PDF Compressor Pro

気流解析のフィードバックによる空間計画手法の研究
Space planning method using feedback from aerodynamic analysis

政策・メディア研究科 修士 2 年
清水将矢

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背景

一昨年の東日本大震災後、エネルギー事情が激変した中で、自然通風や日射を利用するパッシブ建築設計への関心が改めて高まっている。

自然エネルギーを利用するパッシブ建築設計手法は、先人がその土地の風土や気候の特性を捉えながら、経験や知恵、勘を頼りに行い、培ってきた建築設計手法の一つである。
一方、近年では物理的な自然現象と建築の関係が、BIM やシミュレーション技術の発展によって、簡単にスピーディーに低コストで可視化できるようになってきた。

つまり、そうしたシミュレーションをデザイナーが設計プロセスにおいて直接扱えるようになってきたといえる。

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初期研究目的
本論文では、そうしたシミュレーション技術の中で、扱うことが難しい自然現象の一つである風・気流に特化して注目した。
「建築設計スタディのプロセスにおいて、気流解析手法がどのように扱われるべきかを明らかにする。」

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意義

そこでしか体験できないと思われてきた快適な気流体験を、気流解析によって事前に狙いすまして設計できるようになる。
新たな建築の価値観が生まれると共に、人間にとってより快適な建築が増えていくことにつながる。

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既往研究

気流解析を用いて行う研究には環境系論文の部類に多く存在するが、多くが環境性能などを工学的に扱う論文であり建築計画に関するものが少ない。
以下 2 つの通風と快適性に関する論文を参考にするに留め、デザイン実例における気流解析の実践によって気流解析を建築計画に活用する際の問題点を抽出しようと試みた。

久野 覚「住宅における夏の通風と冬の日照の効果に関する実験室実験」2011
高 娟淑「住宅における夏季の通風と冬季の日射が室内温熱環境評価に及ぼす影響」2009

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気流解析実践による問題発見と仮説立案①②

Build Live Chiba 建築設計コンペ
気流解析を用いた設計実践

ユニテ・ダビタシオンによる気流解析実験
建具による室内 通風環境 操作実験

PDF Compressor ProBuild Live Chiba

木更津の再開発エリアに、創造的なビジネスを展開するのに相応しく、高い創造性を発揮できるような多様な空間をもった業務施設群を計画する。
アメダスデータから、夏季に発生頻度の最も高い風向 ( 南南西 2.9m/s) を設定。

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敷地気流解析

縦 800m× 横 800m× 高さ 60m の周辺敷地を 2m 立法にメッシュ分割して解析。
夏季における最頻風向である南南西の風を取り込みやすい環境であることが分かった。

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3 つのコンセプト

1. ポーラスで多様な空間構成
2. ウィンドキャッチャー
3. 水による冷却効果

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設計過程

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完成

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4 つの問題抽出①「広域モデルを用いた気流解析の非効率性」
広範囲なモデルを用いることは、解析に時間がかかりすぎる上にデータ量も増えるので、個人用のコンピューターで扱うには限界があり、非効率的である。
②「他の設計条件との両立性」
通風性能の最適化を目指すと他の設計条件との両立が難しいこと。
③「組合せ爆発問題」
通風性能を改善する為に操作しなくてはいけない要素の組み合わせが無限にある。
④「要因発見の困難性」
結果が出てから何かを発見しようという解析任せの方法では何も得られないこと。

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ユニテ・ダビタシオン

ル・コルビュジェの設計
夏の快適な室内での実体験を気流解析によって確かめたい。

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ユニテ・ダビタシオン

建築形態やプランニングは完成された状態で固定し、室内の建具のみの操作で、どこまで気流を操作改善できるかを確認する実験を行った。
発生頻度の高い 3 風向 ( 西 6.1m/s)( 北北西 8.3m/s)( 南東 4.0m/s) を設定。

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ユニテ・ダビタシオン
風速 [m/s]
0.0

0.6
遅い

1.2
快適

2.0早い

・夏季 (8 月自然通風時 ) における快適感では、室内気温が 30.1℃~32.7℃と高い時でも風速が 0.6m/s 以上になると不快にならないことが分かった。
・32℃実験で 0.7m/s 以上、34℃実験で 0.9m/s 以上という値が得られた。

