JP2014153994A - 建築物の設計方法、それを用いた製造方法、及びそれに用いる設計装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設計因子の少なくとも一つの最適解を、コンピューターを使用して、短時間で求めることができる。
【解決手段】柱３、梁４及び耐力壁５を少なくとも含む構造部材６を有する建築物の架構体２を、コンピュータ１を用いて設計するための方法である。この設計方法は、コンピュータ１が、構造部材６の少なくとも一つについて、遺伝的アルゴリズムに基づいて、設計因子の少なくとも一つの最適解を計算する最適化計算工程Ｓ４を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、設計因子の最適解を、短時間で求めることができる架構体の設計方法。

例えば、軸組工法による建築物の架構体は、柱、梁及び耐力壁等を含む構造部材を有している。これらの構造部材は、建築物の形状や荷重条件に応じて、その配置や断面形状等を含む設計因子が決定される。従来、建築物の形状や荷重条件を満たしつつ、架構体の強度を高めることができる設計因子を、コンピュータを用いて求めることが行われている。関連する技術としては、次のものがある。

特許第４７１２０７５号公報

設計因子の最適解を得るためには、例えば、設計因子の全てのパターンを組み合わせた複数のサンプルについて、架構体の強度を計算することが考えられる。しかしながら、このような方法では、全てのサンプルについて計算又は判定処理等が必要となるため、多くの計算時間が必要になるという問題点があった。

一方、前記特許文献１記載の方法では、計算時間を短縮するために、サンプルの個数を人為的に少なくするという手法が提案されている。しかしながら、このような方法では、適切にサンプルを絞ることは非常に困難であるため、設計因子の最適解を得るのが難しいという問題があった。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、設計因子の最適解を、短時間で求めることができる架構体の設計方法、それを用いた製造方法、及びそれに用いる設計装置を提供することを主たる目的としている。

本発明のうち請求項１記載の発明は、柱、梁及び耐力壁を少なくとも含む構造部材を有する建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法であって、前記コンピュータが、前記構造部材の少なくとも一つについて、遺伝的アルゴリズムに基づいて、設計因子の少なくとも一つの最適解を計算する最適化計算工程を含むことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、前記設計因子は、前記構造部材の配置又は断面形状を含む請求項１記載の架構体の設計方法である。

また、請求項３記載の発明は、前記最適解は、前記架構体から計算可能である互いに独立した第１目標変数及び第２目標変数をともに満足させる前記設計因子である請求項１又は２記載の架構体の設計方法である。

また、請求項４記載の発明は、前記コンピュータに、前記建築物の形状と荷重条件とを含む建築物基本情報を入力する工程と、前記コンピュータに、前記構造部材を前記架構体に配置するための設計制約条件を入力する工程と、前記コンピュータが、前記設計制約条件に基づいて、前記設計因子が異なる複数種類の架構体からなる集団を生成する工程とを含み、前記最適化計算工程は、前記集団を用いて前記最適解を計算する請求項１乃至３のいずれかに記載の架構体の設計方法である。

また、請求項５記載の発明は、前記集団は、前記各架構体の前記設計因子を特定する複数の染色体情報を含み、前記最適化計算工程は、前記各染色体情報に基づいて、前記各架構体の第１目標変数及び第２目標変数を計算する計算工程、少なくとも一部の前記染色体情報に対して交叉及び突然変異させて、再構成された染色体情報から構成される新たな集団を生成する遺伝子操作工程、及び前記第１目標変数及び前記第２目標変数をともに満足する少なくとも一つの前記染色体情報が存在するか否かを判断する工程を含む請求項４に記載の架構体の設計方法である。

また、請求項６記載の発明は、前記集団は、前記第１目標変数及び前記第２目標変数の最適化度が高い染色体情報からなるエリート群を含み、前記遺伝子操作工程では、前記エリート群の前記染色体情報を交叉及び突然変異させることなく、前記新たな集団に含める請求項５記載の架構体の設計方法である。

また、請求項７記載の発明は、前記コンピュータに、前記架構体の各架構面について、前記設計制約条件を満たし、かつ、前記設計因子が異なる前記構造部材を表す複数の対立遺伝子からなる対立遺伝子群を入力する工程を含み、前記複数の対立遺伝子は、前記構造部材の全ての設計パターンを表し、前記染色体情報は、前記対立遺伝子が格納可能な少なくとも一つの遺伝子座と、前記遺伝子座に格納された前記対立遺伝子とを含む請求項４乃至６のいずれかに記載の架構体の設計方法である。

また、請求項８記載の発明は、前記架構面は、一対の前記柱と、前記柱間を継ぐ少なくとも１本の前記梁とを含む垂直面であり、前記染色体情報は、前記架構面毎に少なくとも一つの前記遺伝子座を有する請求項７に記載の架構体の設計方法である。

また、請求項９記載の発明は、前記対立遺伝子は、少なくとも一枚の前記耐力壁の配置を表し、前記染色体情報は、前記架構面毎に一つの遺伝子座を有する請求項８に記載の架構体の設計方法である。

また、請求項１０記載の発明は、前記対立遺伝子は、一枚の前記耐力壁の配置を表し、前記染色体情報は、前記架構面毎に、該架構面に配置可能な前記耐力壁の枚数分の前記遺伝子座を有する請求項８に記載の架構体の設計方法である。

