新技術を活用しよう 特集

AI と RPA を活用した「構造設計支援システム」
株式会社安藤・間 建設本部 先端技術開発部 建築生産システムグループ

もりした

たかひろ

森下 貴博

造計算プログラム上で手入力によって部材を変更

1.

はじめにして計算させることを繰り返すため，部材の大きさ等を決定するまでに多大な時間を要しています。
また，計算を満足させるだけでなく，施工性や当社では，設計業務の効率化，省力化を図り，経済性も考慮する必要があり，それらが考慮され設計者の作業負担を減らすため，設計の自動化にた設計ができるかどうかは，構造設計者の知識・取り組んでいます。その一つとして，株式会社リ経験といった個人の力量に左右されているのが実

バネス，株式会社ヒューマノーム研究所およびソ情です。

ーラーテック株式会社と共同で，どのような構造設計者でも，有限時間内に最適な構造計算ができるような環境を目指し，AI と RPA を活用した「構造設計支援システム」（以下，「本システム」

本システムを利用すれば，構造計算におけるこれらの課題を解決することが可能です。
本稿では，本システムの概要，開発・導入状
況，効果を紹介します。という）を開発しました。
建築の構造設計では，一貫構造計算プログラムを用いて，柱部材や梁部材の大きさ等を決定して2.

システムの概要いますが，その際，建築基準法に定められる耐震性能等の条件を満足させる必要があります。従来

設計業務フローにおける本システムの位置付けの構造計算方法では，条件を満足できる柱部材・を図− 1 に示します。建物の設計は，基本計画，梁部材の配置・組み合わせとなるように，一貫構基本設計，実施設計という流れで進め，段階的に

図− 1

設計業務フローにおける構造設計支援システムの位置付け
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詳細な設計をしていきます。本システム
は，基本設計の段階における構造計算を支援するもので，構造躯体の概算見積用の資料（以下，「概算資料」という）を作成するために利用することができます。
基本設計の段階では，意匠設計者が用意した基本設計のプランに対し，柱の位置や階高，荷重条件等の構造計画を行います。
ここで想定した内容は，検討を進める中で変更されることも多く，また，より良い構

図− 2構造設計支援システムによる構造計算フロー

造計画とするために複数ケースの検討が必要になる場合も少なくありません。そのよ
うな変更や複数ケースの検討をより短期間で可能とするため，基本設計に対応できるシステムとして開発しました。
本システムによる構造計算フローを図−2 に示します。本システムは，「AI グルーピングシステム」と「RPA システム」から構成されています。従来の構造計算方法
では，一貫構造計算プログラム上で初期モデルを作成した後，手入力により部材を変更して計算させることを繰り返しますが，この作業について，AI グルーピングシス

図− 3 構造設計支援システムによる計算時間と完成度の関係

テムと RPA システムで自動化しています。

大きさ（太さ）にしますが，その作業を本システ

なお，従来の計算方法では，初期モデルは，構ムではグルーピングと呼んでいます。従来の構造造設計者が自らの経験などから妥当な柱部材や梁設計では，構造設計者が建物形状やその他の計算部材の大きさを想定して作成します。一方，本シ条件から，同じ大きさ（太さ）になる柱を決定し，ステムは，計算過程で自動的に構造計算を進めるグルーピングをしています。そのグルーピングのため，初期モデルの柱部材と梁部材は全て同一と作業を，AI を用いて自動的に行うのが，AI グルできるため，作成が容易です。

ーピングシステムです。

計算時間と計算結果の完成度の関係を図− 3 にグルーピングのグループ数が少ない場合には施示します。完成までの計算時間を手入力と比較す工性は良いですが，条件が不利な断面に合わせてると，RPA システムだけでも短縮できますが，部材の大きさが決定するため，経済性は悪くなり

AI グルーピングシステムを併用することで，さます。一方，グループ数が多い場合は，場所ごとらに短縮することができます。に部材の大きさを変えることで無駄に大きな部材

