置の幾何学的条件を決定する方法として、以下に示す
「等長法」または「平面カット法」の二つの方法のいず
れかが適用される。

【００２０】等長法によるピン交点の配置方法図４に示す様に、ドームの基本形状を構成する部分球面
Ｓの上に、三次元多折はさみ要素１のピン交点（Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、・・・・）を、各要素１上で互いに隣
接するピン交点の間で、部分球面Ｓの中心軸Ｚの回りで
成す角度がそれぞれ等しく、且つ、それらの距離がそれ
ぞれ等しくなる様に配置する。

【００２１】即ち、部分球面Ｓの上に、各三次元多折は
さみ要素１上のピン交点を次の様に配置する。（イ）部分球面Ｓを中心軸Ｚの回りで等角度に分割する
経線Ｌを形成する。

【００２２】（ロ）各一本の三次元はさみ要素１上にお
いて、ピン交点を、周方向に並ぶ各経線Ｌ上に順次、配
置するとともに、当該要素１上において互いに隣接する
ピン交点間の距離が等しくなる様にする。

【００２３】即ち、図４（ｂ）において、 θＡＢ＝θＢＣ＝θＣＤ＝θＤＥ＝・・・且つＡ〜Ｂ＝Ｂ〜Ｃ＝Ｃ〜Ｄ＝Ｄ〜Ｅ＝・・・（ハ）なお、（ロ）において「ピン交点間の距離」と
は、ピン交点間の直線距離、またはピン交点間の大円の
弧に沿った距離のいずれでも良い。

【００２４】平面カット法によるピン交点の配置方法図５に示す様に、ドームの基本形状を構成する部分球面
Ｓの上に、三次元多折はさみ要素１のピン交点（Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、・・・・）を、各要素１上のピン交点
が、部分球面Ｓの頂点Ｔを通り部分球面Ｓの中心軸Ｚに
対して斜めに交差する各同一平面Ｐ上にあり、且つ、各
要素１上で互いに隣接するピン交点の間で、中心軸Ｚの
回りで成す角度がそれぞれ等しくなる様に配置する。

【００２５】即ち、部分球面Ｓの上に、各三次元多折は
さみ要素１のピン交点を次の様に配置する。（イ）部分球面Ｓを、部分球面Ｓの頂点を通り前記中心
軸ｚに対して斜めに交差する平面Ｐで切断する。

【００２６】（ロ）各三次元はさみ要素１上のピン交点
を、部分球面Ｓと前記平面Ｐとが交差する部分に形成さ
れる円Ｑ（図５（ｂ）の上面図では楕円として現れる）
の上に、周方向に順次、等角度で配置する。

【００２７】即ち、図５（ｂ）において、 θＡＢ＝θＢＣ＝θＣＤ＝θＤＥ＝・・・上記の「等長法」あるいは「平面カット法」のいずれの
方法の場合においても、ドーム形状を上記の部分球面Ｓ
（基本形状）から任意に変形させた状態において、各ピ
ン交点（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、・・・・）は、上記の部
分球面Ｓとは僅かに異なる軸対称曲面上にある。ドーム
形状の変形の過程で、各ピン交点において、ピンと各部
材との間に微小な角度変化が生じるが、各部材側にルー
ズ・ホールを設けるか、あるいは、自動調心玉軸受、自
動調心ころ軸受等を埋め込むことで、この角度変化を吸
収することができる。

【００２８】なお、図１に示した例では、三次元多折は
さみ要素の最下端に位置する各ピン交点と基礎面との間
に、三角トラス要素５が挿入されており、前記最下端に
位置する各ピン交点と前記各三角トラス要素５の頂点と
は、ヒンジ４を介して結合されている。

【００２９】開閉式ドームの開閉機構について次に、図１に示した開閉式ドームの開閉機構について説
明する。三次元多折はさみ要素１の最下端に位置する各
ピン交点群を、ケーブル７を用いて円周方向に結束し、
このケーブル７の結束長さを制御することによって、図
６（ａ）〜（ｃ）、図７（ｄ）〜（ｆ）に示す様に、オ
ルクス９の開閉を行うことができる。

【００３０】（例２）図８に、本発明に基づく開閉式ド
ームの他の例を示す。この例では、三次元多折はさみ要
素１の最下端に位置するピン交点群の上側に隣接するピ
ン交点群に、それぞれ、油圧ロッド８が取付けられてい
る。これらの油圧ロッド８のストロークを制御して、後
者のピン交点群の基礎面からの高さを調整することによ
って、オルクス９の開閉を行うことができる。

【００３１】本発明に基づく開閉式ドームは以下の様な
優れた特徴を備えている。ａ．施工性に優れている：先ず、周辺に折り畳んだ状態
で骨組構造を組み立て、次いで、この骨組構造をオクル
スの径を小さくする方向に変形させて、部分球面形状の
ドーム構造体を完成することができる。この様な施工方
法によれば、建設時の足場面積を小さく抑えることがで
きるので、足場の製作コストを低減することが可能であ
る。