また、請求項１１記載の発明は、前記対立遺伝子は、少なくとも一枚の前記耐力壁の配置を表し、前記対立遺伝子群は、前記架構面に配置される前記耐力壁の枚数毎に、前記対立遺伝子がグループ化された対立遺伝子小群を含み、前記染色体情報は、前記架構面毎に二つの前記遺伝子座を有し、前記二つの遺伝子座は、前記架構面に配置される前記耐力壁の枚数が格納される第１遺伝子座と、前記第１遺伝子座の前記枚数に基づいて、前記対立遺伝子小群から選択される前記対立遺伝子が格納される第２遺伝子座とを含む請求項８に記載の架構体の設計方法である。

また、請求項１２記載の発明は、前記対立遺伝子は、少なくとも一枚の前記耐力壁の配置を表し、前記対立遺伝子群は、前記架構面に配置される前記耐力壁の性能値毎に、前記対立遺伝子がグループ化された対立遺伝子小群を含み、前記染色体情報は、前記架構面毎に二つの前記遺伝子座を有し、前記二つの遺伝子座は、前記架構面に配置される前記耐力壁の性能値が格納される第１遺伝子座と、前記第１遺伝子座の前記性能値に基づいて、前記対立遺伝子小群から選択される前記対立遺伝子が格納される第２遺伝子座とを含む請求項８に記載の架構体の設計方法である。

また、請求項１３記載の発明は、請求項１乃至１２の何れかに記載の架構体の設計方法によって計算された少なくとも一つの前記最適解に基づいて、前記架構体及び前記建築物を製造する建築物の製造方法である。

また、請求項１４記載の発明は、請求項１乃至１２の何れかに記載の架構体の設計方法を実行するための演算処理装置を含む設計装置である。

本発明の架構体の設計方法は、柱、梁及び耐力壁を少なくとも含む構造部材を有する建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法である。本発明の設計方法は、コンピュータが、構造部材の少なくとも一つについて、遺伝的アルゴリズムに基づいて、設計因子の少なくとも一つの最適解を計算する最適化計算工程を含む。

本発明の設計方法では、従来のように、設計因子の全てのパターンを組み合わせた複数のサンプルを計算することなく、少ないサンプルで設計因子を進化させることができる。従って、本発明の設計方法は、設計因子の最適解を、短時間で求めることができる。

本実施形態の設計方法を実行する設計装置の斜視図である。 架構体の斜視図である。 本実施形態の設計方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の基本情報入力工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。 耐力壁を省いた架構体の斜視図である。 図５の平面図である。 （ａ）はＸ軸架構面を示す斜視図、（ｂ）はＹ軸架構面を示す斜視図である。 配置可能領域を示す平面図である。 本実施形態の対立遺伝子群入力工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。 対立遺伝子を示す正面図である。 染色体情報及び対立遺伝子群の一覧表を示す線図である。 複数の染色体情報からなる集団の概念図である。 染色体情報から特定される架構体の斜視図である。 本実施形態の最適化計算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。 第１目標変数及び第２目標変数の計算結果を示す線図である。 本実施形態の遺伝子操作工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の次世代集団生成工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は交叉前の染色体情報を示す概念図、（ｂ）は交叉後の染色体情報を示す概念図である。 突然変異を説明する概念図である。 耐力壁の枚数分の遺伝子座を有する染色体情報、及び、対立遺伝子群の一覧表を示す線図である。 二つの遺伝子座を有する実施形態の染色体情報、及び、対立遺伝子群の一覧表を示す線図である。 他の実施形態の二つの遺伝子座を有する染色体情報、及び、対立遺伝子群の一覧表を示す線図である。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本発明の架構体の設計方法（以下、単に「設計方法」ということがある）は、例えば、工業化住宅等の建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法である。

図１に示されるように、コンピュータ１は、本体１ａ、キーボード１ｂ、マウス１ｃ及びディスプレイ装置１ｄを含む。この本体１ａには、例えば、演算処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、作業用メモリ、磁気ディスクなどの記憶装置、及び、ディスクドライブ装置１ａ１、１ａ２が設けられる。

また、記憶装置には、本実施形態の設計方法の処理手順（プログラム）が予め記憶される。この処理手順は、コンピュータ１の演算処理装置によって実行される。従って、コンピュータ１は、本発明の設計方法を実施するための設計装置１Ａとして構成される。

図２に示されるように、本実施形態の架構体２は、柱３、梁４及び耐力壁５を含む構造部材６を有する。架構体２には、一対の柱３、３と、該柱３、３間を継ぐ少なくとも１本の梁４とを含む垂直な架構面７が形成される。この架構面７には、耐力壁５が配置される。本実施形態の耐力壁５は、２本の柱５ａ、５ａと、該柱５ａ、５ａ間に接続されかつ互いに逆向きに傾く２本の斜材５ｂ、５ｂとを含んで構成される。

図３には、本実施形態の設計方法の具体的な処理手順が示されている。この設計方法では、図２に示した構造部材６の少なくとも一つについて、その設計因子の少なくとも一つの最適解を計算する。本実施形態の設計因子は、耐力壁５の配置である。