次に AI グルーピングシステムと RPA システムについて説明します。

はなくなり，経済性は良くなりますが，グループ数が多いほど複雑になり，施工性は悪くなります。このように，グループ数は，構造躯体の施工⑴

AI グルーピングシステム
構造計画において，例えば条件の近い柱は同じ

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性と経済性に大きく影響します。
AI グルーピングシステムでは，建物の規模や2023 年 9 月号

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形状により，AI を用いて施工性と経済性のバラ①

システム構築ンスの良いグループ数となるように，自動的に決実行ツールの検討や，鉄骨部材の仕様を整理し定することができます。なお，建物の制約条件にました。そして，構造種別の特性を考慮した計算対応するために，構造設計者がグループ数を設定フローチャートを整理し，そこからアルゴリズムすることも可能です。

を構成して，プログラムに実装しました。この段階のシステムを「試作版」としました。

⑵

RPA システム
RPA システムは，一貫構造計算プログラムに②試験運用

おいて，構造計算の条件を満足するように自動的試験運用では，過去に実施設計・施工をした既に計算を繰り返すシステムです。これまで構造設存建物をテストモデル（計 9 件）として，試作版計者が行っていた部材を変更し，計算を繰り返すのシステムを利用して計算しました。実際の部材作業を代行（自動処理）することができます。と，試作版による検討結果を比較することで，試こ の シ ス テ ム で 検 討 で き る の は，S 造，RC造，HB 造（RC 柱＋ S 梁）のラーメン架構です。

作版のシステムの精度を確認し，調整を加えていきました。

中規模から大規模の建物の構造計算に利用できるように，建築基準法に定められている保有水平耐③実運用

力計算ができるシステムとなっています。構造計

実運用では，そのときに依頼されている基本設算の条件として，構造部材の安全率を設定するこ計段階の物件（計 12 件）を対象としました。構とが可能です。また，必要に応じて梁せいの最大造設計者が従来どおり手入力で計算を行い，それ寸法を制限するなど，建物の設計条件や設計者のと並行してシステム開発者が本システムを利用し意図に合わせた構造計算が可能です。て計算を行いました。構造設計者と本システムの結果を比較することで，本システムの結果の妥当3.

性を確認しました。

開発・導入状況

なお，一部の物件では，本システムの結果に構造設計者が部分的に手を加えることで，本システ

本システムの開発は，2019 年より開始しましムの結果を概算資料として利用できました。

た。S 造用，RC 造用，HB 造用の 3 種類のシステムを開発していますが，ここでは S 造用を例として説明します。

④本格運用
現在では，構造設計者が自ら本システムを動かS 造用のシステムの開発期間を図− 4 に示します。

して概算資料作りに利用しています。本システムを利用する際は，構造設計者が一貫構造計算プロ開発の流れは，①システム構築，②試験運用，グラムで初期モデルを作成します。次に，この初③実運用，④本格運用と，大きく 4 つの段階に分期モデルを本システムで調整し，自動で構造計算けて進め，現在は 4 年目で④本格運用の段階です。

を実施します。その後，計算結果が計算条件を満

図− 4構造設計支援システム S 造の開発期間例
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たしていること，妥当性のある部材の大きさであることを確認し，一貫構造計算プログラムで最終調整をして概算資料を作成しています。
概算資料作成以外にも，意匠設計者が階高や柱位置を決めるために，柱部材・梁部材の大きさの目安を検討することや，先行して基礎形式を検討するために，基礎の計算用の建物重量を算出するなど，事前検討にも利用することができます。
本システムは，構造設計者のそれぞれのパソコンから利用可能で，複数人で同時に利用すること⑴

3D モデル図ができます。また，計算を開始すると，結果が出るまで人が操作をする必要がないため，夜間に利用することも可能です。

4.