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初期状態

0.00.61.2

2.0 風速 [m/s]

快適

遅い

早い

①
子供部屋 A

Upper ﬂoor

寝室

子供部屋 B

②
中廊下
ダイニング

キッチン

キッチン

リビング

Middle ﬂoor

ダイニング

③

④
リビング

子供部屋 C寝室

子供部屋 D

Lower ﬂoor

N

ブリーズソレイユの窓扉を全開放から始める。

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1 回目改善

0.0

0.6

1.2

2.0 風速 [m/s]

快適

遅い

早い

①
子供部屋 A

Upper ﬂoor

寝室

子供部屋 B

②中廊下
ダイニング

キッチン

キッチン

リビング

Middle ﬂoor

ダイニング

③

④
リビング

子供部屋 C寝室

子供部屋 D

Lower ﬂoorN

廊下につながる扉を閉める。

玄関扉を全開にする。

開口率50%のガラリ

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2 回目改善0.00.6遅い

1.2

2.0 風速 [m/s]快適

早い

45度開けて固定する。
①
子供部屋 A

Upper ﬂoor

寝室

子供部屋 B

②
中廊下
ダイニング

キッチン

キッチン

リビング
ダイニング

③Middle ﬂoor④
リビング

子供部屋 C寝室

子供部屋 D

Lower ﬂoorN

開口率 50% の通風ガラリを加える。

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3 回目改善0.00.6遅い

1.2

2.0 風速 [m/s]快適

早い

階段を伝う風を調節①
子供部屋 A

Upper ﬂoor

寝室

子供部屋 B

②中廊下
ダイニング

キッチン

キッチン

リビング
ダイニング

③Middle ﬂoor④
リビング

子供部屋 C寝室

子供部屋 D

Lower ﬂoorN

開口率 50% の通風ガラリを更に加える。

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結論・考察

初期案 (西・北北西・南東の気流の流れを重ねた解析結果)
廊下

子供部屋 A
子供部屋 Bダイニング

3 風向いずれの風が吹いても、以下の建具の

寝室

キッチン

中廊下

キッチン

ダイニング

廊下

リビング

操作によって、室内全体に快適風速域が広

リビング

がった。
↓

子供部屋 C

寝室

室内に通風環境のベースを確保できていれ子供部屋 DN

改善案 (西・北北西・南東の気流の流れを重ねた解析結果)
廊下

子供部屋 A
子供部屋 B

ば、建具の操作で風量や風速は微調整できる。
風を活かすためには、あらかじめ風の通り道寝室を確保しておくことが重要であるということ
ダイニング

キッチン

中廊下

廊下

リビング
寝室

キッチン

ダイニングが明らかとなった。

リビング

子供部屋 C
子供部屋 DN

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気流解析フィードバック手法の分類

現象確認型

問題発見型

Build Live Chiba
ユニテ・ダビタシオン

仮説

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現象確認型の定義
現象確認型

広範囲を含めた全体モデルでの解析を行う。
・より広範囲の周辺敷地を含み、全体モデルを用いて現象確認型気流解析手法①

出来るだけ広範
囲で全体モデル精度高く、より現実に近い気流環境を知ることが理想。
設計後期の気流確認

知りたい解析範
囲をモデリング

解析 ( 長時間 )・とりあえず、どんな気流環境になのか確かめたい。
ex) 配置計画

解析範囲を設定

速い遅いは判断できる。

特徴②

解析結果を評価
現象の良し悪しを評価する。

分析 ( 困難 )・一回の解析時間が長く、理想を求める程それは延びる。
・高スペックなコンピューターが必要。
・気流現象の要因を知ることは困難。

設計・トップダウン式設計型③

要因が発見困難

要因を発見
現象の要因を発見する。

広範囲な為、解析時間が長い。1 サイクルに時間がかかる上に、的確なフィードバックが困難。

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問題発見型の定義
問題発見型

問題発見型気流解析手法

限定した範囲での部分モデルの解析を行う。
・風の現象と形態の関係を知りたい。
・どこの気流環境を知りたいのか、どこを解決したいかなどの目的を明確にして解析を行う。
ex) 初期スタディ
特徴
・一回の解析時間は短い。
・よって大量の結果を比較する事が出来る。

