JP7243443B2

JP7243443B2 - 設計支援装置

Info

Publication number: JP7243443B2
Application number: JP2019096792A
Authority: JP
Inventors: 玄陽海野; 郁哉花岡; 順千賀; フィアメッタペニシ; 宏治田中; 諭矢野; 章吾柴田
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: JP2020190987A

Description

特許法第３０条第２項適用平成３０年７月３０日株式会社建築メディア研究所が発行した「人と自然をつなぐ建築・都市竹中工務店の環境建築」で公開

特許法第３０条第２項適用平成３０年９月２１日すまい・るホールにおいて開催された第２２回住宅・建築物の省ＣＯ２シンポジウムで発表

特許法第３０条第２項適用平成３０年１０月１７日プラザ平成・未来科学技術館において開催されたｂｕｉｌｄｉｎｇＳＭＡＲＴＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｕｍｍｉｔ，Ｔｏｋｙｏで発表

本発明は、設計支援装置に関する。

従来、設計対象物の最適な設計値を計算する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の技術では、ＭＯＰＳＯアルゴリズムで用いる制約関数に、設計変数、信頼性指標、標準偏差及び単位勾配ベクトルからなる変数を代入し、目的関数空間上に配置されたパーティクルの各々について前記制約関数を満足するか否かを判定している。

特開２０１３－５０８９９号公報

しかし、上記特許文献１に記載の技術は、建物の階ごとの吹き抜け形状を設計する際に、どのように評価すればよいのか記載されていない。

本発明は上記事実を考慮して、建物の階ごとの吹き抜け形状を設計する際に、建物への太陽の直達光による熱負荷の計算、開放感の評価、及び建物の室内の明るさに関する物理量の計算という複数の観点の評価を同時に行うことができることを目的とする。

本発明に係る設計支援装置は、建物の階毎の吹き抜け形状を設計するための設計支援装置であって、予め設定された太陽の日射情報、及び前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の上部に設けられた開口部を介した前記建物への太陽の直達光による熱負荷を計算する熱負荷計算部と、前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の室内にいる人物が感じる開放感を評価する開放感評価部と、前記太陽の日射情報、及び前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の上部に設けられた開口部を介した太陽の光による前記建物の室内の明るさに関する物理量を計算する明るさ計算部と、前記熱負荷計算部によって計算された熱負荷、前記開放感評価部によって評価された開放感、及び前記明るさ計算部によって計算された前記明るさに関する物理量に基づいて、前記建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を計算する形状評価部と、を含んで構成されている。

本発明に係る設計支援装置によれば、熱負荷計算部によって、予め設定された太陽の日射情報、及び前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の上部に設けられた開口部を介した前記建物への太陽の直達光による熱負荷を計算する。開放感評価部によって、前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の室内にいる人物が感じる開放感を評価する。明るさ計算部によって、前記太陽の日射情報、及び前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の上部に設けられた開口部を介した太陽の光による前記建物の室内の明るさに関する物理量を計算する。

そして、形状評価部によって、前記熱負荷計算部によって計算された熱負荷、前記開放感評価部によって評価された開放感、及び前記明るさ計算部によって計算された前記明るさに関する物理量に基づいて、前記建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を計算する。

このように、建物の階毎の吹き抜け形状を設計する際に、建物への太陽の直達光による熱負荷の計算、開放感の評価、及び吹き抜け形状を介した太陽の光による建物の室内の明るさに関する物理量の計算という複数の観点の評価を同時に行うことができる。

本発明に係る設計支援装置は、前記建物の階毎の吹き抜け形状を繰り返し設定する吹き抜け形状設定部を更に含み、前記熱負荷計算部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記開口部を介した前記建物への太陽の直達光による熱負荷を計算し、前記開放感評価部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記建物の室内にいる人物が感じる開放感を評価し、前記明るさ計算部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記開口部を介した太陽の光による前記建物の室内の明るさに関する物理量を計算し、前記形状評価部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を計算し、前記評価値が最適となる、前記建物の階毎の吹き抜け形状を決定することができる。これにより、吹き抜け形状を設定する毎に、各観点の同時評価を行うことができるため、最適な形状を容易に探索することができる。

