コンピュテーショナルデザインと BIM の融合による設計効率向上の試み-ジェネレーティブな構造最適化ツールによるデザイン支援の試み-

Study on Design Efficiency Improvement Utilized
Algorithm Design and BIM
Study on Design Support by Structural Optimization Software○竹内 貴洋 *1，林 慎也 *1，戸泉 協 *2，繁戸 和幸*1
Takahiro Takeuchi＊1,Shinya Hayashi＊1 ,Kano Toizumi＊2 and Kazuyuki Shigeto ＊1*1 安井建築設計事務所
Yasui Architects & Engineers*2 安井建築設計事務所 博士(学術)Yasui Architects & Engineers, Ph. D.
キーワード：BIM、コンピュテーショナルデザイン、構造最適化、アルゴリズミックデザイン、設計支援
Keywords: BIM, CAD, Algorithm Design, Optimization

はじめに1
1.1

本事務所の取り組み

本事務所では BIM を以下のように活用すべく、組織と品質の向上が期待できる。しかしながら実際、設計者の意図や建築計画などをデザインに反映させた上で最適化を行うには、多数のパラメーターの作成及び調整が必要であして BIM の推進と普及に取り組んでいる。

り、設計初期段階ではそれらにかける時間が十分確保でき①最先端 BIM デザイン・活用ないことが多い。このようなことから、最適化手法を用い②

クライアントに認知される BIM の活用たデザイン生成を行ったとしても、設計者のイメージや建③

BIM 活用による品質向上と設計効率向上

築計画に合わず、デザインとして適応できないことが多い

本報では、BIM の活用方針である① 最先端 BIM デザイのが現状である。

ン・活用及び③ BIM 活用による品質向上と設計効率向上を目的に構造形態の生成を試みた。

そこで本報では、構造形態の生成手法として、まずデザイン案の絞り込みのために最適化手法を用いたデザイン生成を行った後、設計者の意図を反映させることを目的と

1.2

設計提案業務を取り巻く変化

近年、BIM の普及やシミュレーションソフトウエアの発して、設計者の手作業によるデザイン生成を行うことを試みた。

展により、設計の初期段階から環境・構造解析などを行い、設計者の意思決定に活用する取り組みが増えている。また、 1.3

研究の目的と方法

エネルギー問題や自然災害への関心の高まりから、環境や本報では、初めに最適化手法を用いた構造形態の生成に構造に配慮したデザインが求められる傾向にある。それらついての考察を行い、手法の特徴を把握する。その後、提に伴って設計初期段階にて検討及び作業すべき内容は増案する設計者の意図を介在させる評価プロセスを用いた加している一方、作業可能な時間は従来と変わらないこと

構造形態の生成手法についての検証を行い、手法の利点やから各作業の効率化が求められている。

問題点を考察する。最後に、提案手法を用いて実務を見据

また近年、最適化手法を用いたデザイン生成が注目されえた、複雑な与条件による構造形態の生成を行うことで、ている。最適化とは、与えられた条件下において、ある目設計初期段階における提案手法の有用性を明らかにする的関数を最大もしくは最小にすることであり、この手法をことを目的としている。

用いてデザインを生成することで、環境や構造などの性能を最大化したデザインを、短期間で自動生成することが可

2最適化手法を用いた構造形態の生成能になる。そのため、最適化手法を用いたデザイン生成を近年、構造形態の生成手法の一つとして、位相最適化手設計初期段階に適応することで、設計業務の効率化や設計法を用いた構造形態の生成が注目されている。また、特に日本建築学会情報システム技術委員会
第 42 回情報･システム･利用･技術シンポジウム論文集， 54-57 ， 2019 年 12 月，東京
Proceedings of the 42nd Symposium on Computer Technology of Information ，Systems and Applications ， AIJ ， 54-57 ， Dec. ， 2019 ， Tokyo－ 54 －骨組構造を対象とする位相最適化手法は、グランドストラクチャ法と呼ばれており、設計領域に適当な節点を配置し、節点間を可能な限りの線要素で結んだグランドストラクチャの材料密度(または断面積)を最適化することで形態を生成する手法である 1)。この手法は、構造形態の生成だけでなく、耐震ブレース・制振ブレースの最適配置などに利用できるのが特徴であり、これまで様々な研究者により最適化手法や利用方法の提案されてきた。
開発環境

