構造計画の基礎｜剛心と重心・偏心・ピロティとエキスパンションジョイント（一級建築士 構造）

構造計画とは、部材の断面や配筋を決める前の段階で、「建物全体としてどう地震力や外力に抵抗させるか」という大枠の方針を決める作業です。同じ延床面積・同じ用途の建物でも、耐震壁の配置や架構の組み方次第で地震時の挙動は大きく変わり、後工程の構造計算や配筋設計はその方針の上に積み上げられていきます。試験でも、個別の部材計算に入る前提として「望ましい構造計画」「望ましくない構造計画」の考え方が繰り返し問われる分野です。

本記事では、平面計画（重心と剛心、偏心）、立面計画（剛性率とピロティの危険性）、スパンと架構の整形性、エキスパンションジョイント、剛と柔・強度型と靭性型の考え方、基礎形式の混用、そして試験での押さえどころを、一級建築士（学科・構造）の学習を意識して整理します。具体的な数値基準や判定式は出題年度や参考書によって表現が異なることがあるため、この記事では考え方の整理にとどめ、数値の細部は最新の基準・教材で必ず確認してください。

図：偏心（耐震壁の偏りと重心・剛心のずれ）とピロティ（1階だけの剛性急変）が、構造計画で特に注意すべき2大ポイント

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平面計画｜重心と剛心のずれが生む「ねじれ」

建物には、床の重さの中心である重心と、耐震壁や柱など水平力に抵抗する要素の強さの中心である剛心という、2つの「中心」が存在します。地震力は建物の重さに比例して重心に作用すると考えられる一方、それに抵抗する力は剛心を中心に生まれるため、この2つの中心の位置がずれていると、建物は単純に水平方向へ揺れるだけでなく、剛心を軸にねじれるような回転成分を伴って変形することになります。

このずれのことを偏心と呼び、偏心の程度を表す指標が偏心率です。偏心率が大きい建物ほど、地震時に建物の隅の部分など剛心から離れた位置で変形が大きくなりやすく、その部分の部材に損傷が集中しやすいとされています。同じ地震力を受けても、偏心の小さい建物は各部材にほぼ均等に力が分配されるのに対し、偏心の大きい建物は一部の部材に負担が偏ってしまう、という違いをイメージすると理解しやすくなります。

偏心が生じる典型的な原因としては、次のようなものが挙げられます。

偏心を生みやすい要因	内容
耐震壁・耐力壁の偏った配置	建物の片側だけに壁を集中させると、その側に剛心が寄る
平面形状の非対称	L字形・コの字形など、重心と剛心が一致しにくい形状
開口部の偏在	一方の面だけ開口が多い（壁が少ない）と、その面の剛性が低下する
用途による重量の偏り	一部フロアに重い設備・書庫等が集中し、重心が偏る

このため、構造計画の基本的な方針として、耐震壁や柱をできるだけ平面的にバランスよく配置し、重心と剛心を近づけることが重視されます。特に、平面の四隅や外周部にバランスよく耐震要素を配置すると、ねじれに対する抵抗力（ねじれ剛性）が高まりやすいという性質も、あわせて押さえておきたい考え方です。地震力そのものの考え方については地震・耐震の基礎で整理していますので、あわせて確認すると偏心とねじれのつながりが理解しやすくなります。

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立面計画｜剛性率とピロティ階が危険とされる理由

平面計画が「水平方向のバランス」を扱うのに対し、立面計画では上下方向（各階ごと）の剛性のバランスが問題になります。この指標が剛性率で、各階の水平方向の変形しにくさ（層剛性）が、建物全体の平均的な傾向からどれだけ離れているかを表す考え方です。

ある階だけ極端に層剛性が低い、つまり「その階だけ変形しやすい」状態になっていると、地震時にその階に変形が集中しやすくなります。上下の階が硬く踏ん張っている一方で、柔らかい階だけが大きく変形してしまう、という不均衡なイメージです。このように特定の階に変形が集中する現象は、その階の部材に過大な損傷を招きやすいとされ、構造計画上、避けるべき状態の代表例として扱われます。

