構造設計とは？建物の安全を支える“見えない技術”をわかりやすく解説

構造設計とは？

構造設計とは、建物が地震や風などの外力に耐え、安全に長く使えるようにするための設計業務です。もっと簡単に言えば、柱・梁・壁・基礎などの建物の骨組みをつくる仕事です。

こうした判断をしながら、安全性を満たした上で、デザインや設備との調整も行います。

イメージとしては、意匠設計者が描く美しいデザインを「どうやったら実現できるか」を考えるのが構造設計者の役割です。「この大きな吹き抜けを安全につくるには、どんな梁が必要か」「柱を減らしたいけど、構造的に大丈夫か」といった問いに答えていく仕事なんです。

なぜ構造設計が重要なのか？

① 地震の多い日本では必須

日本は世界有数の地震大国。過去の大震災を経て、建物の安全性に対する意識は年々高まっています。構造設計では、これまでの地震データをもとに、建物が倒壊しないための工夫を重ねています。

1995年の阪神・淡路大震災、2011年の東日本大震災、2016年の熊本地震——日本は繰り返し大きな地震を経験してきました。その度に新しい教訓を得て、建築基準法の改正や構造設計手法の改良につながっています。

例えば、阪神・淡路大震災では1981年以前の旧耐震基準で建てられた建物の倒壊が目立ちました。この経験から、2000年には木造住宅の構造規定が大きく見直され、金物の使用基準などが強化されています。

② 人命を守る

当たり前のことですが、建物が倒れれば、そこにいる人の命が危険にさらされます。構造設計は「人命を守る」ことを最優先にした仕事です。

構造設計者が目指すのは、大地震が来ても建物が倒壊せず、中にいる人が無事に避難できること。建築基準法では「大地震時に倒壊しないこと」が最低基準ですが、実際の設計ではそれ以上の安全性を確保するケースがほとんどです。

特に病院や学校、避難所として指定される建物などは、災害時にも機能を維持する必要があるため、より高い耐震性能が求められます。

③ 資産価値を守る

構造がしっかりしていれば、建物は長持ちします。結果として、資産価値の維持にもつながるんです。

建物は人生で最も高い買い物の一つ。その投資を守るには、長期間安全に使える構造が不可欠です。耐震性能が高い建物なら地震保険が割引になることもあり、経済的なメリットもあります。

中古住宅の売買でも、耐震診断の有無や耐震補強の実施状況が価格に影響する時代になってきました。

④ 法的責任を果たす

建築基準法では、建物の構造安全性を確保することが義務付けられています。構造設計者は、この法的要件を満たすだけでなく、建築主や使用者に対して専門家としての責任を負っています。

万が一、構造設計に不備があって建物が損傷したり倒壊したりした場合、設計者は法的な責任を問われることになります。そのため、構造設計者には高度な専門知識と慎重な判断が求められるのです。

構造設計の流れ

構造設計は、以下のようなステップで進められます。

1. 建物の用途や規模、デザインの確認

まず、意匠設計者から建物の概要を聞き取ります。用途(住宅、事務所、商業施設など)、階数、延床面積、敷地条件などの基本情報を把握します。この段階で、建築主の要望や予算、工期なども確認します。

2. 構造方式の選定(木造・鉄骨造・RC造など)

建物の規模や用途、コスト、工期などを総合的に判断して、最適な構造方式を選びます。例えば、低層の住宅であれば木造、中層のオフィスビルなら鉄骨造、高層マンションなら鉄筋コンクリート造といった選択が一般的です。

