(57)【要約】【課題】掘削工事作業の前後関係を判断して、掘削領域の各工程毎の完成形状を自動的に生成することができる掘削工事の３次元表示装置を提供する。【解決手段】掘削するべき領域を定義する掘削領域定義手段と、掘削するべき領域を複数の小領域に分割する領域分割手段と、複数の小領域に対して掘削順を定義する掘削順定義手段と、小領域を掘削順に掘削する場合に必要な掘削底面に付随する法面を小領域のそれぞれに対して生成する法面生成手段と、小領域の掘削底面と法面とからなる掘削形状を掘削順に表示する掘削形状表示手段とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削するべき領域を定義する掘削領域定義手段と、
前記掘削するべき領域を複数の小領域に分割する領域分割手段と、
前記複数の小領域に対して掘削順を定義する掘削順定義手段と、
前記小領域を前記掘削順に掘削する場合に必要な掘削底面に付随する法面を前記小領域のそれぞれに対して生成する法面生成手段と、
前記小領域の前記掘削底面と前記法面とからなる掘削形状を前記掘削順に表示する掘削形状表示手段と
を備えたことを特徴とする掘削工事の３次元表示装置。
【請求項２】
掘削するべき領域を定義する掘削領域定義手段と、前記掘削するべき領域を複数の小領域に分割する領域分割手段と、前記複数の小領域に対して掘削順を定義する掘削順定義手段とを備える掘削工事の３次元表示装置上のコンピュータで動作する掘削工事表示プログラムであって、
前記小領域を前記掘削順に掘削する場合に必要な掘削底面に付随する法面を前記小領域のそれぞれに対して生成する法面生成ステップと、
前記小領域の前記掘削底面と前記法面とからなる掘削形状を前記掘削順に表示する掘削形状表示ステップと
をコンピュータに行わせることを特徴とする掘削工事表示プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削工事の進行状況を３次元表示する装置及び掘削工事表示プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、建設工事の作業工程を３次元で表示するシステムは多く存在している。これらはいずれも完成形の部材形状を手作業または自動的に生成し、各工程毎の完成形を時間軸上に並べて表示することで施工工程管理などを行うものである。例えば、建物を完成する部材の三次元データと作業手順を対応させることにより施工プロセスをリアルタイムで画面上に表示可能にするために、躯体三次元データと仮設三次元データに基づいて、躯体構築作業を実施するための必要な情報、すなわち作業リスト作成、部材ユニット化、部材・作業・資源関連付け、作業量および工数見積、サイクル工程編集、山均し、工程管理・変更、計画情報出力の処理を行い、この処理結果により、時間軸上に展開する作業の手順および場所と、その作業の対象となる構成材の状況を３次元表示する施工計画管理システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。完成形状が決まっている建物などの施工管理には十分利用可能なシステムである。
【特許文献１】特開平０７−２４７６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に示す施工計画管理システムにあっては、各工程毎の完成形を時間軸上に並べて表示するものであるため、地盤を掘削する工事の施工管理には使いづらいという問題がある。図１８に示すように、地盤を２つの領域（領域Ａと領域Ｂ）に分割して掘削を行うような場合、領域Ａを掘削した後に領域Ｂを掘削する場合と、領域Ｂを掘削した後に領域Ａを掘削する場合とでは、法面の向きが異なるため、工程の完成形状（掘削形状）自体が変わることになり、工程の順番が決まらないと各工程の完成形を定義することができないためである。
【０００４】
事前に立案した工事計画通りに工事が進むのであれば、事前の工事計画に基づいて、各工程毎の法面の向き（完成形状）を決定することができる。しかし、大規模な地盤掘削工事においては、複数の領域を同時に掘削しながら工事を進行させる場合などがあり、同時進行の工程間で工事の進捗度合いが異なってしまう事態が発生する。このような場合、工事計画を見直す必要があり、各掘削領域の掘削順番が変更になると、法面形状が当初の工事計画時のものとは異なってしまうため、工事計画の変更がある度に法面の向き（完成形状）を定義しなおさなければならず、多大な工数を必要とするという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、掘削工事作業の前後関係を判断して、掘削領域の各工程毎の完成形状を自動的に生成することができる掘削工事の３次元表示装置及び掘削工事表示プログラム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】
