(57)【要約】【課題】グルーピングすべき構成要素をコンピュータによって自動的に判断させた上で、有限要素による骨組構造解析を行い、精度のよい最適化設計結果を得る。【解決手段】強度部材が配設されるべき座標上の基線を特定し、要素部材と基線との位置関係からグループ化する要素部材を識別可能にして、個々の有限要素データに特別な識別タグを付すような手間暇を必要とする入力作業を必要とせず、基線の特定だけでグルーピング作業をコンピュータに実行させる。【選択図】図２
2008299385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素データに基づいて最適化演算を実行する最適化演算手段により骨組構造の最適化設計結果を得る骨組構造最適化設計装置であって、
強度部材が配設されるべき座標上の基線を特定する基線特定手段と、
要素部材と基線との位置関係から隣接する要素部材をグループ化するグループ化手段と、
当該グループ化手段によってグループ化された要素部材が同一断面形状に設定されるべき制約条件を設定する制約条件付与手段とを備え、
前記最適化演算手段は、制約条件付与手段が設定した制約条件を満たす骨組構造の最適化設計結果を得ることを特徴とする骨組構造最適化設計装置。
【請求項２】
前記グループ化手段は、要素部材が一の基線上にあるか否かを判別し、当該一の基線上にある要素部材の両端節点が、他の基線上にも存在する基線節点であるか否かを判別し、前記一の基線上の要素部材を順次繋げ、連続する要素部材の両端節点がそれぞれ基線節点であるとき、それらの要素部材をグループ化することを特徴とする、請求項１記載の骨組構造最適化設計装置。
【請求項３】
前記グループ化手段は、異なる座標軸方向の基線同士が交わる基線節点を順次求め、同一基線上の隣接基線節点間に配設される要素部材をグループ化することを特徴とする、請求項１記載の骨組構造最適化設計装置。
【請求項４】
前記骨組構造は複数の階層を有し、前記グループ化手段は、基線上における上下階層の隣接基線節点間に配設される柱部材をグループ化することを特徴とする、請求項２又は３記載の骨組構造最適化設計装置。
【請求項５】
前記骨組構造は、各端部が異なる基線上の要素部材にそれぞれ接続される補助部材を備え、前記グループ化手段は、当該補助部材が複数の要素部材で構成され、当該要素部材同士が接続される節点において、これらの接続要素部材が直線上に配列され、且つ、当該補助部材を構成する要素部材と異なる要素部材が接続されるとき、当該補助部材の構成要素部材をグループ化することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の骨組構造最適化設計装置。
【請求項６】
前記骨組構造は、基線上にない２本の補助部材を備え、当該２本の補助部材がそれらの中間部位で互いに接続されるとき、前記グループ化手段は、これらの補助部材がそれぞれ複数の要素部材で構成され、当該要素部材同士が接続される節点において、それぞれの補助部材の接続要素部材が直線上に配列されることを判別し、各要素部材を独立のグループとしてそれぞれグループ化することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の骨組構造最適化設計装置。
【請求項７】
前記骨組構造は、基線上にない２本の補助部材を備え、当該２本の補助部材がそれらの中間部位で互いに接続されるとき、前記グループ化手段は、これらの補助部材がそれぞれ複数の要素部材で構成され、当該要素部材同士が接続される節点において、それぞれの補助部材の接続要素部材が直線上に配列されることを判別して、各補助部材の構成要素部材をそれぞれグループ化することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の骨組構造最適化設計装置。
【請求項８】
コンピュータに、請求項１乃至７記載の骨組構造最適化設計装置として機能させるためのプログラム。
【請求項９】
コンピュータに、請求項１乃至７記載の骨組構造最適化設計装置として機能させるためのプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、骨組構造の最適化設計装置、並びに、コンピュータに骨組構造最適化設計装置として機能させるためのプログラム及び同プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関し、特に、大型設備を収容し、設置するための建屋や構造物の大規模鉄骨構造を有限要素法により最適化設計する場合に好適な設計装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学プラント設備や発電設備等、大型設備の機器据え付け用架台や建築物等には、高層で大規模な骨組構造が使用されている。これらの骨組構造物は、強度、剛性、耐震、耐久等の基本的な要求仕様を満たす一方、軽量化、低コスト化等の要求にも考慮した最適化設計が求められている。