近年では、木造と鉄骨造を組み合わせた混構造や、鉄骨鉄筋コンクリート造(SRC造)など、複数の構造方式を組み合わせる手法も増えています。

3. 力の流れを考え、骨組みを決める

建物にかかる荷重がどのように柱や梁を伝わって基礎に流れるかを検討します。この「力の流れ」を理解することが、構造設計の要です。

例えば、屋根にかかる雪の重さは、屋根→梁→柱→基礎→地盤という経路で地面に伝わります。この経路が明確で無理のないものになるよう、構造部材を配置していきます。

4. 柱・梁・壁・基礎の構造計算

各部材にかかる力を計算し、必要な大きさや強度を決定します。この作業を「構造計算」と呼びます。

構造計算では、以下のような項目を検討します。

5. 耐震性能を検討し、必要な補強を配置

建物全体の耐震性能を評価し、不足している場合は耐力壁やブレース、制震装置などを追加します。

耐震性能の評価方法には、以下のようなものがあります。

6. 施工しやすさやコスト面の調整

設計した構造が実際に施工可能か、コストは予算内に収まるかを確認します。必要に応じて、部材の配置や寸法を調整します。

例えば、柱の位置を少し変更することで型枠の手間が減ったり、梁の断面を標準的なサイズにすることで材料費が下がったりすることがあります。構造設計者は、安全性を確保しながら、施工性やコストにも配慮する必要があります。

7. 図面作成・最終チェック

構造図、構造計算書、構造詳細図などを作成します。これらの図面は、施工者が実際に建物を建てるための設計図となります。

最終段階では、第三者機関による構造審査を受けることもあります。特に、一定規模以上の建物では、確認申請時に構造計算適合性判定(構造計算の内容が適切かどうかを判定する制度)を受けることが義務付けられています。

意匠設計者や設備設計者と連携しながら、最適な構造をつくり上げていきます。

構造設計者が考える”外力”とは？

建物は、日々いろんな力を受けています。構造設計者は、これらの力に対して建物が安全かどうかをチェックしなければなりません。代表的なものを見ていきましょう。

地震力：揺れによる水平力

地震が発生すると、建物は水平方向に揺れます。この揺れによって生じる力が地震力です。地震力は建物の重さに比例するため、重い建物ほど大きな地震力を受けます。

日本では、建物の耐震設計において、建築基準法で定められた地震力に耐えることが求められます。さらに、より大きな地震(稀に発生する大地震)に対しても倒壊しないことが確認されます。

地震力の大きさは、建物の重さだけでなく、地盤の状況や建物の高さ、形状によっても変わります。軟弱な地盤では地震の揺れが増幅されるため、より大きな地震力を考慮する必要があります。

風圧力：台風などの強風

強風が吹くと、建物の壁面に風圧がかかります。特に高層建築では、風圧力が設計上の重要な要素になります。

日本では台風が頻繁に発生するため、風圧力に対する設計も重要です。建物の高さや形状、周辺の環境によって、風圧力の大きさは変わります。

近年では、気候変動の影響で台風の大型化が懸念されており、風圧力の設計値も見直しが進められています。

積雪荷重：雪の重さ

雪が積もると、その重さが建物にかかります。豪雪地帯では特に重要な検討項目です。

積雪荷重は、その地域の過去の降雪記録をもとに設定されます。北海道や東北の日本海側では、1メートル以上の積雪を想定することもあります。

雪の重さは意外とバカになりません。1平方メートルに1メートルの雪が積もると、約300キログラムの荷重がかかります。屋根の形によっては雪が偏って積もることもあるため、そういったケースも考慮します。

