JP6144922B2

JP6144922B2 - 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

Info

Publication number: JP6144922B2
Application number: JP2013024345A
Authority: JP
Inventors: 貴浩佐田; 大輔中川; 信太吉富
Original assignee: Ritsumeikan Trust; Panahome Corp
Current assignee: Ritsumeikan Trust; Panasonic Homes Co Ltd
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-02-12
Also published as: JP2014153995A

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。また、梁は、柱間を水平に継ぐ複数の大梁と、大梁で囲まれた水平架構面をさらに区分する小梁とを含んでいる。小梁は、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、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、短時間で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、柱と梁とを含み、かつ前記梁は、前記柱間を水平に継ぐ複数の大梁と、前記大梁で囲まれた水平架構面をさらに区分する小梁とを含む建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法であって、前記各水平架構面は、前記小梁によって複数個の小架構面に区分され、前記小梁は、前記水平架構面、又は前記小架構面に配置され、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、前記小梁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、設計因子が異なる複数種類の染色体情報からなる集団を生成する集団生成工程と、前記コンピュータが、少なくとも一つの前記小梁について、遺伝的アルゴリズムに基づいて、前記集団を用いることで前記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とを含み、前記染色体情報は、前記水平架構面毎に、一本の前記小梁の配置を定義した遺伝子情報を格納可能な少なくとも一つの遺伝子座を含み、前記遺伝子情報は、前記小梁の長手方向の向きを定義する方向情報、及び前記小梁の固定位置を定義する位置情報を含み、前記遺伝子座は、前記方向情報を格納可能な方向遺伝子座、及び前記位置情報を格納可能な位置遺伝子座を含み、前記染色体情報は、前記各水平架構面の前記小梁毎に、前記方向遺伝子座及び前記位置遺伝子座を有し、前記各小梁の前記方向情報は、該小梁が配置可能な水平架構面又は小架構面の個数と同一の桁数の文字又は数値からなり、前記方向情報の各桁は、該各桁に格納される前記文字又は前記数値により、前記水平架構面又は前記小架構面において、前記小梁の配置の有無が定義されることを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、柱と梁とを含み、かつ前記梁は、前記柱間を水平に継ぐ複数の大梁と、前記大梁で囲まれた水平架構面をさらに区分する小梁とを含む建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法であって、前記各水平架構面は、前記小梁によって複数個の小架構面が区分され、前記小梁は、前記水平架構面又は前記小架構面に配置され、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、前記小梁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、設計因子が異なる複数種類の染色体情報からなる集団を生成する集団生成工程と、前記コンピュータが、少なくとも一つの前記小梁について、遺伝的アルゴリズムに基づいて、前記集団を用いることで前記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とを含み、前記染色体情報は、前記水平架構面毎に、一本の前記小梁の配置を定義した遺伝子情報を格納可能な少なくとも一つの遺伝子座を含み、前記遺伝子情報は、前記小梁の長手方向の向きを定義する方向情報、前記小梁の固定位置を定義する位置情報、及び、前記小梁が配置される前記水平架構面又は前記小架構面を特定する架構面情報を含み、前記遺伝子座は、前記方向情報を格納可能な方向遺伝子座、前記位置情報を格納可能な位置遺伝子座、及び、前記架構面情報を格納可能な架構面遺伝子座を含み、前記染色体情報は、前記各水平架構面の前記小梁毎に、前記方向遺伝子座、前記位置遺伝子座、及び、前記架構面遺伝子座を有することを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、前記設計因子は、前記小梁の配置又は断面形状を含む請求項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１乃至４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６記載の発明は、前記遺伝子情報は、前記各水平架構面において、前記第１目標変数及び前記第２目標変数を計算、並びに、交叉及び突然変異させる前記小梁の本数を定義する本数情報を含み、前記遺伝子座は、前記本数情報を格納可能な本数遺伝子座をさらに含み、前記各染色体情報は、一つの前記本数遺伝子座が定義され、前記計算工程及び前記遺伝子操作工程は、前記各水平架構面において、前記本数情報に設定される本数分の前記小梁の前記遺伝子座のみを対象に、前記第１目標変数及び前記第２目標変数の計算、並びに、交叉及び突然変異させる請求項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又は６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、前記設計制約条件は、前記小梁の固定可能な向き及び位置が設定され、前記集団生成工程では、前記設計制約条件に基づいて、前記コンピュータが決定した前記方向情報及び前記位置情報を、前記方向遺伝子座及び前記位置遺伝子座に格納する工程を含む請求項１乃至７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９記載の発明は、前記設計制約条件は、前記各水平架構面に配置される前記小梁の本数の上限値が設定され、前記上限値は、前記各水平架構面に配置可能な前記小梁の最大本数よりも小であり、前記染色体情報は、前記各水平架構面において、前記方向遺伝子座及び前記位置遺伝子座が、前記上限値と同一個数ずつ定義される請求項１乃至８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１０記載の発明は、請求項１乃至９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１１記載の発明は、請求項１乃至９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、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。建築物の架構体は、柱と梁とを含む。また、梁は、柱間を水平に継ぐ複数の大梁と、大梁で囲まれた水平架構面をさらに区分する小梁とを含む。本発明の設計方法では、コンピュータが、少なくとも一つの小梁について、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、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。架構体の平面図である。（ａ）は第一小梁が配置された架構体の平面図、（ｂ）は第二小梁が配置された架構体の平面図である。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。小梁を省いた架構体の斜視図である。水平架構面の節点を示す平面図である。複数の染色体情報からなる集団の概念図である。本実施形態の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）、（ｂ）は、第一小梁の方向情報及び位置情報と、水平架構面に配置される第一小梁とを示す線図である。（ａ）、（ｂ）は、第二小梁の方向情報及び位置情報と、水平架構面に配置される第二小梁とを示す線図である。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。他の実施形態の染色体情報を示す概念図である。第一小梁の架構面情報と、水平架構面に配置される第一小梁とを示す線図である。（ａ）、（ｂ）は、第二小梁の架構面情報と、水平架構面に配置される第二小梁とを示す線図である。（ａ）、（ｂ）さらに他の実施形態の染色体情報を示す概念図である。

