JP2018104933A - 土木建築工事における施工管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 土木建築工事において、作業員の負担を軽減するとともに、正確かつ適切な情報に基づいて迅速に施工管理を行う。【解決手段】 施工対象となる施工面の設計形状データを記憶した設計形状データ記憶手段１１と、施工過程において形成した施工面の現形状データを取得する現形状データ取得手段１２と、設計形状データ及び現形状データとの比較に基づいて、設計形状データと現形状データとの一致度からなる施工状態管理情報を作成する施工状態管理情報作成手段１３と、作業者が装着した透過型ウェアラブル端末２０を用いて、施工過程における施工面と関連付くようにして、施工状態管理情報を表示させる表示制御手段１４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、土木建築工事における施工管理装置に関するものであり、例えば、トンネル工事において、インバート掘削の床付高さを設計通りに施工管理するための装置に関するものである。

土木建築工事において、地盤掘削、埋め戻し、盛り土、切り土、コンクリート打設等を行う際には、設計通りの施工面を形成するために、施工面の位置（例えば、基準位置からの高さ）を管理しなければならない。例えば、トンネル工事におけるインバート掘削の床付高さの確認は、トンネル腰部吹き付け面の両側に釘を打ち込み、一対の釘に基準となる線材（例えば水糸）を結び付けて基準位置を規定する。そして、基準位置からの下方位置（下がり寸法）を確認して、設計通りの床付高さとなるように掘削を行っている。

また、基準位置からの離隔位置を確認するためには、定規、基準長さの棒、錘を吊り下げた糸（下げ振り）等を用いて、人手により所定間隔毎に計測を行っている。そして、インバートコンクリートの打設時には、掘削面に突き刺した鉄筋等に打設高さの目印を付け、当該目印を目安にコンクリートを打設する。また、埋め戻しを行う際には、埋め戻し土の高さに相当するコンクリート面に目印をスプレー書きして、当該目印を目安に埋め戻しを行っている。

このように、一般的に行われている土木建築工事では、施工面全体を統括的に管理するのではなく、人手により所定間隔毎に測定を行い、点的な確認を行っているのが現状であり、迅速かつ正確な施工管理を行うために、さらなる工夫が求められていた。

従来、このような人手による作業を行わずに、機械的に正確な位置に施工面を作成するための技術が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術は、掘削予定範囲に向けてレーザースキャニング装置を設置する。そして、レーザースキャニング装置からレーザー光を発射して、一定の範囲を走査することにより掘削予定基準面を形成する。また、排土板若しくはショベル又はそれらを支持するアームにレーザー受光器及び通信機を設置するとともに、操縦席付近に通信機を設置した土工機械を用いて、通信機を介して、レーザー受光器の受光の有無を確認しながら、レーザー基準面とレーザー受光器が同じ高さになるまで排土又は掘削するようになっている。

特開平６−１４６３３４号公報

しかし、人手による施工管理方法では、手間が掛かるばかりでなく、計測や諸作業の正確さが作業者の熟練度に左右されるため、必ずしも適切な施工管理を行うことができない場合があった。また、計測を所定間隔で行っているため、実際に計測していない箇所では、正確な計測結果が得られずに、適切な施工管理を行うことができない場合があった。一方、測定箇所を増やせば正確さを担保することができるが、作業量が増加して施工性が悪くなるという問題がある。さらに、重機と作業者とが接近して作業を行わなければならない場合には、安全性の確保に十分な注意を払わなければならない。

また、特許文献１に記載された技術は、レーザースキャニング装置が必須の装置となっており、掘削機械にはレーザー受光器や通信機を取り付けなければならない。このため、装置が大がかりなものとなるばかりでなく、これらの装置を設置できない施工現場や掘削機械を用いる場合には位置決めを行うことができない。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、作業員の負担を軽減するとともに、正確かつ適切な情報に基づいて迅速に施工管理を行うことが可能な土木建築工事における施工管理装置を提供することを目的とする。

本発明の土木建築工事における施工管理装置は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明の土木建築工事における施工管理装置は、設計形状データ記憶手段と、現形状データ取得手段と、施工状態管理情報作成手段と、表示制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

設計形状データ記憶手段は、施工対象となる施工面の設計形状データを記憶するための手段である。現形状データ取得手段は、施工過程において形成した施工面の現形状データを取得するための手段である。

施工状態管理情報作成手段は、記憶した施工面の設計形状データと、取得した現形状データとの比較に基づいて、設計形状データと現形状データとの一致度からなる施工状態管理情報を作成するための手段である。表示制御手段は、作業者が装着した透過型ウェアラブル端末を用いて、施工過程における施工面と関連付くようにして、施工状態管理情報を表示させるための手段である。また、設計形状データと現形状データとの一致度は、表示させる画像の色相、彩度、明度の少なくとも一つにより表現することが可能である。この際、管理情報を三次元的に表現させることが可能である。