①

解析目的を設定

フィードバック④

要因を発見

解析の目的を明確に設定する。

現象の要因を発見する。

短時間で繰り返す

モデル修正
②

③

解析範囲を設定
知りたい解析範
囲をモデリング

分析

解析

解析結果を評価
現象の良し悪しを評価する。

・目的が明確な事と、範囲が限定されている事からも、気流現象の要因と形態の関係を明らかにしやすい。
設計・ボトムアップ式設計型に向く。

限定した範囲の為、解析時間を短く繰り返せる。
大量の結果を比較し、現象と要因の関係を発見し易い。

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仮説

問題発見型気流解析手法を用いれば、以下の 4 つの問題は解決される。
①「広域モデルを用いた気流解析の非効率性と非効果性」②「他の設計条件との両立性」③「組合せ爆発問題」④「要因発見の困難性」

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全体としてBuild Live Chiba

多様な空間

トップダウン式設計

全体としてユニテダビタシオン

多様でない

良好な通風環境

複製配列

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目的

空間的に多様で快適なオフィス空間をつくる。
問題発見型気流解析手法を用いることで、4 つの問題を解決できることを明らかとする。
優れた通風環境を確保しながら、空間的な多様性にも対応可能な手法であることを明らかにする。

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実験

部分

実験 1

Void の通風確保を目的としたブロック配置ルールの発見

実験 2

単位ユニット (3×3 ブロック )Void 通風性の確認

Volume解析

実験 3

南北連結ユニット

実験 4

連結ユニット (3×3 ユニット ) Void の通風性と室内通風快適性の確認

実験 5

通風性保持を目的とした連結ルールの発見

最終連結ユニット (3×8 ユニット )室内解析

室内通風快適性の確認

全体

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実験 1

Void の通風確保を目的としたブロック配置ルールの発見

250m

12345

敷地5500.005000.005000.005000.00

5000.005500.00

5500.005000.005000.005000.00

5000.005500.00

5500.005000.005000.005000.00

5000.005500.00

5500.005000.005000.005000.00

5000.005500.00

56m

南風 2.9m/s

南風 2.9m/s

南風 2.9m/s

南風 2.9m/s

南風 2.9m/s

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青 3層目
緑 2層目

58 通り

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実験 1 考察

Void の通風確保を目的としたブロック配置ルールの発見

1層目ブロック

1層目ブロックが無いと、Voidがあっても風は持ち上がらない。

南の風2.9m/s

1層目ブロックに風をぶつけてVoidに風を持ち上げる。

南の風2.9m/s

4層目ブロック
4層目ブロックが無いと、上空の強い風に押されて、Voidの風が上に抜けず滞留してしまう。

4層目ブロックには上空の強い風を遮ることで、Voidの風をより上に持ち上げる。

南の風2.9m/s

南の風2.9m/s

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実験 2

単位ユニット (3×3 ブロック )Void 通風性の確認

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実験 2 考察単位ユニット (3×3 ブロック )Void 通風性の確認

風を 1 層目にぶつけることのできる好条件であれば、良好な通風環境が確保出来ることを確認できた。

単位ユニットを連結する。

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実験 3

南北連結ユニット

通風性保持を目的とした連結ルールの発見

南北2個連結ユニット

266
良好な通風環境を持つ
1ユニット

1組み合わせる

6

風下側
ユニット

1

風上側
ユニット

26

風下側
ユニット

6

風上側
ユニット

両者とも良好な通風環境を保てるか。

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①②③

④⑤⑥

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実験 3 考察

南北連結ユニット 通風性保持を目的とした連結ルールの発見

つまり 64 通りの中から、いずれを取り出して組み合わせても、良好な通風環境を得ることができるといえる。
↓次の実験では本実験で得られた連結ルールを基に、3×3 ユニットで連結させたモデルの通風性を確認する。

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実験 4 連結ユニット (3×3 ユニット ) Void の通風性と室内通風快適性の確認