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及び図３に示されるように、架構体２は、例えば、柱３、梁４及び耐力壁５を含む構造部材６を有する。梁４は、柱３、３間を水平に継ぐ複数の大梁７と、大梁７で囲まれた水平架構面９をさらに区分する小梁８とを含む。これらの大梁７及び小梁８は、２階以上の床（図示省略）を支持するための床梁、又は屋根１０を支持するための屋根梁として構成される。また、大梁７及び小梁８は、例えば、略横Ｈ字状の型鋼等から構成される。

図４（ａ）に示されるように、各水平架構面９は、一本目の小梁（以下、「第一小梁」ということがある。）８ａが配置されることにより、二個の小架構面１３に区分される。さらに、図４（ｂ）に示されるように、水平架構面９は、二本目の小梁（以下、「第二小梁」ということがある。）８ｂが、二個の小架構面１３の何れかに配置されることにより、三個の小架構面１３に区分される。このように、水平架構面９は、小梁８が配置されることにより、複数個の小架構面１３に区分される。

本実施形態の小架構面１３は、図において、水平架構面９の左下側の頂点である基準点１５ａに最も近い第１小架構面１３Ａ、及び第１小架構面１３Ａの次に基準点１５ａに近い第２小架構面１３Ｂが含まれる。さらに、小架構面１３は、第２小架構面１３Ｂの次に基準点１５ａに近い第３小架構面１３Ｃが含まれる。

図５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、少なくとも一つの小梁８（図２に示す）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、小梁８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６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７に示されるように、例えば、建築物の柱３、耐力壁５、大梁７、水平架構面９及び屋根１０（図３に示す）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、設計因子である小梁８（図２及び図３に示す）は入力されない。

柱３、耐力壁５及び大梁７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、及び大梁７は、例えば、ボルトがモデル化されたピン１６により固定される。これにより、小梁８（図２に示す）を除いた架構体２及び水平架構面９が設定される。さらに、本実施形態の大梁７は、その長手方向がＸ軸方向、又はＹ軸方向に沿って配置されている。

