建築学

東京消防庁による近年の地震の被害調査では、けがをした人の 3〜5 割が、家具の転倒・落下・移動でけがをしていました。家具が倒れるかどうかは、物理で学ぶ力のモーメントで考えられます。

床が横に加速度 a で揺れると、家具の重心には、横向きに ma の力(慣性力)が働くと考えられます。この力は家具を前の角のまわりに回そうとし、重力 mg はそれを戻そうとします。重心が真ん中にあるとき、高さ h・奥行き b の家具は、a が g × b/h を超えると倒れ始めます。

高さ 180 cm・奥行き 30 cm の本棚なら、9.8 × 30/180 ≒ 1.6 m/s² です。重力の加速度の 6 分の 1 にあたります。高さ 90 cm の棚なら、その 2 倍の約 3.3 m/s² まで耐えます。同じ揺れでも、背が高く奥行きの浅い家具から倒れるのです。壁に固定すると、回ろうとする動きを止められます。

建物でも考え方は同じです。地震で建物に働く横向きの力は、高い位置にかかるほど、柱や壁の根元を回そうとする大きなモーメントになります。大学の構造力学では、こうした力の流れを計算し、どの部材にどれだけの強さが要るかを決めます。

栃木県日光の本地堂(薬師堂)の天井には、大きな竜が描かれています。竜の頭の真下で手を打つと、天井から「ブルブル」という音が返ってきます。竜が鳴くように聞こえることから、「鳴き竜」と呼ばれてきました。

しくみは、高校の物理で学ぶ音の反射です。音は、硬い天井と床の間を何度も往復します。焼失前の本地堂では、床から天井までが最も高い所で約 5.7 m(18 尺 9 寸)ありました。往復 11.4 m を音速 340 m/s で割ると約 0.034 秒で、反射音は 1 秒に約 30 回届きます。1953 年の NHK の録音を調べた研究でも、約 29 回でした。

本地堂は 1961 年 3 月に火事で焼失しました。東京大学生産技術研究所の研究者たちは、復元のために天井と床を 4 分の 1 の模型にして調べています。天井をわずかに上へ曲げる(むくり)と、音が外へ逃げにくくなり、平らなときより長く鳴くことを確かめました。報告は、元どおりに復元できる見通しが得られたとしています。

向かい合う硬く平らな面の間で音が往復し続ける現象は、フラッターエコーと呼ばれます。お堂では名物になりますが、教室やホールでは、話し声や音楽を聞き取りにくくします。建築音響の授業では、壁の角度や吸音材の置き方で、響きを設計する方法を学びます。

冬に窓ぎわが寒く感じるのは、窓が壁より熱を通しやすいからです。熱の伝わり方には伝導・対流・放射の 3 つがあり、窓ではそのすべてが起きています。窓の熱の通しやすさは、熱貫流率で表します。1 m²・温度差 1 ℃ あたり、1 秒に何 J の熱が通るかを示す値で、単位は W/(m²·K) です。

板硝子協会の資料(2021 年)では、アルミの枠に 1 枚ガラスの窓の熱貫流率は 6.51 です。樹脂の枠に、ガスを入れた三層ガラスの窓は 1.30 です。室内 20 ℃・外 0 ℃ なら、1 m² あたり約 130 W と約 26 W で、逃げる熱は約 5 分の 1 になります。

ガラスを 2 枚にすると、間に閉じこめた気体が熱を伝えにくくします。ただ、すき間を広げすぎると、中の気体が対流を始めて熱を運ぶので、効果には限りがあります。同じ資料では、乾いた空気なら約 17 mm、アルゴンガスなら約 15 mm で、断熱の性能が最も高くなるとしています。

ガラスの表面に、特殊な金属のごく薄い膜をつけた Low-E ガラスもあります。目に見える光は通し、熱を運ぶ赤外線を反射します。物理で学ぶ電磁波の性質を、窓ガラスの上で使い分けているのです。建築環境工学では、こうした窓や壁の性能から、部屋の暖かさや冷暖房に要るエネルギーを計算します。

建築学の構造と環境の授業は、このページの例のように、高校の物理の力・振動・波・熱の単元の続きです。構造の計算では微分・積分も使います。工学部などの建築学科を目指すなら、物理と数学 III を選んでおくと、授業に入りやすくなります。

入試の科目は大学によって違います。物理を必ず課す建築学科がある一方で、美術系の大学のように、描く試験を課す建築学科もあります。同じ大学でも入試の方式で科目が変わるので、志望校の募集要項で確かめてください。描く試験の例は、このサイトの建築学の「美術・地理歴史」のページで紹介しています。

建築学の面白さは、地震の揺れ、声の響き、冬の寒さといった目に見えないものを計算し、建物の形と材料で答えを出せることです。大学の建築学の分野は、このサイトの大学の学問「建築学」のページで紹介しています。