上述した構成からなる土木建築工事における施工管理装置では、設計形状データ記憶手段の機能により、予め設計した施工対象となる施工面の設計形状データを記憶しておく。そして、掘削機械、コンクリート打設機械等により、施工面を形成する。この際、現形状データ取得手段の機能により、形成した施工面の現形状データを取得する。

施工の進行に伴い、施工状態管理情報作成手段の機能により、設計形状データと現形状データとを比較して、設計形状データと現形状データとの一致度からなる施工状態管理情報を作成する。作成された施工状態管理情報は、表示制御手段の機能により、作業者が装着した透過型ウェアラブル端末を用いて、施工過程における施工面と関連付くようにして表示する。

施工状態管理情報の表示では、表示画像の色を変化させたり、明るさを変化させたりして、施工面の形成状態の変化を表現する。例えば、施工面の形成に伴い、現形状データと設計形状データとが近似する過程において色を変化させ、現形状データと設計形状データとが一致すると、表示画像の色をそれまでとは全く異ならせ、あるいは表示画像の明るさを急激に増加させて、作業者に対して、現形状データと設計形状データとが一致したことを認識させる。この際、管理情報を三次元的に表現することにより、施工面と施工状態管理情報との関連を的確に表示することができる。

本発明の土木建築工事における施工管理装置によれば、予め、施工対象となる施工面の設計形状データを記憶しておき、作業者が装着した透過型ウェアラブル端末を用いて、施工過程における施工面と関連付くようにして、設計形状データと現形状データとの一致度からなる施工状態管理情報を表示する。これにより、作業者は、施工過程における実際の施工面と、設計された施工面との差違を瞬時に認識することができるので、設計通りの正確な施工面を形成することができる。

また、施工状態管理情報として表示する画像の色相、彩度、明度の少なくとも一つにより、設計形状データと現形状データとの一致度を表現し、または三次元的に表現することにより、さらにこれらの技法を併用して設計形状データと現形状データとの一致度を表現することにより、作業者は、正確かつ適切な情報に基づいて迅速に施工管理を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る土木建築工事における施工管理装置の構成を示すブロック図。 トンネルインバートの施工時における施工状態管理情報の表示状態を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明に係る土木建築工事における施工管理装置（以下、施工管理装置と略記する）の実施形態を説明する。図１及び図２は本発明の実施形態に係る施工管理装置を説明するもので、図１は施工管理装置の構成を示すブロック図、図２はトンネルインバートの施工時における施工状態管理情報の表示状態を示す模式図である。

＜施工管理装置の概要＞
本発明の実施形態に係る土木建築工事における施工管理装置は、例えば、地盤掘削、埋め戻し、盛り土、切り土、コンクリート打設等の土木建築工事において、設計通りの施工を行うことができるように、作業員に対して情報を提供するための装置である。この施工管理装置は、コンピュータ及びその付帯装置と、コンピュータにインストールすることによりハードウェアと協同して動作するアプリケーションプログラムと、撮像装置と、施工状態管理情報の表示制御を行う表示制御手段及び透過型ウェアラブル端末を主要な構成要素として、土木建築工事を行う重機等による施工状態を管理するようになっている。なお、以下の説明では、トンネルインバートの施工について説明を行うが、本発明は、地盤掘削、埋め戻し、盛り土、切り土、コンクリート打設等の土木建築工事全般に適用できる技術である。

＜施工管理装置の詳細＞
本発明の実施形態に係る土木建築工事における施工管理装置１０は、図１に示すように、設計形状データ記憶手段１１、現形状データ取得手段１２、施工状態管理情報作成手段１３、表示制御手段１４を備えており、作業者が装着した透過型ウェアラブル端末２０を用いて施工状態管理情報を表示する。以下、各手段について詳述する。

＜設計形状データ記憶手段＞
設計形状データ記憶手段１１は、例えば、ＨＤＤ等の大容量記憶装置からなる。この設計形状データ記憶手段１１に、設計に基づいて予め生成した設計形状データを記憶しておく。設計形状データは、施工状態管理情報作成手段１３に送信されて、現形状データとともに施工状態管理情報の作成に使用する。

この設計形状データ記憶手段１１は、土木建築工事の施工現場に設置したコンピュータに内蔵（付帯）していてもよいが、データ通信回線を介してデータ通信可能に設置されていてもよい。例えば、管理施設に設置したサーバー（図示せず）を設計形状データ記憶手段１１として機能させるとともに、サーバーと、現形状データ取得手段１２、施工状態管理情報作成手段１３、表示制御手段１４とをデータ通信回線を介して接続することにより、情報を送受信してもよい。この場合、サーバーはクラウドシステム上に構築した仮想サーバーであってもよい。

