(57)【要約】【課題】伝熱解析の専門知識を持たない設計者等の使用者が３Ｄ−ＣＡＤにより作図した街区のＣＡＤモデルから屋外の熱環境解析を行うために、建物や地面の構成要素に加え、屋上緑化・壁面緑化などの緑化手法や、ルーバー・保水性舗装などの熱環境対策手法を取り入れた質点系伝熱モデルを実用的に生成する質点系伝熱モデル作成支援システムを提供する。【解決手段】３Ｄ−ＣＡＤを用いて屋外熱環境をシミュレーションするツールにおいて、建築部位、樹木、熱環境対策手法などのオブジェクトと熱環境解析に必要な各オブジェクト毎の要素伝熱モデルを連動させることで、使用者がオブジェクトを選択することで、質点系伝熱モデルを実用的に生成するシステムを開発した。【選択図】  図２
2006040095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄ−ＣＡＤにより作図された街区のＣＡＤモデルから屋外の熱環境解析を行うために、建物や地面の構成要素に加え、屋上緑化、壁面緑化などの緑化手法や、ルーバー、保水性舗装などの熱環境対策手法を取り入れた質点系伝熱モデルを実用的に生成することを特徴とする質点系伝熱モデル作成支援システム。
【請求項２】
設計に使用される壁や樹木、熱環境対策手法などの設計要素を集めた部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベースと、各部位や樹木、熱環境対策手法といったオブジェクトに対応する要素伝熱モデルを格納しているデータベースと、要素伝熱モデルに必要となる材料の物性値などを格納している材料のデータベースとを具備し、それぞれが連動することでＣＡＤ上における設計の際に、前記部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベースから必要なオブジェクトを選択するだけで質点系伝熱モデルを生成できるようにしたことを特徴とする質点系伝熱モデル作成支援システム。
【請求項３】
前記部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベース、前記材料のデータベースを必要に応じて設計者などの使用者が編集でき、オブジェクトのパラメータの変更が伝熱モデルに適切に反映されるようになっている請求項２に記載の質点系伝熱モデル作成支援システム。
【請求項４】
建物、地面や樹木の形状などの情報を格納している部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベースを用い、設計者がオブジェクトを用いて設計を行う工程を有し、前記部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベースに連動した要素伝熱モデルのデータベースよりオブジェクトに適切に対応した要素伝熱モデルが自動的に選択される工程を有し、前記要素伝熱モデルに対応した材料の物性値などが材料のデータベースより自動的に選択される工程を有し、座標データ取得、メッシュデータ化の工程を有し、そこから質点系伝熱モデルの生成を行う工程により、設計者が設計行為の延長上で熱環境解析に必要となる質点系伝熱モデルを生成できることを特徴とする質点系伝熱モデル作成支援システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屋外熱環境を数値計算を用いて予測評価するために必要となる建物や地面などの質点系伝熱モデルを作成する上で、使用者が専門的な知識を有せずとも設計行為の延長上で前記モデルの作成を可能にするための質点系伝熱モデル作成支援システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
我が国では都市部における夏季のヒートアイランド現象に代表される熱環境問題が顕在化しており、熱環境に配慮した建築-街区設計や都市開発の必要性が叫ばれている。このため、設計段階に屋外空間の熱環境の予測（及び評価）を行い得る技術が求められている。
【０００３】
かかる要請より近年建築環境工学の熱環境分野では、研究レベルのものから汎用化を目指したものまで、数多くのシミュレーション用ソフトが開発されている。その多くは、シミュレーションを行うために専門的な知識が必要となるため、設計者自身による予測評価を行うことが非常に困難である。しかし、熱環境を配慮した設計を行う上で設計者自身による予測評価は不可欠であり、また、その要請が高まっている。
【０００４】
３Ｄ−ＣＡＤを用いて屋外熱環境をシミュレーションするツール（例えば特開2003-99697：特許文献1）は屋外の熱環境を解析する手法を開示しており、３Ｄ−ＣＡＤを用いて建物や樹木の形状を再現した解析が行えるようになっている。
【０００５】
