今回は、上部構造と杭基礎の相互作用を直接評価する「杭一体解析」について解説します。

従来の「分離モデル」による設計では、まず上部構造の応力計算を行い、その結果をもとに杭の応力および断面を検討します。さらに、杭頭に生じる曲げモーメントを上部構造へ反映し、再度応力計算を行う必要がありました。このように、複数の解析とデータの受け渡しを伴う、煩雑な設計フローが一般的でした。

これに対し、「杭一体解析」は、上部構造と杭基礎を一つの解析モデルとして扱う手法です。上部構造の支点を中間節点とし、その下に杭を柱の延長としてモデル化することで、外力に対して建物全体が一体となって抵抗する挙動を直接シミュレーションできます。

杭一体解析の主なメリット

1. 実挙動に近い応力評価

地盤バネを適切に設定することで、上部構造・杭・地盤の相互作用を反映した、より実際の挙動に近い応力評価が可能となります。これにより、合理的で信頼性の高い設計が実現します。

2. 設計作業の効率化

従来必要だった、基礎ばり（フーチング）による杭負担分の調整や、杭頭曲げモーメントを節点力として上部構造に手動入力する作業が不要となります。解析プログラム内でこれらを一括して扱えるため、設計工数を大幅に削減できます。

3. データ連携リスクの低減

複数モデル間でのデータ転記や再入力が不要となるため、入力ミスや伝達漏れといったヒューマンエラーのリスクを抑制できます。

解析モデル化における留意点

杭一体解析を適切に行うためには、基礎と地盤のモデル化が極めて重要です。

地盤バネの設定

建築基礎構造設計指針などに基づき、水平地盤反力係数やその復元力特性を適切に設定する必要があります。

群杭効果の考慮

複数本の杭が近接する場合には、前方杭・後方杭の相互影響を考慮した地盤反力の評価が不可欠です。

適用可能な架構形式

杭一体解析は、一般的な建物はもちろん、以下のような条件にも幅広く適用できます。

• 部分的に地下室を有する建物
• 基礎ばりを有する架構
• 不整形な平面・立面を持つ建物
• 地盤条件が複雑な計画

多様なプロジェクトにおいて、より合理的な構造設計を実現します。

理論を実務へ──「基礎レス」という新たな選択肢

杭柱一体工法（天地工法）

杭一体解析によって得られる構造合理性を最大限に活かすディテールとして、アルキテック株式会社では誠信GLOCAL株式会社と共同で、鋼管杭と角形鋼管柱を基礎を介さずに直結する「杭柱一体工法（天地工法）」を展開しています。

1. 基礎をなくし、荷重を最短距離で地盤へ

従来工法では、杭頭に生じる曲げモーメントを大型のコンクリート基礎（フーチング）で処理していました。一方、天地工法では、杭を柱の延長として直接接合することで、杭頭曲げをそのまま地盤へ伝達します。
これにより、基礎工事の大幅な簡略化、あるいは省略が可能となります。

• 工期短縮：杭施工後、速やかに柱建方へ移行できます。
• コスト削減：掘削土量やコンクリート使用量を削減できます。
• 環境負荷低減：使用資材の削減により、CO₂排出量の低減にも貢献します。

2. 現場条件に応じた2つの工法

3. アルキテックの設計・技術サポート

天地工法は、単なる接合技術ではありません。杭一体解析を用いて、軸力・曲げ・せん断力を建物全体で適切に負担させる、高度な構造設計が不可欠です。
アルキテック株式会社では、誠信GLOCAL株式会社とのパートナーシップのもと、杭柱一体工法の導入を検討される設計者の皆様に対し、解析モデルの構築から個別案件の設計検証まで、包括的な技術支援を提供しています。

まとめ

杭一体解析は、上部構造と基礎を一体的に捉えることで、設計精度の向上、業務効率化、そしてデータ連携リスクの低減を実現する有効な手法です。

さらに、その合理性を具体的な施工技術として具現化したのが「杭柱一体工法（天地工法）」です。基礎工事の省力化、工期短縮、コスト削減、環境負荷低減といった多くのメリットをもたらします。

軟弱地盤における倉庫・工場・店舗や、狭小地での鉄骨造プロジェクトにおいて、これまで当たり前とされてきた基礎工事を見直す新たな選択肢となるでしょう。