また、データ通信回線は、データの送受信を行うことができればどのような回線であってもよく、インターネット、公衆電話回線、専用データ通信回線、無線ＬＡＮ回線、有線ＬＡＮ回線等を、単独であるいは組み合わせて用いることができる。このように、設計形状データ記憶手段１１をサーバーの機能とすることにより、湿度が高く、あるいは粉塵が存在して、コンピュータ等の精密機械にとって環境が良いとは言えない施工現場に精密機械を持ち込む必要がなくなる。

＜現形状データ取得手段＞
現形状データ取得手段１２は、施工過程において形成した施工面の現形状データを取得するための手段であり、例えば、ビデオカメラ等の撮像装置及び照明装置等からなる。この現形状データ取得手段１２は、例えば、トンネルの天端等に設置して、施工面を撮像対象とする。この際、照度が不足していれば、投光器やＬＥＤライト等の照明装置により施工面に撮影光を照射することが好ましい。現形状データ取得手段１２により取得した現形状データは、施工状態管理情報作成手段１３に送信されて、設計形状データとともに施工状態管理情報の作成に使用する。

＜施工状態管理情報作成手段＞
施工状態管理情報作成手段１３は、記憶した施工面の設計形状データと、取得した現形状データとの比較に基づいて、設計形状データと現形状データとの一致度からなる施工状態管理情報を作成するための手段であり、例えば、コンピュータ及びその付帯装置と、コンピュータにインストールすることによりハードウェアと協同して動作するアプリケーションプログラムとからなる。

なお、設計形状データ記憶手段１１と同様に、施工状態管理情報作成手段１３は、土木建築工事の施工現場に設置したコンピュータに内蔵（付帯）していてもよいが、データ通信回線を介してデータ通信可能に設置されていてもよい。

＜透過型ウェアラブル端末＞
透過型ウェアラブル端末２０は、例えば、ゴーグル及びゴーグルのレンズ面に映像を表示させるための表示装置からなり、種々の形態がある。例えば、ゴーグル本体の側面あるいは両側面にプロジェクタを配設し、このプロジェクタからレンズ面に映像を投写し、レンズ内に埋め込まれたホログラムによって光を反射させることにより、利用者が目視している物体に重ね合わせて情報を表示するものがある。この透過型ウェアラブル端末２０は、情報の表示形式を限定するものではなく、施工過程における施工面と関連付くようにして、施工状態管理情報を表示することができれば、どのような態様であってもよい。

また、施工過程における施工面と関連付けて施工状態管理情報を表示するためには、透過型ウェアラブル端末２０の現在位置やレンズ面の向き等に関する位置情報を取得する必要がある。位置情報の取得には、地磁気センサ、ジャイロセンサ、加速度センサ、ＧＮＳＳ、位置情報を発信するビーコン、撮影したマーカーの撮像データを用いた位置解析等のシステムを、単独または組み合わせて用いることができる。

＜表示制御手段＞
表示制御手段１４は、透過型ウェアラブル端末２０における情報表示を制御するための電子機器及びソフトウェアからなる。なお、ソフトウェアは、これと同等の機能を有する論理回路であってもよい。また、情報を三次元的に表現するには、拡張現実（ＡＲ）技術、複合現実（ＭＲ）技術、仮想現実（ＶＲ）技術を利用する。拡張現実（ＡＲ）技術、複合現実（ＭＲ）技術、仮想現実（ＶＲ）技術を利用すると、利用者は、ゴーグルのレンズ面を通して実際の施工箇所（例えば、トンネル掘削面）を目視しながら、レンズ面に表示された施工状態管理情報を重ね合わせて認識することができる。

＜施工状態管理情報の表示＞
以下、本実施形態の施工管理装置１０を用いて施工状態管理情報を表示する手順を説明する。施工状態管理情報を作成するには、予め施工面の設計形状データを作成しておく必要がある。施工面の設計形状データは、例えば、三次元的にマッピングを行うことが可能なアプリケーションプログラムがインストールされたコンピュータにより作成する。作成した設計形状データは、設計形状データ記憶手段１１に記憶しておく。

一方、施工過程における施工面の現形状データは、現形状データ取得手段１２の機能により取得する。例えば、ビデオカメラにより、施工を行っている施工面を撮影して現形状データを取得する。この現形状データは、コンピュータの一時記憶領域に記憶しておく。

そして、施工状態管理情報作成手段１３の機能により、設計形状データと現形状データとを取得し、両データの一致度を演算して、施工状態管理情報を作成する。演算結果である施工状態管理情報は、表示制御手段１４の機能により、作業者が装着した透過型ウェアラブル端末２０を用いて、施工過程における施工面と関連付くようにして表示する。当該画像は、色相、彩度、明度の少なくとも一つにより、設計形状データと現形状データとの一致度を表現する。