【０００６】
本発明は、掘削するべき領域を定義する掘削領域定義手段と、前記掘削するべき領域を複数の小領域に分割する領域分割手段と、前記複数の小領域に対して掘削順を定義する掘削順定義手段と、前記小領域を前記掘削順に掘削する場合に必要な掘削底面に付随する法面を前記小領域のそれぞれに対して生成する法面生成手段と、前記小領域の前記掘削底面と前記法面とからなる掘削形状を前記掘削順に表示する掘削形状表示手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明は、掘削するべき領域を定義する掘削領域定義手段と、前記掘削するべき領域を複数の小領域に分割する領域分割手段と、前記複数の小領域に対して掘削順を定義する掘削順定義手段とを備える掘削工事の３次元表示装置上のコンピュータで動作する掘削工事表示プログラムであって、前記小領域を前記掘削順に掘削する場合に必要な掘削底面に付随する法面を前記小領域のそれぞれに対して生成する法面生成ステップと、前記小領域の前記掘削底面と前記法面とからなる掘削形状を前記掘削順に表示する掘削形状表示ステップとをコンピュータに行わせることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、掘削領域は変わらないが作業の順序が前後するなど掘削工事の工程に変更が生じた場合に、３次元に掘削形状を自動的に求めて表示するようにしたため、容易に掘削工事の３次元可視化が可能になるという効果が得られる。また、毎日の工程打合せにおいて、進捗を反映させながら動的に掘削状況を可視化することが可能で、工程の検討・見直し、危険予測などを効率的に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態による３次元表示装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、パソコン等のコンピュータである。このコンピュータ１によって３次元表示装置を実現する。符号２は、キーボードやマウス等から構成する入力部である。符号３は、ディスプレイ装置等で構成する表示部である。符号４は、表示部３に表示した画像を印刷するプリンタである。符号５は、掘削領域データを記憶する領域データ記憶部である。符号１１は、入力部２における操作に基づいて、掘削領域の定義を行う領域定義部である。符号１２は、領域定義部１１において定義された掘削領域に法面を自動的に生成する法面生成部である。符号１３は、領域定義部１１において定義された掘削領域のデータと、法面生成部１２において生成された法面データとに基づいて、掘削形状（工程終了時の完成形状）を定義して、この定義された掘削形状データを表示部３またはプリンタ４へ出力する掘削形状表示部である。
【００１０】
次に、図２を参照して、図１に示す３次元表示装置の動作を説明する。図２は、図１に示す３次元表示装置の動作を示すフローチャートである。まず、作業者が入力部２から領域定義の操作を行うと、領域定義部１１は、表示部３に領域の寸法データを入力するように指示する。これを受けて、作業者は、入力部２から掘削領域の寸法データと掘削深さのデータを入力する（ステップＳ１）。領域定義部１１は、ここで入力されたデータを読取り、領域データ記憶部５に記憶する。
【００１１】
次に、作業者は、入力部２を操作して、掘削領域を小領域に分割する（ステップＳ２）。そして、作業者は、入力部２を操作して、分割した小領域に対して掘削する順番を定義する入力を行う（ステップＳ３）。ここで、図３を参照して、掘削領域、小領域、掘削順番の関係について説明する。掘削領域は、建物を建造するために掘削するべき領域のことである。小領域は、掘削領域を小さい領域に分割した領域のことであり、図３に示す例においては、掘削領域を小領域Ａと小領域Ｂに分割した例を示している。そして、掘削する順番は、初めに小領域Ａを掘削して、次に小領域Ｂを掘削することを定義したものである。なお、図３においては、土砂を搬出するためのスロープの位置も定義した例を示している。領域データ記憶部５には、図３に示す領域を特定することが可能なデータが記憶されることになる。
【００１２】