図１は３Ｄ−ＣＡＤを用いた屋外熱環境のシミュレーションツールの動作例を示しており、３Ｄ−ＣＡＤにより建物、樹木、地面データを入力して街区設計を行い（ステップＳ１）、座標データを得た（ステップＳ２）後にメッシュデータ化し（ステップＳ３）、建物の断面の仕様及び材料の選択を行う（ステップＳ４）。その後、気象条件の設定（ステップＳ５）を行って受熱量を求め（ステップＳ６）、一次元熱伝導計算・表面温度の計算を行い（ステップＳ７、Ｓ８)、計算された表面温度を３Ｄ−ＣＡＤへ出力する（ステップＳ９）と共に、屋外熱環境における熱的快適性の１つの指標として平均放射温度MRT(Mean
Radiant Temperature）、街区からの大気への顕熱負荷としてのHIP(Heat Island Potential）を得る（ステップＳ１０）。
【特許文献１】特開２００３−９９６９７
【非特許文献１】山村真司,梅干野晁,浅輪貴史：「建築外部空間デザインの設計支援を目的とした熱放射環境の予測手法の開発」、日本建築学会計画系論文集、第554号, pp.85-92,2002.4
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱環境の予測を行うツールの多くは、熱環境の専門的な知識を持つ研究者の使用を前提としており、一般の設計者が設計行為の中でシミュレーションを行い、その結果を設計に反映させていくということは、非常に困難である。また、３Ｄ−ＣＡＤを用いて屋外熱環境のシミュレーションするツールは、一般の設計者の使用が増えている３Ｄ−ＣＡＤを用いて建物や樹木などの屋外の空間形態の入力を可能にしているものの、その構成材料の入力や樹木、熱環境対策手法の要素伝熱モデルの設定や入力には、伝熱解析に関する高度な専門知識が必要となる。このため、伝熱解析の専門知識を有さない行政担当者や設計者にとって自らが熱環境解析を行うことができず、その結果を設計に反映させることができなかった。
【０００７】
設計者が、熱環境解析の結果を設計に反映させ、熱環境を考慮した建築-街区設計を進めていくには、専門知識を有せずとも、設計者が通常の設計行為の延長上として、熱環境解析を行える必要がある。
【０００８】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、３Ｄ−ＣＡＤを用いて屋外熱環境をシミュレーションするツールにおいて、建築部位、樹木、熱環境対策手法などのオブジェクトと熱環境解析に必要な各オブジェクト毎の要素伝熱モデルを連動させることで、使用者がオブジェクトを選択することで、質点系伝熱モデルが実用的に生成される質点系伝熱モデルのオブジェクト化技術を提供することにある。
【０００９】
このため、従来伝熱解析に関する専門家が作成していた質点系伝熱モデルを、設計者など設計行為の延長上として作成することが可能となる。
【００１０】
なお、本発明で「オブジェクト」とは、ＣＡＤ上において、その物体固有の情報を保有した対象物のことをいい、例えば材料や表面の色彩情報を保有している壁などが相当する。プログラミング言語上では、データとそれを操作する関数（メソッド）がひとまとまりになって独立したものを「オブジェクト」といい、「オブジェクトツール」とはオブジェクトを生成するＣＡＤソフト上の機能をいう。
【００１１】
また、「要素伝熱モデル」とは、建築部位、樹木、パッシブ手法などの一つ一つの要素が熱環境解析のために伝熱モデル化されたものを指し、各質点に格納される。「質点」とは、メッシュに伝熱計算可能となる情報が格納されたものをいう。「質点系伝熱モデル」とは、熱環境解析を行う対象である建物や地面、樹木などの質点で構成された伝熱モデルであり、「要素伝熱モデル」の組み合わせで作られている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
設計に使用される壁や樹木、熱環境対策手法などの設計要素を集めた部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベース（DB）と、各部位や樹木、熱環境対策手法といったオブジェクトに対応する伝熱モデル（質点の配置の方法、計算式など）を格納しているデータベースと、伝熱モデルに必要となる材料の物性値などを格納している材料のデータベースとを具備し、上記３つのデータベースを連動させることで、使用時にオブジェクトを用いて設計を行うことで、前記質点系伝熱モデルが自動的に生成される。
【００１３】