3×3ユニット26618
良好な通風環境を持つ
1ユニット

1組み合わせる

2691817624185

良好な通風環境を保てるか。

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2.3 層目ブロック

1 層目ブロック①①①①①①①①①①①①①①①①④④④⑤⑥⑦⑧⑧④④④⑤⑥⑦⑧⑧③③③③③③③③④④④④④④④④④④④⑤⑥⑦⑧⑧①①①②③⑨⑨⑩④④④④④④④④⑤⑤⑤⑤⑤⑤⑤⑤①①①②③⑨⑨⑩①①①②③⑨⑨⑩⑧⑧⑧⑧⑧⑧⑧⑧⑨⑨⑨⑨⑨⑨⑨⑨①①①②③⑨⑨⑩④④④⑤⑥⑦⑧⑧12345678910

111213

1415

16

1718

1920

21

2223

2425

26

2728

2930

3132

33

34

35

363738

青 3層目
緑 2層目

風上と風下の両方で、風を上手く取り込む① ③ ⑨ことのできる 64 通りの中からランダムに⑧ ④ ⑤選択し、3 マス × 3 マスの 1 層目連結ユ② ⑩ ⑩②9.10.30.31.
32.33.34.36①2.6.7.8.12.
13.14.15.17.
18.25

23

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

2930

31

32

33

34

35

36

37

38

ニットをつくる。
N①4 層目ブロック
1③④

9.10.30
32.33.36⑤3.4.23.24.26.
27.28.29.37

3.4.23.26.
27.29.37⑥⑦⑧2.6.7.8.12.13.
15.16.17.21.
22.25.38

20④⑨25⑧⑩35

19⑨

紅 4層目
1.2.6.7.8.12.13.
14.15.16.17.18.
21.22.25①112.6.7.8.13.14.
15.16.17.18.
21.22.38④19.2019.20

前で選定した番号に対応した 2.3.4 層目の前で選定した 1 層目ブロックの配置に対5① ③ ⑨ブロックの配置を連結させ、以下のように応する 2 層目 3 層目の配置を、複数ある3×3 の連結ユニットを完成させる。

選択肢の中からランダムに 1 つ選定する。

９ 10 35⑧ ④ ⑤255② ⑩ ⑩1419 19

1 層目対応番号

2.3.4 層目対応番号

23
1 層目

2 層目

3 層目

4 層目N

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実験 4 考察 連結ユニット (3×3 ユニット ) Void の通風性と室内通風快適性の確認
64 通りある「風上も風下にも風が上手く流れる場合」の連結パターンの組み合わせによって、3×3 の連結ユニットにおいても、良好な通風環境を得ることが出来た。

また、開口率 50% の窓を設けると、室内を快適域の風が広がることも分かった。

Build Live Chiba の敷地の大きさまで更に連結する。

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実験 5

最終連結ユニット (3×8 ユニット )

250m

敷地

1層目対応番号

123456789① ⑧ ⑤「風上も風下にも上手く風が流れる場合」の36通りの中から10 11 12ランダムに選択していく。

13 14 15

④ ⑨ ①

⑨ ⑤ ⑧

4層目ブロックNN

35 28 25

④ ① ③5③ ⑧ ④31 36

30 25 23⑦ ⑨ ②22 23 24

3層目ブロック

27 35 11⑨ ④ ⑤

19 20 212.3.4層目対応番号 2層目ブロック

34 25 26

④ ③ ⑨16 17 1815m

1層目ブロック

室内通風快適性の確認

510 353534220915m

N56m

NNNN

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Study 2

Study 1

2F Plan
0.0

遅い

3F Plan

0.6

快適

1.2

2F Plan

N

2.0

速い

Study 3

0.0

0.6

遅い

3F Plan
快適

1.2

速い

風速 [m/s]

フロアは室内に間仕切り無く一続きで、Void に

2F PlanN

2.0

Study 40.00.6遅い

3F Plan
快適

1.2

速い

風速 [m/s]

1 フロアを３つの空間に分け、2 層 3 層あわせて１つの2F PlanN

2.00.0遅い

0.6

3F Plan
快適1.2

風速 [m/s]

同じフロア構成のまま、Void 内の北面のみを開口部に速いN

2.0
風速 [m/s]

通風性能のあまり良くない一番風上側のオフィスの壁変えた。前段階よりも快適域が広がったが、風のムラがに開口率 20% の窓を設けたり、風の抜け道をつくるため域が広がっていて、通風性は確保できている。

