技術紹介

オープンデータ、オープンソースを活用した
市街地の流体解析
水野繁 *1

Mizuno Shigeru

オープンデータ、オープンソースを市街地の流体解析に活用することを検討した。国土交通省が主導するプロジェクト PLATEAU の 3D 都市モデルから流体解析用の形状データを作成し、オープンソースの流体解析ソフトの OpenFOAM で格子作成、計算を実施した。これらデータ、ソフトウェア使用にあたっての注意点を確認し、十分活用可能であることを確認した。
キーワード：数値流体解析、風環境解析、PLATEAU、OpenFOAM、snappyHexMesh

在、国土交通省が主導する「3D 都市モデル整備・

1. はじめに（1）活用・オープンデータ化プロジェクト PLATEAU 」

当社では航空機エンジン内の翼列流れの流体解によって、3D 都市モデルの整備が進められてお析を実施しているが、建築物周囲の流れ場や、建り、現在、全国 56 都市のオープンデータ化が完了

築物から排出されるガスの濃度分布の解析も需要している。

がある。ここで、建築物周囲の流れ場の解析にお今回この 3D 都市モデルを流体解析に活用する

ける課題の一つは形状データ作成に時間がかかることを検討した。
（1）

ことである。特に 3D の形状データがない場合にPLATEAU にはダウンロードできるファイルは、この問題が顕著である。またもう一つの課題フォーマットが何種類か用意されている。流体解は、風向、風速、排出ガスの排出パターンなど検析の形状作成に適するのは OBJ 形式であるため、討するパラメータが多いため、解析ケースが多く今回は OBJ 形式のファイルをダウンロードして使なり、計算時間がかかることである。今回これら用した。
3D 都市モデルには、形状の詳細さが異なる lod1

課題に対して、オープンデータ、オープンソースと lod2 が用意されている。の活用を検討した。

lod1 は、建築物の外形線に囲まれた水平面を一2. オープンデータ律の高さで立ち上げたような立体となり、屋根は「官民データ活用推進基本法（平成 28 年法律第平面で簡略化される。lod2 は壁面や屋上の設備な103 号）」において、国および地方公共団体はオーどもモデル化される。lod2 の方が詳細であるが、通プンデータに取り組むことが義務付けられた。現

常の市街地全体の流体解析ではモデル化しないよ*1：計測事業部

計測技術部

磯子グループ

主査—

22—

うな細かい部分までモデル化され、計算格子数が②③は、lod1 ではそれぞれ屋根、ピロティが簡多くなりすぎるために簡略化が必要となる場合が略化されている。

ある。

流 体 解 析 用 に 建 屋 形 状 を デ ー タ 化 す る 場 合、

ここでは、例として、豊洲の IHI 本社ビルの lod1、lod1 の②③のように簡略化することはあるが、①lod2 の形状データを図 1 に示す。lod1、lod2 で大のように大きく形が変わる簡略化は実施しない。

きく違っている箇所を図中に①～③として示す。

しかし豊洲地区のデータを見ると、①のように地①は、lod1 では地上の円筒形の構造物の外形が上の形状が屋上に至る広範囲に影響を及ぼしてい屋上まで引き上げられた形状となっている。前述

る高層ビルが複数ある。したがって lod1 の高層ビした lod1 の特徴に起因するものであるが、高層ビルデータを使用するにあたっては注意深くチェッルであるため、地上から屋上までの大きな領域にクし、形状修正の要否を判断する必要がある。

違いが出る。

3. オープンソース
オープンソースとは、プログラミングのソースコードを一般に公開し、使用・配布・改良が許可されたソフトウェアを指す。
オープンソースの流体解析ソフトを使うメリットは、解析計算ケースが多いときでも、PC 複数台で並行して計算することができるところにある。
デメリットは、市販ソフトのようなサポートが受けられないことである。メンテナンスのコストと、ソフトウェア購入、いずれを選択すべきかについては一概に言えず、用途に応じて検討が必要（a）lod1である。
今 回 の 解 析 に お い て、 流 体 解 析 ソ ル バ ー は②②

OpenFOAM を使用した。オープンソースの流体解
析ソルバーはいくつかあるが、OpenFOAM は広く使用されており、解析事例も多く、情報を得やすいことから選択した。格子作成は OpenFOAM 付属の snappyHexMesh を用いた。
4. テストケース③③

4.1 概要①①

テストケースとして、豊洲 1 ～ 3 丁目地区、おおよそ 1km 四方のビル群（図 2）を対象とし、二つ（b）lod2

図1の条件（ケース 1、ケース 2）で流れ解析を試行し、（1）

PLATEAU 3D 都市モデルデータ の例（豊洲 IHI 本社ビル）結果を比較した。
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23

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IIC REVIEW/2023/04. No.69

IHI本社ビル

豊洲駅

図2

解析対象のビル群（豊洲 1 ～ 3 丁目）（a）全景

・ ケース 1：PLATEAU の lod1 データを使用し、対象地区のデータの切り出し、形状修正、格子作成、計算、後処理を実施
・ ケース 2：ケース 1 のデータのうち IHI 本社ビル近傍のみを仮想の評価対象として、形状が詳細な lod2 のデータに置き換え、ケース 1と同様の計算、処理を実施
4.2 計算格子（b）IHI 本社ビル（lod1）

