建築CFDコンソーシアム・ICSCPHPCI計画推進委員会 ポスト「京」の利活用促進・成果創出加速に関するWG発表資料

HPCIの利活用事例紹介
ー頻発する極端気象災害に対する都市・建築のレジリエンス強化ー
2019年3月27日
建築CFDコンソーシアム
スーパーコンピューティング技術産業応用協議会(産応協/ICSCP)
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本日の発表内容
１．都市・建築における風に関わる様々な課題
２．事例紹介ー産学官連携の建築CFDコンソーシアムでの取組みー（１）建築基準整備促進事業での取組み
ー複雑な表面形状を持つ建築物での検証事例ー（２）広域市街地における設計風速の評価事例（３）ポスト「京」重点課題４「観測ビッグデータを活用した気象と地球環境の予測の高度化」での取組み
ー気象データマイニングによる局地的突風解析と接地
乱流場に基づく建築構造物の被災推定ー

３．今後の取組み（参考資料）建築CFDコンソーシアムの取組み
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１．都市・建築における風に関わる様々な課題

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都市・建築における風に関わる様々な課題
非定常な数値流体計算（CFD）が必要な課題

設計風速

機能性
排気・臭気拡散

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風荷重評価に対する風洞実験と数値流体計算の特徴（青字︓長所 赤字︓短所）【風洞実験】

模型縮尺1/400

風圧測定孔(500点程度)
表面格子幅0.4m

バルコニー近傍

風洞実験スケール〜 実寸
表面境界層格子厚さ0.06m
Copyright 2019 建築CFDコンソーシアム4・測定精度が高い
・統計的信頼性が高い
・空間解像度に限界
・模型化範囲に限界・ﾚｲﾉﾙｽﾞ数の再現は困難
・模型製作2か月、実験1〜2週間【数値流体計算(LES)】

・風洞実験より高解像度・広域市街地を再現可能
・HPCの性能向上によりﾚｲﾉﾙｽﾞ数の再現可能性
・計算精度確保には時空間の高解像度計算が必要
・統計的信頼性の確保には多数ｻﾝﾌﾟﾙの計算が必要
・計算ﾓﾃﾞﾙ作成・計算格子作
成数週間、計算100万ﾉｰﾄﾞ時間程度(京ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ)

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先端的ソフトウェアへの期待 (建設・機械分野の例)■頻発する極端気象災害に対する都市・建築のレジリエンス強化
・極端気象現象(極大台風、竜巻、猛暑等)を想定した被害推定
将来（10年程度）
・新しい対災害設計法の確立
現状近い将来（数年程度）

・強風災害メカニズム推定（重点課題④の階層型格子・壁面LESプログラム）
・数値解析による風荷重評価
手順確立（国交省建築基準整備促進事業での検証）

・数値解析の高速化による風洞実験と同等の精度・時間での耐風設計の実現
・数十億格子の高速計算
・極端気象に対する都市・建築の強風災害リスク解析

・数値解析による風荷重評価の実案件への展開

・精緻な風圧情報取得による耐風安全性向上・強風災害リスクの定量化

階層型格子・壁面LESで計算効率化

100倍の計算能力

・将来増強する台風を想定した新しい耐風設計法確立
・極端気象現象を含む気象モ
デルとの連成とマルチハザードへの展開
・百億格子レベルの大規模・超大サンプル数の計算とAI解析による不確定性の定量化と設計法確立
・極端気象災害に対する都
市・建築のレジリエンス強化

1,000倍の計算能力

課題設定段階重点課題④等との連携 の早期参画 気象・建設分野の専門家による産学連携プロジェクト
東工大・神戸大・理研・建設会社等が組織する「建築CFDコンソーシアム」活動
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建築CFDコンソーシアム・ICSCP２．事例紹介ー産学官連携の建築CFDコンソーシアムでの取組みー

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建築CFDコンソーシアム・ICSCP（１）建築基準整備促進事業での取組み
ー複雑な表面形状を持つ建築物での検証ー
平成27〜28年度 「京」一般課題(競争的資金等獲得課題)

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建築基準整備促進事業での取組み
設計業務での数値流体計算(CFD)の実用化を目指し、国土交通省建築基準整備促進事業「S18.風圧力、耐風設計等の基準への数値流体計算の導入に関する検討」において、モデル建物を対象として、風洞試験と同等な妥当性のある結果を得ることができる時間・空間解像度等の計算条件範囲を明確化することを目的とした調査を実施。受審者・審査者の双方が活用できるガイドラインを提示する。