大型構造物の骨組構造を最適化設計する方法として、従来、有限要素法による構造解析が行われており、電子計算機の演算処理能力の向上に伴って、節点数が膨大な数に昇っても（例えば、要素数で３０００乃至５０００点、或いはそれ以上）繰り返し演算結果を短時間に得ることができ、耐震や安全確保と同時に構造物の軽量化、低コスト化、短納期設計化等の厳しい要求に対して精度の高い最適化設計が可能になってきている。解析方法としても、例えば、特許文献１に開示される、一次近似二次モーメント法による確率・統計的手法を用いる方法、特許文献２に開示される、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いて最適解を探索していく方法、等により非線形最適解を短時間で得る方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１１７９６４号公報
【特許文献２】特開２００１−１３４６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のとおり、電子計算機の演算処理能力の向上に伴って、複雑な鉄骨構造や大規模骨組構造の解析が短時間に処理できるようになり、より精度の高い最適化設計が可能になってきたが、骨組構造を構成する全ての要素部材に対して最適化を行ってしまうため、例えば、基線上にある大梁や各階層を支える柱材が、節点を境に断面形状の異なる部材を最適設計してしまうという不都合が生じている。
【０００４】
図１４は、このような不都合な最適設計を例示しており、下層にある大梁Ａ及びＢは、本来であれば、基線節点n1, n3間及びn3, n5間でそれぞれ断面形状が一定の一つの部材で構成すべきところ、それらの中間位置である節点n2, n4において、上下階層の大梁間に配設される、補強部材の斜材m1, m2及び斜材m3, m4が接続されるために、各節点n2, n4を境にして、それぞれ２つの要素部材で最適化された結果、異なる断面形状をした梁部材Ａ１，Ａ２及び梁部材Ｂ１，Ｂ２で構成される演算結果が得られたものである。
【０００５】
このような最適化設計結果が得られると、施工上、要素部材同士の接続が困難であり、見た目が良くない等、明らかに不都合であると判断される場合が多い。このような場合、従来では最適化設計結果が得られた後に、設計者が、不都合が生じている箇所を手入力作業で、両要素部材を単一（同一）形状の部材に修正する必要があった。しかしながら、このような作業は時間と労力が掛かり、修正の見落とし等があるため、大規模骨組構造物になると、手作業による修正は実質的に不可能とされている。
【０００６】
上述のように断面形状を異なる部材で構成することが不都合な場合に、これらの部材を断面同一形状部材とすべく、すなわち、一つの構成部材で構成させるべく、手入力で予めグループ化すべき要素部材に特別なタグを付す等して、これらの要素部材をグルーピングして制限事項を付加することも考えられるが、大型骨組構造物になると、このような作業も非常に手間が掛かり、入力ミスを誘起させ、結局、最適化設計結果が得られた後に、設計者が設計結果の可否を入念に検討せざるを得なかった。巨大な骨組構造になるとこのような事前作業も実質的に不可能とされている。
【０００７】
現状では、コンピュータの演算能力の向上があったにも拘わらず、大規模骨組構造物においては、設計者の過去の設計データや経験、勘によって、斜材やブレースといった補助部材を構造解析から除外して最適化演算をさせている結果、満足な軽量化設計や資材コスト削減といった課題が解決されないままに放置されている。
本発明は、合理的な技術的思想に基づいてグルーピングすべき構成要素をコンピュータによって自動的に判断させた上で、有限要素による構造解析を行い、斜材やブレース等の補助部材を無視することなく、これらを構造解析に組み入れて精度のよい最適化設計結果を、時間と労力を掛けることなく短時間で得る、骨組構造最適化設計装置、並びに、コンピュータに骨組構造最適化設計装置として機能させるためのプログラム及び同プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の本発明の骨組構造最適化設計装置は、有限要素データに基づいて最適化演算を実行する最適化演算手段により骨組構造の最適化設計結果を得るものであって、強度部材が配設されるべき座標上の基線を特定する基線特定手段と、要素部材と基線との位置関係から隣接する要素部材をグループ化するグループ化手段と、当該グループ化手段によってグループ化された要素部材が同一断面形状に設定されるべき制約条件を設定する制約条件付与手段とを備え、前記最適化演算手段は、制約条件付与手段が設定した制約条件を満たす骨組構造の最適化設計結果を得ることを特徴とする。