2.1

本研究では、BIM との連携を視野に入れ、モデリングには 3D モデリングソフトの Rhinoceros を、プログラムの実装には Rhinoceros のアドオンである Grasshopper を利用して開発を行った。さらに、構造計算ツールとしてGrasshopper のアドオンである Karamba3D を用いている。
また、Grasshopper の標準機能では実現できない処理は、Python にて実装した。開発環境を表 1 に示す。
表 1 開発環境

プログ

用途名称

モデリング

Rhinoceros

ビジュアルプログラミング

Grasshopper

構造計算

Karamba3D

テキストプログラミング

Pythonラムの実装

図 1 グランドストラクチャ法のプロセスフロー
2.2

グランドストラクチャ法による構造形態の生成
本研究では、高坂らが行った初期の ESO 法の考え方 2)に基づいた最適化手法を参考に実装した。これは、グラン表 2 解析モデルの与条件
解析時の与条件

設定値
垂直方向：400cm 間隔

生成時の節点間距離

水平方向：400cm 間隔

ものではないが、意匠設計者が構造上の力の流れを把握し、設計対象要素の断面10cm×10cm の正方形断面構造デザインの設計に反映することは十分可能であると非設計対象要素の断面30cm×60cm の長方形断面

ドストラクチャの中でひずみエネルギーが最も小さい部

グランドストラクチャ材を除去していく手法であり、必ずしも最適解を導き出す

荷重条件

垂直方向：

1kN/m

本稿にて実装したグランドストラクチャ法による構造(等分布荷重)

水平方向：

0.2kN/m

形態生成のプロセスフローを図 1 に示す。ここでは、このひずみエネルギー考えられている。

弾性ひずみエネルギープロセスを用いて、簡単な骨組構造における構造形態を生成した例を示す。表 2 は、プログラム実行の与条件を示しており、図 2 は解析モデルを示している。図 3 は、グランドストラクチャ法の解から適当に抽出したステップ(ループ回数に準ずる)の解を示しており、図中のステップ 0 は生成された初期のグランドストラクチャを示している。また、部材色は変位量を示しており、赤色が濃いほど変位量が大きく、事前に設定した最大変位量よりも大きい場合は緑色を表示するようになっている。
図 3 から、初期の ESO 法に基づいたグランドストラクチャ法を利用し構造形態の生成を行うことで、構造における力の流れを理解し、設計に役立てることは十分可能であ報告 H39図 2 解析モデル－ 55 －

ることがわかる。一方で、ステップ 100 などでは変位量が造負荷の可視化については、指定した変位内での状態を示非常に大きくなる箇所が出現しており、あくまで参考程度す絶対値表示、②最大及び最小の変位量から導き出されるに使うものであると考えられる。

相対値表示、③変位の向きや大きさを視覚的にわかりやす
くした変位デフォルメ表示④グランドストラクチャの部

3

設計者の意図を介在させる評価プロセスによる構造材に厚みを持たせることで、実際の建物を想像しやすくし形態の生成

た 3D モデル表示の 4 つを同時に表示させている。これにここでは、設計者の意図を介在させる手法について記載する。本提案手法は、先ほどのグランドストラクチャ法によりモデルの変位の大きさや偏り、さらには全体のデザインを見ながら部材を除去することができる。

より生成されたモデルの中から適当なモデルを選択し、そ本報では、例として主に右に傾いている斜材にて構成しのモデルの部材を設計者が除去することで構造形態を生たモデルを生成した。図 5 より、上部の梁では閾値を超え成する手法である。この手法のプロセスフローを図 4 に示ており、さらにはねじれが生じていることから、バランスす。ここでは、おおよその形状が構築されかつ、設計者がの悪い構造形態を生成していることが確認できる。