ケース 1、2 の壁面、地表面の格子図を図 3 に示す。壁面、地表面には、3 層の境界層格子を入れている。図 3（a）がケース 1 の全景、（b）（c）がそれぞれケース 1、2 の IHI 本社ビル近傍である。IHI
本社ビルに lod2 の形状データを使用したケース 2
では、ビルの詳細形状に対応して格子も細かくなる。総格子数は、以下のとおりである。
・ ケース 1（lod1）：約 163 万格子
・ ケース 2（lod2）：約 253 万格子
すなわち IHI 本社ビル 1 棟を lod1 から lod2 に置（c）IHI 本社ビル（lod2）

き換えると格子は約 90 万点増える。仮に評価対象

注：国土交通省 PLATEAU データを加工して作成のビルの隣接数棟も lod2 に置き換えると数百万格

図3子増えると見積もられる。

—24—格子図

4.4 結果と評価

4.3 解析条件
今回のテストケースの解析条件を表 1 に示す。

IHI 本社ビル近傍、地上 1.5m の水平断面速度コ流入境界条件の鉛直方向速度分布作成にあたってンターを図 6 に示す。風向は図の下から上であは、豊洲の近く、新木場の気象庁データベースのる。図 6（a）（b）を比較すると赤丸で示した領域に気象データから選定し、2.7m/s（2022 年 11 月の平違いが見られる。これはピロティが形状モデル化

均風速、標高 5m）で条件設定することとした。速されているかどうかの違いによるものである。し度および乱流エネルギー分布は「建築物荷重指針・たがって、建屋周辺の風速予測には、形状が詳細（2）同解説（2004）」 に従い設定した。風向は「南」と化されていることが望ましく、lod2 を使用した方した。

が良いと考えられる。一方、二つのコンター図で

表1

解析条件

解析領域

図４参照。東西2000m、南北2454m、高さ1500m

流入境界図５参照。標高5mで2.7m/sを想定。

風向南側面・上空境界

対称条件

流出境界

速度勾配ゼロ、圧力大気圧

移流項スキーム

風速：2次精度風上差分、k,ε：2次精度TVD

乱流モデル

Realizable k-ε

解法

6,03/(

高度[m]

風速

図4k

600

600

500

500

400

400300風速300

200200100100k

解析領域

00020

流入境界風速[m/s]図5—25—

024

乱流エネルギーk[m2/s2]

流入境界条件
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風向き（a）ケース 1

風向き（a）ケース 1

風向き風向き（b）ケース 2（b）ケース 2

注：国土交通省 PLATEAU データを加工した格子データを基に解析
図6

注：国土交通省 PLATEAU データを加工した格子データを基に解析

地上 1.5m の水平断面速度コンター

図7中央鉛直断面の速度コンターおよび速度ベクトル

風下の建屋近辺に目立った違いは見られない。図の赤丸中央から、風下の建屋までは 100m 程度離lod2 では屋根形状に違いが生じるが、例えば屋上れており、そのため影響が小さかったとも考えらから排出しているガスの濃度分布を解析するようれる。解析精度を上げるためには、近隣の建築物な場合には、屋根形状が反映される lod2 が推奨さの密集度合いも考慮し、評価対象の建屋からどのれることがわかる。また今回のデータからは、高程度の範囲まで lod2 の詳細な形状を使用するか判

層ビルの屋根形状が地表面付近の流れ場に影響を断する必要がある。

及ぼすか否かは判断できないが、低層の建物であ次に IHI 本社ビルの中央鉛直断面の速度コンれば、屋根が地上と近いため、結果に影響が出る

8 ターおよび速度ベクトルを図 7 に示す。lod1 と可能性が高い。以上のように着目している事象に8応じて条件を選択することが重要である。

lod2 の結果に明瞭な差異はないが、屋上付近の風下の流れにわずかな違いが認められる。lod1 と—26—

の特徴を理解すればオープンデータは解析に十分5. おわりに使用できることもわかった。また、オープンソー

高層ビル群の流れ場解析における形状データ作スを活用することで、さらに社内検討の効率を上成は大変時間のかかる作業である。解析エンジニげることにつなげられると考える。

アはビルの高さを調べ、地図等でビル外形のコー

現在 PLATEAU により 3D データが公開されてナーポイントの座標を取得する等の作業を繰り返いる都市は限られているが、今後も、整備されてし、データを作成する。

いくことを期待する。

PLATEAU の 3D 都市モデルを使用することで、参考文献このような作業を大幅に削減できる可能性があ（1）国土交通省ホームページ：https://www.mlit.go.jp/

る。
今回の試行により、PLATEAU の 3D 都市モデル

plateau/about/（2） 一般社団法人日本建築学会：建築物荷重指針・を流体解析に使用するにあたっては注意すべき点

同解説（2004）、2004もあり、lod の選択など、対象物に応じた検討を要する事柄があることが明らかになった。しかしそ計測事業部
計測技術部 磯子グループ
主査

水野繁

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