【０００９】
グループ化手段が行うグルーピング作業としては、要素部材が一の基線上にあるか否かを判別し、当該一の基線上にある要素部材の両端節点が、他の基線上にも存在する基線節点であるか否かを判別し、前記一の基線上の要素部材を順次繋げ、連続する要素部材の両端節点がそれぞれ基線節点であるとき、それらの要素部材をグループ化することもできるし（請求項２）、異なる座標軸方向の基線同士が交わる基線節点を順次求め、同一基線上の隣接基線節点間に配設される要素部材をグループ化することもできる（請求項３）。
【００１０】
また、骨組構造が複数の階層を有するものにおいては、上下階層の基線を特定することによって、グループ化手段は、基線上における上下階層の隣接基線節点間に配設される柱部材をグループ化する（請求項４）。
小梁や間柱等の補助部材に係る要素部材のグループ化も実現され、請求項５の本発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の骨組構造最適化設計装置において、骨組構造が、各端部が異なる基線上の要素部材にそれぞれ接続される補助部材を備え、グループ化手段が、当該補助部材が複数の要素部材で構成され、当該要素部材同士が接続される節点において、これらの接続要素部材が直線上に配列され、且つ、当該補助部材を構成する要素部材と異なる要素部材が接続されるとき、当該補助部材の構成要素部材をグループ化することを特徴とする。
【００１１】
また、斜材等補助部材に係る要素部材のグループ化も実現され、請求項６の本発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の骨組構造最適化設計装置において、骨組構造が、基線上にない２本の補助部材を備え、当該２本の補助部材がそれらの中間部位で互いに接続されるとき、グループ化手段が、これらの補助部材がそれぞれ複数の要素部材で構成され、当該要素部材同士が接続される節点において、それぞれの補助部材の接続要素部材が直線上に配列されることを判別し、各要素部材を独立のグループとしてそれぞれグループ化することを特徴とする。
【００１２】
更にまた、斜材等補助部材に係る要素部材のグループ化も実現され、請求項７の本発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の骨組構造最適化設計装置において、骨組構造が、基線上にない２本の補助部材を備え、当該２本の補助部材がそれらの中間部位で互いに接続されるとき、グループ化手段が、これらの補助部材がそれぞれ複数の要素部材で構成され、当該要素部材同士が接続される節点において、それぞれの補助部材の接続要素部材が直線上に配列されることを判別して、各補助部材の構成要素部材をそれぞれグループ化することを特徴とする。
【００１３】
本発明は、コンピュータに、請求項１乃至７記載の骨組構造最適化設計装置として機能させるためのプログラムとしても実現され（請求項８）、また、同プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体としても実現される（請求項９）。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に依れば、基線特定手段によって強度部材が配設されるべき座標上の基線を特定しており、この基線に基づいて、強度部材を構成する要素部材を特定することができるとともに、要素部材と基線との位置関係からグループ化する要素部材を識別可能になる。従って、個々の有限要素データに特別な識別タグを付すような手間暇を必要とする入力作業を必要とせず、基線の特定だけでグルーピング作業をコンピュータに自動的に実行させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る骨組構造最適化設計装置等を、図面を参照して説明する。
まず、図１は、骨組構造最適化設計の対象となる、地上階層を含め３階層構造の骨組構造を例示するもので、理解を容易にするために、構成要素数が少ない構造のものを示すが、本発明は、実際には、要素数で少なくとも３０００乃至５０００個規模、或いはそれ以上の有限要素を備える骨組構造に好適に適用される。
【００１６】
図１に示す骨組構造は、梁や柱の構造部材がＸＹＺ直交座標の座標軸に平行するように配置されるものを示し、Ｘ軸及びＹ軸に平行して、強度部材としての大梁が、Ｚ軸に平行して、これも強度部材としての柱部材が示されている。そして、図１からも判るように、大梁や柱部材の強度部材は、座標上の軸線に沿って連なるように配置されている。
