PDF2 - 宮城教育大学

明るく強い建物デザインを考える教育プログラム（食材版）の実用化に向けた模型製作法の改善
13.教育
教材
強度
３.教育方法
食材
抜き型
模型実験
３Ｄプリンタ
正会員 ○菅原正則*
会員外
菅原由楠**
会員外
水谷好成***
１．はじめに
これまで筆者ら１）～４）は、紙箱や食材を用いた建物模
型による「明るく強い建物デザインを考える教育プログ
ラム（紙箱版を表１に示す）
」を提案している。食材版４）
は、クッキーをヌガーで組み立てるものであるが、クッ
キーはコンクリートのような「割れる」現象をよく再現
し、実験後もゴミにならない利点がある。しかし、一方
で、実施に２時間程度と時間がかかりすぎることや、強
度測定法も結果に誤差が出やすいことから、これらを改
善する必要がある。
本報では、この教育プログラムを主に小中学生向けに
実施するための改善策を示す。
インを容易にするため、壁面をひと回り大きくした。さ
らに、壁強度の誤差要因を除くため、妻面が生じないよ
う同一の壁４面で構成し、模型寸法を縦６×横９×奥行
９cm とした（図１）
。
２．教育プログラム実施方法の再検討
2.1 建物模型の作製
壁面の強度を比較できるようにするため、建物模型は
壁面のみ食材の部品とし、天井・床部分にはプラスチッ
ク板を用いる。また、従来４）に比べ、強度（開口部なし
では 500N を超える場合もあった）の低減と開口部デザ
使用する食材と作製手順に関する基本的な内容は、以
下に示すように既存４）のものとする。
【壁部品（クッキー）材料】
・強力粉 40g
・片栗粉 20g
・砂糖 20g
・卵 15g
・ファットスプレッド（油脂含有量約 70%）15g
図１建物模型の寸法
表１明るく強い建物デザインを考える教育プログラム（紙箱版）のすすめ方３）
①紙箱（ティッシュ箱など）を用意する。
（ケーキ箱など同一規格の方が望ましい。
）
②紙箱を建物に見たて、カッターで開口部を作る。
建物模型の制作例
（
「できるだけ明るくて丈夫なものを」と指示する。
）
③箱の内外で照度を測定し、
昼光率（=室内照度／天空照度×100）[％]を求める。
・照度計と曇天光生成器（半透明の覆い）を各２つ用意。
・予め、箱が無い条件で同じ照度になる向きにしておく。
（実験用の光源は用意せず、環境光を利用）
室内照度
天空照度
・片方に箱を置いて、同時に照度を測る。
昼光率測定の様子（断面図）
④箱に荷重をかけ、建物強度を測定する。
⑤（昼光率×建物強度）[N]の比較をし、どのような開口
昼光率[％]
０
Max.
の建物が最も値が大きいかを検討する。順位をつけ表彰
建物強度[N] Max.
０
してもよい。
開口の大きさと昼光率、建物強度の一般的な関係
Improvement of Model Fabrication-Methodology for Popularising Education Program on Bright and Strong Building Design
using Foodstuff
SUGAWARA Masanori, SUGAWARA Yukina and MIZUTANI Yoshinari
【接着（ヌガー）材料】
・マシュマロ８g ・ファットスプレッド２g
【手順】
①材料を混ぜよくこねる。
②製麺機を使って均等に薄く伸ばす。
③クッキー抜き型を用いて、生地を型抜きする。
④生地を冷やし、焼く。
⑤冷めたらヌガーを用いて部品を接着する。
2.2 教育プログラムの準備と実施内容
従来の教育プログラム４）の大まかな流れは次の通りで
ある。
【授業実施前の準備】
①材料を混ぜよく捏ね、製麺機で伸ばし、生地を部品の
寸法に型抜きする。
②接着剤（ヌガー）の入ったコルネと塩ビ板を用意して
おく。
【授業実施】
①前節の【手順】の③～⑤をさせる。
②強度・明るさ測定をし、考察をする。
③壊した模型を食べる。
しかし、この授業実施内容では、大学生であっても２
時間弱かかってしまうので、小中学生に対して実施する
際には集中力や技術支援の点で負担が大きいと考えられ
る。そこで、指導者が前節【手順】の④まで済ませてお
き、参加者に壁部品を選ばせるところから開始すること
によって時間短縮を図る。ただし、参加者に開口部を型
抜きしてもらうことができないので、教育プログラムに
おいて明るさや強さを予想しにくい画一的ではない開口
部デザインにする必要がある。また、壁部品の仕上がり
を均質化し、事前準備の負担を軽減するためにも、専用
のクッキー抜き型を製作する必要がある。
宮城教育大学大学祭の研究室出展「お菓子の家を作ろ
う！」
（2014.10.26）において、前節【手順】の⑤を一般
の参加者に無料体験してもらった。参加者は 50 名で、ほ
とんどが小学生であった。その結果、15 分前後で組み立