図２に戻り、次に、作業者が掘削形状を求める操作を行うと、法面生成部１２は、領域データ記憶部５に記憶されているデータを参照して、小領域の掘削順番に基づいて、各小領域を掘削する場合の掘削形状（完成形）を求める（ステップＳ４）。このとき、法面生成部１２は、各小領域の掘削底面に付随する法面を自動的に生成することにより掘削形状を求める。この掘削形状を求める詳細な動作は後述する。法面生成部１２は、ここで求めた掘削形状データを掘削形状記憶部６に記憶する。
【００１３】
次に、各小領域の掘削形状を求める処理が終了すると、掘削形状表示部１３は、掘削形状記憶部６に記憶されている掘削形状データを読み出して、表示部３に掘削形状（完成形）を３次元表示する（ステップＳ５）。そして、工事作業の工程に変更があった場合、ステップＳ２またはステップＳ３に戻り、作業者は、小領域の分割を再定義する、または掘削順を変更して、作業者が掘削形状を求める操作を行う。これを受けて、法面生成部１２は、変更に応じて、再度掘削形状を求める。これにより、工事作業の工程変更後の掘削形状が表示部３に表示されることになる。
【００１４】
次に、図４〜図１０を参照して、図２に示す掘削形状決定処理（ステップＳ４）の詳細動作を説明する。ここでは、処理動作の説明を簡単にするために、山留めは設けずにすべて４５度の法面を設け、根切は１段階のみとし、掘削領域の底面は２つの長方形の領域Ａ、Ｂで表現し、そのうち一方の領域Ｂに土砂搬出用のスロープを設ける（図４参照）ものとして説明する。作業手順として、作業前を時刻ｔ０、領域Ａの掘削の完了時を時刻ｔ１、領域Ｂの掘削の完了時を時刻ｔ２、スロープの撤去完了時を時刻ｔ３として説明する。なお、以下の説明において、「∧」は論理積、「∨」は論理和、「¬」は否定を意味する。
【００１５】
まず、時刻ｔ１における掘削形状を求める処理動作を説明する。時刻ｔ１では、領域Ａの掘削のみが有効であるから、領域Ａについてのみ掘削形状を求めればよい。まず、法面生成部１２は、掘削領域Ａの底面の４辺を求める。これにより、４つの線分が得られることになる。そして、それぞれの線分について、次の（１）〜（３）の条件を満たす平面を求める。
【００１６】
条件（１）：求めた線分を含む。条件（２）：法線ベクトルと鉛直上向きベクトルとのなす角が４５度である。条件（３）：法線ベクトルが底面領域の内側を向いている。この平面は一意に決定できる。これによって、線分の数と同じ数の平面が求められる。
【００１７】
次に、法面生成部１２は、掘削領域Ａの底面と条件（１）〜（３）を満たす平面との５つの平面の上方の領域（半空間）をそれぞれＶｎ（ｎは０〜４）として、領域Ａの掘削形状Ｖａを求める。領域Ａの掘削形状Ｖａは、
Ｖａ  ＝  Ｖ０  ∧  Ｖ１  ∧  Ｖ２  ∧  Ｖ３  ∧  Ｖ４
で表され、台形をひっくり返したような形状になる（図５参照）。これが時刻ｔ１における領域Ａの掘削しなければならない形状である。法面生成部１２は、求めた領域Ａの掘削形状データを掘削形状記憶部６に記憶する。ここで、領域Ａの掘削形状Ｖａなどは空間を示すと同時に、論理演算においては、その空間に含まれる点の集合として表している。
【００１８】
次に、時刻ｔ２における掘削形状を求める処理動作を説明する。時刻ｔ２では領域Ａ、Ｂが掘削されるが、スロープが保存されている状態である。まず、法面生成部１２は、領域Ａについて、前述した処理動作と同様に掘削形状Ｖａを求める。そして、法面生成部１２は、領域Ｂについても領域Ａと同様に、掘削底面の４辺について法面を求め、逆台形の掘削形状Ｖｂを求め、求めた掘削形状データを掘削形状記憶部６に記憶する。この時点で掘削形状ＶａとＶｂの重複は考慮しない（図６参照）。
【００１９】
一方、保存されるスロープは掘削とは条件が異なり、スロープ上面の各辺について、法面生成部１２は、次の条件（４）〜（６）を満たす平面を求める。条件（４）：求めた線分を含む。条件（５）：法線ベクトルと鉛直上向きベクトルとのなす角が４５度である。条件（６）：法線ベクトルが上面領域の外側を向いている。このスロープの範囲は掘削してはならない範囲であるので、掘削してもよい範囲は、これらの上方の半空間の論理和で表すことができる。スロープ上面、および法面の上方空間をＶｎ（ｎは０〜４）とすれば、スロープで保存される部分以外の空間領域Ｖｓは、
Ｖｓ  ＝  ¬（Ｖ０  ∧  Ｖ１  ∧  Ｖ２  ∧  Ｖ３  ∧  Ｖ４）
＝  Ｖ０  ∨  Ｖ１  ∨  Ｖ２  ∨  Ｖ３  ∨  Ｖ４
で表すことができる（図７に示す台形の外側の空間）。