本発明は、補強部材の上述のような特性に着目して強度部材が配設されることになる軸線に沿う基準線を基線と呼ぶことにして、骨組構造の基本設計で設定される要素部材（有限要素）の内、基線上に配設される部材は、強度部材を構成する要素部材である、と定義して、ＸＹＺ直交座標のどの位置に基線が設定されているかをコンピュータ装置に教示することによって、要素部材と基線との位置関係から、強度部材であるか、補助部材であるかを識別させるものである。そして、強度部材同士が交わる接続点は、基線同士が交わる接続点でもあり、これを特に基線節点と呼ぶ。
【００１７】
図１には図示されないが大梁と大梁間、柱部材と柱部材間には、補助部材としての小梁や間柱が配設され、さらに補強部材（特に区別しな場合には、以下、この補強部材も補助部材と呼ぶ）としての斜材やブレースが大梁や柱部材、小梁、間柱に掛け渡される。補助部材が接続される部材は、それらの接続点（節点）で、複数の要素部材に分割され、周知のとおり、節点間の要素部材を単位（有限要素）として構造解析が行われる。
【００１８】
なお、図において、いずれの強度部材も太線で示し、小梁、間柱、斜材、ブレース等の補助部材を細線で示し、節点を黒丸点で示す（以下同様）。
上述の構造解析は、図２に示すコンピュータ装置（骨組構造最適化設計装置）１０によって実行される。コンピュータ装置１０は、その内部に中央演算回路（ＣＰＵ）１０ａを備えており、後述する解析プログラムを実行して骨組構造の最適化演算結果を得る。ＣＰＵ１０ａは、I/Oインターフェイス回路１０ｂを介して記憶装置１０ｃ、外部装置であるＣＤ読取装置１２、有限要素データ等をキー入力するためのキーボード１３、ＣＰＵ１０ａで実行された骨組構造の最適化設計結果を表示するモニタ装置１４、図示しない印刷装置等が接続されている。ＣＤ読取装置１２は、本発明に係る骨組構造最適化設計手順プログラムが記載され、コンピュータ装置１０によって読み取り可能なＣＤ記録媒体１２ａから当該プログラムを読み取り、I/Oインターフェイス回路１０ｂを介して記憶装置１０ｃに記憶させるものである。
【００１９】
ＣＰＵ１０ａは、記憶装置１０ｃに記憶される上記最適化設計手順プログラムに従って、詳細は後述するように、有限要素データ作成手段の機能（Ｓ１）、グループ化手段の機能（Ｓ２）、制約条件付与手段の機能（Ｓ３）、及び骨組構造最適化演算手段の機能（Ｓ４）を順次実現させて、最適化設計結果を得る。得た最適化設計結果は、モニタ装置１４に表示させ、必要に応じて印刷装置に印刷させることになる。
【００２０】
なお、上記骨組構造最適化設計手順プログラムをコンピュータ装置１０によって読み取り可能に記録する記憶媒体としては、上記ＣＤ記録媒体にかぎるものではなく、ＭＤ，ＤＶＤ等種々の記録媒体に記録するようにしてもよい。
以下、上記最適化設計手順の各ステップにおける演算処理内容を詳しく説明する。
（有限要素データの作成）
先ず、ステップＳ１において作成、準備される有限要素データは、有限要素法による骨組構造最適化解析に必要なデータの総てを意味し、採用する解析手法に応じて準備するデータが異なるので、特に限定するものではない。一般的には、構造解析すべき骨組構造の節点座標データ、骨組構造に加わる荷重データ、使用を予定する構造部材の形状、材料定数等の材料データ、節点境界条件、応力や歪み量等の規制条件等が含まれ、ＣＰＵ１０ａは、キーボード１３からのキー入力データ、骨組構造のＣＡＤデータ、記憶装置１０ｃに記憶されている過去の設計標準データ等に基づいて有限要素データを作成し、準備する。
【００２１】
（構成部材のグループ化）
次に、ステップＳ２において実行される、構成部材のグループ化手法（グループ化手段の実現）について、図３乃至図７に示す構造部材判別プログラムのフローチャートを参照しながら説明する。
（基線の特定）
グループ化手段の実現（Ｓ２）においては、先ず、骨組構造の節点座標データから、基線の特定が行われる（Ｓ２０）。
【００２２】
図８及び図９は、図１の骨組構造の一部を拡大して示す骨組図であり、便宜上、図１４と同じ符号を付して説明する。なお、図８は、図１に示す骨組構造の第２階層の骨組を示している。図８から判るように、この骨組構造の第２階層におけるＸ軸方向及びＹ軸方向に沿う大梁（強度部材）は、いずれも等間隔で配置されており、この場合、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿う基線も大梁に対応して同一の等間隔で特定すればよい。
【００２３】
通常、強度部材である大梁は、一定間隔で配置されることが多く、床材や梁材の標準的な規格寸法で決定される。このように大梁が標準割付配置に配置されるように設計される場合には、設計者がキーボード１３を操作して手入力で大梁の基線データを入力することに代えて、基線割付プログラムを組み込んで基線を座標上の所定間隔位置に割り付けるようにして、基線を特定するようにしてもよい。
【００２４】