複雑な表面形状を持つ建築物
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建築基準整備促進事業での取組み
非構造格子・有限体積法ソルバーFrontFlow/red-HPC

住宅棟

解析モデル

オフィス棟
冠壁近傍

バルコニー近傍
建築物表面 約0.4m

0.06m

0.06m

境界層プリズム厚さ（最小格子サイズ）

境界層プリズム厚さ（最小格子サイズ）

約2億要素

計算格子
オフィス棟
約2億要素(高精度) ⇒ 20億要素(超高精度:検証用) ⇒ 0.5億要素(実用計算)
住宅棟

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高層住宅棟バルコニーの風力係数(風向角80°)

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高層オフィス棟冠壁の風力係数(風向角65°)

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建築CFDコンソーシアム・ICSCP（２）広域市街地における設計風速の評価事例
平成28〜30年度 「京」一般課題(コンソーシアム型産業利用)

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広域市街地における設計風速の評価事例

計算モデル(7km×2km)

瞬間渦度分布瞬間速度場

計算格子(17億)
階層型直交格子ソルバーCUBE
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風速u成分の鉛直分布の流れ方向変化

標高(m)

標高(m)

(c) power spectral densities(c) パワースペクトル密度(150m above sea level)(b) 標準偏差(a) 平均風速(高さ150m)
東京タワーや高層建物での実測値と比較して妥当性を検証(a) mean wind velocity

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建築CFDコンソーシアム・ICSCP（３）重点課題４「観測ビッグデータを活用した気象と地球環境の予測の高度化」での取組み
ー気象データマイニングによる局地的突風解析と接地乱流場に基づく建築構造物の被災推定ー
平成26〜31年度 ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発

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地表による竜巻渦下層の運動の変化（中層街区モデル）
渦の可視化: 圧力等値面(-55hPa)

階層型直交格子ソルバーCUBE

表面色:

・渦が大きく揺動しながら移動・経路と移動速度も大きく変化
・竜巻内部では平坦面の場合より低い圧力のピーク値が断続的に出現・低圧部は地表や建物にきわめて局所的に作用する
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つくば竜巻の実経路での計算による被害推定(集合住宅)

大きな被害を生じた
建物に作用する圧力の推定
北

3次元負圧分布(-45hPa, -50hPa以下は10hPa毎)W

E

東(E)側ほど気圧が周辺より高く相対的に正圧が働く。
裏側の窓が壊れることで更に強まったか。中央では、建物との相互作用による瞬発的・局所的な負圧が発生。

EW

極めて強い負圧領域が東(E)から弧を書くように広がる。

壁面圧力分布と窓サッシ被害[1]との比較[1]国土技術政策総合研究所資料 建築研究資料 No.703 2013年１月, No.141
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北17

3階室内の壁に突き刺さった木片と床に散乱したガラス(引用:防災システム研究所HP)

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つくば竜巻の実経路での計算による被害推定(木造住宅)

引用︓国土技術政策総合研究所資料 建築研究資料 No.703 2013年１月, No.141

各面の圧力降下量
WW

E
E

E

W

南面

北面

屋根面

上部構造の飛散した木造住宅の圧力による被害推定
南面と北面の間に大きな差圧(50~90kN/m2)が継続的に発生
屋根面の負圧も大きい
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2018年台風21号 市街地における強風の推定
気象モデルによる台風境界層の変動から市街地の細かな変動までの広範なスケールの乱れを直接に再現ができる。上空の乱れが実市街地内に発生する突風や強風に与える影響を理解し、建築物への被害発生に関する推定を行う。
進路東側の近畿地方で記録的な暴風。最大瞬間風速の観測史上最大値を全国100地点で観測（気象庁）
死者14人,負傷者965人,住家被害(全壊59,半壊637,一部壊85,715),非住家被害8公共建物1,195,その他4,529)（消防庁）

気象モデルWRFによる台風の再現(水平風速)

Domain 1

Domain 2

Domain 3

大阪中心部のプローブ点での風速時系列データ

Domain 4

風速[m/s]

