1. はじめに
「まるでソフトクリームを絞り出すように建物が造られる」—この表現は決して大げさではありません。建設業界では今、従来の常識を覆すような技術革新が起きています。深刻な職人不足に悩む現場では、一人でも多くの作業員を確保するのが困難な状況が続いており、同時に工期短縮や建設コストの削減も強く求められています。
こうした課題を解決する切り札として登場したのが、セメント系材料を用いた3Dプリンティング技術です。例えば、清水建設は2021年、繊維補強モルタル「ラクツム（LACTM）」で積層造形した3Dプリンティング埋設型枠を実現場に初適用し、自由曲面形状を有する大規模コンクリート柱を構築したと発表しています（ニュースリリース：https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2021/2020053.html）。この技術は単なる効率化にとどまらず、これまで職人の技術に頼っていた複雑な曲面構造も、コンピューター制御で正確に再現できる可能性を広げています。
本記事では、このような革新的な3Dプリンティング用セメント材料について、その仕組みや特性、実際の現場での活用事例、そして実用化に向けた課題まで、建設関係者の皆さんにとって実務に役立つ情報をお伝えします。
2. 3Dプリンティング建設技術の基礎知識
2.1 建設用3Dプリンティングの仕組み
建設用3Dプリンティングを理解するために、まず身近な例から考えてみましょう。一般的な家庭用3Dプリンターがプラスチックを溶かして積み重ねるように、建設用3Dプリンターはセメント系材料を「絞り出しながら積み重ねて」構造物を作り上げます。
この技術の最大の特徴は、従来の建設工事で必要だった型枠を大幅に削減できる点にあります。型枠工事は工程・人手の比重が大きく、特に複雑形状では施工難易度とコストの増加要因になりやすいため、3Dプリンティングは省人化・省力化の観点で注目されています。
作業の流れは思っているより単純です。まず、3D-CADで設計データを作成し、それをプリンター用のプログラムに変換します。その後、特別に調合されたセメント系材料（プリンタブルコンクリート）を準備し、大型のノズルから少しずつ押し出しながら、まるで巨大なケーキを作るように層を重ねていきます。最後に通常のコンクリートと同様に養生を行えば完成です。
2.2 従来工法と何が違うのか
実際の建設現場を知る方なら、この技術の革新性がすぐに理解できるでしょう。従来の鉄筋コンクリート工事では、型枠の組み立てから解体まで多くの工程と人手が必要でした。特に複雑な形状の構造物では、熟練した型枠大工の技術が不可欠で、工期とコストの大きな要因となっていました。
しかし、3Dプリンティング工法では、設計データに基づき機械が自動的に形状を造形できるため、型枠工程の削減や省人化が期待できます。実工事への適用も進んでおり、例えば清水建設は2024年、材料噴射型3Dプリンティング技術を有筋構造部材の施工に初適用し、在来工法と比べて施工期間を約4割短縮できることを確認したと公表しています（ニュースリリース：https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2024/2024049.html）。
また、材料の無駄も削減しやすいとされています。従来工法では型枠材料や余剰コンクリートが発生しがちですが、3Dプリンティングでは設計形状に合わせて材料を積層するため、条件が整えば廃棄物の抑制につながります。特に環境意識が高まる昨今、この点は発注者からも評価されやすい論点です。
2.3 主要な方式とその特徴
現在実用化が進んでいる建設用3Dプリンティング技術には、大きく分けて3つの方式があります。
最も広く使われているのが「押出し方式」です。これは、ソフトクリームのように材料をノズルから押し出しながら積み重ねる方法で、日本国内のほとんどの実証実験でもこの方式が採用されています。実際の建設現場での応用を考えると、現場適用の議論が進みやすい方式といえるでしょう。
一方、「結合材噴射方式」は、粉末状の材料に液体の結合材を吹きかけて固める方法です。精密な造形ができる反面、大型構造物への適用では設備・材料・品質管理の観点で制約が出やすく、用途が限定されるケースがあります。
「レーザー焼結方式」は高精度な方式ですが、設備コストや処理速度の観点から、建設分野の大規模施工での適用は限定的で、研究・試作用途が中心です。
3. プリンタブルコンクリートの特殊な材料特性
3.1 通常のコンクリートとの決定的な違い