を取り込む事が出来る。Void 内の南面のみを開口部とし 能に優劣の出ないよう快適な風速域も広げることを目標て開口率 50% とした。通風性能が低く、快適域も少ない。に窓の開口率の微調整を行う。

よう各フロアの窓の微調整を行う。全段階よりも快適域

2F

2F

面した壁のうち、南北の面に開口率 50% の窓、東西の面に構造壁を設定した。室内を水色の速い風速

3F

壁

開口率 50%

会社のオフィスとし垂直方向にまとめることでセキュリティを確保すると同時に、各オフィス専用の Void から風 多い。方角や風向などに影響なく、各オフィスの通風性3F

壁

開口率 50% 開口率 0%

2F3F

壁

開口率 50% 開口率 0%に新たに開口率 10% の窓を設けたりと、ムラを解消するが広がっている。

2F

壁

3F

開口率 50% 開口率 0% 開口率 25% 開口率 10%

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Final

Final

2F Plan
0.0

0.6

遅い

2F Plan

N

快適

1.2

3F Plan
2.0

速い

0.0

遅い

0.6

3F Plan

N

快適

1.2

壁

開口率 50% 開口率 0% 開口率 25%

2.0

速い

風速 [m/s]

風速 [m/s]

壁

開口率 50% 開口率 0% 開口率 25%

最終調整である。

最終調整である。

開口率 10% の窓を 25% まで上げたり、閉じていた窓を3F も 2F と同様に、開口の微調整を行って完成。どちら開口率 50% の窓にしたりといった微調整を再度行った。

2Fのフロアも緑色の快適域が全体に広がった。

3F

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実験 5 考察最終連結ユニット (3×8 ユニット )室内通風快適性の確認

ほとんど微調整の操作を 5 回という少ない回数で行えたことは、本実験の手法の有効性を示しているといえる。

また、違う形状をした単体ユニットが 24 個集まったことで、通風性能を確保しながら、空間的な多様性を両立できたといえる。
また、南北連結のルールを守ればユニットを置き換えることもでき、プランニングや構造性能などの他の設計条件を考慮しながら、室内に通風性能を確保できる手法といえる。

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結論

問題解決型気流解析手法を用いて、4 つの問題に対応できた。

①「広域モデルを用いた気流解析の非効率性」
小規模で限定した範囲での解析を繰り返す事で、効率性が上がったと同時に、短時間でたくさんの解析結果を得て比較できたことで現象も的確に理解できた。

②「他の設計条件との両立性」
小規模での解析の繰り返しから生まれた、良好な通風環境を持つ部分モデルを組み合わせるボトムアップ式の設計を用い、且つ評価基準にゆるさを設けたことで、良好な通風環境を持つユニットを多数得ることが出来た。よってプランニングや構造性能など他の設計条件にも柔軟に対応しうる設計の自由度を高めた手法となった。

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結論

問題解決型気流解析手法を用いて、4 つの問題に対応できた。

③「組合せ爆発問題」
組合わせ爆発が起きた際も、問題解決型によって適切なパターンのみに絞込み、最低限の解析のみを行うことを繰り返す事で解決できた。

④「要因発見の困難性」
問題解決型を用いて、現象と形態の関係をひとつずつ明快にすることができた
ことで、多様な空間を持ち合わせた状態でも部分で得た通風性能を保持できた。

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結論

Best をひとつ選択するのでは無く、Better なものを複数得るよう、評価基準をゆるめたことで、設計上の選択肢を増やした状態を提供できる手法であるといえる。
形状が異なる部分ユニット同士を良好な通風性を確保したまま連結していけるルールを導けたことによって、空間的な多様性にも対応可能な手法であることが明らかとなった。

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考察

デザイナーへの学習効果の促進が挙げられる。

気流現象と空間の関係を Try&Error を繰り返しながら、設計へフィードバックする為の手法。つまり空間の気流現象を理解していく過程で、デザイナーの発見的な発想を広げる事にも貢献できると考えられる。
そこでしか体験できないと思われてきた快適な気流体験を、気流解析によって事前に狙いすまして設計できる。
新たな建築の価値観が生まれると共に、人間にとってより快適な建築が増えることにも寄与する手法である。

PDF Compressor Pro以上