この「特定の階だけ弱い」状態の典型例として試験で頻出するのがピロティ階です。ピロティとは、1階部分を壁のない柱だけの開放的な空間とし、2階以上に壁や耐震要素を配置する建築計画上の手法ですが、構造的に見ると、壁が少ない1階の層剛性が上階に比べて相対的に低くなりやすいという弱点を抱えています。この状態で大きな地震力を受けると、変形が1階に集中し、**その階だけが崩壊する「中間層崩壊」**につながるおそれがあるとされ、実際に過去の地震被害でもピロティ階の被害が注目されてきた経緯があります。

同様に、上層階だけ平面を後退させるセットバックや、上下階で耐震要素の配置が大きく食い違う計画も、剛性や耐力の急変を生みやすく、注意が必要とされています。

立面計画上の弱点	生じやすい問題
ピロティ階（壁の少ない開放階）	層剛性が相対的に低く、中間層崩壊のリスクが高まる
急激なセットバック	上下階の剛性・重量バランスが崩れやすい
上下階で耐震要素の配置が不連続	力の伝達経路が途切れ、特定階に応力が集中しやすい

ピロティ階をどうしても計画上採用する場合には、柱の靭性を高める、他の階よりも余裕を持った耐力を確保するなど、通常以上の配慮が求められる、という考え方も押さえておくとよいでしょう。

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スパンと架構の整形性｜吹抜け・スキップフロアの注意点

構造計画では、平面・立面のバランスに加えて、柱や梁で構成される架構そのものの整形性も重要な観点です。柱の位置が各階で揃っており、スパン（柱と柱の間隔）が規則正しく並んでいる「整形な架構」は、力の伝達経路が単純明快で、想定通りの挙動をしやすいという利点があります。

逆に、下階と上階で柱の位置がずれている、一部の柱だけを梁で受けて途中階で終わらせる（抜け柱）、スパンが不揃いで一部だけ極端に長いといった計画は、力の流れが複雑になり、特定の部材に応力が集中しやすくなる傾向があります。

吹抜けやアトリウム、スキップフロア（フロアの高さを半層程度ずらして構成する計画）も、意匠上の魅力がある一方で、床（スラブ)が水平方向の力を各耐震要素に伝える役割を担っていることを踏まえると注意が必要です。吹抜け部分は床が欠けているため、その周辺で水平力の伝達経路が乱れやすく、スキップフロアも階の区切りが曖昧になることで、剛性率や偏心率の評価が複雑になりやすいとされています。

このように、意匠計画上の自由な発想と、構造計画上の「単純明快な力の流れ」という要求は、しばしばトレードオフの関係になります。構造計画の役割は、こうした意匠上の要望を踏まえつつ、力の伝達経路ができるだけ単純で分かりやすくなるよう、柱・梁・壁の配置を調整していくことにあるといえます。

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エキスパンションジョイントの考え方｜建物を「切る」という選択肢

平面がL字形やコの字形など複雑な形状になる建物や、規模が大きく長大な建物では、建物全体を一体として設計するのではなく、**エキスパンションジョイント（EXP.J）**によって構造的に分離した複数の棟に分けて計画することがあります。

エキスパンションジョイントとは、建物のある位置に隙間を設け、その両側を構造的に独立させる接続部のことです。地震時にそれぞれの棟が別々の揺れ方をしても、互いにぶつかり合わないだけの隙間（クリアランス）を確保しておく必要があります。複雑な平面形状の建物を無理に一体構造として計画すると、形状の凹凸部分に応力が集中しやすく、偏心やねじれの問題も生じやすくなるため、あえて建物を分割し、それぞれを単純で整形な形状として計画するという発想がとられるわけです。

エキスパンションジョイントを検討する典型的な状況	理由
L字形・コの字形・T字形などの複雑な平面	一体構造にすると凹部に応力が集中しやすい
規模の大きい長大な建物	温度変化による伸縮量が大きく、一体構造では対応しにくい
新築部分と既存部分の接続	構造形式・築年数の異なる建物同士を無理に一体化させない

なお、エキスパンションジョイント部は構造だけでなく、設備計画とも接点があります。分離した棟同士で給排水管や電気配線などを渡す必要がある場合、地震時の相対変位を吸収できるよう、可とう継手（フレキシブルジョイント)を用いるなど、配管・配線側にも変位追従の配慮が求められます。構造計画で「切る」という判断をした以上、設備側もその動きに追従できる納まりを検討する必要がある、という点は意匠・構造・設備が連携すべき典型的な場面の一つです。

