砂防堰堤の自動設計モデルの開発について
きくちまさととびおかさとし

どう の わきまさみつ

は な だ りょう た

くろかわ ゆり菊池将人1・飛岡啓之1・堂ノ脇将光1・花田 良 太1・黒川祐梨1
1パシフィックコンサルタンツ(株)国土基盤事業本部・防災危機管理部（〒101-8462 東京都千代田区神田錦町三丁目22番地）

BIM/CIMモデルの導入による受発注者双方の業務効率化・高度化が推進されている背景から，2次元設計を介さない3次元モデルによる砂防堰堤の自動設計モデルの開発を行った．自動設計
モデルは，3次元モデルの要所にパラメータ（変数）を紐付かせ，入力数値と形状を連動させることが容易に可能（パラメトリック設計）な特徴と，一からモデルの作成を必要とせず，参照データから地形形状に応じて砂防堰堤の3次元モデルが自動作成される特徴を有している．本モ
デルで配置計画の検討や設計検討した場合の期待できる効果として，設計者の生産性の向上やミスの防止，早期の受発注者間の課題共有や合意形成が実現されることを示した．
Key Words : BIM/CIM，砂防堰堤，パラメトリック設計，自動設計

１．背景と目的の設計作業の効率化や，受発注者間の早期の合意形成が実現できるよう3次元モデル作成などの設計の高度化が求められている．
以上のように，近年頻発している土砂災害に対する迅速な対応が求められているものの，BIM/CIMモ
デルを活用した迅速かつ効率的な対応の実現には至っていない．このことから，業務効率化・高度化を目的とし，2次元設計を介さない3次元モデルによる砂防堰堤の自動設計モデルの開発を行った．

国 内 で は 建 設 現 場 の 生 産 性 向 上 を 図 る iConstructionの取組みにおいて，調査・計画・設計段階からBIM/CIM（Building/ Construction
Information Modeling, Management)モデルの導入による受発注者双方の業務効率化・高度化が推進されている1)．BIM/CIMモデルとは，対象とする構造物などの形状を3次元で表現した3次元モデルに，部材名や寸法，数量などの属性情報を組み合わせたもの
２．自動設計モデルの特徴である．
現在，BIM/CIMモデルの多くは，2次元設計図面を基に作成された3次元モデルである．このことから，(1) 使用ソフトウェア
細部修正が必要となった場合2次元設計図面から修自動設計モデルの開発には，ダッソー・システム正が必要となり，設計者の作業負担が増加し，ミスズ株式会社が提供する3次元ソフトウェアであるも生じやすいという課題がある．
「CATIA 3DEXPERIENCE」を採用した．その理由は下
また，地形や地質は場所によって異なるため，基記の通りである．
本的には土木構造物は現場ごとの単品生産である．
① 現在使用されている3次元CADの中でもハイエン
このため，一度作成したBIM/CIMモデルを他の場所ドCADに位置づけられるソフトウェアであり，で活用することは難しい．場所ごとに3次元モデル従来よりも複雑な設計を行うことが可能を作成しなければならないため，設計作業にかかる② ヒストリーCADに分類されるソフトウェアであリソースの大幅な削減が難しいという課題もある．
り，形状の作成履歴を残すことができる．これさらに，近年土砂災害発生件数の増加と甚大な土により，作成履歴の確認やオペレーターが定め砂災害が頻発している．災害発生後には多くの場所た順序に基づく形状の作成などを行うことがでで，災害復旧に向けた迅速な施設計画・設計が求めきるられる．その際，施設規模の設定などについて試行③ 3次元モデルの要所にパラメータ（変数）を紐作業を必要とするが，現在の作成方法では作業上の付かせ，入力数値と形状を連動させることが容労力が大きいため，迅速な災害復旧を進める上での易に可能（パラメトリック設計）支障となっている．これらから施設規模の設定など－17－高さ3mの立方体を高さ5mに修正