しかしながら、例えば、図１０で示すような骨組構造を有する場合には、設計者がモニタ装置１４の画面を見ながら、キーボード１３から手入力で基線データを入力する。
図１０に示す骨組構造は、本発明の理解を容易にするために、図１に示す骨組構造とは異なる事例を示すものである。図１０において、同図に示す階層に配置される強度部材（大梁）について説明すると、基線Ｘ１乃至Ｘ３上には、大梁Ｂx1乃至Ｂx3が配置され、基線Ｙ１乃至Ｙ４には、大梁Ｂy1乃至Ｂy4が配置される。これらの大梁は、床材や梁材の標準的な規格寸法で決定される、通常間隔の基線上に配置されている。一方、大梁Ｂx3とＢx4間には、例えば大型の反応装置Ｒが配置されるために、大梁Ｂx3とＢx4の間隔は干渉を避けるために通常間隔より大に設定せざるを得ない。また、大梁Ｂy2は、大梁Ｂx3とＢx4間で反応装置Ｒと干渉するために、その間の配置は省略されている。このように、基線間隔は、支持する反応装置Ｒと梁材との干渉や、支持する装置による荷重状態等によって通常間隔を変更する必要がある。基線間隔を大きく設定せざるを得ない分、小梁Ｃm1が大梁Ｂy1とＢy3間に介装され、適宜斜材Ｂt1乃至Ｂt8が補強部材として配設され、大梁Ｂx3及びＢy3に掛かる荷重を分散させ、剛性を高めている。
【００２５】
このような構成部材の配置に対し、基線Ｘ１乃至Ｘ４及び基線Ｙ１乃至Ｙ４の位置を特定することにより、これらの基線上に配置される部材が強度部材としての大梁であることをコンピュータ装置１０に教示することができる。一方、小梁Ｃm1が配置される位置には、基線が割り付けられないので、この位置に配置される部材は、大梁ではなく、小梁であることが判る。
【００２６】
図９に戻り、Ｚ軸方向についても基線の特定が行われる。同図に示す骨組構造の柱部材は、図１から明白なように、Ｘ軸方向に等間隔に配置されてはいないために、一般的には、設計者の手入力によりＺ軸方向の基線を特定する必要がある。しかしながら、柱部材の場合には、強度部材としての柱であっても、補助部材の間柱であっても、いずれの場合も同一形状の部材であることが望ましく、プログラム上、柱部材が配置される位置に、基線を自動的に割り付けるようにしてもよい。
【００２７】
なお、図１１に示す事例の骨組構造の場合には、柱Ｃz1及びＣz2は、Ｚ軸方向における基線上の部材として、強度部材と判断される。しかし、間柱Ｃzaは、基線上には配置されないものとして扱えば（間柱Ｃzaの位置に基線を設定しない）、補強部材として扱うことができる。
このようにして、ステップＳ２０においては、総ての階層の基線（Ｘ、Ｙ軸方向）の割り付け（特定）が行われ、同時に各垂直断面におけるＺ軸方向の基線の割り付けが行われる。
（基線上の部材のグループ化）
次いで、骨組構造の構造設計上最も重要な強度部材（大梁、柱）のグループ化が実施される（ステップＳ２２）。
【００２８】
強度部材の配置は、構造基本設計の段階で、既に決定されてはいるが、有限要素データとして与えられるＣＰＵ１０ａにとっては、どの要素部材が強度部材であり、どの要素部材とグループ化すべきか、は各要素部材に特別なタグを付与する等をしない限り、その判別は難しい。各要素部材に特別なタグを付与することは、前述したとおり、大規模骨組構造になると実質的に不可能である。本発明のグループ化手段は、ステップＳ２０において基線を特定するだけで、要素部材と基線との位置関係から、強度部材を構成する要素部材（隣接する要素部材）のグループ化判断を行っている。以下、その詳細を説明する。
【００２９】
図４は、基線上の部材、すなわち強度部材に関し、その強度部材を構成する要素部材をグループ化すべきか否かを判別する手順を示す。
ＣＰＵ１０ａは、先ず、骨組構造の総ての要素部材についてそれぞれ基線上に位置しているか否かを判別し（Ｓ２２１）、当該要素部材が基線上に位置していなければ、ステップＳ２２８において、チェックすべき次の要素部材が残っているか否かを確認し、順次ステップＳ２２１を実行する。
【００３０】
そして、ステップＳ２２１において、要素部材が基線上に位置していると判別されると、当該要素部材の両端節点は、基線節点であるか否かを判別する（Ｓ２２２）。判別結果が肯定、すなわち、当該要素部材の両端が基線節点である場合には、この強度部材である要素部材には、他の補助部材（小梁、斜材等）が接続されず、グループ化すべき他の要素部材も接続されていないので、グループ化の必要がないと判断して次の部材の判別に移る。
【００３１】
ステップＳ２２２において、要素部材の節点が基線節点でない場合、基線節点でない側の節点に接続される要素部材をグループ化したとき、グループ化した要素部材の両端節点が基線節点であるか否かを判別する（Ｓ２２３）。この場合、要素部材を２つ接続してその両端節点が基線節点であるか判別するものであるが、両端が基線節点でない場合には更に要素部材を接続して、両端が基線節点であることが確認できるまで判別し（Ｓ２２４）、これらの要素部材を同一のグループとして記憶、設定する（Ｓ２２５）。なお、要素部材を幾ら接続しても両端が基線節点であることが確認できなければ、それば異状であり、しかるべき表示等を出力してプログラムを停止する（Ｓ２２６）。