【００３２】ｂ．変化に富んだ幾何学的形状を形成する
ことができる：従来のド−ム構造は、椀を伏せた様な形
状となるので、比較的、静的な空間が形成される。これ
に対して、本発明に基づく開閉式ドームの内、最下層部
分にヒンジ要素を挿入した構造は、変化に富んだ幾何学
的形状を形成することが可能であるので、ドーム内外の
景観をダイナミックに演出することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の開閉式ドームによれば、三次元
多折はさみ要素の各ピン交点の回転軸を、ドームの基本
形状を構成する軸対称状の部分曲面（典型的には部分球
面）の法線方向に一致させているので、その加工が極め
て容易である。従って、部材間の応力伝達がスムーズに
行われ、構造体としての強度に優れている。更に、ドー
ムの最下層部分にヒンジ要素を挿入することによって、
ドームの幾何学的形状に多彩な変化を与えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく開閉式ドームの概要を示す図、
（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、オルクスを閉じた状態
（基本形状）の正面図及び上面図、（ｃ）及び（ｄ）
は、それぞれ、オルクスを僅かに開いた状態の正面図及
び上面図。

【図２】本発明に基づく開閉式ドームを構成する三次元
多折はさみ要素の形状を示す図。

【図３】ピン交点の構造の一例を示す図、（ａ）は平面
図、（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ断面図。

【図４】等長法に基づくピン交点の配置方法について説
明する図、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図。

【図５】平面カット法に基づくピン交点の配置方法につ
いて説明する図、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図。

【図６】本発明に基づく開閉式ドームの形状の変化の過
程（前半部分）を説明する図、（ａ）〜（ｃ）は全閉状
態から半開状態までの変化の各過程を表す。

【図７】本発明に基づく開閉式ドームの形状の変化の過
程（後半部分）を説明する図、（ｄ）〜（ｆ）は半開状
態から全開状態までの変化の各過程を表す。

【図８】本発明に基づく開閉式ドームの開閉機構の他の
例を示す図、

【図９】従来の開閉式ドームの一例（アイリス・ドー
ム）を示す図、（ａ）は閉じた状態、（ｂ）は半分開い
た状態を表す。

【符号の説明】

１・・・三次元多折はさみ要素、２・・・ピン交点、３・・・ピン、４・・・ヒンジ、５・・・三角トラス要素、７・・・ケーブル、８・・・油圧ロッド、９・・・オルクス（円形天窓）、１１・・・自動調心玉軸受、Ｓ・・・部分球面、Ｚ・・・中心軸、Ｔ・・・頂点、Ｐ・・・平面、Ｑ・・・円（楕円）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ドームの基本形状を構成する軸対称状の
部分曲面の上に、三次元多折はさみ要素を、ラメラ状
に、前記部分曲面の中心軸の回りで等角度に配置するこ
とにより構成され、頂部の天窓の開閉が可能な開閉式ド
ームにおいて、前記三次元多折はさみ要素のピン交点を、各要素上で互
いに隣接するピン交点の間で、前記中心軸の回りで成す
角度がそれぞれ等しく、且つ、それらの距離がそれぞれ
等しくなる様に配置するとともに、各ピン交点の回転軸が、前記部分曲面の法線方向に一致
する様に構成したことを特徴とする開閉式ドーム。
【請求項２】前記ドームの基本形状は、部分球面によ
り構成されることを特徴とする請求項１に記載の開閉式
ドーム。
【請求項３】ドームの基本形状を構成する軸対称状の
部分曲面の上に、三次元多折はさみ要素を、ラメラ状
に、前記部分曲面の中心軸の回りで等角度に配置するこ
とにより構成され、頂部の天窓の開閉が可能な開閉式ド
ームにおいて、前記三次元多折はさみ要素のピン交点を、各要素上のピ
ン交点が、前記部分曲面の頂点を通り前記中心軸に対し
て斜めに交差する各同一平面上にあり、且つ、各要素上
で互いに隣接するピン交点の間で、前記中心軸の回りで
成す角度がそれぞれ等しくなる様に配置するとともに、各ピン交点の回転軸が、前記部分曲面の法線方向に一致
する様に構成したことを特徴とする開閉式ドーム。
【請求項４】前記ドームの基本形状は、部分球面によ
り構成されることを特徴とする請求項３に記載の開閉式
ドーム。
【請求項５】前記三次元多折はさみ要素の最下端に位
置するピン交点群の上側に隣接するピン交点群を、ケー
ブルを用いて円周方向に結束し、このケーブルの結束長
さを制御することによって、ドームの天窓の開閉を行う
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記
載の開閉式ドーム。
【請求項６】前記三次元多折はさみ要素の最下端に位
置するピン交点群の上側に隣接するピン交点群に、これ
らのピン交点群の基礎面からの高さを調整する油圧ロッ
ドを取付け、この油圧ロッドのストロークを制御するこ
とによって、ドームの天窓の開閉を行うことを特徴とす
る請求項１から請求項４のいずれかに記載の開閉式ドー
ム。
【請求項７】前記三次元多折はさみ要素の最下端に位
置する各ピン交点と基礎面との間に、三角トラス要素を
挿入するとともに、前記最下端に位置する各ピン交点と
前記各三角トラス要素の頂点とを、ヒンジを介して結合
したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか
に記載の開閉式ドーム。
【請求項８】前記三次元多折はさみ要素の最下端に位
置するピン交点群を、ケーブルを用いて円周方向に結束
し、このケーブルの結束長さを制御することによって、
ドームの天窓の開閉を行うことを特徴とする請求項７に
記載の開閉式ドーム。
【請求項９】前記三次元多折はさみ要素の最下端に位
置するピン交点群の上側に隣接するピン交点群に、これ
らのピン交点群の基礎面からの高さを調整する油圧ロッ
ドを取付け、この油圧ロッドのストロークを制御するこ
とによって、ドームの天窓の開閉を行うことを特徴とす
る請求項７に記載の開閉式ドーム。