高周波変動再生成を行い地表の突風解析を開始

台風経路

階層型直交格子ソルバーCUBE
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12:00

13:00
1914:00

15:00 時間 [h:m] 16:00

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大阪市内の風況解析の試行
階層型直交格子ソルバーCUBE

谷町筋

中央
大通り

2018年台風21号
庁舎の強風被害

庁舎

国総研・建築研究所：
平成30年台風第21号に伴う強風による建築物等被害現地調査報告(速報)大阪管区気象台 (庁舎から2.5km東, 地上高さ24m)

難波宮跡公園最大風速27.3m/s 最大瞬間風速が47.4m/s

中央
大通り

谷町筋庁舎
難波宮跡公園庁舎

大阪城

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３．今後の取組み

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今後の取組み頻発する極端気象災害に対する都市・建築のレジリエンス強化■ポスト「京」重点課題4との協働■気象モデルと階層型LESプログラムの連成による都市・建築の強風災
害シミュレーション技術の構築とマルチハザードへの展開
・将来増強する台風を想定した新しい耐風設計法確立
・大規模・超大サンプル数の計算とAI解析による不確定性の定量化
・東京東部を対象とした極大台風による強風・高潮の災害リスク解析
・開発成果を規基準・指針に反映し、国・社会のレジリエンス強化に貢献
・開発成果を産業界に水平展開し、社会実装を推進
・開発プログラムのエコシステム構築
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建築CFDコンソーシアム・ICSCP（参考資料）
建築CFDコンソーシアムの取組み

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建築CFDコンソーシアムの取組み■理念

コンソーシアム形式による産官学連携した出口戦略を見据えた実証研究■目的【現状】建築物の耐風設計に対する数値流体計算の適用方法の確立【将来】現在の極端気象の状況を踏まえた場合の様々な自然災害の様相を考え、被災状況を考慮した上での都市・建築物の強靭化■活動内容〇建築物の耐風設計でのHigh Performance Computingの実現
・重要特殊建築物でのCFD性能評価資料の雛型の作成〇数値的推定値における不確定性の定量化
・CFD結果判定基準の精緻化➡Capacity computing〇頻発する極端気象災害に対する都市・建築のレジリエンス強化
・CFDの展開範囲の拡大➡Capability computing

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建築CFDコンソーシアムの取組み■社会貢献の視点○ハイエンド計算による数値流体計算の妥当性確認とコード検証用データ提供○耐風設計用の数値流体計算実用モデルの標準化と提案○数値流体計算に基づく耐風試設計の実施と安全性評価による数値流体計算の法的根拠確立○日本建築学会にて出版された数値流体計算の適用ガイドの改定に向けての基
礎資料の提示○極端気象下での都市・建築のシミュレーションを実施し、被災度を推定
実際の被災状況と比較しながら、シミュレーションによる推定可能性を検証し、現行設計指針の妥当性を確認■産業界の視点◇基盤技術の共有や認証制度・法改正への協働◇大学・研究機関がソフトウェアを開発し、産業界がニーズ提供とシミュレーションを通じて、開発ソフトの実証評価、実用化を実施◇業界企業の多数が参画することで、業界全体のレベルアップを実現◇自然災害のインパクトに対する都市・建築の持続性・脆弱性の共通認識を醸成

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建築CFDコンソーシアムで活用したプロジェクト(1) 平成27〜28年度 「京」一般課題(競争的資金等獲得課題)◇建築物の耐風設計に関する基準への数値流体計算の導入に関する検討(2) 平成28〜30年度 「京」一般課題(コンソーシアム型産業利用)◇(平成28年度)強風・弱風下の都市・建築物の快適性・機能性・安全性に関するCFD設
計と実務への展開◇(平成29年度)強風・弱風下の都市・建築物の快適性・機能性・安全性に関する最適居住空間の創生◇(平成30年度)強風・弱風下の都市・建築物の快適性・機能性・安全性実現へのビッグデータ同化とエクサ指向型計算(3) 平成26〜31年度 ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発◇重点課題④︓観測ビッグデータを活用した気象と地球環境の予測の高度化−気象データマイニングによる局地的突風解析と接地乱流場に基づく建築構造物の被災推定−(4) 平成27〜28年度 国土交通省建築基準整備促進事業◇S18.風圧力、耐風設計等の基準への数値流体計算の導入に関する検討➡平成27〜28年度 「京」一般課題(競争的資金等獲得課題)で計算

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ご清聴ありがとうございました︕

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