また、柱３、耐力壁５及び大梁７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、大梁７及び耐力壁５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。

本実施形態の水平架構面９は、二階の床を支持する第１水平架構面９Ａ〜第４水平架構面９Ｄと、屋根１０（図３に示す）を支持する第５水平架構面９Ｅ〜第８水平架構面９Ｈとを含んでいる。さらに、図８に示されるように、各水平架構面９Ａ〜９Ｈには、水平モジュールに準じて等間隔に配された複数の節点１７が定義されている。本実施形態の節点１７は、例えば、階段や吹き抜け等の開口部（図示省略）を除いた領域のみに設定される。このような各水平架構面９Ａ〜９Ｈは、コンピュータ１に記憶される。

屋根１０（図３に示す）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１０の配置等は、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、小梁８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としては、図８に示されるように、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、小梁８が固定可能な向き及び位置が設定される。

本実施形態の小梁８は、その長手方向が設定される。この長手方向は、図において、Ｘ軸方向、又は、Ｙ軸方向に限定される。なお、長手方向は、このような態様に限定されるわけではなく、例えば、Ｘ軸方向の成分と、Ｙ軸方向の成分とを含む任意の方向に限定されてもよい。

また、本実施形態の小梁８は、小梁８の一対の端部８ｔ、８ｔのうち、水平架構面９の基準点１５ａに最も近い端部（以下、単に「基準端部」ということがある。）１８の固定位置が設定される。この基準端部１８の固定位置は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈに定義された節点１７に限定される。上述したように、節点１７は、階段等の開口部（図示省略）を除いた領域のみに設定される。これにより、小梁８は、各水平架構面９の開口部（図示省略）を除いた領域に、水平モジュールに従って配置される。

さらに、本実施形態では、設計制約条件として、各水平架構面９Ａ〜９Ｈに配置される小梁８の本数の上限値が設定される。この上限値は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈに配置可能な小梁８の最大本数よりも小に設定される。また、上限値は、架構体２に必要な強度や、コスト等の諸条件に応じて、任意に設定することができる。本実施形態では、例えば「３」が設定される。これらの設計制約条件は、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、コンピュータ１が、設計制約条件に基づいて、設計因子が異なる複数種類の染色体情報からなる集団を生成する（集団生成工程Ｓ３）。図９に示されるように、各染色体情報２１は、水平架構面９Ａ〜９Ｈ毎に、一本の小梁８の配置を定義する遺伝子情報を格納可能な少なくとも一個の遺伝子座２２が定義される。図１０には、本実施形態の集団生成工程Ｓ３の具体的な処理手順が示される。

本実施形態の集団生成工程Ｓ３では、先ず、コンピュータ１に、小梁８（図４に示す）が定義される（工程Ｓ３１）。この小梁８は、断面形状や、断面２次モーメント等が定義された数値データである。このような数値データは、コンピュータ１に記憶される。

次に、コンピュータ１に、染色体情報２１の遺伝子座２２が設定される（工程Ｓ３２）。図９に示されるように、本実施形態の遺伝子座２２は、方向情報を格納可能な方向遺伝子座２２ａ、及び位置情報を格納可能な位置遺伝子座２２ｂが含まれる。

また、染色体情報２１は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、方向遺伝子座２２ａ及び位置遺伝子座２２ｂが、小梁８の本数の上限値（例えば、３）と同一個数ずつ定義される。従って、各染色体情報２１は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、小梁８（本実施形態では、第一小梁８ａ、第二小梁８ｂ及び第三小梁８ｃ）毎に、方向遺伝子座２２ａ及び位置遺伝子座２２ｂが割り当てられる。

次に、コンピュータ１が、染色体情報２１の各遺伝子座２２に、遺伝子情報を格納する（工程Ｓ３３）。本実施形態の方向遺伝子座２２ａには、方向情報が格納される。さらに、位置遺伝子座２２ｂには、位置情報が格納される。