てが終了し、また、楽しんで作業している様子が確認で
きた。
2.3 強度の測定方法
学校にあるもの、また、身近なもので行えること、そ
して、個人差が出ないことなどを考慮して、強度測定法
を考案した（図２）。学
校現場で精密な強度試
験を行うのは困難であ
ることから、建物模型の
強度を正しく知ること
よりもむしろ、子どもた
ちの予想や想像力を重
視したゲーム形式の強
度測定法にした。
図２強度測定法のイメージ
【指導者の事前準備】
おもりになるような様々な重さのものを準備する。子
どもたちが考えて選択できるよう、学校にある身近なも
ので使えそうなものは全て準備しておく。食べ物を扱う
ということを念頭に置いて、清潔な袋や容器に入れるな
ど、衛生面には十分に注意する必要がある。
【強度測定の流れ】
①端材のクッキーを手で割ったり食べたりして、硬さを
確認する。
②模型の上に乗せるおもりの中から、建物模型がおもり
の重さに耐えられる上限を予想しておもりを３つ選択
させる。
③勢いをつけずに１つずつおもりを乗せていく。
（図２）
④壊れずに乗せることができたおもりの重さを、強度と
する。
３．建物模型の開口部デザインに関する検討
3.1 開口部デザインの決定
なるべく選択肢が多く、そして、参加者の興味関心を
より引き出せる開口部デザインを行うため、建築のモチ
ーフとしても用いられることがあるアルファベット 26
文字をすることにした。ただし、アルファベット 26 文字
すべてを作るのではなく、次の条件に該当する文字を除
き、A、D、H、I、K、N、O、P、R、U、V、W、X、Y、
Z の 15 文字とした。
①力学的に無駄な（壁面を支えていない）部分があるも
の（C、E、F、G、J、Q、S）
②形が類似しているもの（M：V に類似、T：I に類似）
③造形が難しいもの（B）
④形が明確に現れないもの（L）
3.2 開口部デザインの共通ルールの決定
開口部デザインの共通ルールとして、淵は１cm 残し、
アルファベットの線幅もできる限り１cm と決めてクッ
キー抜き型を製作することにした（図３）
。
図３開口部デザイン（H 型）の例
４．クッキー抜き型の製作
4.1 抜き型に用いる素材の検討
クッキー抜き型には下記のように様々な素材の利用が
考えられるが、アルファベットを図案化した抜き型は複
雑なデザインになるため、近年普及が進み利用しやすく
なった３Ｄプリンターによりクッキー抜き型を製作する
ことにした。
①アルミ板…ペンチなどの工具があれば折り曲げて
様々な形を作ることが可能であるが、食べ物に触れる
ものであるため接着方法に課題が残る。
②アルミ缶の輪切り…身近にあるもので作れるのが利
点であるが、大きさが限られるため多様なデザインは
難しい。
③市販のステンレス製抜き型…ステンレスは固く加工
しにくいため、元の形の跡がなかなか伸ばせずいびつ
になる。
④３Ｄプリンター…ソフトで３Ｄデータを作れば、数時
間で多様なデザインのクッキー抜き型を作ることが可
能であるが、コスト面の課題が残る。
4.2 ３Ｄプリンターによる成形
（１）３Ｄデータ作成の概要
Autodesk 社の「123D design」という３ＤCAD のフリ
ーソフトを用いてデータ作成を行った。
【３Ｄデータ作成手順】
①平面（Offset 機能）
まず、外枠を描く。次に、アルファベットのデザイン
を完成させ、最後に、生地を押し出す穴となる部分をつ
くる。図４のように厚みの異なる部分は、分けて描く。
することができる（図６）
。
図６３Ｄデータ作成中の画面（I 型の様子）③
（２）クッキー抜き型の調整
３Ｄデータ作成に先立ち、スチレンボードでクッキー
抜き型模型を製作した。これを用いてクッキー生地を型
抜き、開口部がデザインどおりに開けられているか、生
地を押し出す穴の大きさや場所が適当であるか、を確認
した。
（３）３Ｄデータの修正と抜き型の成形
TierTime Technology 社製の３ＤプリンターUP Plus2 に
より、ABS 樹脂で成形した（図７）
。３Ｄデータ作成後、
まず初めに粗い設定（一層の厚さ 0.4mm）で出力し、不
備があればデータを修正した。修正内容が大きいときは
再出力し、不備が無いことを確認した後、細かい設定（一
層の厚さ 0.15mm）で出力し、抜き型を完成した。最終
的な出力の設定条件は表２のとおりである。なお、成形
速度を Normal および Slow に設定してより高精度で出力
しても、仕上がりに大きな違いは見られなかった。
図４３Ｄデータ作成中の画面（I 型の例）①
②立体化（Extrude 機能）
平面のうち、型刃となる部分は 30mm、中の部品と外
枠とをつなぐ部分は３mm に設定して立体に起こしてい
く（図５）
。
図５３Ｄデータ作成中の画面（I 型の例）②
③削り取り（Chamfer 機能）