固定荷重：建物自体の重さ

建物の構造体や仕上げ材、設備機器など、建物自体の重さが固定荷重です。これは常に建物にかかり続ける荷重です。

固定荷重には、柱や梁などの構造部材の重さだけでなく、床材、天井材、外壁材、屋根材、さらには配管や配線などの設備も含まれます。

構造設計では、これらの重さを正確に見積もり、構造計算に反映させます。材料の密度や厚さから重さを算出し、建物全体でどれだけの重さになるかを把握します。

積載荷重：家具や人が乗る重さ

建物の使用者や家具、什器などの重さです。建物の用途によって、想定する重さは変わってきます。

例えば、住宅の居室なら1平方メートルあたり180キログラム、事務所なら300キログラム、百貨店の売り場なら500キログラムといった具合です。

実際には家具や人がいない場所もありますが、安全を見て床全面に荷重がかかると仮定して計算します。

その他の荷重

上記以外にも、以下のような荷重を考慮することがあります。

構造設計の種類

建物の規模や用途に応じて、さまざまな構造方式が選択されます。それぞれに特徴があり、設計のポイントも異なります。

木造

住宅で一般的。軽くて地震に強いが、壁量や金物など細かな設計がポイント。

木材は湿気に弱いため、防腐・防蟻処理や換気計画も重要です。また、火災時の安全性を確保するため、耐火構造や準耐火構造とすることもあります。

鉄骨造(S造)

中規模〜大規模建物で多用。高い強度と柔軟性が特徴。

鉄は火に弱いため、一定規模以上の建物では耐火被覆(鉄骨を耐火材で覆うこと)が必要になります。また、鉄骨は錆びやすいため、塗装などの防錆処理も欠かせません。

鉄筋コンクリート造(RC造)

マンションや学校などで多く採用。重くて強いが、施工の精度が重要。

施工時には、型枠の精度やコンクリートの打設方法が品質を左右します。また、コンクリートは固まるまでに時間がかかるため、工期が長くなる傾向があります。

RC造は重いため、地盤への負担も大きくなります。基礎の設計や地盤改良が重要になることもあります。

鉄骨鉄筋コンクリート造(SRC造)

鉄骨の骨組みの周りに鉄筋とコンクリートを配置した構造です。鉄骨造とRC造の長所を併せ持ち、高層建築や大スパンが必要な建物に適しています。

その他の構造方式

• 組積造: レンガやブロックを積み上げた構造。倉庫や塀などに使われる
• プレキャストコンクリート造: 工場で製作したコンクリート部材を現場で組み立てる構造
• 免震構造・制震構造: 地震の揺れを低減する特殊な構造システム

構造設計で使われる主な技術と手法

構造設計の世界では、建物の安全性を高めるためにさまざまな技術や手法が開発されてきました。

耐震・制震・免震

地震に対する建物の性能を高める方法として、耐震、制震、免震の3つがあります。

構造解析ソフトウェア

現代の構造設計では、コンピュータを使った構造解析が欠かせません。複雑な建物の挙動を正確に予測するため、高度な解析ソフトウェアが使われています。

これらのソフトウェアを使うことで、以下のようなことができます。

性能設計

従来の構造設計は、建築基準法で定められた仕様を満たすことが中心でした(仕様規定)。しかし近年では、建物に求められる性能を明確にし、それを実現する方法を設計者が選択する「性能設計」の考え方が広がっています。

例えば、「震度6強の地震で建物が損傷しないこと」「震度7の地震でも倒壊しないこと」といった性能目標を設定し、それを達成するための設計を行います。

BIM(Building Information Modeling)

BIMは、建物の3次元モデルにさまざまな情報を持たせる手法です。構造設計でもBIMの活用が進んでおり、意匠や設備との整合性確認が容易になったり、施工段階での問題を事前に発見できたりするメリットがあります。

構造設計者に必要なスキルと資格

構造設計者として活躍するには、専門的な知識と経験が必要です。

必要な知識

• 構造力学: 力の流れや部材の変形を理解する基礎
• 材料学: 木材、鋼材、コンクリートなどの特性を知る
• 構造設計法: 各種構造方式の設計方法
• 建築基準法: 法規制を理解し、適切に適用する
• 施工知識: 設計した構造が実際に施工可能かを判断する