本発明に係る設計支援装置の前記吹き抜け形状設定部は、前記建物の階毎の吹き抜け形状の境界部に沿って設けられた複数のマス目の各々について、前記吹き抜け形状の内側に変位させるか否かを決定することにより、前記建物の階毎の吹き抜け形状を繰り返し設定することができる。これにより、吹き抜け形状の境界部に沿って設けられた複数のマス目の各々を変位させることにより、多様な吹き抜け形状を設定することができる。

以上説明したように、本発明の設計支援装置によれば、建物の階毎の吹き抜け形状を設計する際に、建物への太陽の直達光による熱負荷の計算、開放感の評価、及び吹き抜け形状を介した太陽の光による建物の室内の明るさに関する物理量の計算という複数の観点の評価を同時に行うことができる、という効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る設計支援装置を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係る設計支援装置を示す機能ブロック図である。吹き抜け形状の境界部に沿って配置された複数のマス目の例を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る設計支援装置の設計支援処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
＜本発明の第１の実施の形態の設計支援装置の構成＞
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る設計支援装置１００は、ＣＰＵ１２、グラフィックカード１３、ＧＰＵ１４、ＲＡＭ１６、ＨＤＤ１８、通信インタフェース２１、及びこれらを相互に接続するためのバス２３を備えている。

ＣＰＵ１２、ＧＰＵ１４は、各種プログラムを実行する。ＲＡＭ１６は、ＣＰＵ１２による各種プログラムの実行時におけるワークエリア等として用いられる。記録媒体としてのＨＤＤ１８には、後述する設計支援処理ルーチンを実行するためのプログラムを含む各種プログラムや各種データが記憶されている。

本実施の形態における設計支援装置１００を、設計支援処理ルーチンを実行するためのプログラムに沿って、機能ブロックで表すと、図２に示すようになる。設計支援装置１００は、入力部１０、演算部２０、及び出力部５０を備えている。

入力部１０は、階毎に吹き抜け形状を有する、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータ（例えば、ＢＩＭ（Building Information Modeling）を用いて生成される３次元モデルのデータ）を入力として受け付ける。

演算部２０は、建物情報設定部２２、環境情報設定部２４、吹き抜け形状設定部２６、シミュレーション部３０、形状評価部４０、及び最適形状決定部４２を備えている。

建物情報設定部２２は、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータに基づいて、計算空間における計算対象の建物に関する情報を設定する。例えば、計算対象の建物の位置、形状、向きなどを設定する。

環境情報設定部２４は、予め用意された太陽の日射情報を設定する。例えば、１年間の日毎及び時間毎の太陽の位置などを設定する。

吹き抜け形状設定部２６は、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータに基づいて、計算空間における計算対象の建物の階毎の吹き抜け形状に関する情報を設定する。例えば、図３（Ａ）に示すように、３階の吹き抜け形状の境界部に沿って設けられた複数のマス目３－１～３－５の位置、形状、向きなどを設定すると共に、図３（Ｂ）に示すように、４階の吹き抜け形状の境界部に沿って設けられた複数のマス目４－１～４－５の位置、形状、向きなどを設定する。

また、吹き抜け形状設定部２６は、階毎の吹き抜け形状の境界部に沿って設けられた複数のマス目の各々について、吹き抜け形状の内側の方向に所定距離だけ変位させるか否かを決定することにより、建物の階毎の吹き抜け形状を繰り返し設定する。例えば、建物の階毎に、構造的・建築計画的に設けることができる吹き抜け形状の初期値をマス目毎に設定し、マス目毎に、変位させるか否かを示す変数の値（０又は１）をランダムに決定することにより、建物の階毎の吹き抜け形状を、マス目毎の変数の値によって表現する。