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剛と柔・強度型と靭性型｜地震力への抵抗の仕方の違い

地震力に対する建物の抵抗の仕方には、大きく分けて2つの考え方があるとされています。

**強度型（剛強な構造）**は、部材の断面を大きくし、壁や筋かいを多く配置することで建物自体を硬く強くし、変形量そのものを小さく抑えて地震力に耐えようとする考え方です。変形が小さいため、内外装や設備への被害を抑えやすい一方、地震力そのものを大きく負担する必要があり、部材や基礎への要求が大きくなる傾向があります。

**靭性型（柔らかく粘り強い構造）**は、ある程度の変形を許容しながら、部材が粘り強く変形することでエネルギーを吸収し、急激な破壊を避けようとする考え方です。RC造における「曲げ降伏を先行させ、せん断破壊を避ける」という設計思想も、この靭性型の考え方の一例といえます。

考え方	抵抗の仕方	特徴
強度型	部材を強く硬くし、変形を抑える	変形は小さいが、負担する力そのものが大きくなりやすい
靭性型	粘り強く変形し、エネルギーを吸収する	変形は大きくなるが、急激な破壊を避けやすい

実際の建物は、どちらか一方に完全に振り切るのではなく、構造形式や規模、用途に応じて強度と靭性のバランスをとって計画されるのが一般的とされています。鉄筋コンクリート造の靭性設計の考え方はRC造の基礎でも扱っていますので、あわせて確認すると理解が深まります。

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基礎形式の統一｜異なる基礎の混用を避ける理由

構造計画は上部構造（柱・梁・壁など地上部分)だけでなく、基礎の計画とも密接に関わっています。特に試験で押さえておきたいのが、1つの建物の中で異なる基礎形式を混用することは、原則として避けるべきとされているという考え方です。

たとえば、建物の一部を杭基礎、別の一部を直接基礎(地盤そのもので支持する基礎)とするような計画では、地震時や地盤沈下が生じた際に、それぞれの基礎形式で建物の沈下量や揺れ方の傾向が異なりやすく、建物内部に不同沈下(場所によって沈下量が異なること)や、上部構造への予期しない応力が生じるおそれがあります。地盤の性質や基礎の考え方については地盤と基礎の基礎で整理していますので、あわせて確認しておくと、構造計画と基礎計画のつながりが理解しやすくなります。

やむを得ず敷地内で地盤の性質が大きく異なる場合や、増築等で異なる基礎形式が混在せざるを得ない場合には、前章のエキスパンションジョイントによって構造的に分離し、それぞれの棟ごとに基礎形式を揃えるといった配慮がとられることがあります。「上部構造を分離する判断」と「基礎形式を統一する判断」は、根っこにある考え方(不揃いな挙動を一体構造の中に抱え込まない)が共通している点も、あわせて意識しておくとよいでしょう。

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試験での押さえどころ｜「望ましくない構造計画」の典型例

構造計画の分野は、個別の計算問題というより、「良い計画」と「望ましくない計画」を見分ける一般論として出題される傾向があります。ここまでの内容を踏まえ、望ましくない計画とされやすい典型例を整理しておきます。

望ましくないとされやすい計画	関連する考え方
耐震壁が平面の一方に偏って配置されている	偏心率が大きくなり、ねじれ変形が生じやすい
1階が壁の少ないピロティで、上階に壁が集中している	剛性率が低下し、中間層崩壊のリスクが高まる
上下階で柱の位置が大きく食い違っている	力の伝達経路が乱れ、特定部材に応力が集中する
複雑な平面形状を一体構造のまま計画している	凹部への応力集中、偏心の助長
敷地内で基礎形式が統一されていない	不同沈下、上部構造への予期しない応力

これらはいずれも、「建物のどこかにだけ弱い部分・変形しやすい部分が生まれてしまう」という共通点を持っています。構造計画の学習では、個々のキーワードを暗記するだけでなく、「なぜその計画が力の集中や不均衡を招くのか」という理屈を一つずつたどっておくと、初見の問題にも応用しやすくなります。