方向情報は、小梁８の長手方向を定義するものである。また、方向情報は、少なくとも一桁の文字又は数値、本実施形態では少なくとも一桁の数値で定義される。本実施形態の方向情報がとり得る各数値は０〜２であり、詳細は次のとおりである。
０：小梁の配置なし
１：Ｘ軸方向と平行
２：Ｙ軸方向と平行

方向情報は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈに配置される複数の小梁８毎に異なる桁数の数値で定義される。本実施形態の各小梁８の方向情報の桁数は、該小梁８が配置可能な水平架構面９又は小架構面１３の個数と同一に設定される。さらに、方向情報の各桁は、水平架構面９又は小架構面１３において、小梁８の配置の有無が定義される。

例えば、図８に示されるように、各水平架構面９Ａ〜９Ｈ（本例では、第１水平架構面９Ａを代表して示す）において、第一小梁８ａは、水平架構面９の一つのみに配置可能である。従って、図１１（ａ）に示されるように、第一小梁８ａの方向遺伝子座２２ａに格納される方向情報は、一桁の数値からなる。また、方向情報の一桁の数値は、水平架構面９おいて、第一小梁８ａの配置の有無が定義される。

例えば、第一小梁８ａの方向情報が「２」の場合、第一小梁８ａは、水平架構面９に、その長手方向をＹ軸方向と平行に配置される。一方、図１１（ｂ）に示されるように、第一小梁８ａの方向情報が「１」の場合、第一小梁８ａは、水平架構面９に、長手方向をＸ軸方向と平行に配置される。また、第一小梁８ａの方向情報が「０」の場合、第一小梁８ａは、水平架構面９に配置されない。なお、第一小梁８ａが配置されない場合は、第二小梁８ｂ以降の全ての小梁８が配置されない。従って、第一小梁８ａの方向情報が「０」の場合は、第二小梁８ｂ以降の方向情報及び位置情報が無視される。

図１２（ａ）に示されるように、各水平架構面９Ａ〜９Ｈ（本例では、第１水平架構面９Ａを代表して示す）において、第二小梁８ｂは、第一小梁８ａによって区切られた二個の小架構面１３Ａ、１３Ｂの何れかに配置可能である。従って、第二小梁８ｂの方向遺伝子座２２ａに格納される方向情報は、二桁の数値からなる。また、方向情報の一桁目の数値は、第１小架構面１３Ａにおいて、第二小梁８ｂの配置の有無が定義される。さらに、方向情報の二桁目の数値は、第２小架構面１３Ｂにおいて、第二小梁８ｂの配置の有無が定義される。

例えば、方向情報が「１０」の場合は、一桁目の数値が「０（小梁８の配置なし）」である。これにより、第二小梁８ｂは、第１小架構面１３Ａに配置されない。一方、二桁目の数値は、「１（Ｘ軸方向と平行）」である。これにより、第二小梁８ｂは、第２小架構面１３Ｂに、長手方向をＸ軸方向と平行に配置される。

図１２（ｂ）に示されるように、方向情報が「０２」の場合は、一桁目の数値が「２（Ｙ軸方向）」である。これにより、第二小梁８ｂは、第１小架構面１３Ａに、長手方向をＹ軸方向と平行に配置される。一方、二桁目の数値が「０（小梁８の配置なし）」である。これにより、第二小梁８ｂは、第２小架構面１３Ｂに配置されない。

さらに、方向情報が「００」の場合は、一桁目及び二桁目の数値がともに「０（小梁８の配置なし）」であるため、第１小架構面１３Ａ及び第２小架構面１３Ｂにおいて、第二小梁８ｂが配置されない。また、第二小梁８ｂは、各水平架構面９Ａ〜９Ｈに一本しか配置できないため、方向情報の一桁目の数字及び二桁目の数字の双方に、０以外の数値が設定されることはない。