プリンタブルコンクリートは、一見すると通常のコンクリートと変わらないように見えますが、実際には異なる特性が求められます。最も重要なのは「流動性」と「形状保持性」という、一見矛盾する性質を同時に満たす必要があることです。
これを分かりやすく例えると、チューブから絞り出す際は歯磨き粉のように滑らかに流れ出て、絞り出された瞬間には粘土のようにしっかりと形を保つ必要があります。
具体的には、ノズルから押し出される時は適度な流動性を持ちながら、積層した瞬間に下の層の重量に耐えて変形しない強度を発揮しなければなりません。また、層と層の間では適切に接着し、最終的には通常のコンクリートと同等の要求性能（用途に応じた強度・耐久性など）を満たす必要があります。実際の現場では、材料が硬すぎるとノズルが詰まりやすく、柔らかすぎると積層時に崩れやすいというトレードオフが生じます。このバランスを保つために、温度や湿度などの環境条件も踏まえた配合・施工条件の最適化が検討されています。
3.2 配合設計の工夫
プリンタブルコンクリートの配合は、通常のコンクリートと比べて大幅に異なります。最も大きな違いは、粗骨材をほとんど使用しないか、使用する場合でも粒径を8mm以下に制限することです。これは、ノズルの詰まりを防ぐとともに、滑らかな押出し性を確保するためです。
結合材については、普通ポルトランドセメントを主体としながらも、高炉スラグ微粉末やフライアッシュなどの混合材を積極的に活用しています。住友大阪セメントの実証実験では、これらの混合材を適切に組み合わせることで、作業性の向上とCO2排出量の削減を同時に実現できることが確認されています。
特に重要なのが各種混和剤の選定です。高性能減水剤は流動性を向上させる一方で、増粘剤は形状保持性を高めます。また、作業時間を確保するための遅延剤と、初期強度を早期に発現させる促進剤のバランス調整が、現場での成功の鍵を握ります。材料メーカー各社では、装置仕様や施工条件（ノズル径、積層ピッチ、環境条件など）に合わせた専用配合の開発が進められています。
3.3 材料の流動特性が成功の鍵
プリンタブルコンクリートの品質を決定する最も重要な要素が、材料の流動特性（レオロジー特性）です。これは、材料がどのように流れ、どのように固まるかを表す性質で、3Dプリンティングの成功を左右します。
専門的には「降伏値（降伏応力）」と呼ばれる特性が重要で、これは材料が流れ始めるのに必要な力の大きさを表します。この値が低すぎると積層時に変形しやすく、高すぎるとノズルから押し出すのが困難になります。実務では、装置性能や造形条件に合わせて試験・実機検証を繰り返し、目的に合う範囲へ調整していくことが一般的です。
また、「チクソトロピー」という特性も重要です。これは、材料をかき混ぜると柔らかくなり、静止すると固くなる性質で、ケチャップを振った時の現象と同じです。この性質により、ノズル内では流動的に、押し出された後は固形的に振る舞うことが可能になります。
4. 実用化に向けた技術開発の現状
4.1 日本企業が取り組む材料革新
建設業界における3Dプリンティング技術の実用化に向けて、日本の企業各社が材料開発を進めています。これらの取り組みは、単純に海外技術を導入するのではなく、日本の建設現場に特有の品質要求や施工条件に対応することを目指しています。
例えば太平洋セメントは、大成建設が中心となって開発を進める建設用3Dプリンタ「T-3DP」に適合した特殊なセメント系材料を開発したことを公表しており、押出し性と形状保持性の両立を狙った材料開発が進められています（ニュースリリースPDF：https://www.taiheiyo-cement.co.jp/news/news/pdf/181210.pdf）。
一方、環境配慮の観点では、混合材の活用や建設廃棄物の再資源化など、材料サイドのアプローチも重要です。建設会社・材料メーカー双方で、原料調達から製造・施工・解体までを見据えた技術開発が進んでいます。
4.2 設備技術の進歩と現場適用への課題
機械設備の面でも着実な進歩が見られています。例えば清水建設は、ロボットアーム型のモバイルプリンタと自動材料製造装置を現場へ運搬し、計画位置で直接施工するオンサイト施工を実工事に初適用したと公表しています（https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2024/2024049.html）。
しかし、実際の建設現場での適用を考えると、まだ多くの課題があります。特に屋外作業では、風雨・気温・湿度などの影響を受けやすく、積層精度や表面品質、養生条件の確保が課題になります。このため、防風・防雨対策、材料温度管理、施工手順の標準化など、現場条件を踏まえた施工計画と品質管理の整備が重要です。