【００３２】
斯くして、基線上にある総ての部材のグループ化が実行され、総ての要素部材の判別が終了すると、当該プログラムを終了して図３のステップＳ２３に進む。
上述したグループ化判別方法は、図５に示す別の判別形態でも実現可能である。すなわち、この判別プログラムでも骨組構造の基線上にある総ての部材のグループ化の要否が判別される（Ｓ２２ａ、Ｓ２２ｄ）。具体的には、先ず、ステップＳ２２ａにおいて、一の要素部材が基線上にあるか否かを判別し、当該要素部材が基線上にあれば、当該要素部材の両側に存在するであろう基線節点（隣接基線節点）を探索する（Ｓ２２ｂ）。これは、一の基線と、これと交差する異なる座標軸方向の基線との交点（基線節点）を順次求めることを意味する。次いで、当該同一基線上に存在し、且つ、探索した隣接基線節点間に配設される要素部材をグループ化し、強度部材（大梁や柱）を構成する総ての構成要素を同一のグループとして設定、記憶する（Ｓ２２ｃ）。このようなグループ化判別方法であっても、図４に示す方法と同じ結果が得られる。
【００３３】
図４又は図５のグループ化プログラムの実行でグループ化される要素部材の具体例に基づいて説明すると、図１、図８及び図９に示す骨組構造において、節点ｎ１、ｎ３，ｎ５は、異なる座標軸方向の基線同士が交わる基線節点であり、同一基線上にある要素部材Ａ１，Ａ２、並びに要素部材Ｂ１，Ｂ２は、いずれもこれらを接続した両端節点が上記基線節点であるから、大梁Ａを構成する要素部材Ａ１，Ａ２、並びに大梁Ｂを構成する要素部材Ｂ１，Ｂ２は、いずれもグループ化されることになる。後述するとおり、これらの要素部材Ａ１，Ａ２、並びにＢ１，Ｂ２は、グループ化による規制によって、断面形状が同一になるように最適化されることになる。
【００３４】
また、別の具体的事例を、図１０を参照して説明すると、基線Ｘ１乃至Ｘ３と、基線Ｙ１乃至Ｙ４の各基線同士が交わる基線節点は、節点ｎ11、節点ｎ33等がこれに当たる。小梁Ｃm1は、基線上に配置されていないので、小梁Ｃm1上の節点ｎ2a1乃至ｎ2a3は、基線節点に該当しない。そして、例えば、基線Ｙ１上には、基線節点として、節点ｎ11、ｎ21、ｎ31、ｎ41があり、互いに隣接する基線節点ｎ11、ｎ21間の部材、基線節点ｎ21、ｎ31間の部材、基線節点ｎ31、ｎ41間の部材は、それぞれ同一グループとしてグループ化される。
【００３５】
基線節点ｎ21、ｎ31間には、小梁Ｃm1が接続される節点ｎ2a1が存在するが、上述したとおり、節点ｎ2a1は基線節点と見なされないので、基線節点ｎ21、ｎ31間の部材、すなわち、節点ｎ21、ｎ2a1間の要素部材、及び節点ｎ2a1、ｎ31間の要素部材がグループ化されることになり、後述するとおり、これらの要素部材は、グループ化による規制によって、断面形状が同一になるように最適化されることになる。
（小梁のグループ化）
次いで、ＣＰＵ１０ａは、図３のステップＳ２３における判別を実行した後、小梁についてのグループ化判別を実行する（Ｓ２４）。
【００３６】
ステップＳ２３での判別は、部材が小梁か、間柱か、或いはそれ以外の斜材であるかを判別するもので、基線上の強度部材は既に判別が終わっていてそれらの部材は除かれているので、部材がＸ軸或いはＹ軸に対して平行に配設されているか否かで、小梁に係わる要素部材を分離判別することができ、Ｚ軸に対して平行であれば、間柱に係わる要素部材であることが判る。そして、ＸＹＺ軸のいずれにも平行するものでなければ斜材に係わる要素部材であると判別することができる。ＣＰＵ１０ａは、優先順位の高い小梁に係わる要素部材を選別してステップＳ２４に進む。
【００３７】
図６は、小梁の内、グループ化すべき部材を判別する手順を示し、ステップＳ２４ａでは、判別する要素部材に別の要素部材が接続されているか否かを判別する。要素部材が接続されていない場合には、当該要素部材についてグループ化する必要がなく、この判別プログラムを終了させ、再び上述のステップＳ２３に戻り、別の要素部材についてグループ化の判別を繰り返す。
【００３８】
ステップＳ２４ａにおいて、一の要素部材に他の要素部材が接続されている場合には、これらの要素部材が節点において直角に接続されているかを判別する（Ｓ２４ｂ）。他の要素と直角に接続されている場合には、これらの要素部材はグループ化するべきものではないと判断する（Ｓ２４ｂにおける判別結果が肯定(Yes)の場合）。
具体例を、図１１に示す骨組構造を参照して説明すれば、小梁Ｃm3は間柱Ｃzaと接続されているが、これらは節点で直角に接続されており、ステップＳ２４ｂの判別の結果、小梁Ｃm3の要素部材は、間柱Ｃzaの要素部材とグループ化すべきでない、と判断されることになる。