同様に、第三小梁８ｃの方向遺伝子座２２ａに格納される方向情報は、三桁の数値からなる。また、一桁目の数値は、第１小架構面１３Ａにおいて、第三小梁８ｃの配置の有無が定義される。さらに、二桁目の数値は、第２小架構面１３Ｂにおいて、第三小梁８ｃの配置の有無が定義される。また、三桁目の数値は、第３小架構面１３Ｃ（図示省略）において、第三小梁８ｃの配置の有無が定義される。

このように、本実施形態の方向情報の各桁は、水平架構面９又は小架構面１３において、小梁８の配置の有無が定義されるため、小梁８の長手方向だけでなく、小梁８が配置される水平架構面９又は小架構面１３を定義することができる。従って、このような方向情報は、染色体情報２１の遺伝子座２２の個数を少なくするのに役立つ。

次に、位置情報は、各小梁８が配置される水平架構面９又は小架構面１３において、小梁８の基準端部１８の固定位置を定義するものである。図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示されるように、本実施形態の位置情報は、水平架構面９又は小架構面１３の夫々において、基準端部１８が当接する辺２５の長さＬ２に対する、基準点１５ａ、１５ｂと小梁８の基準端部１８との距離Ｌ１の比率で定義される。従って、本実施形態の位置情報がとり得る数値は、０．０〜１．０である。

例えば、第一小梁８ａの方向情報が「２」であり、かつ位置情報が「０．４」の場合、第一小梁８ａの基準端部１８の固定位置は、該基準端部１８が当接する辺２５（Ｘ軸方向）の長さＬ２ｘに対して、水平架構面９の基準点１５ａからの距離Ｌ１ｘ（Ｘ軸方向）が０．４である節点１７に定義される。なお、位置情報の数値が例えば、「０．５」の場合は、水平架構面９に節点１７が存在しない。このような場合、基準端部１８の固定位置は、位置情報の数値に最も近い節点１７に定義される。

また、方向情報が「０」である場合は、水平架構面９に第一小梁８ａが配置されない。このため、位置情報には、例えば、「＊」等の記号を入力して、他の位置情報と区別してもよい。

図１２（ａ）に示されるように、第二小梁８ｂの方向情報が「１０」であり、かつ位置情報が「０．５」の場合、第二小梁８ｂの基準端部１８の固定位置は、該基準端部１８が当接する辺２５（Ｙ軸方向）の長さＬ２ｙに対して、第２小架構面１３Ｂの基準点１５ｂからの距離Ｌ１ｙ（Ｙ軸方向）が０．５である節点１７に定義される。

このように、本実施形態の位置情報は、小梁８の基準端部１８の固定位置を定義することができる。従って、位置情報は、方向情報とともに用いられることにより、小梁８の配置を一意に定義することができる。

本実施形態の工程Ｓ３３では、コンピュータ１が、各水平架構面９Ａ〜９Ｈの各小梁８において、設計制約条件に基づいて、上記の方向情報及び位置情報を、方向遺伝子座２２ａ及び位置遺伝子座２２ｂに格納する。これにより、各染色体情報２１は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、上限値以下の本数分の小梁８がそれぞれ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。

なお、方向情報及び位置情報は、例えば、コンピュータ１が、乱数関数に従って、ランダムに決定されるのが望ましい。これにより、方向遺伝子座２２ａ及び位置遺伝子座２２ｂには、方向情報及び位置情報が不規則に設定されるため、様々なバリエーションの染色体情報２１を容易に設定することができる。このような染色体情報２１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１３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２０の各染色体情報２１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１４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２１に設定される小梁の重量に、該小梁の単位重量当たりの単価を乗じて合算する方法や、小梁毎に、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２１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、方向情報及び位置情報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、設計制約条件に違反する方向情報及び位置情報の個数に基づいて計算される。

架構体の強度は、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、設計制約条件に違反する方向情報及び位置情報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２１（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２１（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２０を構成する全ての染色体情報２１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２１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２１を再構成する（遺伝子操作工程Ｓ４３）。そして、再構成した染色体情報２１に基づいて、計算工程Ｓ４１及び判断工程Ｓ４２が再度実行される。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２１Ｓ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２０において、最適化度が最も高い染色体情報２１Ｓ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２１Ｓ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２１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２１と定めることができる。