本実施形態の設計方法では、先ず、コンピュータ１に、建築物の基本情報が入力される（基本情報入力工程Ｓ１）。図４には、本実施形態の基本情報入力工程Ｓ１の具体的な処理手順が示される。

本実施形態の基本情報入力工程Ｓ１では、先ず、建築物の形状が、コンピュータ１に入力される（工程Ｓ１１）。この工程Ｓ１１では、図５及び図６に示されるように、例えば、建築物の柱３、梁４、架構面７及び屋根８の形状及び配置が、コンピュータ１に入力される。なお、この工程Ｓ１１では、設計因子である耐力壁５（図２に示す）は入力されない。

柱３及び梁４は、予め定められた水平モジュール又は垂直モジュールを基準として、その配置や長さ等が設定されている。また、柱３及び梁４は、例えば、ボルトがモデル化されたピン９により固定される。これにより、耐力壁５（図２に示す）を除いた架構体２及び架構面７が設定される。

また、柱３及び梁４には、例えば、それらの断面形状や、断面２次モーメント等の構造計算に必要なパラメータが設定される。このような柱３及び梁４の配置等やパラメータは、いずれも数値データとして、コンピュータ１に記憶される。

図５に示されるように、本実施形態の架構面７は、Ｘ軸方向に沿って配置されるＸ軸架構面１１と、Ｙ軸方向に沿って配置されるＹ軸架構面１２とを含む。

図７（ａ）に示されるように、Ｘ軸架構面１１は、架構体２の１階に配置される第１架構面１１Ａ〜第６架構面１１Ｆと、２階に配置される第７架構面１１Ｇ〜第１２架構面１１Ｌとを含む。

図７（ｂ）に示されるように、Ｙ軸架構面１２は、架構体２の１階に配置される第１３架構面１２Ａ〜第１６架構面１２Ｆと、２階に配置される第１７架構面１２Ｇ〜第２４架構面１２Ｌとを含む。これらの架構面１１Ａ〜１２Ｌは、コンピュータ１に記憶される。

図６に示されるように、屋根８は、柱３及び梁４と同様に、水平モジュール又は垂直モジュールを基準として、その配置や形状が設定される。このような屋根８の配置等が、数値データとして、コンピュータ１に記憶される。

次に、本実施形態では、建築物の荷重条件が、コンピュータ１に入力される（工程Ｓ１２）。荷重条件は、建築物に作用する外力に関する情報である。荷重条件は、例えば、建築物の各種仕様、例えば、外壁仕様、床仕様、屋根葺材、耐火仕様、耐震等級、又は、耐風等級などに基づいて入力される。このような荷重条件も数値データであり、コンピュータ１に記憶される。

建築物基本情報は、一般的なＣＡＤや一貫構造計算システム等のソフトウェアを用いて設定することができる。本実施形態では、二階建ての建築物が一例として示されたが、例えば、一階建てや、三階建て以上のものでも良い。

次に、コンピュータ１に、構造部材６を架構体２に配置するための設計制約条件が入力される（工程Ｓ２）。本実施形態の設計制約条件は、図８に示されるように、各架構面７において、耐力壁５を配置できる領域（以下、単に「配置可能領域」ということがある。）１４に関する情報を含んでいる。配置可能領域１４は、各架構面１１Ａ〜１２Ｌ（図７に示す）において、窓や扉等の開口部１５を除いた領域として設定される。このような配置可能領域１４は、座標値等の数値データとして、コンピュータ１に記憶される。

次に、各架構面１１Ａ〜１２Ｌ（図７に示す）について、設計因子が異なる複数の対立遺伝子からなる対立遺伝子群が、コンピュータ１に入力される（対立遺伝子群入力工程Ｓ３）。図９には、本実施形態の対立遺伝子群入力工程Ｓ３の具体的な処理手順が示される。

対立遺伝子とは、設計因子が異なる複数の耐力壁５の仕様に関する情報である。本実施形態の対立遺伝子群入力工程Ｓ３では、先ず、構造部材６（耐力壁５）が、コンピュータ１に入力される（工程Ｓ３１）。図１０に示されるように、耐力壁５は、例えば、水平モジュールに基づいて、幅Ｗ１が異なる複数種類のものが設定される。本実施形態の耐力壁５は、幅Ｗ１ａが４５０mmの小耐力壁５Ａと、幅Ｗ１ｂが９００mmの大耐力壁５Ｂとを少なくとも含む。各耐力壁５Ａ、５Ｂは、柱５ａ及び斜材５ｂの断面形状や、断面２次モーメント等が、数値データとして、コンピュータ１に記憶される。

次に、コンピュータ１に、対立遺伝子からなる対立遺伝子群が入力される（工程Ｓ３２）。本実施形態の対立遺伝子１６は、各架構面１１Ａ〜１２Ｌ（図７に示す）について、配置可能領域１４を考慮した耐力壁５の配置パターンを表している。即ち、対立遺伝子群１７は、設計制約条件を満たす耐力壁５の配置パターンを意味している。