【００３９】
ステップＳ２４ｂにおいて、肯定(Yes)の場合には、ステップＳ２４ｄおいて、当該一の要素部材に別の他の要素部材が接続されているか判別してステップＳ２４ｂに戻る。別の他の要素部材が接続されていない場合には、この判別プログラムを終了させる。
当該一の要素部材に接続される要素が節点で直角に接続されない場合（Ｓ２４ｂの判別結果が否定(NO)の場合）、次に、２つの要素部材が節点において実質的に直線上に配列されているかを判別する（Ｓ２４ｃ）。この判別は、２つの要素部材がなす角（交角）が実質的に０°と見なすことができる、予め設定した微小角度δ（例えば、３乃至５°）以下であるか否かによって判別することができる。
【００４０】
節点において、実質的に直線上に接続される２つの要素部材は、この節点で別の要素部材を接続させていることを意味する。このように判別された２つの要素部材は、小梁であることを意味し、且つ、グループ化すべきことを意味する。従って、ステップＳ２４ｄにおいて判別結果が肯定(Yes)の場合には、ステップＳ２４ｅにおいて、当該２つの要素部材を同一グループに設定し、記憶する。
【００４１】
具体例を、図１０に示す骨組構造を参照して説明すれば、小梁Ｃm1は、節点ｎ2a1とｎ2a2間に配設され、節点ｎ2a1aにおいて接続される２つの要素部材で構成され、これらの要素部材は節点ｎ2a1aにおいて実質的に同一直線上に配列されて接続されている。従って、小梁Ｃm1の２つの要素部材はグループ化される。節点ｎ2a1aにおいて小梁Ｃm1の要素部材は、斜材Ｂt3及びＢt4とも接続されるが、これらの要素部材に対しては、ステップＳ２４ｃにおける判別でグループ化が否定される。
【００４２】
斯くして、図１０に示すような小梁Ｃm1であって、途中節点において斜材等と接続される場合、小梁Ｃm1を構成する要素部材は、このような判別によってＣＰＵ１０ａによってグループ化される。
図７は、図３のステップＳ２３において、要素部材が斜材に係わる要素部材であると判別された場合に実行される判別プログラムを示している。
【００４３】
ＣＰＵ１０ａは、先ず、斜材に係わる一の要素部材に他の要素が接続されているか否かを判別し（Ｓ２６ａ）、その判別結果が否定(NO)の場合（当該一の要素部材に接続される要素部材がない）、グループ化すべき要素がないので、当該プログラムを終了させる。図１０において、斜材Ｂt1及びＢt2は、いずれも単独の要素部材からなり、他の要素が接続されないので、これらの斜材Ｂt1及びＢt2にはいずれもグループ化すべき要素はないと判断される。
【００４４】
ステップＳ２６ａにおいて、当該一の要素部材に他の要素が接続されていると判断されると、ステップＳ２６ｂが実行され、２つの要素の節点に別の斜材が接続されているか判別される。
図１０に示す骨組構造は、２つの斜材Ｂt7及びＢt8を備えており、これらの斜材は節点ｎ3a3aにおいて互いに接続されている。従って、このような斜材の場合には、ステップＳ２６ｂにおける判別結果は肯定(Yes)となり、斜材Ｂt7及びＢt8を構成する４つの要素部材は、それぞれ独立の要素部材として、各要素部材を独立のグループに設定して記憶する（Ｓ２６ｃ）。図１０からも明白なように、２つの組の斜材Ｂt7及びＢt8を接続するとき、節点ｎ3a3aを対称点にして接続され、これらには均等の荷重や応力が掛かることが多いと予測さるので、これらの要素部材は、同一断面形状の部材で構成すべきであるが、４つの要素をグループ化しなくとも、最適化演算で同一断面形状となる演算結果が得られることが経験上判っており、演算処理の負荷軽減のため、このような処理を行う。
【００４５】
ステップＳ２６ｂにおける判別結果が否定(No)の場合、すなわち、当該斜材部材に対し、図１２に示すような、例えば小梁のような部材が接続された場合、斜材部材を構成する要素部材をグループ化して同一断面形状の部材で構成させる。
次に、ステップＳ２３（図３）において部材が、図１１に示すような間柱Ｃzaに係わる部材であると判別された場合、ＣＰＵ１０ａは、間柱Ｃzaを構成する総ての要素部材（隣接する上下の基線節点間に配置される要素部材で構成される）を探索してこれらの要素部材を同一グループに設定し、記憶する（Ｓ２５）。結局、柱部材及び間柱はいずれも、要素部材をグループ化して同一断面形状の部材で構成させる。
【００４６】
図３のプログラム実行において、総ての部材のグループ化判別が終了した場合には、当該プログラムを終了させる（Ｓ２８）。
本発明に依れば、設計者は、従来と比較して基線を特定するデータを手入力するだけで済み、ＣＰＵ１０ａは、上述のようにして、要素部材と基線の位置関係から、合理的な技術思想に基づいて予め設定した判別プログラムに従って自動的に要素部材のグループ化判別を行うことができる。