また、プリンティング速度の向上も重要な課題です。現状は、適用範囲（部材・形状・要求性能）や現場条件によって、従来工法との優位性が変動します。大成建設のT-3DP®など、型枠削減と省人化を狙うシステム開発も進んでおり（参考：https://www.taisei.co.jp/about_us/wn/2024/240822_10051.html）、材料制御や自動化の高度化と合わせて改善が期待されています。
5. 国内外の実用化事例
5.1 海外で実現している3Dプリンティング建設
世界各地では既に実用レベルでの3Dプリンティング建設が始まっています。代表的な事例として、ドバイの「Office of the Future」が挙げられます。ドバイ・フューチャー財団の紹介によれば、プリント自体に要した期間は17日で、同規模の従来工法と比べて必要人員を約50%削減し、建設廃棄物を約60%削減したとされています（https://www.dubaifuture.ae/latest-news/dubais-3d-printed-office-future-sets-new-world-record/）。
オランダのアイントホーフェン市では、さらに野心的な取り組みが行われています。Project Milestoneでは、3Dプリント住宅が実現し、2021年に最初の住戸が完成したことがプロジェクト情報として公開されています（https://www.3dprintedhouse.nl/en/project-info/project-milestone/）。これらの住宅は、曲線形状など設計自由度の高さを示す事例として参照されることが多いです。
中国では、清華大学チームが上海で全長26.3メートルの3Dプリント歩道橋を完成させたことを大学公式が発信しています（https://www.tsinghua.edu.cn/en/info/1244/2966.htm）。大型構造物への適用可能性を示す事例として位置づけられます。
5.2 日本国内での取り組みと課題
日本では、大手建設会社を中心に実証実験から実工事への展開が進んでいます。清水建設は2024年、材料噴射型3Dプリンティング技術を有筋構造部材の施工に初適用し、在来工法と比べて施工期間を約4割短縮できることを確認したと公表しています（https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2024/2024049.html）。
また、日本での実用化には特有の課題もあります。建築基準法や各種法規制への対応、地震国特有の耐震性能要求、そして品質管理体制の確立などが主要な論点となっています。現状は、個別のプロジェクトごとに要求性能と検証方法を整理しながら適用範囲を広げていくフェーズといえます。
6. 実用化に向けた技術課題
6.1 構造設計上の根本的な課題
3Dプリンティング建設技術の実用化で最も難しい課題の一つが、鉄筋の配置です。従来の鉄筋コンクリート構造では、複雑に組まれた鉄筋が構造物の強度を支えていますが、3Dプリンティングでは材料を連続的に積層するため、途中で鉄筋を配置することが難しいケースがあります。
この問題に対して、現在いくつかの解決策が検討されています。例えば繊維補強（鋼繊維・ポリマー繊維等）により補強効果を狙う方法、別工程で鉄筋や補強材を組み込むハイブリッド工法、あるいは用途を非構造・準構造部材へ限定して適用する方法などです。適用部位と要求性能に応じて、現実的な設計・施工シナリオを組み立てる必要があります。
また、層と層の間の接着力確保も重要な課題です。通常のコンクリートは一体的に打設されるため層間の弱点は生じにくい一方、3Dプリンティングでは積層界面が弱点になり得ます。このため、積層間隔、表面状態、材料の時間依存特性（可使時間・構造形成）などを踏まえた品質管理が求められます。
6.2 現場施工での実務的課題
実際の建設現場では、理想的な実験室環境とは大きく異なる条件での作業が要求されます。特に屋外施工では、風雨・気温・湿度などによって材料の挙動や表面仕上がりが変動しやすく、施工計画と品質管理の難易度が上がります。
実証では、作業エリアを仮設で囲って環境影響を抑える試みもありますが、設営コストと時間が増えるため、適用範囲や現場条件に応じた最適解が必要です。現状は、防風・防雨対策、作業スケジュールの最適化、材料の温度管理などを組み合わせた運用設計が現実的なアプローチになります。