【００２０】
掘削しなくてはならない空間（Ｖａ、Ｖｂ）、および保存しなくてはならない空間（Ｖｓ）が求められたことになるため、法面生成部１２は、この時点の掘削形状Ｖを
Ｖ  ＝  （Ｖａ  ∨  Ｖｂ）  ∧  （Ｖｓ）
によって求める。図８に、掘削形状Ｖの形状の断面を示す。掘削しなければならない空間がＶｃ、Ｖｄ、…のように多数存在し、スロープが複数存在する場合（Ｖｓ１、Ｖｓ２、Ｖｓ３、…）は、同様に処理すればよく、掘削形状Ｖは、
Ｖ  ＝  （Ｖａ  ∨  Ｖｂ  ∨  Ｖｃ  ∨  Ｖｄ  ∨  …）
∧  Ｖｓ１
∧  Ｖｓ２
∧  Ｖｓ３
∧  …                              （式１）
によって求めればよい。
【００２１】
時刻ｔ０〜ｔ２においては、スロープはまだ取り除かれていないので、演算に含むべき有効な対象である。時刻ｔ２における処理動作で説明したように、スロープは保存される領域として論理演算に使われるため、時刻ｔ１においても有効であり、計算に含める必要がある。通常は地盤面の下に設定されるため時刻ｔ１ではあえて説明しなかったが、論理的にはスロープは存在し、時刻ｔ１においては有効な対象物として領域Ａの掘削と同時に、保存されているスロープを考慮しなくてはならない。結果的に時刻ｔ２で行う処理と全く同じ処理を時刻ｔ１でも行うことになる。すなわち、式１を適用すればよい。
【００２２】
次に、時刻ｔ０、時刻ｔ３における掘削形状を求める処理動作を説明する。時刻ｔ０、時刻ｔ３についても時刻ｔ２の処理と同じことをすればよい。すなわち、時刻ｔ０においては、有効な対象物は保存されるべきスロープのみであり、地盤面の下に設定されている場合は、結果的に掘削前の地盤面（つまり掘削領域は無し）に一致する。時刻ｔ３においては、有効な対象物は領域Ａ、Ｂの掘削のみであり、両者を合わせた大きな逆台形（Ｖａ∨Ｖｂ）が結果になる。これらは、いずれも式１に一致する。
【００２３】
以上の処理動作によって、掘削形状記憶部６には、各時刻（ｔ０〜ｔ３）における掘削形状の完成形の形状データ記憶されることになる。掘削形状表示部１３は、掘削形状記憶部６に記憶されている形状データを読み出して、表示部３に表示することにより、各時刻における掘削工事の完成形が表示部３に表示されることになる。
【００２４】
なお、根切が多段階になっている場合も、全く同じ処理が可能である。平面的に重なっていても、二次根切の底面は一次根切よりも下（つまり後工程）にあるため、二次根切の掘削領域が有効になる時刻には、前工程の一次根切はすでに有効になっており、式１で表すことができる（図９参照）。
【００２５】
また前述した説明では、簡単のため法面の勾配を４５度としたが、これは実際には地盤の性状や山留めの設置状況で決まるものである。この値は通常、４５度程度から鉛直（山留め壁を設置する場合や極めて硬い地盤の場合）までの範囲をとる。９０度を超える場合、つまり、ハングオーバーしている場合は、前述した処理の「平面の上方」という部分を「平面の、多角形の内向き方向」と置き換えればよい（図１０参照）。
【００２６】
また、掘削領域やスロープ上面の形状が凸多角形の場合は、前述した処理を行えばよいが、凸多角形でない場合（内角が１８０度を超えるものが１つでも存在する場合）は、辺を含む平面の上方空間の論理積が正しい解にならないため、あらかじめ凸多角形に分割してから、それぞれについて前述の処理を適用すればよい。
【００２７】
なお、対象が通常の地盤面であり、ハングオーバーを考慮する必要がない場合は、処理を簡略化するようにしてもよい。すなわち、平面座標（ｘ、ｙ）を式１のＶａ、Ｖｂ、…、Ｖｓ１、Ｖｓ２、…を構成する平面の式に代入してｚ座標を得ることで、地盤面の（ｘ、ｙ、ｚ）を生成すれば処理を簡単にすることができる。この場合、保存すべき領域と掘削すべき領域とを考慮し、
Ｖａを構成する平面に（ｘ、ｙ）を代入したときの、最大ｚ座標ｚａ、
Ｖｂを構成する平面に（ｘ、ｙ）を代入したときの、最大ｚ座標ｚｂ、
Ｖｃを構成する平面に（ｘ、ｙ）を代入したときの、最大ｚ座標ｚｃ、
…
Ｖｓ１を構成する平面に（ｘ、ｙ）を代入したときの、最小ｚ座標ｚｓ１、
Ｖｓ２を構成する平面に（ｘ、ｙ）を代入したときの、最小ｚ座標ｚｓ２、
Ｖｓ３を構成する平面に（ｘ、ｙ）を代入したときの、最小ｚ座標ｚｓ３、
…
をそれぞれ求め、ｚａ、ｚｂ、ｚｃ、…の最小値と、ｚｓ１、ｚｓ２、ｚｓ３、…の最大値のうち、大きいほうを採用すればよい。これは式１を代数的に処理したものである。
【００２８】
