ドバイ「未来博物館」：78メートルの建築アイコンを建設

アラブ首長国連邦（UAE）ドバイで建設中の「未来博物館」は、これまでに建設された中で最も複雑な構造物の一つです。高さ78メートルの建物は、3階建てのポディウムの上にトーラス（ドーナツ）型のシェルが乗る形状で、内部には7フロアを備えます。トーラスの外観ファサードは、1,024枚の難燃性（FR）コンポジットパネルで構成されます。ステンレス鋼で覆われた各パネルはユニークな3D形状を持ち、アラビア語のカリグラフィーが一体成型されています。流れるような文字は、UAE副大統領兼首相、ドバイ首長のシェイク・モハメド・ビン・ラーシド・アル・マクトゥーム氏によるドバイの未来へのビジョンを詩ったものです。これらは建物の窓としても機能し、柱のない内部に自然光を取り入れ、夜には14キロメートルの統合LED照明によって劇的な効果を生み出します。

シェイク・モハメドによってイノベーションと発明のインキュベーターとして構想された未来博物館は、世界で最も先進的な建物の一つと見なされ、人々が新技術を体験・研究できる場です。また、デジタル設計とより効率的な材料の使用によって境界を押し広げる建築の象徴でもあります。パラメトリック設計を用いて、2,400本の斜めに交差する鋼材からなるスチールダイアグリッド（対角格子フレーム）を開発し、それにコンポジットコンクリート床スラブと17,000平方メートルのコンポジットクラッディングを取り付け、後者には100万平方メートルの多軸ガラス・炭素繊維強化エポキシプリプレグが使用されています。

ドバイのAffan Innovative Structuresがパネルのコンポジット設計、製造、設置サポートを担当しました。「このようなプロジェクトが行われるのは初めてです」と同社CEOのアメル・アファン博士は言います。「また、コンポジットパネルがこのような複雑な形状で複数の建築機能を統合するのにも初めて使用されました。」

主任建築家のショーン・キラ氏は、このような複雑な外装は通常「レインスクリーン（雨仕舞）」であり、その背後に防水システムを持つ建物があると説明します。「これは、非常に立体的な形状を作る際に少し寛容になるため、物事をシンプルにします。しかし、この建物ではエンベロープ（外皮）が防水、気密、構造、照明のすべてを担っています。」アファン氏は、このような大規模プロジェクトに対して自社は規模が小さいと認めつつ、「しかし、技術的専門知識を活かしてユニークなことを成し遂げ、未来の建築のあり方を示しました。」と語ります。

複雑なデジタル設計への対応力

Affan Innovative Structuresは、未来博物館のエンジニアリングチームから最初に連絡を受けました。「必要な作業ができる企業は多くありませんでした」とアファン氏は指摘します。「他の競合は、外側にアルミニウムやステンレスパネルを配した通常のカーテンウォールを提案しました。」カーテンウォールは通常、構造用鋼フレームに加えて使用され、薄く、アルミフレームがガラス、金属、薄い石の外装パネルを支える構造です（「建物のエンベロープ：FRPユニタイズドファサード」参照）。これはエンジニアリングチームによって「困難すぎる」として却下され、統合された多機能コンポジットパネルファサード（Affan Innovative Structures提案）が採用されました。「私たちには大型パネルを作るユニークな技術もあります」とアファン氏は付け加えます。「幅3メートル、高さ9メートル、双方向に曲面したパネルまで可能で、継ぎ目が少なくて済みます。」

Affan Innovative Structuresはこのプロジェクトに独自に適していました。2004年にアファン博士によって設立された同社は、コンセプト設計から設置、建物メンテナンスまで完全なターンキーソリューションを提供し、非常に技術的な課題に取り組んできました。同社の実績には、キング・アブドゥラ・スポーツシティスタジアム（サウジアラビア・ジェッダ）の複雑な幾何学的アルミスクリーン/クラッディング、ヤスモール（UAE・アブダビ）のコンポジットエントランスキャノピーと64基の複雑にパターン化されたガラス・スチールスカイライト、シドラ病院（カタール・ドーハ）の外部コンポジット屋根など、多くの挑戦的プロジェクトが含まれます。この複雑な鋼、ガラス、コンポジット組み立ての能力こそが、未来博物館の多機能コンポジット外装にまさに必要とされたものでした。