図２は本発明の概要を示しており、ステップＳ１１〜Ｓ１６が本発明に相当し、得られた結果を気象条件の設定（ステップＳ５）に入力する。即ち、先ず汎用３Ｄ−ＣＡＤによるオブジェクトを用いた街区設計（建物、地面、樹木など）を行うが（ステップＳ１１）、その際、部位・熱環境対策手法のデータベースを利用する（ステップＳ１２）。また、材料のデータベース（ステップＳ１４）に基づいて要素伝熱モデルのデータベースを利用し（ステップＳ１３）、設計された街区の座標データを取得すると共に、メッシュデータ化を行い（ステップＳ１５）、質点系伝熱モデルの生成を行い（ステップＳ１６）、そのデータを気象条件の設定以降に利用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、３Ｄ−ＣＡＤを用いて屋外熱環境をシミュレーションするツールを使用者が用いる際、使用者が建物の伝熱解析に関する専門的な知識を有していなくても、予め登録されたオブジェクトツールからオブジェクトを選択するだけで、自動的に熱環境解析が可能な質点系伝熱モデルを構築することができる。そのため、設計者や行政担当者は、通常の設計行為の延長上で３Ｄ−ＣＡＤを用いて屋外熱環境のシミュレーションをするツールを用いて、容易に熱環境解析を行うことできる。専門知識を有さない使用者でも熱環境解析を適切に行うことができるため、熱環境配慮型の設計の普及にとって本発明は非常に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ＣＡＤソフトウェア上のオブジェクトはあらゆる情報を格納することができるか、或いは情報を格納することができる概念を有している。３Ｄ−ＣＡＤを用いた屋外熱環境シミュレーションツールは、壁やベランダといった構成要素（オブジェクト）毎に伝熱モデルを構築することができ、オブジェクト毎に機能を分散させることができる。
【００１６】
３Ｄ−ＣＡＤを用いた屋外熱環境シミュレーションにおいて伝熱計算を行うには、建物や地面などを全て面においてメッシュ化を行い、そのメッシュ（質点）一つ一つに、各部位に適切な要素伝熱モデルを割り当て、質点系伝熱モデルを作成する必要がある。専門知識のない一般の使用者が、各部位に合わせて適切な伝熱モデルを作成、選択し、メッシュ毎に割り当てるという作業を行うのは非常に困難である。しかし、オブジェクト毎に要素伝熱モデルを予め構築したものをデータベース化し、ユーザがその用意したオブジェクトを用いて設計を行うことで、質点系伝熱モデルを自動で生成することが可能となる。本発明は、３Ｄ−ＣＡＤソフトの機能としてのオブジェクトツールに、伝熱計算上の質点系伝熱モデルを組み込むことを特徴としている。
【００１７】
図３は本発明のデータベースの構成例を示しており、本発明のデータベースは、部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベース１０と、各部位や樹木、熱環境対策手法といったオブジェクトに対応する要素伝熱モデル（質点の配置の方法、計算式など）のデータベース２０と、伝熱モデルに必要となる材料の物性値などを格納している材料のデータベース３０との３つで構成されている。また、これらのデータベース１０，２０，３０は、それぞれ「建物」、「地面」、「樹木」によりデータベースの内容が異なる。「建物」は壁、屋根、ベランダ、窓、熱環境対策手法、その他に分けられ、各部位の形状などが再現された部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベースが用意される。要素伝熱モデルのデータベース２０には壁、屋根、ベランダ、窓には断面の仕様、表面材料の色が用意され、熱環境対策手法には熱環境対策手法毎の要素伝熱モデル（屋上緑化モデル、壁面緑化モデル等）が用意される。材料のデータベース３０には、材料の物性値や要素伝熱モデルに必要となる定数、パラメータなどが用意される。「地面」には、面の図形としてユーザが任意に描き、その図形に要素伝熱モデルのデータベースから断面構成や要素伝熱モデルを選択する。材料のデータベース３０は、建物同様物性値や要素伝熱モデルに必要となる定数、パラメータなどが用意される。「樹木」には、樹高、樹形、樹冠下高さなどを再現したオブジェクトが用意され、要素伝熱モデルのデータベース２０には樹木モデル（樹種、葉密度等）が用意されている。材料のデータベース３０には日射透過率などの情報が格納されている。
【００１８】
本発明では、オブジェクト指向型の汎用ＣＡＤソフトウェアであるVectorWorksを本技術の実用化の例として用いている。VectorWorksには、建築物の壁やベランダといった部位をオブジェクトとしてまとめたオブジェクトツールという機能がある。そのオブジェクトツールから質点系伝熱モデルが自動生成されるように、要素伝熱モデルのデータベース２０とオブジェクトツールを対応付けるコード化を行う。さらに、要素伝熱モデルのデータベース２０は材料のデータベース３０と対応付けられており、必要な物性値などを材料のデータベース３０から取り込む。具体的には、３Ｄ−ＣＡＤを用いた屋外熱環境シミュレーションツールにおいて、先ずオブジェクトツールから直接メッシュ化作業を行い、３次元メッシュモデルを生成する。この生成メッシュモデルの各々のメッシュに、オブジェクト固有の伝熱モデルの情報が格納されるように、前記３つのデータベース１０，２０，３０を連動させる。