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実務チェックリスト

• 重心と剛心のずれ(偏心)が、地震時にねじれ変形を生む仕組みを説明できるか
• 耐震壁・耐力壁を平面的にバランスよく配置することが偏心の抑制につながる理由を理解しているか
• 剛性率の考え方と、ピロティ階が中間層崩壊のリスクを抱えやすい理由を説明できるか
• 整形な架構が力の伝達経路を単純にし、吹抜け・スキップフロアが伝達経路を乱しやすい理由を理解しているか
• エキスパンションジョイントで建物を分離する目的(複雑形状での応力集中回避)を説明できるか
• EXP.J部の配管・配線に相対変位への追従性(可とう継手等)が必要になる理由をイメージできるか
• 強度型・靭性型という2つの抵抗の考え方の違いを整理できているか
• 異なる基礎形式の混用がなぜ避けられる傾向にあるのか、不同沈下との関係で説明できるか

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よくある質問

偏心率はゼロにしなければならないのですか？

偏心を完全にゼロにすることは、意匠計画上の制約(開口部の配置、用途による重量の偏りなど)もあり、現実的には難しい場合が多いとされています。構造計画の基本方針としては、耐震壁の配置を工夫して偏心をできるだけ小さく抑えることが重視されますが、具体的にどの程度まで許容されるかは基準で定められた考え方によります。数値の細部は最新の基準・教材で確認してください。

ピロティのある建物はすべて危険なのですか？

ピロティ自体が直ちに危険というわけではありません。1階の層剛性が上階に比べて低くなりやすいという弱点を抱えているため、その弱点を補うだけの配慮(柱の靭性を高める、余裕のある耐力を確保するなど)を計画段階で行うことが重要とされています。配慮が不十分なまま計画されたピロティ階が、地震時の被害集中につながりやすい、という理解が適切です。

エキスパンションジョイントを設ければ、平面はどんな形状でも自由に計画してよいのですか？

エキスパンションジョイントは複雑な平面形状に伴う応力集中や偏心の問題を軽減する有効な手段ですが、万能ではありません。分離した各棟同士が地震時にぶつからないだけの十分なクリアランスの確保や、EXP.J部を渡る設備配管・配線への配慮など、分離することで新たに生じる検討事項もあります。「分離すれば何でも解決する」のではなく、分離によって生じる課題とセットで計画する必要があります。

強度型と靭性型はどちらが優れた考え方なのですか？

どちらが一律に優れているというものではなく、構造形式・規模・用途に応じて適した考え方が異なるとされています。強度型は変形を抑えて内外装・設備への被害を抑えやすい一方、負担する力そのものが大きくなりやすく、靭性型は変形を許容する代わりに急激な破壊を避けやすいという、それぞれ異なる利点・注意点を持った考え方として理解しておくとよいでしょう。

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まとめ

• 構造計画とは、部材の断面や配筋を決める前段階で、建物全体としての地震力への抵抗の方針を決める作業である
• 平面計画では重心と剛心のずれ(偏心)がねじれ変形を招くため、耐震壁のバランスの良い配置が重視される
• 立面計画では剛性率が問題になり、壁の少ないピロティ階は中間層崩壊のリスクを抱えやすい
• 整形な架構は力の伝達経路が単純になりやすく、吹抜けやスキップフロアは伝達経路を乱しやすい
• 複雑な平面や長大な建物では、エキスパンションジョイントで構造的に分離するという選択肢があり、設備配管の追従性も検討事項になる
• 地震力への抵抗の仕方には強度型と靭性型があり、実際の建物は両者のバランスをとって計画される
• 異なる基礎形式の混用は不同沈下等のリスクを高めやすく、原則として避けるべきとされている

構造計画は、個々の部材計算に入る前の「大枠の方針決め」であるだけに、暗記よりも「なぜその配置・形状が望ましい(あるいは望ましくない)とされるのか」という理屈を押さえておくことが、初見の問題への応用力につながります。具体的な数値基準・判定式は改定されることがあるため、実際の設計・判定にあたっては最新の基準・所轄官署・設計者に必ず確認してください。

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