「各コンポジットパネル内部には、アラビア文字内部にフラットガラス（パネル）のシステムがあります」とアファン氏は説明します。「ガラスはパネル内部に最大200ミリメートルの深さでほぼ埋め込まれています。」この埋め込み深さは、建物のトップでは水溜まり防止のため浅く、ボトムでは垂直およびアンダーカットパネルで水を溜めずに深くできるよう変化するだけでなく、各パネル内でも傾斜し減衰して、文字の自然なエッジを生み出します。「ガラスの位置によって埋め込みの位置とエッジも変化します。ガラスはフラットですがパネルは曲面だからです」とアファン氏は付け加えます。「これはデジタル設計とCNC加工でのみ可能でした。」この精度は、パネルごとに異なる文字が、設置時に正確に位置合わせされ、文字と言葉が建物外部全体で正しく流れることを保証するためにも必要でした。

アファン氏にとって唯一の解決策は、アラビア文字と埋め込みを各コンポジットパネルに一体成型することでした。「補強材は精密にCNC加工された金型にレイアップされます」と同氏は説明します。幸いにも、Affan Innovative SolutionsがCNCマシンを駆動するために使用しているCATIAソフトウェア（ダッソー・システムズ、フランス・ヴェリジィ＝ヴィラコブレー）は、複雑な航空機とコンポジット構造を設計するために航空宇宙業界で使用されている3D CADプログラムでもあります。さらに、アファン氏の28人のエンジニアチームはTekla BIMソフトウェア、Rhino 3D（ロバート・マクニール＆アソシエイツ、米国ワシントン州シアトル）、AutodeskのAutoCADにも精通しています。「すべての図面をCATIAで作成し、積層設計も行いました。これにより、このような複雑な加工が可能になりました」とアファン氏は言います。

しかし設計は容易ではなく、多様な構造・風荷重を満たす必要がありました。例えば、トーラスの内部が風洞効果を生むとアファン氏は説明します。これらのパネルは最大450 kg/m²（92 lb/ft²）の風荷重に耐えなければなりません（参考：国際建築基準では、米国フロリダ州ウェストパームビーチの高リスクハリケーン地域で71 lb/ft²）。未来博物館のコンポジットパネルは重量最小化にも調整されています。「パネルは位置と荷重によって9〜13プライを使用し、可変です」とアファン氏。Composite Technology Center（ドイツ・シュターデ、エアバス子会社、CFK Valley e.v.業界団体を通じた長年のパートナー）が「積層設計、たわみ、剛性計算のサードパーティチェックを提供しました。」

さらなる複雑さと革新は、パネルが独自の取り付けシステムも統合していることです。「エッジでは24プライがカセット型の取り付け形状を形成し、建物に接続します」とアファン氏は説明します。カセットシステムは、外部クラッディングを取り付けるための方法で、もともとレインスクリーン型設置向けに開発されました。タイプと形状は様々ですが、カセットは通常、建物の耐荷重フレームワークの後ろで固定される平らで防水の外部表面を可能にします。未来博物館のファサードパネルでは、カセットエッジを形成するために別部品は不要で、代わりに各金型に機械加工され、各コンポジットパネルに統合されました。

材料、金型、パネル製造

Affan Innovative Structuresの10,000平方メートルのコンポジット製造スペースには16台の樹脂注入機と、3メートル×20メートルのガラストップ・スチールベースの樹脂注入テーブルが8台ありますが、プリプレグを選択しました。なぜか？「必要なFR性能を達成するには大量の添加剤が必要で、樹脂が粘稠になり注入で流れないからです」とアファン氏は説明します。この場合の添加剤は水酸化アルミニウム（ATH、「重量を増さずに耐火」参照）でした。続けて、「そこでNotus Composites（UAE・ラス・アル・ハイマ）と協力し、FRエポキシプリプレグを開発しました。主にガラス繊維を使用しましたが、たわみ問題のある特定セクションでは炭素繊維も使用しました。」ドバイシビルディフェンスによって承認されたNotus Composites EPFR-609プリプレグとNE11-FR表面フィルムの組み合わせは、NFPA 285、EN13051-1、ASTM E1098およびE84クラスAの防火要件をパスしました（「耐火プリプレグが可能にする...」および「FRP建築材料のより良い、安価なスクリーニング」参照）。