関連資格

一級建築士: 建築設計全般を行える国家資格。構造設計者の多くが取得している。

構造設計一級建築士: 一定規模以上の建物の構造設計を行う場合に必要な資格。一級建築士の資格を持ち、構造設計の実務経験が5年以上ある人が講習を受けて取得できる。

建築構造士: 日本建築構造技術者協会が認定する資格。高度な構造設計能力を証明する。

実務経験の重要性

構造設計は、教科書の知識だけでは対応できないケースが多くあります。実際の現場で経験を積み、先輩設計者から学ぶことが重要です。

例えば、同じ鉄骨造でも、工場と事務所では設計のポイントが異なります。また、施工中に想定外の問題が発生することもあり、柔軟な対応が求められます。

構造設計の最新トレンド

構造設計の分野も、時代とともに変化しています。最近の動きをいくつか紹介します。

木造の中高層化

CLT(直交集成板)などの新しい木質材料が登場したことで、木造でも中高層建築が可能になってきました。環境への配慮から、木材の利用が見直されているんです。

デジタル技術の活用

AIやIoTなどのデジタル技術を活用した構造設計が注目されています。例えば、AIを使って最適な部材配置を自動的に見つけ出す研究が進められています。

既存建物の耐震改修

新築だけでなく、既存の建物を地震に強くする耐震改修の需要が高まっています。特に、旧耐震基準で建てられた建物の安全性向上が課題となっています。

環境配慮型設計

建物のライフサイクル全体での環境負荷を減らす設計が求められています。解体時のリサイクルを考慮した材料選定や、省エネルギーに貢献する構造計画などが重要になっています。

構造設計のやりがいと大変さ

構造設計の魅力

• 建物の安全を裏側から支える「縁の下の力持ち」
• 計算とクリエイティブ、両方が必要な仕事
• 完成した建物が街に残り、人の暮らしを支えていく
• 常に新しい技術や知識を学べる
• 人の命を守るという責任と誇り

構造設計者の仕事は、完成した建物からは見えません。でも、その建物が何十年も安全に使われ続けることで、たくさんの人の生活を支えられる——これが最大のやりがいです。

直面する課題

複雑化する要求: 建築主のニーズは多様化し、意匠設計者の提案も自由度が高くなっています。それらを実現しながら安全性を確保するのは簡単ではありません。

コストと工期の制約: 限られた予算と工期の中で、ベストな構造を考える必要があります。

法規制の変化: 建築基準法は定期的に改正されるため、常に最新の基準を把握しておく必要があります。

責任の重さ: 構造設計のミスは、人命に関わる大事故につながる可能性があります。常に緊張感を持って仕事に向き合う必要があります。

構造設計者を目指すなら

構造設計に興味を持った方へ、いくつかアドバイスを。

まず学ぶべきこと

建築学科や土木工学科で構造力学の基礎を学ぶのが王道です。大学や専門学校で体系的に学ぶことが、構造設計者への近道になります。

「数学や物理が苦手で…」という人もいるかもしれませんが、興味を持って取り組めば大丈夫。実際の建物と結びつけて考えると、抽象的な理論も理解しやすくなります。

実務に入ってから

構造設計事務所や建設会社、住宅メーカーなどで実務経験を積みます。最初は簡単な計算から始まって、徐々に複雑なプロジェクトを任されるようになるのが一般的です。

先輩の指導を受けながら、実際のプロジェクトで学ぶのが一番です。わからないことがあれば、どんどん質問して理解を深めていきましょう。

キャリアパス

構造設計者のキャリアはさまざま。専門の構造設計事務所で高度な構造設計に特化する人もいれば、総合設計事務所で意匠設計者と一緒に働く人もいます。ゼネコンで施工管理と構造設計の両方を経験する道もあります。

経験を積んだら、独立して自分の構造設計事務所を開くことも可能です。

構造設計の歴史と発展

構造設計の技術は、人類の建築の歴史とともに発展してきました。

古代から近代まで

古代エジプトのピラミッドや古代ローマの水道橋など、人類は経験と試行錯誤を重ねながら、大規模な構造物をつくってきました。当時は、構造力学の理論は存在せず、経験則に基づいた設計が行われていました。