シミュレーション部３０は、熱負荷計算部３２、開放感計算部３４、及びＵＤＩ計算部３６を備えている。

熱負荷計算部３２は、吹き抜け形状設定部２６による設定毎に、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータと、階毎の吹き抜け形状と、太陽の日射情報とに基づいて、建物の上部に設けられた開口部を介した建物への太陽の直達光による熱負荷を計算する。具体的には、冬期の、建物の上部に設けられた開口部を介した建物への太陽の直達光による放射熱を考慮した、所定の快適温度に維持するための暖房負荷と、夏期の、建物の上部に設けられた開口部を介した建物への太陽の直達光による放射熱を考慮した、所定の快適温度に維持するための冷房負荷と、を計算し、暖房負荷と冷房負荷との和を、熱負荷の評価値として計算する。

開放感計算部３４は、吹き抜け形状設定部２６による設定毎に、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータと、階毎の吹き抜け形状とに基づいて、計算対象の建物の室内から吹き抜け部分を見た人物が感じる開放感を評価する。具体的には、吹き抜け部分の階段を上った所定位置（床面から所定高さとなる位置）から建物上部への複数の視線方向及び建物下部への複数の視線方向を決定し、決定された複数の視線方向の各々について、当該所定位置から当該視線方向のオブジェクトまでの長さを取得する。このとき、当該視線方向に吹き抜け部分が存在する場合には、当該視線方向のオブジェクトまでの長さが長くなる。そして、複数の視線方向の各々の、オブジェクトまでの長さの合計を、開放感の評価値として計算する。

ＵＤＩ計算部３６は、吹き抜け形状設定部２６による設定毎に、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータと、吹き抜け形状設定部２６による設定から得られる、階毎の吹き抜け形状及び物性値と、太陽の日射情報と、あらかじめ設定された内装反射率とに基づいて、建物の上部に設けられた開口部を介した太陽の光による建物の、吹き抜け部分を有する室内のＵＤＩ（Useful Daylight Illuminance）を計算する。

ＵＤＩは、執務時間中、任意の点の机上面照度が１００～２０００luxの範囲に入る時間を割合で示したものである。具体的には、１年の日毎における特定の時間帯（９時～１８時）の各時刻について、計算対象の建物の吹き抜け部分を有する室内の明るさとして、机上面照度を計算し、机上面照度が１００～２０００luxとなる時間の年間合計の割合を、ＵＤＩの評価値として計算する。なお、ＵＤＩが、明るさに関する物理量の一例である。

形状評価部４０は、熱負荷計算部３２によって計算された熱負荷の評価値、開放感計算部３４によって評価された開放感の評価値、及びＵＤＩ計算部３６によって計算されたＵＤＩの評価値に基づいて、建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を計算する。

具体的には、形状評価部４０は、熱負荷計算部３２によって計算された熱負荷の評価値、開放感計算部３４によって評価された開放感の評価値、及びＵＤＩ計算部３６によって計算されたＵＤＩの評価値の各々を正規化する。例えば、熱負荷の評価値の取り得る最大値及び最小値を用いて、熱負荷の評価値を、０～１の値に正規化し、開放感の評価値の取り得る最大値及び最小値を用いて、開放感の評価値を、０～１の値に正規化し、ＵＤＩの評価値の取り得る最大値及び最小値を用いて、ＵＤＩの評価値を、０～１の値に正規化する。これにより、単位とドメインが異なる各評価値を、０～１の値に正規化することができる。

そして、形状評価部４０は、各々正規化された、熱負荷の評価値、開放感の評価値、及びＵＤＩの評価値の重み付き加算値を、吹き抜け形状についての評価値として計算する。なお、熱負荷の評価値、開放感の評価値、及びＵＤＩの評価値の各々に対する重み係数は、実験的に予め設定しておけばよい。あるいは、設計者が、熱負荷の評価値、開放感の評価値、及びＵＤＩの評価値の各々に対する重み係数を設定してもよい。