高さ：5m

高さ：3m

横：3m

正面図と側面図別々に修正

従来CAD

３次元化

縦：3m

正面

図-1

パラメトリック設計
高さ：5m
高さ：3m

側面

正面・側面連動して自動でモデル生成
高さ=Xmという式を設定
X=5と入力しモデルを修正する

パラメトリック設計の概要図(3) モデルのパッケージ化と適用(2) パラメトリック設計
前述したように，基本的に土木構造物は現場ごとパラメトリック設計の概要を図-1 に示す．例えの単品生産であるため，一度作成した3次元モデル
ば，CADにおいて立方体の高さを変更したい場合，を再利用することが難しい．この課題を解決するた
従来の方法では，正面と側面のそれぞれの正方形をめ，予め設定した設計基準に基づき，基点となる地長方形に図化し直した後，3次元にモデル化する必
形や線から砂防堰堤の3次元モデルを自動的に作成要があった．一方，パラメトリック設計では，立方するように開発した．具体的には，図-3 と下記に体の高さと入力数値を紐づけるために「高さ＝示すロジックに基づき，砂防堰堤の3次元モデルがX[m]」と数式を設定し，Xに変更したい高さである5mを入力するだけで直方体に修正することができる． 自動的に作成される．
① 地形や中心線などを参照データとして設定
この機能を活用することにより，設計作業や修正の② 参照データから，水通し形状や根入れ深，掘削省力化が望める．また，パラメータ同士で数式を組高などの設計基準に基づき3次元モデルを作成むことも可能である．例えば，図-2 に示すように，③ ①と②をパッケージ化
縦の入力数値を「勾配×高さ」と設定することで，④ ③でパッケージ化したモデルに別の地形や中心高さの入力数値の変更に伴い縦の入力数値も変更さ
線，基準点を参照させる
れる．この機能により，開発した自動設計モデルには，副堰堤や垂直壁の位置を計算する経験式2)など， ⑤ 別の参照データから，地形形状に応じて砂防堰堤の3次元モデルが自動作成される各パラメータ間の相関性に関する設計基準に準拠す
このようにモデルを構築したことで，他の場所でるように構築している．
砂防堰堤の3次元モデルを作成する際，地形や中心線を参照するだけで，地形形状に応じた砂防堰堤の3次元モデルが自動で作成される．このため，一から3次元モデルを作成する必要はなく，10分程度で砂防堰堤の3次元モデルが作成できる．
高さの変更