次に、図１１〜図１７を参照して、具体例を挙げて処理動作を説明する。図１２〜図１７に示す例は、図１１に示すように、建物を建てる空間を確保するために、掘削底面の深さは−１０ｍである。初期状態（水平な地盤面）をＳＴＥＰ０とし、４５度の法面を周囲に設け−１０ｍ掘削した状態がＳＴＥＰ５である。また、掘削する部分と保存する部分とが並存する場合を示すため、掘削領域の中央部分に正方形の島（上面が−５ｍ）を残す工程を例として示した。図１２〜図１４に示す（ａ）〜（ｆ）が第１の工程である。図１５〜図１７に示す（ｇ）〜（ｌ）は、第１の工程を変形（掘削順序の変更）した第２の工程である。第１の工程と第２の工程は、ＳＴＥＰ２の状態（ｃ）、（ｉ）が異なるが、掘削領域の変更はしておらず、左半分の−１０ｍまでの掘削と、右半分の−５ｍまでの掘削の順序を入れ替えたものである。これらの図に示すように、掘削順序が変更になった場合であっても掘削形状を自動的に求めることが可能であるため、容易に工程変更後の掘削形状（完成形）を得ることが可能となる。
【００２９】
このように、掘削工事作業の前後関係を判断して、掘削領域の形状を自動的に生成するようにしたため、容易に掘削工事における各工程後の掘削形状（完成形）を得ることが可能にあり、工事の進捗管理を効率的に行うことができる。また、掘削領域（平面に投影した多角形）とそれぞれの掘削時期を定義しておき、３次元化する時点で掘削が完了した領域を集め、それらについて、地盤特性から得られる適正な法面勾配を勘案して掘削領域（空間領域）を生成するようにしたため、簡単なコンピュータ演算処理によって実現可能となる。また、掘削工事の特性上、掘削する領域と、搬出車両用スロープなどの保存領域の両者を満足する形状を作る必要があるが、掘削領域底面、保存領域の表面、それぞれの法面を平面で表現し、これらで規定される半空間の論理演算の結果として、最終的な形状を決定ようにしたため、スロープなどの一時的な保存領域が存在する場合でも容易に掘削形状を得ることが可能となる。これにより、ある時点で生成されえる地盤面を、時刻を変化させながら、時間軸に沿って並べることで掘削工事の工程を３次元表示することが可能となる。
【００３０】
なお、図１における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより掘削形状を求め表示する処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００３１】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す３次元表示装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】掘削領域、小領域、掘削順番の関係を示す説明図である。
【図４】図１に示す法面生成部１２の詳細動作を示す説明図である。
【図５】図１に示す法面生成部１２の詳細動作を示す説明図である。
【図６】図１に示す法面生成部１２の詳細動作を示す説明図である。
【図７】図１に示す法面生成部１２の詳細動作を示す説明図である。
【図８】図１に示す法面生成部１２の詳細動作を示す説明図である。
【図９】図１に示す法面生成部１２の詳細動作を示す説明図である。
【図１０】図１に示す法面生成部１２の詳細動作を示す説明図である。
【図１１】具体例を挙げて処理動作を示した説明図である。
【図１２】具体例（第１の工程）を挙げて処理動作を示した説明図である。
【図１３】具体例（第１の工程）を挙げて処理動作を示した説明図である。
【図１４】具体例（第１の工程）を挙げて処理動作を示した説明図である。
【図１５】具体例（第２の工程）挙げて処理動作を示した説明図である。
【図１６】具体例（第２の工程）を挙げて処理動作を示した説明図である。
【図１７】具体例（第２の工程）を挙げて処理動作を示した説明図である。
【図１８】地盤を２つの領域に分割して掘削を行う場合、掘削する順番により法面の向きが異なることを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・コンピュータ（３次元表示装置）、１１・・・領域定義部、１２・・・法面生成部、１３・・・掘削形状表示部、２・・・入力部、３・・・表示部、４・・・プリンタ、５・・・領域データ記憶部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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