【００１９】
このため、オブジェクト毎に予め伝熱モデルと対応付けられた情報（番号）を格納しておき、メッシュ化された段階で自動的に各々のメッシュに割り当てられるようにコード化を行う。例えば壁であれば、オブジェクトツールのオブジェクトには、壁に関する詳細な描画情報と伝熱モデルと対応付けるための情報を格納しておく。一方で、要素伝熱モデルのデータベース２０には壁の断面の仕様や表面材料の色などが用意され、ユーザは断面の仕様などに関しては変更することができる。さらに、材料のデータベース３０には、各材料の熱伝導率、容積比熱などの物性の情報が格納されている。これら３つのデータベース１０，２０，３０の情報が完全に対応付けられている。熱橋部位などについては、伝熱解析の専門知識のない使用者はそれらを特定し、ＣＡＤモデルとして質点系伝熱モデルを生成することはできないが、「柱」、「梁」といった設計情報として入力することで、前記３つのデータベース１０〜３０にも対応させることにより、適切な伝熱モデルを生成することができる。
【００２０】
図４は建物の質点系伝熱モデルの例を示しており、質点系伝熱モデルは複数の要素伝熱モデルの組合わせで作成され、各質点には部位毎の要素伝熱モデルが格納される。
【００２１】
図５は一例として壁面緑化を質点系伝熱モデル化する過程を示したものである。使用者は、部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベース１０より壁面緑化のオブジェクトを選択する。このとき、使用者は、緑化する面積、緑化する植物の種類、葉密度、外壁からの距離といったパラメータを選択・設定する。これらのパラメータは設計に必要なパラメータであるため、入力に専門的な知識を必要としない。屋上緑化のオブジェクトは、要素伝熱モデルのデータベース２０の壁面緑化の要素伝熱モデルに対応しており、使用者が設定した設計パラメータを計算パラメータに変換し、選択された条件に適合した要素伝熱モデルを完成させる。具体的には、植物の種類は葉の表面温度、葉密度は日射透過率、壁からの距離は外壁と壁面緑化の間にできる空気層の風速、気温といった計算パラメータに変換される（材料のデータベース３０に基づいて変換される）。
【００２２】
これらの計算パラメータを、要素伝熱モデルのデータベース２０の壁面緑化の要素伝熱モデルに入力することで、壁面緑化に覆われた壁面の表面温度を算出できる要素伝熱モデルが作成される。このようにして壁面緑化だけでなく各建築部位の要素伝熱モデルにより構成された質点系伝熱モデルが作成される。
【００２３】
なお、壁面緑化の要素伝熱モデルにおける壁面表面の熱収支は、下記数１に従って計算される。
【００２４】
【数１】
2006040095.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、３Ｄ−ＣＡＤを用いて屋外熱環境をシミュレーションするツールを使用者が用いる際、使用者が建物の伝熱解析に関する専門的な知識を有していなくても、予め登録されたオブジェクトツールからオブジェクトを選択するだけで、自動的に質点系伝熱モデルを構築することができる。
【００２６】
即ち、設計者などの一般のＣＡＤ使用者が設計行為の延長上で熱環境解析が可能となる方法を提案するものであるため、建築設計・都市計画分野、環境設計分野、建築CAD分野における利用可能性は高い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】３Ｄ−ＣＡＤを用いた屋外の熱環境シミュレーションツールの動作例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の全体的な流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明のデータベースの構成例を示す図である。
【図４】建物の質点系伝熱モデルの例を示す図である。
【図５】壁面緑化の質点系伝熱モデル生成の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０          部位・熱環境対策手法オブジェクトのデータベース
２０          要素伝熱モデルのデータベース
３０          材料のデータベース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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