図１５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１４に示されるように、コンピュータ１が、集団２０に属する複数の染色体情報２１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２１を、エリート群２６と、非エリート群２７とに分類する（工程Ｓ４３２）。エリート群２６は、集団２０に属する全ての染色体情報２１のうち、最適化度が相対的に高い染色体情報２１から構成される。一方、非エリート群２７は、エリート群２６の染色体情報２１よりも最適化度が低い染色体情報２１から構成される。エリート群２６の割合は、適宜設定することができるが、例えば、集団２０を構成する全ての染色体情報２１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２１の新たな集団２０を生成する（次世代集団生成工程Ｓ４３３）。図１６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２６の染色体情報２１を、交叉又は突然変異させることなく、新たな集団２０に含める（工程Ｓ７１）。これにより、計算工程Ｓ４１では、エリート群２６の染色体情報２１が含まれるため、最適解から遠ざかるのを防ぐことができる。このエリート群２６の染色体情報２１は、新たな集団２０を構成する染色体情報２１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２０を構成する一部の染色体情報２１を対象に交叉を実施する（交叉工程Ｓ７２）。

図１７（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２１ａ、２１ｂ間において、二つの交叉点２９、２９で挟まれた各遺伝子座２２ａ、２２ｂに格納されている方向情報又は位置情報が入れ替えられる。このような交叉では、一対の染色体情報２１ａ、２１ｂ間において、同一の小梁８を定義する方向情報又は位置情報同士を入れ替えることができる。従って、交叉は、方向遺伝子座２２ａに格納されている方向情報、及び、位置遺伝子座２２ｂに格納されている位置情報を改めて設定することなく、容易に再構成することができる。この再構成された染色体情報２１は、新たな集団２０を構成する染色体情報２１として、コンピュータ１に記憶される。なお、交叉点２９、２９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２９、２９で挟まれた方向情報及び位置情報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２０を構成する一部の染色体情報２１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２１を対象に突然変異を実施する。

図１８に示されるように、本実施形態では、先ず、各染色体情報２１において、方向遺伝子座２２ａ、又は位置遺伝子座２２ｂがランダムに選択される。次に、選択された方向遺伝子座２２ａ、又は位置遺伝子座２２ｂに格納された方向情報及び位置情報が、方向遺伝子座２２ａ、又は位置遺伝子座２２ｂに対応する方向情報、又は位置情報が取りうる全て数値のうち、ランダムに選択された数値に置換される。

このような突然変異は、交叉とは異なり、集団２０を構成する各染色体情報２１に定義されている方向情報、又は位置情報に限定されることなく、新たな方向情報、又は位置情報で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２１は、新たな集団２０を構成する染色体情報２１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２６の染色体情報２１を残しつつ、残りの染色体情報２１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２１の割合は、適宜設定することができるが、例えば、集団２０を構成する全ての染色体情報２１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２１の割合が１０％未満の場合、遺伝子情報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２１の割合が、４０％を超える場合、設計制約条件に違反する遺伝子情報が大幅に増加し、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２１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２１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２０を構成する全ての染色体情報２１の５〜１０％程度に設定されてもよい。

また、集団２０に属する染色体情報２１の個数は、１５〜５０個が望ましい。なお、染色体情報２１の個数が１５個未満であると、遺伝子情報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２１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２０に属する染色体情報２１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２１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２１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２１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９に示されるように、各小梁８の配置を定義する遺伝子座２２が、方向遺伝子座２２ａ、及び位置遺伝子座２２ｂのみからなるものが例示されたが、これに限定されるわけではない。例えば、図１９に示されるように、遺伝子座２２は、方向遺伝子座２２ａ及び位置遺伝子座２２ｂに加えて、さらに、架構面遺伝子座２２ｃを含むものでもよい。

架構面遺伝子座２２ｃは、方向遺伝子座２２ａ及び位置遺伝子座２２ｂと同様に、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、小梁８の本数の上限値と同一個数ずつ定義される。従って、各染色体情報２１は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、小梁８毎に、架構面遺伝子座２２ｃが割り当てられる。