図１１に示されるように、対立遺伝子群１７は、各架構面１１Ａ〜１２Ｌ（図７に示す）において、耐力壁５の配置パターンが異なる複数の対立遺伝子１６から構成される。本実施形態の複数の対立遺伝子１６は、各耐力壁５Ａ、５Ｂの少なくとも１枚が配される全ての配置パターンを表している。なお、耐力壁５の全ての配置パターンをもれなく設定するために、本実施形態では、複数の対立遺伝子１６は、設計制約条件と、各耐力壁５Ａ、５Ｂとに基づいて、コンピュータ１によって自動で計算及び記憶している。

各対立遺伝子１６には、該対立遺伝子１６を一意に識別するためのインデックス（例えば、「０００１」等）が設けられている。このような複数の対立遺伝子１６及び対立遺伝子群１７は、数値データとして、コンピュータ１に記憶される。

次に、コンピュータ１が、設計因子が異なる複数種類の架構体２からなる集団を生成する（集団生成工程Ｓ３３）。図１２に示されるように、本実施形態の集団１８は、複数の染色体情報１９を含む。各染色体情報１９は、対立遺伝子１６が格納可能な少なくとも一つの遺伝子座２１と、この遺伝子座２１に格納された対立遺伝子１６（図１１に示す）とを含む。

本実施形態において、遺伝子座２１は、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に一つずつ設定される。図１１に示されるように、各遺伝子座２１に格納される対立遺伝子１６は、各架構面１１Ａ〜１２Ｌに対応する対立遺伝子群１７の中から一つ選択される。これにより、各染色体情報１９は、配置可能領域１４に基づいて、例えば、図１３に示されるような、耐力壁５が配置された一つの架構体２（設計サンプル）を特定することができる。

本実施形態の遺伝子座２１には、対立遺伝子１６のインデックスのみが格納される。これにより、各染色体情報１９は、各遺伝子座２１に格納される対立遺伝子１６を特定することができる。

遺伝子座２１に格納される対立遺伝子１６は、例えば、乱数関数に従ってランダムに選択されるのが望ましい。これにより、遺伝子座２１には、対立遺伝子１６が不規則に配置されるため、様々なバリエーションの染色体情報１９を容易に設定することができる。このような染色体情報１９は、数値データとして、コンピュータ１に記憶される。

次に、コンピュータ１が、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）に基づいて、設計因子の少なくとも一つの最適解を計算する（最適化計算工程Ｓ４）。

遺伝的アルゴリズムは、生物が環境に適応して進化していく過程を、工学的に模倣した学習的アルゴリズムである。この遺伝的アルゴリズムでは、遺伝子で表現した複数の染色体情報に対して、交叉、又は、突然変異等の遺伝子操作を繰り返す。これにより、遺伝的アルゴリズムでは、少ないサンプルから、染色体情報を時系列的に進化させて、最適解を短時間で得ることができる。図１４には、本実施形態の最適化計算工程Ｓ４の具体的な処理手順が示される。

本実施形態の最適化計算工程Ｓ４では、先ず、集団１８の各染色体情報１９に基づいて、架構体２の第１目標変数及び第２目標変数が計算される（計算工程Ｓ４１）。

図１５に示されるように、本実施形態の第１目標変数は、架構体２の概算のコストである。このコストは、例えば、染色体情報１９の各対立遺伝子１６で設定される各構造部材の重量に、構造部材の単価を乗じて合算する方法や、構造部材毎に、データベース化された部材価格に基づいて合算する方法等により計算される。また、第１目標変数は、数値が小さいほど良好である。さらに、第１目標変数の許容範囲は、例えば、目標コストの１．１０倍以下である。目標コストは、例えば、建築物の予算等に基づいて、適宜設定される。このような第１目標変数は、染色体情報１９毎に計算され、コンピュータ１に記憶される。

第２目標変数は、対立遺伝子１６で定義される架構体２の設計制約条件への適応度である。第２目標変数と、第１目標変数とは、互いに独立した変数である。この第２目標変数（設計制約条件への適応度）は、架構体２の強度や、設計制約条件（配置可能領域１４）に違反する対立遺伝子１６の個数に基づいて計算される。

架構体２の強度は、例えば、建築基準法で指定されている保有水平耐力計算（所謂ルート３計算）等によって求められる。また、設計制約条件（配置可能領域１４）に違反する対立遺伝子１６の個数が一つでもある場合は、第２目標変数（適応度）が減じられる。この第２目標変数は、数値が高い程良好であり、１．０以上であれば、架構体２に求められる条件を満足する。このような第２目標変数は、染色体情報１９（図１２に示す）毎に計算され、コンピュータ１に記憶される。なお、適応度が１．０未満である場合は、架構体２のコストである第１目標変数に、ペナルティとして数値を加算しても良い。

次に、コンピュータ１が、第１目標変数及び第２目標変数をともに満足する少なくとも一つの染色体情報１９（以下、単に「最適解」ということがある）が存在するか否かを判断する（判断工程Ｓ４２）。本実施形態の判断工程Ｓ４２では、集団１８を構成する全ての染色体情報１９のうち、最適解が存在すると判断された場合、次の製造工程Ｓ５が実行される。

一方、最適解が存在しないと判断された場合は、コンピュータ１が、少なくとも一部の染色体情報１９に対して交叉及び突然変異等の遺伝子操作を行い、染色体情報１９を再構成して（遺伝子操作工程Ｓ４３）、計算工程Ｓ４１及び判断工程Ｓ４２を再度実行する。これにより、最適化計算工程Ｓ４では、最適解を確実に得ることができる。