【００４７】
（制約条件付与と最適化演算）
要素部材のグループ化が完了すると、ＣＰＵ１０ａは、最適化設計演算によってグループ化された要素部材の総てが同一の断面形状となるように、要素部材間の各節点において断面形状に関する制約条件を設定する（図２のステップＳ３）。そして、このような制約条件の下で、有限要素法による最適化設計演算を、所望の目的関数値が得られるまで繰り返し実行する（Ｓ４）。
【００４８】
なお、本発明の要素部材のグループ化手法が組み込まれた、有限要素法による骨組構造解析方法としては、種々の解析方法が適用でき、特に限定されるものではないが、前述した特許文献１や２に記載される従来公知の、一次近似二次モーメント法による確率・統計的手法を用いる方法、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いて最適解を探索していく方法、等でもよく、市販の鉄骨構造解析システムの解析方法がひろく適用可能である。
【００４９】
また、制約条件を付与する方法としては、適用する構造解析方法に適合するものであれば特に限定するものではなく、従来の方法と変わることはない。
また、最適化設計演算における目的関数についても、要求仕様等に応じて種々考えられ、これについても特に限定しないが、例えば、骨組構造の変位量と使用鋼材重量等であってもよい。
【００５０】
図１３は、図１に示す同じ骨組構造であるにも拘わらず、本発明の要素部材のグループ化を実行した結果、大梁Ａ，Ｂを構成する基線節点n1, n3間の要素部材Ａ１，Ａ２、及び基線節点n3, n5間の要素部材Ｂ１，Ｂ２は、断面形状が一定の部材で最適化解を得ており、図１４に示す、グループ化を実施せずに行った最適化解に比較すると、本発明に係るグループ化プログラムを組み込んだ骨組構造最適化設計装置によって、所期の効果が得られたことを確かめることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】骨組構造最適化設計の対象となる、地上階層を含め３階層構造の骨組構造の斜視図。
【図２】骨組構造最適化設計の演算を実行するコンピュータ装置（骨組構造最適化設計装置）の概略構成を示すブロック図。
【図３】図２のコンピュータ装置１０が実行する構造部材判別プログラムのフローチャート。
【図４】基線上の強度部材を構成する要素部材をグループ化すべきか否かを判別する手順を示すフローチャート。
【図５】基線上の強度部材を構成する要素部材をグループ化すべきか否かを判別する手順を示す、図４の態様と異なるフローチャート。
【図６】小梁の内、グループ化すべき部材を判別する手順を示すフローチャート。
【図７】斜材に係わる要素部材の、グループ化すべき部材を判別する手順を示すフローチャート。
【図８】図１に示す骨組構造の第２階層の骨組を、一部を拡大して示す平面骨組図。
【図９】図１の骨組構造の一部を拡大して示す立面骨組図。
【図１０】本発明のグループ化判別の理解のために例示した図１とは異なる骨組構造の一部を示す骨組平面図。
【図１１】本発明のグループ化判別の理解のために例示した図１とは異なるまた別の骨組構造の一部を示す骨組立面図。
【図１２】本発明のグループ化判別の理解のために例示した図１とは異なる更に別の骨組構造の一部を示す骨組平面図。
【図１３】本発明のグループ化判別により要素部材をグループ化して最適化構造解析結果を示す骨組構造部分斜視図。
【図１４】要素部材をグループ化せずに、図１３と同じ有限要素法による最適化構造解析を行った場合の解析結果を示す骨組構造部分斜視図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０    コンピュータ装置（骨組構造最適化設計装置）
１０ａ  中央演算装置（ＣＰＵ）
１２ａ  ＣＤ記録媒体
Ｓ１    有限要素データ作成手段
Ｓ２    グループ化手段
Ｓ３    制約条件付与手段
Ｓ４    最適化演算手段
Ｓ２０  基線特定手段
【図１】
2008299385.tif 000003
【図２】
2008299385.tif 000004
【図３】
2008299385.tif 000005
【図４】
2008299385.tif 000006
【図５】
2008299385.tif 000007
【図６】
2008299385.tif 000008
【図７】
2008299385.tif 000009
【図８】
2008299385.tif 000010
【図９】
2008299385.tif 000011
【図１０】
2008299385.tif 000012
【図１１】
2008299385.tif 000013
【図１２】
2008299385.tif 000014
【図１３】
2008299385.tif 000015
【図１４】
2008299385.tif 000016