除去する部材の選択肢を十分有していることから、ステップ 60 まで最適化されたモデルを選択し、そこから設計者

4より複雑な条件での実践による部材除去に切り替えることした。また本手法では部最後に、実務での利用を見据え、より複雑な条件での構材を除去する際の指標として、部材を除去する度にモデル造形態の生成を行う。図 6 は解析モデルを示しており、図の構造解析を行い、常に部材負荷を可視化させている。構7 はモデルのグランドストラクチャを示している。ここで

図 3 グランドストラクチャ法により生成されたモデル

図 4 提案手法のプロセスフロー

図 5 ステップ 60 から人に手により生成されたモデル

報告 H39－ 56 －

は階高が異なるスキップフロアを有するモデルにて構造うな構造形態になるように部材を除去していった。図 10形態の生成を行った。それに伴い、グランドストラクチャは、図 9 にて生成したモデルをもとに、3D モデル化し外は、垂直方向に 400cm、水平方向に 1300cm 以内の節点同観イメージを作成したものである。このようなことから、士にて生成させている。また、支点は 600cm 間隔にて設定

複雑な条件においても、設計者の意図を反映しつつ、構造した。その他の条件は、前章と同様である。

上有利な形状を生成することが可能であることが分かっ

図 8 はグランドストラクチャ法によりある程度最適化さた。

れたモデルであり、図 9 は図 8 のグランドストラクチャから人の手により調整した構造形態のモデルである。ここでまとめ

5は、X に交差する斜材によってスラブが支えられているよ本報では、構造形態の生成においてグランドストラクチ
ャ法を用いた手法に加え、評価プロセスとして設計者の意図を介在させる手法を試行した。試行により得られた特徴を以下に示す。
1).

複雑な与条件の設定をせずとも、設計者の意図や思想、複雑な判断が反映された構造形態の生成を行うことができる

図 6 解析モデル

2).

提案した手法は、あくまで設計者主導の設計手法となるため、設計への取入れの心理的ハードルが低い

3).

構造解析上の情報が常に提示された状態で設計を行っているため、生成したデザインは構造上有利なデザインになりやすい

4).

複雑な条件においても対応可能である

5).

設計者主導の設計手法となるため、設計者の想像を超えるデザインが生成される可能性はやや低い

図 7 グランドストラクチャ

このようなことから提案手法は、時間的制約が大きい設
計初期段階における構造形態の創造支援に有効であると考えられる。また、設計初期段階において業務の効率化や様々な知見が要求される中、コンピューターから情報(アドバイス)を得ながらデザインする設計手法の需要は、今後より高まっていくだろう。

図 8 GS 法をステップ 587 まで実行したモデル
6

今後の展望
現在、実務において提案手法を用いた構造形態のデザイン検討を行っている。今後、実務を通じて得られた提案手法の利点及び問題点を明らかにする予定である。

図 9 提案手法にて生成したモデル［参考文献］
1） 藤井 大地, 真鍋 匡利, 高田 豊文, グランドストラクチャ法による建築構造の形態創生, 日本建築学会構造系論文集,
第 633 号, p1967-1973, 2008.11
2） 高坂 憲治, 松本 慎也, 藤井 大地, ESO 法とグランドストラクチャ法を用いた骨組構造物の位相最適化, 日本建築学会
構造系論文集, 第 721 号, p547-553, 20163） 藤井 晴行, 大崎 純, 渡辺 俊, 長坂 一郎, 水谷 晃啓, 小林祐貴, 藤田 慎之輔, 安田 渓, デザイン・コンピューティン
グ入門 - Python による建築の形態と機能の生成・分析・最適化, コロナ社, 2017.94） 戸泉 協, 飯島 憲一, 森 雅章, 瀧澤 重志, コンピュテーショナルデザインと BIM の融合による設計効率向上の試み
スケートリンクの平面計画における平面配置パターンの列
挙, 日本建築学会大会学術講演梗概集, p3-4, 2017

図 10 3D モデル化した外観イメージ

報告 H39－ 57 －