本実施形態の判断工程Ｓ４２では、最適解が存在するか否かのみが判断されたが、これに限定されるわけではない。例えば、判断工程Ｓ４２では、上記の条件に加え、第１目標変数で表される架構体２のコストが最も低い染色体情報１９Ｓが、複数回（例えば、５〜１５回）更新されない場合にのみ、次の製造工程Ｓ５が実行されるものでもよい。

製造工程Ｓ５では、最終世代の集団１８において、最適化度が最も高い染色体情報１９Ｓに基づいて、架構体２及び建築物が製造される。これにより、本実施形態の設計方法では、架構体２のコストを所定の範囲に抑えつつ、強度が最も高い架構体２及び建築物を、容易かつ確実に製造することができる。

なお、最適化度が最も高い染色体情報１９Ｓとは、例えば、第２目標変数が１以上である全ての染色体情報１９のうち、第１目標変数が、最も低い第１目標変数の１．１０倍以下であり、かつ、第２目標変数の計算に用いられる架構体２の強度が最も高い染色体情報１９と定めることができる。

図１６には、本実施形態の遺伝子操作工程Ｓ４３の具体的な処理手順が示される。本実施形態の遺伝子操作工程Ｓ４３では、先ず、図１５に示されるように、コンピュータ１が、集団１８に属する複数の染色体情報１９を、第１目標変数で表される架構体２のコストが低い順に順位付けする（工程Ｓ４３１）。

次に、コンピュータ１は、各染色体情報１９を、エリート群２３と、非エリート群２４とに分類する（工程Ｓ４３２）。エリート群２３は、集団１８に属する全ての染色体情報１９のうち、最適化度が相対的に高い染色体情報１９から構成される。一方、非エリート群２４は、エリート群２３の染色体情報１９よりも最適化度が低い染色体情報１９から構成される。エリート群２３の割合は、適宜設定することができるが、例えば、集団１８を構成する全ての染色体情報１９の５〜２０％程度のものと定めてもよい。

次に、コンピュータ１は、次の計算工程Ｓ４１で用いる染色体情報１９の新たな集団１８を生成する（次世代集団生成工程Ｓ４３３）。図１７には、本実施形態の次世代集団生成工程Ｓ４３３の具体的な処理手順が示される。

次世代集団生成工程Ｓ４３３では、先ず、コンピュータ１が、エリート群２３の染色体情報１９を、交叉又は突然変異させることなく、新たな集団１８に含める（工程Ｓ７１）。これにより、計算工程Ｓ４１では、エリート群２３の染色体情報１９が含まれるため、確実に最適解を求めることができる。このエリート群２３の染色体情報１９は、新たな集団１８を構成する染色体情報１９として、コンピュータ１に記憶される。

次に、コンピュータ１は、集団１８を構成する一部の染色体情報１９を対象に交叉を実施する（交叉工程Ｓ７２）。

図１８（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態では、例えば、一対の染色体情報１９ａ、１９ｂにおいて、二つの交叉点２６、２６で挟まれた遺伝子座２１、２１に格納された対立遺伝子１６（図１１に示す）を入れ換える。このような交叉では、同一の架構面１１Ａ〜１２Ｌを設定する遺伝子座２１間で、対立遺伝子１６が入れ替えられる。従って、染色体情報１９は、同一の対立遺伝子群１７（図１１に示す）の対立遺伝子１６で、遺伝子座２１の対立遺伝子１６を再構成することができる。この再構成された染色体情報１９は、新たな集団１８を構成する染色体情報１９として、コンピュータ１に記憶される。なお、交叉点２６、２６は、コンピュータ１によってランダムに設定されるのが望ましい。

本実施形態において、交叉は、二つの交叉点２６、２６で挟まれた対立遺伝子１６を入れ換える二点交叉である場合が例示されたが、これに限定されるわけではない。交叉としては、例えば、一点交叉、多点交叉、又は、一様交叉などでもよく、これらを組み合わせ実施されるものでもよい。

次に、コンピュータ１は、集団１８を構成する一部の染色体情報１９を対象に突然変異を実施する（突然変異工程Ｓ７３）。本実施形態の突然変異工程Ｓ７３では、交叉の対象となっていない染色体情報１９を対象に突然変異を実施する。

図１９に示されるように、本実施形態では、先ず、各染色体情報１９において、遺伝子座２１がランダムに選択される。次に、選択された遺伝子座２１に格納された対立遺伝子１６が、当該遺伝子座２１に対応する対立遺伝子群１７からランダムに選択された対立遺伝子１６に置換される。このような突然変異は、交叉とは異なり、集団１８を構成する各染色体情報１９の対立遺伝子１６に限定されることなく、新たな対立遺伝子１６で、遺伝子座２１の対立遺伝子１６を再構成することができる。従って、突然変異は、局所的な最適解に陥ることを防ぎうる。この再構成された染色体情報１９は、新たな集団１８を構成する染色体情報１９として、コンピュータ１に記憶される。

このように、本実施形態の最適化計算工程Ｓ４では、第１目標変数及び第２目標変数の最適化度が高いエリート群２３の染色体情報１９を残しつつ、残りの染色体情報１９を再構成し、新たな進化を試みることができる。これにより、本発明の設計方法では、少ないサンプルで、設計因子を進化させることができる。従って、本発明の設計方法は、最適解を短時間で求めることができる。