ドバイでは外部金属表面が夏に80℃（176°F）に達するため、「プリプレグを120℃で硬化させ、ヘッド変形に耐える十分なTg（ガラス転移温度）を確保しました。したがって、金型はその高温に耐えられるポリウレタンフォームから機械加工されましたが、これはより高価です。3〜4種類のフォームを試しましたが、高温と真空圧力に耐え、かつCNC加工が容易で速い柔らかさを持つのは1種類だけでした。」

各金型のCNC加工には12〜72時間かかり、1,024枚のコンポジットパネルそれぞれに独自の金型が必要でした。Affan Innovative Structuresの4台のCMS（イタリア・ゾーニョ）5軸CNCマシン（最大33メートル長×13メートル幅×2.5メートル高）すべてが、博物館の要求する生産レートを満たすために必要でした。「1台がメンテナンスでダウンしても、他が並列稼働していました」とアファン氏は説明します。

プリプレグ合板は、（Bulmer、ドイツ・メアシュテッテン）自動カッターでカット・キッティングされました。「パネルにコアを使用しませんでした。当時、FR要件をパスできるフォームコアがなかったからです」とアファン氏。このような自動化があっても、2015年までに達した250人の従業員も生産に不可欠で、1日平均4枚のペースで納品しました。6人チーム（スーパーバイザー付き、効率的なバランスの取れたスキルセット）がパネルを積層しました。「通常なら2〜3チームでプロジェクトを回しますが、この生産スケジュールを満たすため、常時20チームが稼働していました。」

製造工程

Step 1 ポリウレタンフォームを精密金型にフライス加工。すべての製造工程画像の出典 | Affan Innovative Solutions

Step 2 ガラス繊維/エポキシプリプレグを金型に手積層。

Step 3 プリプレグ積層を真空バッグし、オーブンで120℃、6時間硬化。

Step 4 脱型したパネルをステンレス鋼仕上げの接着接合のために準備。

Step 5 ステンレス鋼ヘキサゴンをFRPパネルに接着・機械的に締結。

Step 6 完成パネルを吊り上げて設置。

Step 7 各パネルをユニークな3D「ユニバーサルジョイント」で調整。

Step 8 各パネルをユニークな3D「ユニバーサルジョイント」で調整し、滑らかに整列した外観ファサードを実現。

積層は手作業で行われ、真空バッグ後、20メートル長×8メートル幅×3メートル高のオーブンで6時間硬化されました。「各CNCマシンに専用のオーブンがありました」とアファン氏。「多くのパネルをまとめて1サイクルで硬化するのではなく、各パネルが準備でき次第即座に硬化させ、可能な限り高い生産フローを維持しました。その後脱型し、3Dスキャナーで実物パネルがCATIAファイルと一致するか確認しました。全品質管理システムに基づき、プロセスのあらゆるステップでデジタルファイルとの照合を行いました。」

完成パネルにはステンレス鋼の外装仕上げが施されました。「ステンレス鋼は各パネルに接着剤で接着され、さらに機械的締結具で固定されます。これ自体が芸術です」とアファン氏。「金属は3Dパネルにドレープできるよう小さなヘキサゴンに切断されました。ヘキサゴングリッドは曲率の度合いによってパネルごとに異なります。接着に経験と自信はありますが、建物の寿命中にヘキサゴンが1つでも剥がれるリスクは許されません。したがって、すべてのヘキサゴンを取り付ける必要があり、1枚のパネルで最大200〜300箇所の取り付けが必要でした。」完成パネルは現場に搬送され設置されました。