最適形状決定部４２は、形状評価部４０による計算結果に基づいて、評価値が最適となる、建物の階毎の吹き抜け形状を決定し、出力部５０により出力する。

＜設計支援装置の動作＞
次に、本発明の第１の実施の形態に係る設計支援装置１００の動作について説明する。

入力部１０によって、階毎に吹き抜け形状を有する、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータを入力として受け付けると、設計支援装置１００によって、図４に示す設計支援処理ルーチンが実行される。

まず、ステップＳ１００において、建物情報設定部２２は、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータに基づいて、計算空間における計算対象の建物に関する情報を設定する。

ステップＳ１０２では、環境情報設定部２４は、予め用意された太陽の日射情報を設定する。

ステップＳ１０４では、吹き抜け形状設定部２６は、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータに基づいて、計算空間における計算対象の建物の階毎の吹き抜け形状に関する情報を設定する。

ステップＳ１０６では、熱負荷計算部３２は、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータと、吹き抜け形状設定部２６により設定された、階毎の吹き抜け形状と、太陽の日射情報とに基づいて、建物の上部に設けられた開口部を介した建物への太陽の直達光による熱負荷を計算する。

ステップＳ１０８では、開放感計算部３４は、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータと、階毎の吹き抜け形状とに基づいて、計算対象の建物の室内から吹き抜け部分を見た人物が感じる開放感を評価する。

ステップＳ１１０では、ＵＤＩ計算部３６は、計算対象の建物を表す３次元モデルのデータと、吹き抜け形状設定部２６により設定された、階毎の吹き抜け形状と、太陽の日射情報と、予め設定された内装反射率とに基づいて、建物の上部に設けられた開口部を介した太陽の光による建物の、吹き抜け部分を有する室内のＵＤＩを計算する。

ステップＳ１１２では、形状評価部４０は、熱負荷計算部３２によって計算された熱負荷の評価値、開放感計算部３４によって評価された開放感の評価値、及びＵＤＩ計算部３６によって計算されたＵＤＩの評価値に基づいて、建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を計算する。

そして、ステップＳ１１４で、吹き抜け形状設定部２６の他の設定について繰り返し計算することを終了するか否かを判定する。吹き抜け形状設定部２６の他の設定について繰り返し計算する場合には、上記ステップＳ１０４へ戻る。一方、吹き抜け形状設定部２６の他の設定について繰り返し計算することを終了する場合には、ステップＳ１１６へ移行する。

ステップＳ１１６では、最適形状決定部４２は、形状評価部４０による計算結果に基づいて、評価値が最適となる、建物の階毎の吹き抜け形状を決定し、出力部５０により出力して、設計支援処理ルーチンを終了する。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る設計支援装置によれば、階毎の吹き抜け形状を設計した場合のシミュレーションとして、建物への太陽の直達光による熱負荷の計算、開放感の評価、及び吹き抜け部分を介した太陽の光による建物の室内のＵＤＩの計算という複数の観点の評価を同時に行うことができる。また、吹き抜け形状を設定する毎に、各観点の同時評価を行うことができるため、最適な形状を容易に探索することができる。特に、形状や位置の異なる複数階に亘る吹き抜け形状を、熱負荷や照度といった物理量のみでなく、視線の通り抜けという、感覚量での効果を考慮した、最適な吹き抜け形状を探索することができる。

また、各階ごとに、熱負荷（夏期の冷房負荷、冬期の暖房負荷）が最小となり、実用昼間照度の年間を通じた値が最大となり、３次元視深度（吹き抜け部分の階段を上った所定位置から、上下に抜ける視線の長さの合計が最大となるような吹き抜け形状の最適値を探索することができる。

また、吹き抜け形状の境界部に沿って設けられた複数のマス目の各々を変位させることにより、多様な吹き抜け形状を設定することができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態に係る設計支援装置について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、吹き抜け形状についての評価値を算出するために、熱負荷の評価値、開放感の評価値、及びＵＤＩの評価値を入力とする学習済みモデルを用いている点が、第１の実施の形態と異なっている。