図-2

３．自動設計モデルを活用した配置計画・設計

高さ=5m

高さ=7m

縦=0.2×5m=1m

縦=0.2×7m=1.4m

パラメータ間で数式を組んだパラメトリック設計②参照データから設計基準に基づき砂防堰堤を作成①参照データ

基準点
地形④パッケージを他の場所に適用③パッケージ化

前述した特徴を有する砂防堰堤の自動設計モデルを用いた配置計画の検討や設計検討によって，期待できる効果について以下に示す．

⑤別の参照デー
タから地形形状に応じた砂防堰
堤を自動作成

中心線

別の基準点
別の地形

図-3

モデルのパッケージ化と適用の概要図－18－

別の参照データ

別の中心線効果量:6216m3
コンクリートボリューム:1956m3

40m
効果量:12730m3
効果量:12730m3

効果量:4230m3

コンクリートボリューム:1800m3

堰堤高12m
堰堤高8m

図-4

堰堤高の変更に伴う効果量の自動計算

図-6

図-5

堰堤位置変更に伴う効果量及びCoボリューム自動計算

水叩き勾配を例としたパラメトリック設計(1) 配置計画検討への活用
自動設計モデルは，堰堤位置や堰堤高をパラメータとして設定し，図-4 と図-5 に示すように，主に堰堤高12m下記を自動計算することができる．
① 設定した堰堤位置の現河床勾配
堰堤高8m② 対象の砂防堰堤が捕捉できる土砂量（以下，効堰堤高の変動に伴い果量）
前庭保護工も自動で設計③ 地形に応じ段切りした砂防堰堤のコンクリートボリューム
上記3項目は，堰堤位置や堰堤高を変更した場合
図-7 堰堤高を変更した際の前庭保護工の自動設計もその変更に追随して自動計算されるため，従来のような堆砂範囲の縦横断図を作成し，平均断面法で含めた砂防堰堤を設計することが可能となった．
効果量を算出していた方法が半日程度かかるのに対また，本モデルでは，各パラメータ間の相関性にして，本モデルでは10秒程度で効果量を算出できる． 関する設計基準にも準拠するように組み込んでいる．
このため，計画地点で捕捉すべき目標土砂量に対し図-7 に示すように，堰堤高により副堰堤・垂直壁必要な施設規模（堰堤高）を算出する試行作業が，の位置を決める経験式をモデルの中に組み込んでい極めて短時間で行うことができる．
る．このため，効果量の試行作業によって本堰堤のまた，コンクリートボリュームも自動算出される
施設規模（堰堤高）が決まった際，副堰堤・垂直壁ため，費用対効果に優れる施設配置の設計が，従来を含む前庭保護工の位置や規模を自動的に計算した手法より短時間で求めることが可能となった．
3次元モデルが瞬時に作成される．つまり，施設全体が地形条件や支障物などの問題がないか，従来の(2) 設計検討への活用手法よりも極めて効率的に確認することができる．
自動設計モデルでは，堰堤位置や堰堤高以外にもこれにより，受発注者間の早期の課題共有や合意形
水通し幅や根入れ距離など，施設形状に関わる諸元成が実現される．
もパラメータとして設定した．図-6 に示すように，パラメータに数値入力することで，副堰堤や水叩き(3) 土工形状や数量の自動算出（プール）といった前庭保護工の形状が連動して変自動設計モデルは，前述した前庭保護工を含む施更される．これにより，3次元で地形や支障物を確設全体の自動設計に加え，その施設形状に応じた掘認しながらパラメータへ数値入力し，前庭保護工も削や埋戻し，土工数量を自動的に計算するように開－19－発した．また，施設形状に連動して掘削，埋戻しを再計算するように構築した．このため，図-8 に示すように，施設形状が変化した際，土工形状・土工数量を瞬時に算出することができ，土工数量を含めた計画施設の比較検討が短時間で行える．
さらに，図-9 に示すように，本モデルで算出したコンクリートボリュームや土工数量などは，全てExcel形式で出力することができるように構築しており，堰堤位置や施設形状を変更した際の数量比較が容易に可能である．このように，自動かつ容易に比較できることから，数量の計上漏れや修正の未実施などのミス防止が期待される．

堰堤高：9m

本堤に関わる掘削量
1,086m3
側壁護岸に関わる掘削量
115m3
副提に関わる掘削量
1,113m3

堰堤高：14m

本堤に関わる掘削量
1,665m3

４．今後の展望側壁護岸に関わる掘削量
193m3

本稿では，2次元設計を介さない3次元での砂防堰
堤の自動設計により，従来の設計手法と比べ下記の事項について効果が期待でき，設計者の生産性向上に加え，受発注者間の業務効率化・高度化に繋げることができることを示した．
① 配置計画の検討において，費用対効果に優れる施設配置を短時間で求めることができる② 本堰堤の施設規模（堰堤高）が決まったあと瞬時に施設全体が自動設計されることにより，3次元で施設全体や地形条件，支障物などの確認が効率的にできるようになった．これにより，受発注者間の早期の課題共有や合意形成が実現される③ 施設形状に関わる数量を自動で計算するため，修正した際の数量の計上漏れなどのミスが防止できる副提に関わる掘削量
960m3

図-8

施設形状に連動した土工形状変化

図-9

数量排出概要図

本稿で示した自動設計モデルは，前述したように，参照データとして設定した地形や中心線などから設計基準に基づき，3次元の砂防堰堤を作成するモデルである．これにより，別の参照データを準備することで，地形形状に応じた3次元の砂防堰堤を自動作成する機能を有している．したがって，自動設計モデルに組み込んだ新しいモデルは，その後設計する別の場所でも自動で作成される．
例えば，図-10 に示すように，前述した自動設計
図-10 側壁護岸の構造形式の切り替え
モデルの内容に加え，側壁護岸の構造について，地域ごとの構造に切り替えることが可能である．このとができる施設形状を作成するモデルを開発する予ような地域独自の基準や構造，設計者のノウハウな定である．
どをモデルとしてストックすることができ，多機能化させていくことで，設計するたびにより高性能な
謝辞：本稿における自動設計モデルは，ダッソー・モデルに更新していくことができる．
システムズ株式会社 和泉弘龍氏にご協力いただき開発をしたものである．深く感謝の意を表します．
また，本稿では堰堤高や水叩き勾配のパラメータに数値入力して砂防堰堤の設計ができることを示し参考文献
た．現在は，施設構造の要所をパラメータとして設
1) 国土交通省：BIM/CIM活用ガイドライン（案），第1編
定し，数値入力より構造形式が決まるモデルとなっ共通編，第3編 砂防及び地すべり対策編，2021．ている．今後は，外力などの諸条件をパラメータと2) 社団法人 全国治水砂防協会：改訂版 砂防設計公式
し自動的に安定計算を実施，その外力を満足するこ集（マニュアル），1980．

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