最後にクッキー生地を型抜けるよう型刃となる部分を
削っていく。削り幅を
・３mm 幅【3.0mm→4.2mm→7.7mm】
・２mm 幅【2.0mm→2.8mm→5.1mm】
の３段階で削っていくことで型抜きのための型刃を作成
図７３Ｄプリンター出力の様子
表２設定条件と成形結果
一層の
厚さ
成形速
度設定
重量
成形時間
層数
0.15mm
Fast
42.0～
45.3g
3h57min～
4h33min
219
５．建物模型の強度特性および採光特性
5.1 建物模型の概要
強度測定、昼光率測定を行う建物模型は以下の通りで
ある。
【材料】光の透過率を小さくするため、既存の配合にコ
コアパウダー10g を加えた。
【寸法】高さ 60mm×横 90mm×奥行 90mm
壁面の厚さ３mm
【開口部デザイン】本報では、A、H、I、X 型と、開口
部なしの５つについて測定する（図８）
。
5.2 強度測定の概要および結果
【強度測定の方法】
①デジタルフォースゲージの加圧部分の中心に建物模型
を設置する。
②５mm/分の速度で連続的に荷重を加える。
③加えた荷重の値が０N になったら測定を終了する（図
９）
。
60
50.4
50
照度（lx）
昼光率（％）
開口部面積（cm2）
図８建物模型
X 型であった。クッキー生地にココアパウダーを入れ着
色したこと、天井部分のプラ板を黒のスプレーで着色し
たことにより、開口部外からの光の進入をほぼ防ぐこと
ができた。また、開口部面積が大きければ昼光率も大き
くなる関係が見られた。
強度測定、昼光率測定の結果から、最も「明るく強い」
建物は 284.5N×17.1%＝48.6N の I 型であった。
40
36.7 38.9
照度
30
31.4
20
17.5 18 20
17.1 14.2
12.5 13.2
10.7
10
0
0.03
00.09
窓なし
A
H
I
昼光率
開口部面
積
X
図 11 昼光率測定結果（模型なしの照度 294.3lx）
図９強度測定の様子（Ａ型）
【測定値の評価方法】
強さとして最大荷重（N）、硬さとして荷重/変位量
（N/mm）を用い、これらにより強度を総合評価する。
図 10 の測定結果によれば、H、I、X 型の中で最も強
度が大きかったのは H 型である。H 型は両端の縦柱が太
く、割れも少なかったので、これが支えとなったと考え
られる。なお、A 型は最大荷重が 500N を超えたため測
定できなかった。開口部なしの模型の最大荷重が 375.5N
であったことから、本来の模型強度ではないと考えられ
る。
最大荷重（N）
荷重／変位量（N／㎜）
400
375.5
350.5
300
200
100
284.5
280
最大荷重
175
121.2
荷重／変位量
95
88.2
0
図 10 強度測定結果
5.3 昼光率測定の概要および結果
昼光率は表１の③の方法により求めた。
図 11 の測定結
果によれば、昼光率が最も高いのは I 型、最も低いのは
*宮城教育大学准教授・博士（工学）
**宮城教育大学学生
***宮城教育大学教授・工学博士
６．まとめ
建物模型の開口部デザインの検討を行い、開口部を開
けるためのクッキー抜き型を作製した。さらに、A、H、
I、X 型について、強度特性と採光特性を明らかにするこ
とができた。今後は残りの開口部デザインについて強度
特性と昼光率を測定し、教育プログラムの基礎資料整備
を進める予定である。
謝辞本研究は、JSPS 科研費 26560031（研究代表者菅
原正則）の助成を受けました。
参考文献
１）菅原正則：明るく強い建物模型を考える教育プログ
ラム：日本エネルギー環境教育学会第２回全国大
会論文集（2007-８）
、pp. 113-114
２）菅原正則、齋藤美穂：明るく強い建物デザインを考
える教育プログラムに用いる紙模型の基本特性：日
本エネルギー環境教育学会第５回全国大会論文集
（2010-８）
、pp. 213-214
３）菅原正則：永瀬香理：明るく強い建物デザインを考
える教育プログラムに用いる紙模型の強度特性：日
本建築学会東北支部研究報告集、第 74 号、計画系
（2011-６）
、pp. 243-246
４）菅原正則、高野千草：明るく強い建物デザインを考
える教育プログラムにおける食材利用の試み：日本
建築学会東北支部研究報告集、第 76 号、計画系
（2013-６）
、pp. ９-12
Assoc.Prof., Miyagi University of Education, Dr.Eng.
Student, Miyagi University of Education
Prof., Miyagi University of Education, Dr.Eng.

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