17世紀以降、ガリレオやニュートンなどの科学者が力学の基礎を確立し、19世紀には構造力学の理論が体系化されました。これにより、建物の挙動を計算で予測できるようになりました。

日本の構造設計の発展

日本では、1923年の関東大震災をきっかけに、耐震設計の重要性が認識されました。1924年には、世界で初めて地震力を考慮した建築基準が制定されました。

その後、1950年に建築基準法が制定され、現代の構造設計の基礎が確立されました。阪神・淡路大震災や東日本大震災などの経験を経て、日本の耐震技術は世界最高水準に達しています。

構造設計の未来

今後の構造設計は、さらなる発展が期待されます。

持続可能性の追求: 環境に配慮した材料の選定や、建物の長寿命化がますます重要になります。リサイクル可能な材料の使用や、解体・再利用を前提とした設計が求められるでしょう。

デジタル技術の進化: AIやロボティクスの活用により、設計の効率化や精度向上が進むでしょう。VRやARを使った構造の可視化も、一般的になると予想されます。

新材料の開発: 高強度コンクリートやCFRP(炭素繊維強化プラスチック)など、新しい材料の開発が続いています。これらの材料を活用することで、より自由度の高い構造が実現できるようになります。

レジリエンスの向上: 地震だけでなく、水害や強風などの自然災害に対する総合的な安全性が求められています。気候変動による災害リスクの増大に対応するため、より強靭な構造設計が必要になるでしょう。

構造設計が関わる建築プロジェクトの実例

構造設計の技術は、さまざまな建築プロジェクトで活用されています。

超高層ビル

東京スカイツリーや六本木ヒルズなどの超高層建築では、高度な構造設計技術が駆使されています。風圧力や地震力に対して安全を確保しながら、軽量で効率的な構造を実現しています。

大空間建築

体育館やドームなどの大空間建築では、柱のない広い空間をつくる必要があります。トラス構造やシェル構造など、特殊な構造形式が採用されることが多いです。

歴史的建造物の保存

文化財の保存においても、構造設計の技術が重要です。建物の歴史的価値を損なわずに耐震性能を向上させるため、繊細な構造補強が行われます。

災害復興建築

東日本大震災の被災地では、津波に強い構造や、地盤の液状化に対応した基礎など、災害の教訓を活かした構造設計が実践されました。

他分野との連携

構造設計は、建築の他分野とも深く関わっています。

意匠設計との連携

意匠設計者のデザイン意図を理解し、それを実現する構造を提案します。時には、構造的な制約をデザインの一部として活かすこともあります。

例えば、大きな梁が必要な場合、それを隠すのではなく、あえて見せることでデザインの一部とする「構造表現」という手法があります。

設備設計との連携

空調ダクトや配管の経路を確保するため、構造部材の配置を調整することがあります。特に、天井内のスペースは設備と構造で取り合いになることが多く、緊密な調整が必要です。

施工との連携

設計した構造が実際に施工可能かどうか、施工者と協議しながら進めます。施工段階で発見された問題に対して、迅速に対応することも構造設計者の重要な役割です。

都市計画との関係

構造設計は、個々の建物だけでなく、都市全体の防災性にも関わります。地震に強い都市をつくるためには、個々の建物の耐震性能を高めるだけでなく、避難経路の確保や防災拠点の配置なども考慮する必要があります。