システムの効果AI グルーピングシステムの妥当性について，熟練した構造設計者と AI グルーピングシステムによるグルーピング結果例を図− 5 に示します。
AI グルーピングシステムによるグループ数や⑵グルーピング結果は，熟練した構造設計者と概ね構造設計者によるグルーピング（伏図）同等となることを確認しています。
次に，本システムの計算時間の一例を表− 1 に示します。これは，基本設計段階の物件やテストモデルで，本システムによる計算開始から終了までの時間を示したものです。用途や規模によりますが，約 3 ～ 7 時間で計算することができました。手入力での計算と比較して，圧倒的な時間短縮になっています。
図− 6 に，延床面積約 2,000 m2 の 5 階建ての事務所ビルについて，概算資料を作成した検討期間を示します。本システムでは，就業時間後の夜間に計算を実施することができるため，初期モデ⑶AI グルーピングシステムによるグルーピング（伏図）

図− 5

グルーピングの比較ルを作成した翌日には，概算資料をまとめることができます。

本システムで計算し，結果を比較することで，よ基本設計時には，必要に応じて，異なる構造種別で検討して比較する場合や，スパン・階高が異なるケースを比較することがあります。そのような場合には，複数ケースの初期モデルを作成し，50

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り良い構造計画を決定できます。
図− 7 に複数ケースを検討した場合の検討期間
例を示します。
PC 1 台 を 使 用 す る ケ ー ス で は， 構 造 設 計 者

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表− 1

構造設計支援システムの計算時間例

図− 6

検討期間例（1 ケースの場合）

は，まず，ケース①の初期モデルを作成し，本シることができます。

ステムで計算させます。そして，ケース①を自動以上より，本システムが概算資料の作成にもた的に計算している間に，ケース②の初期モデルをらす効果を以下に示します。

作成します。ケース①の計算が終了するのを待①

AI グルーピングシステムによるグループのち，翌日，ケース②を計算させます。自動的に計数や精度は，熟練した構造設計者と同等である算している間にケース①の結果を確認し，最終調ことを確認しました。また，AI グルーピング整をします。ケース②の計算が終了した後，結果システムと RPA システムにより，どのような確認を行い，最終調整を行います。ケース①とケ構造設計者でも，有限時間内に熟練した構造設ース②の結果を比較し，コストメリットのある構計者と同等以上のより良い提案・成果品を作成造計画を判断することができました。

できるようになりました。

次に，PC 2 台を使用するケースは，1 人の構②本システムを利用することで，従来の手入力造設計者が 2 台の PC を利用した場合です。1 日での構造計算と比較して計算時間を約半分に短目にケース①とケース②の初期モデルをそれぞれ縮することが可能です。これにより，概算資料作成し，本システムで計算させることで，約 2 日作成についても，従来と比較して約半分の日数間で 2 ケースの検討を行うことも可能です。に短縮することができました。

本システムを利用する場合の構造設計者の作業③

夜間に計算をさせることや PC の複数利用なは，初期モデル（全部材同一でよい）の作成，シどの工夫をすることで，さらに短期間での検討ステムの設定を調整，計算結果の確認，最終調整が可能となりました。

をする時間のみであり，作業時間を大幅に削減す
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図− 7

⑴

PC 1 台を使用するケース⑵

PC 2 台を使用するケース

検討期間例（2 ケースの場合）

要があります。構造設計者は，自動的に算出され5.

おわりにる結果の正否や，施工性や経済性が考慮されているかを判断する必要があり，そのためには，知識と経験が不可欠です。本システムから導き出され本稿では，本システムの概要，開発・導入状
況，効果について紹介しました。

た結果について，適切な最終判断をするために，構造設計者の育成が必要であると考えます。

本システムが，構造計算の作業的な部分を自動本システムが，構造設計のより専門的かつ幅広化することによって，構造設計者は，より創造的い知識を学べる時間と業務を経験できる時間を創な業務に注力できる環境を生み出せると考えま出することで，これからの未来を担う構造設計者す。さらに，構造設計者の働き方改革・ワークラの育成に貢献できることを期待します。

イフバランスの向上も期待できます。
一方，本システムは，建物の設計条件などに従い結果を導き出しますが，あくまでも構造計算の今後，本システムの適用範囲の拡大やさらなる改善を予定しており，構造設計のさらなる効率化，生産性向上を目指していきます。

「支援」であり，最終判断は構造設計者がする必

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