＜本発明の第２の実施の形態の設計支援装置の構成＞
本実施の形態における設計支援装置の形状評価部４０は、熱負荷計算部３２によって計算された熱負荷の評価値、開放感計算部３４によって評価された開放感の評価値、及びＵＤＩ計算部３６によって計算されたＵＤＩの評価値を入力とし、階毎の吹き抜け形状についての評価値を推定するための学習済みモデルを用いて、建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を推定する。

なお、学習済みモデルは、以下のように予め学習しておけばよい。例えば、熱負荷の評価値、開放感の評価値、及びＵＤＩの評価値の組み合わせと、人手で付与した、建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値とのペアを、学習データとして複数用意し、学習データに基づいて、熱負荷の評価値、開放感の評価値、及びＵＤＩの評価値の組み合わせを入力とし、建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を出力するモデルを学習する。

なお、第２の実施の形態に係る設計支援装置の他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る設計支援装置によれば、学習済みモデルを用いて、建物の階毎の吹き抜け形状を精度よく評価することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、建物を表す３次元モデルのデータを入力とする場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、実際の建物において計測されたデータを入力としてもよい。

また、最適な吹き抜け形状を探索する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、評価対象の吹き抜け形状のデータを受け付け、評価対象の吹き抜け形状についての評価値を出力するように構成してもよい。

また、最適な吹き抜け形状を探索せずに、吹き抜け形状の設定毎に、当該吹き抜け形状についての評価値を表示したグラフを出力することで、どの形状の吹き抜けが最適であるかを瞬時に判断する手助けを与えるようにしてもよい。

また、本発明のプログラムは、記憶媒体に格納して提供するようにしてもよい。

１０入力部
２０演算部
２２建物情報設定部
２４環境情報設定部
２６吹き抜け形状設定部
３０シミュレーション部
３２熱負荷計算部
３４開放感計算部
３６ＵＤＩ計算部
４０形状評価部
４２最適形状決定部
５０出力部
１００設計支援装置

Claims

建物の階毎の吹き抜け形状を設計するための設計支援装置であって、
予め設定された太陽の日射情報、及び前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の上部に設けられた開口部を介した前記建物への太陽の直達光による熱負荷を計算する熱負荷計算部と、
前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の室内にいる人物が感じる開放感を評価する開放感評価部と、
前記太陽の日射情報、及び前記建物の階毎の吹き抜け形状に基づいて、前記建物の上部に設けられた開口部を介した太陽の光による前記建物の室内の明るさに関する物理量を計算する明るさ計算部と、
前記熱負荷計算部によって計算された熱負荷、前記開放感評価部によって評価された開放感、及び前記明るさ計算部によって計算された前記明るさに関する物理量に基づいて、前記建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を計算する形状評価部と、
を含む設計支援装置。
前記建物の階毎の吹き抜け形状を繰り返し設定する吹き抜け形状設定部を更に含み、
前記熱負荷計算部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記開口部を介した前記建物への太陽の直達光による熱負荷を計算し、
前記開放感評価部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記建物の室内にいる人物が感じる開放感を評価し、
前記明るさ計算部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記開口部を介した太陽の光による前記建物の室内の明るさに関する物理量を計算し、
前記形状評価部は、前記吹き抜け形状設定部による設定毎に、前記建物の階毎の吹き抜け形状についての評価値を計算し、前記評価値が最適となる、前記建物の階毎の吹き抜け形状を決定する請求項１記載の設計支援装置。
前記吹き抜け形状設定部は、前記建物の階毎の吹き抜け形状の境界部に沿って設けられた複数のマス目の各々について、前記吹き抜け形状の内側に変位させるか否かを決定することにより、前記建物の階毎の吹き抜け形状を繰り返し設定する請求項２記載の設計支援装置。