図２を参照して、上述した手順について、トンネルインバートの施工を例にとって説明する。図２（ａ）は掘削開始時の表示状態、図２（ｂ）は掘削途中の表示状態、図２（ｃ）は掘削完了時の表示状態を示す。

トンネル底面の掘削時には、設計高さに近づくに従って表示画像の色を徐々に濃くしてゆき、設計形状データと現形状データが一致すると、一気に明るさを増して、作業者に対して設計高さの掘削が完了したことを報知する。また、設計形状を超えて掘削を行ってしまった場合には、それまでの色とは全く異なる色（例えば、掘削中は青系色で表現し、掘り過ぎた場合には赤系色で表現する）で画像を表示し、作業者に対して設計高さを超えて掘削が行われたことを報知する。なお、図２に示す例では、施工箇所に応じて、複数の色彩、彩度、明度等で、掘削面の状態を表現している。この際、等高線を用いて、施工面の状態を表現してもよい（以下の施工例においても同様）。

同様に、コンクリート打設時には、設計高さに近づくに従って表示画像の色を徐々に濃くしてゆき、設計形状データと現形状データが一致すると、一気に明るさを増して、作業者に対して設計高さのコンクリート打設が完了したことを報知する。また、設計形状を超えてコンクリート打設を行ってしまった場合には、それまでの色とは全く異なる色（例えば、打設中は青系色で表現し、過剰打設の場合には赤系色で表現する）で画像を表示し、作業者に対して設計高さを超えてコンクリート打設が行われたことを報知する。

また、埋め戻し時には、設計高さに近づくに従って表示画像の色を徐々に濃くしてゆき、設計形状データと現形状データが一致すると、一気に明るさを増して、作業者に対して設計高さの埋め戻しが完了したことを報知する。また、設計形状を超えて埋め戻しを行ってしまった場合には、それまでの色とは全く異なる色（例えば、埋め戻し中は青系色で表現し、過剰埋め戻しの場合には赤系色で表現する）で画像を表示し、作業者に対して設計高さを超えて埋め戻しが行われたことを報知する。

＜従来技術と比較した有利な効果＞
掘削時には、リアルタイムに面的な高さ管理を行うことができるとともに、作業機械の運転席から高さ確認が可能となり、出来形不足や過掘りを防止して、施工品質を向上させることができる。また、手元作業員が不要となり、接触事故を防止して安全性を向上させることができるとともに、省人化や作業効率の向上により生産性を向上させることができる。

コンクリート打設時には、リアルタイムに面的な高さ管理が可能となり、小手仕上げ時に、精度の高い仕上げを行うことが可能となる。また、現形状データにより、コンクリート打設ボリュームを計算することができる。そして、計算結果を打設数量発注に反映させることで、残コンクリート量が減少するので、コストや環境負荷の低減に寄与することができる。

埋め戻し時には、リアルタイムに面的な高さ管理が可能となるので、精度の高い埋め戻しが可能となる。また、埋め戻し高さの精度が高まるので、次工程において、覆工セントルのレール盤を正確な位置に設置することができ、覆工の品質を向上させることができる。

なお、上述したように、本発明の施工管理装置１０は、トンネルインバートの施工だけではなく、地盤掘削、埋め戻し、盛り土、切り土、コンクリート打設等の土木建築工事全般に適用することができるため、各工事においても、同様の効果を奏することが可能となる。

１０ 施工管理装置
１１ 設計形状データ記憶手段
１２ 現形状データ取得手段
１３ 施工状態管理情報作成手段
１４ 表示制御手段
２０ 透過型ウェアラブル端末

Claims (3)

1. 施工対象となる施工面の設計形状データを記憶した設計形状データ記憶手段と、
   施工過程において形成した施工面の現形状データを取得する現形状データ取得手段と、
   前記記憶した施工面の設計形状データと、前記取得した現形状データとの比較に基づいて、前記設計形状データと前記現形状データとの一致度からなる施工状態管理情報を作成する施工状態管理情報作成手段と、
   作業者が装着した透過型ウェアラブル端末を用いて、施工過程における施工面と関連付くようにして、施工状態管理情報を表示させる表示制御手段と、
   を備えたことを特徴とする土木建築工事における施工管理装置。
2. 前記表示制御手段は、施工状態管理情報として表示させる画像の色相、彩度、明度の少なくとも一つにより、設計形状データと現形状データとの一致度を表現する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の土木建築工事における施工管理装置。
3. 前記表示制御手段は、前記施工状態管理情報を三次元的に表現して表示させる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の土木建築工事における施工管理装置。

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