また、架構面遺伝子座２２ｃには、架構面情報が格納される。架構面情報は、各小梁８が配置される水平架構面９又は小架構面１３を特定するものである。この架構面情報は、少なくとも一桁、本実施形態では一桁の数値で定義される。本実施形態の架構面情報は、例えば次のとおりである。
０：小梁の配置なし
１：水平架構面又は第１小架構面
２：第２小架構面
３：第３小架構面

例えば、図２０に示されるように、第一小梁８ａの架構面情報が「１」の場合、第一小梁８ａは、水平架構面９に配置される。一方、第一小梁８ａの架構面情報が「０」の場合、第一小梁８ａは、水平架構面９に配置されない。

図２１（ａ）に示されるように、第二小梁８ｂの架構面情報が「１」の場合、第二小梁８ｂは、第１小架構面１３Ａに配置される。また、図２１（ｂ）に示されるように、第二小梁８ｂの架構面情報が「２」の場合、第二小梁８ｂは、第２小架構面１３Ｂに配置される。さらに、第二小梁８ｂの架構面情報が「０」の場合、第二小梁８ｂは、第１小架構面１３Ａ及び第２小架構面１３Ｂに配置されない。

このように、架構面情報は、各小梁８が配置される水平架構面９又は小架構面１３を特定することができるため、前実施形態のように、方向情報の桁数を小梁８が配置可能な水平架構面９又は小架構面１３の個数と同一に設定して、水平架構面９又は小架構面１３に配置される小梁８の有無を定義する必要がない。従って、染色体情報２１は、方向情報を、小梁８の長手方向を定義する一桁の数値で定義することができるため、データ構造及び処理手順を簡略化することができる。

図２２（ａ）に示されるように、遺伝子座２２は、本数遺伝子座２２ｄをさらに含むものでもよい。この本数遺伝子座２２ｄは、各染色体情報２１において、水平架構面９Ａ〜９Ｈ毎に定義される。

各本数遺伝子座２２ｄには、少なくとも一桁の数値からなる本数情報が格納される。この本数情報は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、第１目標変数及び第２目標変数を計算、並びに、交叉及び突然変異させる小梁８の本数を定義するものである。

例えば、第１水平架構面９Ａの本数情報が小梁８の本数の上限値（例えば、３）である場合は、第１水平架構面９Ａにおいて、全ての小梁８を対象に、第１目標変数及び第２目標変数を計算、並びに、交叉及び突然変異させる。

一方、図２２（ｂ）に示されるように、第１水平架構面９Ａの本数情報が「２」である場合は、第１水平架構面９Ａにおいて、第一小梁８ａ及び第二小梁８ｂのみが対象となり、第三小梁８ｃが非対象となる。従って、本数情報は、各水平架構面９Ａ〜９Ｈにおいて、第１目標変数及び第２目標変数の計算、並びに、交叉及び突然変異させる小梁８を、計算途中で動的に変更することができる。

これにより、この実施形態では、例えば、最適解を求める途中段階において、第１目標変数及び第２目標変数の結果に基づいて、小梁８の本数を絞り込むことができるため、最適解を効率よく求めることができる。

