建築設計

建設可能性、コストの最適化、設計の効率化、独自プログラムから業界標準形式へのデータ変換、複雑な構造の設計、有限要素解析、ファサードエンジニアリング、パネル施工――。Altairはこうした課題の簡略化と自動化をし、優れたユーザーエクスペリエンスを提供することに努めています。 

Image
Zaha Hadid ArchitectsによるMorpheusホテルのパビリオンの設計 Zaha Hadid Architectsが、建物自体の複雑な敷き詰め模様の三角形表現に見劣りしないような、クリエイティブな三角形ベースの構造物を新たに創り出す事に成功 事例を読む
Image
軽量な新規アルミニウム製ガラス支持構造の開発 欄干などの建築用部材の設計は、デザイン性だけでなく、様々な安全基準を満たす必要があります。さらに、可能な限り短時間で開発する必要もあります。こうした課題を解決するため、Faraoneのエンジニア、建築家、デザイナーは、常に設計と検証のサイクルを短縮できるソリューションを探していました。 動画を再生

顧客の競争力向上を目標に掲げるAltair Engineeringは、最先端のシミュレーションツールであるHyperWorksを活用して、世界中の建築・建設企業が業界固有の課題を解決できるように支援しています。

今日、建築基準は厳しくなる一方であり、新規形状や新素材の採用は建築構造における効率と美しさの両立を困難にしています。

建設性、コスト最適化、設計効率化、独自プログラムで作成したデータの形式変換、複雑な構造設計、有限要素解析、外観検討、プレハブ工法検討――。Altairは絡み合う課題の単純化と自動化を追求しています。Altair製品を活用することで素晴らしいユーザーエクスペリエンスを実感してください。

ハイエンドシミュレーションツールであるAltair HyperWorksを活用することで、設計リードタイムを短縮しながら優れた成果を得ることが可能となります。

  • 業界をリードする有限要素モデリングツールHyperMeshが、高速かつ正確なモデリングを可能に: CADデータをベースとした解析モデル作成時間を短縮

  • OptiStructHyperStudy構造最適化を実現: 先進的な最適化技術により、複雑な構造の実現可能性検討と同時に軽量化および設計コストの削減とリードタイム短縮を達成

  • OptiStructRADIOSSによる構造検証: 統合された業界標準のソルバーにより、精度、スピード、信頼性に優れた設計検証を実現。さらにHyperXtrudeHyperFormで、押出成型や板金成型の解析が可能

  • solidThinking Inspire耐力構造検討と最適形状探索: 設計プロセスの初期段階でトポロジー最適化を実行し、開発期間を短縮

  • AcuSolve風環境予測と熱流体解析を実行: 風荷重、風の流速と温度分布、日射負荷、輻射効果などを、ロバストに高速かつ高精度で予測。

  • スマートなUIを搭載し、スクリプティング可能な統合環境であるHyperWorks: モデリングやデータ処理などの繰り返し作業を自動化・標準化し、生産性と品質を劇的に改善

Quote
「Inspireというソフトウェアに出会ったとき、これで途方もないチャンスが生まれると気付きました。エンジニアリングに軸足を置きながら、エンジニアリングや建築のプロジェクトに関する想像をいくらでも膨らませることができました」

–Peter Macapia, Architect and Professor

Pratt Institute


事例を読む


ギャラリー

Skidmore社、Owings & Merrill社、LLP社が、シミュレーションを使ってビルの最適化を実施 有効な内部リブ構造(左)とファサード耐力構造(右)を特定するための構造最適化 solidThinking Inspireを用いた梁の最適化の例 スタジアム耐力構造の予想 自由形状シェルターの最適化された構造 OptiStructでシェルターの屋根を最適化した結果(イメージ提供: デンマークのオーフス建築大学) 歩道橋用途で最適化されたチューブ構造 最適化されたファサード構造
Skidmore社、Owings & Merrill社、LLP社が、シミュレーションを使ってビルの最適化を実施 有効な内部リブ構造(左)とファサード耐力構造(右)を特定するための構造最適化 solidThinking Inspireを用いた梁の最適化の例 スタジアム耐力構造の予想 自由形状シェルターの最適化された構造 OptiStructでシェルターの屋根を最適化した結果(イメージ提供: デンマークのオーフス建築大学) 歩道橋用途で最適化されたチューブ構造 最適化されたファサード構造
Img Img Img Img Img Img Img Img

有限要素モデリング

CADから構造FEモデルを生成する時間を、50%も短縮

  • 形状の作成、修復、クリーンアップを素早く行えます。

  • HyperMeshが装備するメッシュ操作ツールHyperMorphが、画期的なモデル修正手段を提供。ユーザーは、メッシュ変形を最小限に抑えながら、有限要素メッシュをすばやく変更できます。

  • ジオメトリの作成、修復、クリーンアップを手早く実行。

  • 複雑な構造体におけるサーフェスの抽出、拡張、調整、スティッチ(綴じ合わせ)を自動処理。

  • サイズの粗いグローバルモデルを迅速に改良して、構造解析用の詳細なモデルを構築。

  • SCATIA、NX、SolidWorks、Pro-Engineerなど主要なCADパッケージへの直接インターフェースが可能。

  • 複数ソルバーの連携。HyperMeshは、Altair OptiStruct、Nastran、Abaqus、Ansys、Straus7、Strand7、SAP2000、Etabs、MIDAS IT、Sofistick、GSAなど主要な土木工学用ソルバーへの直接インターフェースが可能。一般的なファイルを介した連携も可能。