NASAの知見を活かした、問題なき設置

設置は実際には建設会社BAM International（オランダ・ゴウダ）が実施しました。「私たちはパネルの取り扱い方を助言するため、スーパーバイザーのみを設置に派遣しました」とアファン氏。「各パネルの吊り上げ方が鍵です。パネルは建物内の各位置に必要な強度で設計されています。しかし、従来のカセット吊り上げのように、最低2点の吊り上げポイントで特定の方法で吊り上げる必要があります。」

アファン氏が独自に解決できた追加の課題がありました。「各パネルが鋼構造の上に座りながら滑らかな表面を形成するには、奥行き、向き、曲率を3Dで調整する能力、つまり3自由度の一種のユニバーサルジョイントが必要でした。1985年、私はカリフォルニアのNASAで学生として宇宙ステーション構造の減衰に取り組みました。鍵は、シャトルがドッキングするときに各構造を動かし調整して振動を速やかに減衰させられること、ノイズキャンセリングのようなものです。同じ技術をパネルの取り付けと設置時の調整に用いました。」

また、パネルが建物の水密シールも提供するため、パネル間に隙間があってはなりません。「パネルを直接接合すると割れる可能性があります」とアファン氏。片持ち6階展示エリアに1.5トンの高い活荷重がかかるため、鋼構造が実際に動くからです。「パネル間に精密に間隔を空け、特殊ガスケットで埋めました。」このガスケットは膨張するほど柔らかく、荷重に耐えるほど剛性があり、シール機能を提供しながら建物の美観を可能にしました。

このような解決策は強みだとアファン氏は指摘します。「構造のバックグラウンドがあるから、多くの材料を組み合わせられます。これは非常に重要です。コンポジットは私たちが使う材料の一つに過ぎません。これは単なるコンポジットプロジェクトではありませんでした。」結果が物語っています。「設置は順調に進み、問題は一切ありませんでした」とアファン氏。パネルが適合するかどうかを確認する方法は、デジタルファイルとの適合性を確保すること以外になかったと述べています。「これまで、適合しない、形状が間違っている、文字が綴り間違いというパネルは一枚もありませんでした」と、BBC記事（エリザベス・ベインズ執筆）でBuro Happoldプロジェクトマネージャーのボーリ氏が証言しています。

未来のモジュラー建設

「全プロセスを一緒に管理しました」とアファン氏は付け加えます。「社内のチームワークも鍵でした。設計グループと積層グループが互いに連携しなければなりませんでした。これほど大きな仕事は初めてで、挑戦でしたが、私たちは挑戦が好きです。」

残念ながらCOVID-19が打撃を与えました。「パンデミックのロックダウン直前にこの仕事を終えました」と同氏。「今は30人未満に減りました。壊滅的です。でもこれは私たちだけでなく、皆に影響しています。」それでもアファン氏は未来に希望を見出し、建設におけるサステナビリティとイノベーションのためにコンポジットが果たす役割を強調します。「特にドバイとGCC（湾岸協力会議）では、新しいアイデアを試したがる人々がいます。それは建築と建設の未来を示しています。」

その未来は、モジュラー建設システムを使える人々のものだと強調します。「COVID-19は実際にこれを加速させています。企業はモジュールで建設し、それらを現場に送ります。これにより非効率が現場外、工場へ移り、管理と品質が向上します。現場ではすべての人を調整しなければなりません。時間の無駄、他の下請け待ち。天候と作業中断にも依存します。工場での製造はこれらすべてを排除します。強靭で軽く、輸送・設置が容易な耐久性があるため、コンポジットはこのタイプのモジュラー建設を可能にし、あらゆる形状を作れます。」

アファン氏によると、モジュラー建設は何年も前からクルーズ船で使われており、各客室が暖房/空調、電気、配管システムを完備してプレメイドされ、船の鋼フレームにレゴブロックのように組み立てられます。「各モジュールがすでに装備済みなら、どれだけ時間が節約できるか想像してください。今、コンポジットを使ってハイライズビルをこの方式で建設するプロジェクトを検討しています」と同氏。「FR樹脂があれば、以前は金属が必要だった部品が不要になります。」昨年ニューヨークで完成したマリオットホテルがこの方式で建設されたことを引き合いに、「あの建物は鉄骨と木材でしたが、コンポジットで建設できます。」と語っています。