２架構体
３柱
４梁

Claims

柱と梁とを含み、かつ
前記梁は、前記柱間を水平に継ぐ複数の大梁と、前記大梁で囲まれた水平架構面をさらに区分する小梁とを含む建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法であって、
前記各水平架構面は、前記小梁によって複数個の小架構面に区分され、
前記小梁は、前記水平架構面、又は前記小架構面に配置され、
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、前記小梁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、設計因子が異なる複数種類の染色体情報からなる集団を生成する集団生成工程と、
前記コンピュータが、少なくとも一つの前記小梁について、遺伝的アルゴリズムに基づいて、前記集団を用いることで前記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とを含み、
前記染色体情報は、前記水平架構面毎に、一本の前記小梁の配置を定義した遺伝子情報を格納可能な少なくとも一つの遺伝子座を含み、
前記遺伝子情報は、前記小梁の長手方向の向きを定義する方向情報、及び前記小梁の固定位置を定義する位置情報を含み、
前記遺伝子座は、前記方向情報を格納可能な方向遺伝子座、及び前記位置情報を格納可能な位置遺伝子座を含み、
前記染色体情報は、前記各水平架構面の前記小梁毎に、前記方向遺伝子座及び前記位置遺伝子座を有し、
前記各小梁の前記方向情報は、該小梁が配置可能な水平架構面又は小架構面の個数と同一の桁数の文字又は数値からなり、
前記方向情報の各桁は、該各桁に格納される前記文字又は前記数値により、前記水平架構面又は前記小架構面において、前記小梁の配置の有無が定義されることを特徴とする架構体の設計方法。
柱と梁とを含み、かつ
前記梁は、前記柱間を水平に継ぐ複数の大梁と、前記大梁で囲まれた水平架構面をさらに区分する小梁とを含む建築物の架構体を、コンピュータを用いて設計するための方法であって、
前記各水平架構面は、前記小梁によって複数個の小架構面が区分され、
前記小梁は、前記水平架構面又は前記小架構面に配置され、
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、前記小梁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、設計因子が異なる複数種類の染色体情報からなる集団を生成する集団生成工程と、
前記コンピュータが、少なくとも一つの前記小梁について、遺伝的アルゴリズムに基づいて、前記集団を用いることで前記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とを含み、
前記染色体情報は、前記水平架構面毎に、一本の前記小梁の配置を定義した遺伝子情報を格納可能な少なくとも一つの遺伝子座を含み、
前記遺伝子情報は、前記小梁の長手方向の向きを定義する方向情報、前記小梁の固定位置を定義する位置情報、及び、前記小梁が配置される前記水平架構面又は前記小架構面を特定する架構面情報を含み、
前記遺伝子座は、前記方向情報を格納可能な方向遺伝子座、前記位置情報を格納可能な位置遺伝子座、及び、前記架構面情報を格納可能な架構面遺伝子座を含み、
前記染色体情報は、前記各水平架構面の前記小梁毎に、前記方向遺伝子座、前記位置遺伝子座、及び、前記架構面遺伝子座を有することを特徴とする架構体の設計方法。
前記設計因子は、前記小梁の配置又は断面形状を含む請求項１又は２記載の架構体の設計方法。
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乃至３のいずれかに記載の架構体の設計方法。
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１乃至４のいずれかに記載の架構体の設計方法。
前記遺伝子情報は、前記各水平架構面において、前記第１目標変数及び前記第２目標変数を計算、並びに、交叉及び突然変異させる前記小梁の本数を定義する本数情報を含み、
前記遺伝子座は、前記本数情報を格納可能な本数遺伝子座をさらに含み、
前記各染色体情報は、一つの前記本数遺伝子座が定義され、
前記計算工程及び前記遺伝子操作工程は、前記各水平架構面において、前記本数情報に設定される本数分の前記小梁の前記遺伝子座のみを対象に、前記第１目標変数及び前記第２目標変数の計算、並びに、交叉及び突然変異させる請求項５に記載の架構体の設計方法。
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又は６記載の架構体の設計方法。
前記設計制約条件は、前記小梁の固定可能な向き及び位置が設定され、
前記集団生成工程では、前記設計制約条件に基づいて、前記コンピュータが決定した前記方向情報及び前記位置情報を、前記方向遺伝子座及び前記位置遺伝子座に格納する工程を含む請求項１乃至７のいずれかに記載の架構体の設計方法。
前記設計制約条件は、前記各水平架構面に配置される前記小梁の本数の上限値が設定され、
前記上限値は、前記各水平架構面に配置可能な前記小梁の最大本数よりも小であり、
前記染色体情報は、前記各水平架構面において、前記方向遺伝子座及び前記位置遺伝子座が、前記上限値と同一個数ずつ定義される請求項１乃至８のいずれかに記載の架構体の設計方法。
請求項１乃至９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。
請求項１乃至９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。