突然変異させる染色体情報１９の割合は、適宜設定することができるが、例えば、集団１８を構成する全ての染色体情報１９の１０〜４０％程度のものと定めてもよい。突然変異させる染色体情報１９の割合が１０％未満の場合、対立遺伝子１６を十分に進化させることができないおそれがある。逆に、突然変異される染色体情報１９の割合が、４０％を超える場合、設計制約条件に違反する対立遺伝子１６が大幅に増加し、最適解を短時間で求めることができないおそれがある。

また、第１目標変数で表される架構体２のコストが許容範囲に収まり、かつ、第２目標変数で表される適応度を満足する染色体情報１９が現れてからは、概ね最適解近傍を探索できていると判断することができる。このため、次世代集団生成工程Ｓ４３３では、良好な染色体情報１９同士の交叉による進化を優先させるのが望ましい。これにより、最適化計算工程Ｓ４では、最適解を短時間で求めることができる。この場合、突然変異の割合は、集団１８を構成する全ての染色体情報１９の５〜１０％程度に設定されてもよい。

また、集団１８に属する染色体情報１９の個数は、１５〜５０個が望ましい。なお、染色体情報１９の個数が１５個未満であると、対立遺伝子１６を十分に進化させることができないおそれがある。逆に、染色体情報１９の個数が５０個を超えると、多くの計算時間を要するおそれがある。

さらに、集団１８に属する染色体情報１９の個数は、例えば、建物の階数及び延べ床面積によっても決定されるのが望ましい。例えば、本実施形態のような二階建ての建築物の場合には、下記の延べ床面積毎に設定された個数に従って、染色体情報１９が設定されるのが望ましい。また、三階建ての建築物の場合には、下記の個数に５個プラスした個数分の染色体情報１９が設定されるのが望ましい。さらに、一階建ての建築物の場合には、下記個数に５個マイナスした個数分の染色体情報１９が設定されるのが望ましい。
１００ｍ²未満：２０個
１００〜１２０ｍ²：２５個
１２０〜１４０ｍ²：３０個
１４０〜１６０ｍ²：３５個
１６０〜１８０ｍ²：４０個
１８０〜２００ｍ²：４５個
２００ｍ²以上：５０個

本実施形態の設計方法では、図１１に示されるように、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に一つの遺伝子座２１を有する染色体情報１９が例示されたが、これに限定されるわけではない。例えば、図２０に示されるように、染色体情報１９は、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に、該架構面１１Ａ〜１２Ｌに配置可能な耐力壁５の枚数分の遺伝子座２１を有するものでもよい。この実施形態では、各架構面１１Ａ〜１２Ｌに配置可能な耐力壁５の枚数が２枚である。従って、染色体情報１９は、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に、二つの遺伝子座２１、２１が設定される。

この実施形態の遺伝子座２１は、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に、耐力壁５の枚数分設定されるため、対立遺伝子群１７の対立遺伝子１６を、１枚の耐力壁５の配置パターンで定義することができる。従って、この実施形態の対立遺伝子群１７は、対立遺伝子１６の個数を、図１１に示した前実施形態に比べて少なくすることができる。

架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に設定される二つの遺伝子座２１、２１に、例えば同一の対立遺伝子１６が格納されると、耐力壁５、５が重複して配置される場合がある。このため、耐力壁５、５が重複して配置される染色体情報１９については、最適解候補から除外する必要がある。最適解候補から除外する方法としては、例えば、計算工程Ｓ４１において、第１目標変数に、ペナルティとして数値を加算してもよい。これにより、判断工程Ｓ４２では、耐力壁５、５が重複する染色体情報１９を除いて、最適解の有無が判断される。

また、この実施形態の交叉工程Ｓ７２及び突然変異工程Ｓ７３では、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に、二つの対立遺伝子１６、１６を一組として、それぞれ入れ替えるのではなく、個々の対立遺伝子１６毎に入れ替えられるのが望ましい。これにより、交叉工程Ｓ７２及び突然変異工程Ｓ７３では、二つの対立遺伝子１６、１６の組み合わせに限定されることなく、対立遺伝子１６を効率的に組み替えることができる。

図２１には、さらに他の実施形態の染色体情報１９が示される。この実施形態の染色体情報１９は、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に、二つの遺伝子座２１を有する。二つの遺伝子座２１は、各架構面１１Ａ〜１２Ｌに配置される耐力壁５の枚数（数字）が格納される第１遺伝子座２１Ａと、対立遺伝子１６のインデックスが格納される第２遺伝子座２１Ｂとを含む。

この実施形態の各対立遺伝子群１７は、耐力壁５の枚数毎に、対立遺伝子１６がグループ化された対立遺伝子小群２９を含む。対立遺伝子小群２９は、１枚の耐力壁５の配置を表す対立遺伝子１６をグループ化した第１小群２９Ａと、２枚の耐力壁５の配置を表す対立遺伝子１６をグループ化した第２小群２９Ｂとを含む。