品質管理の面では、従来の建設工事と比べて監視すべき項目が増加することも課題となっています。材料の押出し（または噴射）条件、積層厚さ、材料温度、造形の位置精度など、工程内管理が重要で、センサーや制御技術を活用したモニタリング・自動補正の高度化が求められます。
6.3 法規制と標準化の壁
3Dプリンティング建設技術の普及を阻む大きな要因の一つが、現行の建築基準法です。現在の法律は従来の建設工法を前提として作られているため、3Dプリンティング工法で建設された構造物の安全性評価方法が明確に定められていません。
この問題を解決するため、日本建築学会や日本コンクリート工学会では、3Dプリンティング構造物の評価基準策定に向けた検討が進められています。しかし、標準化には時間がかかるため、当面は個別のプロジェクトごとに要求性能・検証方法を設定する必要があり、これが普及の障壁となっています。
また、保険制度や検査体制も整備が必要な分野です。従来の建設工事とは異なるリスク要因があるため、建設保険の適用範囲や検査方法についても新たな枠組み作りが求められています。
7. コストと環境への影響
7.1 実際の建設コストはどうなるか
3Dプリンティング建設技術の導入には、装置・材料・運用体制（人材育成、保守、品質管理）といった観点で初期投資が必要になります。装置の規模や導入形態（購入・リース・共同利用）によって費用は大きく変動するため、総コストはプロジェクト条件に応じて個別に評価することが重要です。
一方で、型枠工程の削減や省人化、段取りの簡素化といった効果により、条件が合えば施工期間や現場労務の圧縮が期待できます。例えば清水建設の実工事初適用では、在来工法比で施工期間を約4割短縮できることを確認したと公表されています（https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2024/2024049.html）。
特に人手不足が深刻な地域・工種では、機械操作に習熟した少数の作業員で対応できる可能性があるため、労務調達リスクの低減という意味でも検討価値が出やすい分野です。
7.2 環境負荷削減への貢献
3Dプリンティング建設技術は、環境負荷の削減にも貢献し得ます。代表的な論点は、型枠材料の使用削減と、設計形状に合わせた材料投入による廃棄物抑制です。加えて、混合材（高炉スラグ微粉末、フライアッシュ等）の活用により、結合材由来の環境負荷低減を狙うアプローチも検討されています。
ただし、環境効果は「どの部材を、どの工法で、どの現場条件で造るか」によって変動します。材料製造、運搬、現場施工、養生・仕上げ、検査、解体まで含むライフサイクル視点で評価し、過大な一般化は避けるのが実務的です。
8. 実用化への道筋と今後の展望
8.1 技術開発の重点分野
今後の技術開発では、まず材料の高性能化が最重要課題となります。現在のプリンタブルコンクリートは、用途・要求性能によっては適用範囲が限定されるため、強度・耐久性・施工安定性（可使時間、層間接着、形状保持性）の改善が鍵になります。材料メーカーでは、新しい混和剤や材料設計の高度化により、この課題の解決を図っています。
機械設備の面では、処理速度の向上と精度の向上が重要な開発目標です。複数ノズルの活用、センサーによるフィードバック制御、AIを活用した自動制御システムの開発により、これらの課題解決が期待されています。
8.2 市場普及のシナリオ
3Dプリンティング建設技術の市場普及は、段階的に進むと予想されます。まず、装飾部材や型枠用途、非構造部材など、要求性能と検証スキームを設定しやすい領域から実装が進み、技術の成熟とともに適用範囲が拡大していくでしょう。
一方で、構造部材への本格適用は、鉄筋・補強の扱い、品質保証、検査手法、法規・標準化の整備に強く依存します。普及時期を断定するよりも、用途別に「実装が進む条件（要求性能・施工環境・検証方法）」を整理し、導入タイミングを見極めることが重要です。
9. まとめ
3Dプリンティング用セメント材料の開発は、建設業界の構造的な課題を解決する可能性を秘めた革新的な技術です。型枠工程の削減による省人化、施工期間の圧縮、そして環境負荷の低減など、多面的なメリットが期待されています。
一方で、鉄筋・補強の取り扱い、品質管理、法規制・標準化への対応など、実用化に向けて解決すべき課題も多く存在します。しかし、日本の建設会社や材料メーカーの取り組みにより、実証から実工事適用への移行も進みつつあります。
建設業界に関わる皆さんにとって、この技術の動向を注視し、適用範囲と導入条件を見極めたうえで検討することが、競争力維持の重要な要素となるでしょう。
関連テーマとして、自己修復コンクリートの実現可能性：生体模倣技術が開く新たな建設材料の未来も参考になります。