構造設計を学ぶためのリソース

構造設計に興味を持った方のために、学習に役立つリソースを紹介します。

専門書籍

構造力学や構造設計の基礎を学ぶための教科書が多数出版されています。まずは入門書から始めて、徐々に専門的な内容に進むと良いでしょう。

専門雑誌

建築技術や日経アーキテクチュアなどの専門雑誌では、最新の構造設計事例や技術動向が紹介されています。

セミナーや講習会

建築関連の団体が主催するセミナーや講習会に参加することで、実務的な知識を学ぶことができます。

オンライン学習

最近では、YouTubeなどの動画プラットフォームで、構造力学の講義が公開されています。また、一部の大学ではオンライン講座を提供しています。

まとめ

構造設計は、建物の安全性・耐久性を支える根幹の技術です。華やかなデザインの裏側には、必ず構造設計者の綿密な検討があります。

地震大国の日本では、構造設計の重要性はますます高まっています。過去の震災から学び、新しい技術を取り入れながら、より安全な建物をつくる努力が続けられているんです。

構造設計者は、目に見えない部分で人々の安全を守る、社会に欠かせない存在。計算やルールだけでなく、創造性や柔軟な思考も求められる、奥の深い仕事です。

これから建築に関わる人も、家づくりを考えている人も、構造設計の重要性と魅力を少しでも理解してもらえたら嬉しいです。建物を見るとき、その裏にある構造設計者の努力に思いを馳せてみてください。

あなたが住んでいる建物、働いているオフィス、よく行く商業施設。そのすべてに、構造設計者の知恵と技術が詰まっています。

構造設計に関するよくある質問

Q1. 構造設計と意匠設計の違いは？

意匠設計は、建物の外観や間取り、デザインを考える仕事。一方、構造設計は、そのデザインを実現するための骨組みを設計する仕事です。

両者は密に連携しながら進めます。意匠設計者が「こんな空間をつくりたい」と提案し、構造設計者が「それなら、こういう構造が必要ですね」と答える感じで協力していきます。

Q2. 構造計算は必ずしないとダメ？

木造2階建て以下などの小規模な建物では、構造計算を省略できるケースがあります(いわゆる「4号特例」)。ただし、この特例は段階的に縮小されていて、将来的にはすべての建物で構造計算が必要になるかもしれません。

一定規模以上の建物では、必ず構造計算を行って、確認申請時にその内容を提出する必要があります。

Q3. 構造設計料の相場は？

構造設計料は、建物の規模や複雑さによって大きく異なります。一般的な住宅であれば数十万円程度、中規模のビルであれば数百万円程度が目安となります。

建築プロジェクト全体の設計料のうち、構造設計料は10〜20%程度を占めることが多いです。

Q4. 古い建物の耐震性が心配なんだけど

1981年以前に建てられた建物は、旧耐震基準で設計されている可能性が高いです。耐震診断を受けて、必要なら耐震補強を検討することをおすすめします。

多くの自治体で、耐震診断や耐震補強の補助金制度があります。お住まいの自治体の建築指導課などに相談してみてください。

Q5. 構造設計者はどのように選べば良い？

建築プロジェクトでは、意匠設計者が構造設計者を紹介してくれることが多いです。実績や専門分野、コミュニケーションの取りやすさなどを考慮して選びましょう。

特殊な構造や大規模な建物の場合は、その分野に精通した専門の構造設計事務所に依頼することもあります。

最後に：構造設計が支える日常

私たちが安心して暮らせる社会は、見えないところで構造設計者の努力に支えられています。毎日使う駅、子どもが通う学校、家族で行くショッピングモール——これらすべての建物が、地震が来ても倒れないように、丁寧に設計されているんです。

構造設計は、決して派手な仕事ではありません。完成した建物を見ても、構造設計者の名前が語られることはほとんどない。でも、その建物が何十年も安全に使われ続けて、そこで人々が笑顔で過ごせるなら、それ以上の報酬はありません。

建築は、たくさんの専門家が協力してつくり上げる総合芸術。その中で構造設計者は、「安全」という最も基本的で、最も大切な価値を守る役割を担っています。

次に建物を見上げるとき、その美しいデザインの奥に隠された、精巧な骨組みを想像してみてください。そこには、人々の安全を守るために日々努力する構造設計者の情熱と技術が詰まっています。

この記事を読んで、一人でも多くの人が構造設計の重要性と魅力を知ってもらえたら嬉しいです。