染色体情報１９の第２遺伝子座２１Ｂには、第１遺伝子座２１Ａに格納される枚数に基づいて、第１小群２９Ａ又は第２小群２９Ｂから選択される対立遺伝子１６のインデックスが格納される。本実施形態の対立遺伝子１６のインデックスは、第１小群２９Ａ及び第２小群２９Ｂとで共通のものが採用されている。

この実施形態の交叉工程Ｓ７２及び突然変異工程Ｓ７３では、第１遺伝子座２１Ａに格納される耐力壁５の枚数と、第２遺伝子座２１Ｂに格納される対立遺伝子１６とを一組として入れ替えるのではなく、第１遺伝子座２１Ａに格納される耐力壁５の枚数と、第２遺伝子座２１Ｂに格納される対立遺伝子１６とが別々に入れ替えられるのが望ましい。これにより、交叉工程Ｓ７２及び突然変異工程Ｓ７３では、架構面１１Ａ〜１２Ｌの第１、第２遺伝子座２１Ａ、２１Ｂの組み合わせに限定されることなく、耐力壁５の枚数及び対立遺伝子１６を、効率的に再構成することができる。

本実施形態では、対立遺伝子１６のインデックスが、第１小群２９Ａ及び第２小群２９Ｂとで共通のものが採用されている。このため、例えば、第１遺伝子座２１Ａに格納される耐力壁５の枚数と、第２遺伝子座２１Ｂに格納される対立遺伝子１６のインデックスとが別々に入れ替えられた場合でも、入れ替えられた後の枚数及びインデックスから対立遺伝子１６を一意に定めることができる。

さらに、最適化計算工程Ｓ４では、第１遺伝子座２１Ａ、２１Ａを優先して、交叉又は突然変異させた後に、第２遺伝子座２１Ｂ、２１Ｂを交叉又は突然変異させるのが望ましい。これにより、最適化計算工程Ｓ４では、各架構面１１Ａ〜１２Ｌに配される耐力壁５の枚数を確定させた後に、耐力壁５の配置を設定することができるため、染色体情報１９をより効率的に再構成することができる。

図２２には、さらに他の実施形態の染色体情報１９が示される。この実施形態の染色体情報１９は、架構面１１Ａ〜１２Ｌ毎に、二つの遺伝子座２１、２１を有する。二つの遺伝子座２１は、各架構面１１Ａ〜１２Ｌに配置される耐力壁の性能値（数字）が格納される第１遺伝子座２１Ａと、第１遺伝子座２１Ａの性能値に基づく対立遺伝子１６のインデックスが格納される第２遺伝子座２１Ｂとを含む。ここで、本実施形態の性能値は、図１０に示した１枚の大耐力壁５Ｂの強度に対する耐力壁５の強度の比率である。

また、この実施形態の各対立遺伝子群１７は、耐力壁５の性能値毎に、対立遺伝子１６がグループ化された対立遺伝子小群３０を含む。本実施形態の対立遺伝子小群３０は、性能値が０．５以下の対立遺伝子１６をグループ化した第１小群３０Ａと、性能値が０．５〜１．０の対立遺伝子１６をグループ化した第２小群３０Ｂと、性能値が１．０〜１．５の対立遺伝子１６をグループ化した第３小群３０Ｃとを含む。

また、染色体情報１９の第２遺伝子座２１Ｂには、第１遺伝子座２１Ａに格納される性能値に基づいて、第１小群３０Ａ、第２小群３０Ｂ又は第３小群３０Ｃから選択される対立遺伝子１６のインデックスが格納される。本実施形態の対立遺伝子１６のインデックスは、第１小群３０Ａ、第２小群３０Ｂ及び第３小群３０Ｃとで共通のものが採用されている。

この実施形態の交叉工程Ｓ７２及び突然変異工程Ｓ７３では、図２１に示した前実施形態と同様に、第１遺伝子座２１Ａに格納される耐力壁５の性能値と、第２遺伝子座２１Ｂに格納される対立遺伝子１６とが別々に入れ替えられるのが望ましい。

本実施形態では、対立遺伝子１６のインデックスが、第１小群３０Ａ、第２小群３０Ｂ及び第３小群３０Ｃで共通のものが採用されている。このため、例えば、第１遺伝子座２１Ａに格納される耐力壁５の性能値と、第２遺伝子座２１Ｂに格納される対立遺伝子１６のインデックスとが別々に入れ替えられた場合でも、入れ替えられた後の性能値及びインデックスから対立遺伝子１６を一意に定めることができる。

さらに、最適化計算工程Ｓ４では、第１遺伝子座２１Ａ、２１を優先して交叉又は突然変異させた後に、第２遺伝子座２１Ｂ、２１を交叉又は突然変異させるのが望ましい。これにより、最適化計算工程Ｓ４では、各架構面１１Ａ〜１２Ｌに配される耐力壁５の性能値を確定した後に、耐力壁５の配置を設定することができるため、染色体情報１９をより効率的に再構成することができる。

これまでの実施形態では、設計因子が、耐力壁５の配置であるものが例示されたが、これに限定されるわけではなく、例えば、耐力壁５の断面形状でもよい。この場合、対立遺伝子群１７には、耐力壁５の断面形状の全てのパターンが設定された複数の対立遺伝子１６が設定される。

また、設計因子は、耐力壁５の柱５ａ、斜材５ｂの配置又は断面形状でもよく、これらを組み合わせても良い。さらに、設計因子は、耐力壁５のみならず、柱３又は梁４の配置又は断面形状でもよい。

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。

２ 架構体
３ 柱
４ 梁
５ 耐力壁
６ 構造部材

Claims (14)

1. 柱、梁及び耐力壁を少なくとも含む構造部材を有する建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法であって、
   前記コンピュータが、前記構造部材の少なくとも一つについて、遺伝的アルゴリズムに基づいて、設計因子の少なくとも一つの最適解を計算する最適化計算工程を含むことを特徴とする架構体の設計方法。
2. 前記設計因子は、前記構造部材の配置又は断面形状を含む請求項１記載の架構体の設計方法。
3. 前記最適解は、前記架構体から計算可能である互いに独立した第１目標変数及び第２目標変数をともに満足させる前記設計因子である請求項１又は２記載の架構体の設計方法。
4. 前記コンピュータに、前記建築物の形状と荷重条件とを含む建築物基本情報を入力する工程と、
   前記コンピュータに、前記構造部材を前記架構体に配置するための設計制約条件を入力する工程と、
   前記コンピュータが、前記設計制約条件に基づいて、前記設計因子が異なる複数種類の架構体からなる集団を生成する工程とを含み、
   前記最適化計算工程は、前記集団を用いて前記最適解を計算する請求項１乃至３のいずれかに記載の架構体の設計方法。
5. 前記集団は、前記各架構体の前記設計因子を特定する複数の染色体情報を含み、
   前記最適化計算工程は、
   前記各染色体情報に基づいて、前記各架構体の第１目標変数及び第２目標変数を計算する計算工程、
   少なくとも一部の前記染色体情報に対して交叉及び突然変異させて、再構成された染色体情報から構成される新たな集団を生成する遺伝子操作工程、及び
   前記第１目標変数及び前記第２目標変数をともに満足する少なくとも一つの前記染色体情報が存在するか否かを判断する工程を含む請求項４に記載の架構体の設計方法。
6. 前記集団は、前記第１目標変数及び前記第２目標変数の最適化度が高い染色体情報からなるエリート群を含み、
   前記遺伝子操作工程では、前記エリート群の前記染色体情報を交叉及び突然変異させることなく、前記新たな集団に含める請求項５記載の架構体の設計方法。
7. 前記コンピュータに、前記架構体の各架構面について、前記設計制約条件を満たし、かつ、前記設計因子が異なる前記構造部材を表す複数の対立遺伝子からなる対立遺伝子群を入力する工程を含み、
   前記複数の対立遺伝子は、前記構造部材の全ての設計パターンを表し、
   前記染色体情報は、前記対立遺伝子が格納可能な少なくとも一つの遺伝子座と、前記遺伝子座に格納された前記対立遺伝子とを含む請求項４乃至６のいずれかに記載の架構体の設計方法。
8. 前記架構面は、一対の前記柱と、前記柱間を継ぐ少なくとも１本の前記梁とを含む垂直面であり、
   前記染色体情報は、前記架構面毎に少なくとも一つの前記遺伝子座を有する請求項７に記載の架構体の設計方法。
9. 前記対立遺伝子は、少なくとも一枚の前記耐力壁の配置を表し、
   前記染色体情報は、前記架構面毎に一つの遺伝子座を有する請求項８に記載の架構体の設計方法。
10. 前記対立遺伝子は、一枚の前記耐力壁の配置を表し、
    前記染色体情報は、前記架構面毎に、該架構面に配置可能な前記耐力壁の枚数分の前記遺伝子座を有する請求項８に記載の架構体の設計方法。
11. 前記対立遺伝子は、少なくとも一枚の前記耐力壁の配置を表し、
    前記対立遺伝子群は、前記架構面に配置される前記耐力壁の枚数毎に、前記対立遺伝子がグループ化された対立遺伝子小群を含み、
    前記染色体情報は、前記架構面毎に二つの前記遺伝子座を有し、
    前記二つの遺伝子座は、前記架構面に配置される前記耐力壁の枚数が格納される第１遺伝子座と、
    前記第１遺伝子座の前記枚数に基づいて、前記対立遺伝子小群から選択される前記対立遺伝子が格納される第２遺伝子座とを含む請求項８に記載の架構体の設計方法。
12. 前記対立遺伝子は、少なくとも一枚の前記耐力壁の配置を表し、
    前記対立遺伝子群は、前記架構面に配置される前記耐力壁の性能値毎に、前記対立遺伝子がグループ化された対立遺伝子小群を含み、
    前記染色体情報は、前記架構面毎に二つの前記遺伝子座を有し、
    前記二つの遺伝子座は、前記架構面に配置される前記耐力壁の性能値が格納される第１遺伝子座と、
    前記第１遺伝子座の前記性能値に基づいて、前記対立遺伝子小群から選択される前記対立遺伝子が格納される第２遺伝子座とを含む請求項８に記載の架構体の設計方法。
13. 請求項１乃至１２の何れかに記載の架構体の設計方法によって計算された少なくとも一つの前記最適解に基づいて、前記架構体及び前記建築物を製造する建築物の製造方法。
14. 請求項１乃至１２の何れかに記載の架構体の設計方法を実行するための演算処理装置を含む設計装置。

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