  • メッシュ操作を用いたモデルの形状変更が可能な画期的なHyperMorph機能を用いることで、あらゆる有限要素メッシュを、ゆがみを最小限に抑えたまま素早く変形させることが可能です。

  • 有限要素法を用いた地質構造モデリング機能を装備。地層などの造岩や断層線が建設工事に反応する際の、特性表現と予測が可能に。

都市の電波環境シミュレーション

基地局敷設の効率的な位置検討

WinPropはどの場所にどのくらい電波が到達しているかを推定する、電波伝搬シミュレーションソフトウェアです。携帯電話で使用される3G、LTEや5Gの周波数帯以外にも、Wi-Fi、WiMax、TETRAなどいろいろな電波のタイプに対応しています。施設内、都市空間、さらには郊外の環境など、さまざまな範囲の電波伝搬環境を対象に解析することが可能です。また、自動車など移動体から発信する電波を解析する機能もあります。

中央区京橋周辺の2GHz帯電波環境を解析

アルテアの居住する京橋エドグラン(地上32階建)の斜向かいのビルに、2GHz帯の電波を発する基地局を敷設した場合の電波伝搬シミュレーションを実施しました。

3D地図はゼンリン社のZMAP、Shapefile、またはSTLなどのCADにも対応しています。

2GHZ電波伝搬シミュレーション結果

2GHz電波伝搬シミュレーション結果(俯瞰図)

3次元地図 © OpenStreetMap contributors
※この基地局は架空のものであり、実際の電波伝搬環境を解析したものではありません。

2GHz帯の電波伝搬の特性から、中央通りの見渡しのきく場所において電波が強いのはもっともですが、基地局から見渡しのきかない場所にも、反射や、回折などで非常に強い電波が到達していることが見て取れます。

2GHZ電波伝搬シミュレーション結果

2GHz帯電波伝搬シミュレーション結果(平面図)

3次元地図 © OpenStreetMap contributors

今回、架空の場所に基地局を置きましたが、電波伝搬シミュレーションソフト、WinPropを用いることで、最適な場所に基地局を敷設することを検討できます。もし、WinPropのようなシミュレーションソフトがなければ、各地点で電波の強さの計測を実施しなくてはらなず、基地局敷設の想定場所を移動させるごとに、計測をやり直さなくてはなりません。

WinPropがあれば、3D地図を読みこんで、高速に解析するので、計測を実施するコストを減らし、基地局を敷設するための理想的な場所を効率よく見つけることが可能です。


構造の予測

荷重支持構造の予測と形状の探索

建築コンセプトから構造の形状を直接予測できるほか、コストを抑制して予算超過を回避しつつ、芸術性を維持することが可能。

効率的な構造形状を予測しようとAltair HyperWorksを採用する建築建設企業が増加している。

有限要素解析がもたらした最新の成果によるトポロジー最適化と負荷検証機能が、かつてない構造へのインスピレーションを喚起。

複雑な建物と自由形状構造

solidThinking Inspireをコンセプト設計で活用することで、複雑な形状の荷重経路を予測。

自由形状

トポロジー最適化をコンセプト設計に活用することで、画期的な建築的表現をもたらすユニークな構造を探索して実現。

形状に関する制約や境界条件を満たしながら、構造要素の最適化をすばやく実行。

構造最適化

コストの削減と設計期間の短縮を達成しながら、軽量な設計の実現可能性を確保。

OptiStructは、市場で高く評価されている、構造解析と構造最適化の機能が統合されたツールです。

HyperStudyは、設計の探求・スタディ・最適化のためのソルバー非依存型ツールです。

OptiStructおよびHyperStudyを使用することで、以下のことが可能になります。

  • 耐力構造を正確に予測

  • 構造の荷重経路を定義

  • 現地の規制に合わせて梁のサイズを決定

  • 主要な土木工学用ツールと連携

  • 寸法・形状最適化機能を用いて、構造物全体にわたり、鋼板の厚さと板補強材の寸法を自動的に最適化。

  • 市場で高く評価された最適化技術により、設計コストを削減しながら、強度、剛性、モード、熱分布を最大限に。

  • 安定性や空力特性に関するパラメーターを最適化して、性能を改善。

  • 3つの最適化技術を組み合わせて適用し、構造物の設計と結果の微調整を実行:

    寸法・形状最適化

    寸法最適化では、最適な断面プロファイルを探り、現在の構造モデルを最適化します。モデル全体の形状を保ちながら、性能の向上と構造物の軽量化を達成します。

    所定の境界条件を満たした上で、梁断面の最善の曲率を特定できます。

    トポロジー最適化

    独自に設計した建物について、いくつかの荷重ケースを使って構造の荷重経路を予測し、3次元の材料分布を最適化して、要件を満たす最適な設計を見つけます。

    トポグラフィー最適化

    板状の構造物などの最適化手法です。剛性や最大局所応力削減などの構造性能を高め、構造補強リブや補強板を配置するための最適な荷重経路を見つけます。

建設現場での安全シミュレーション

人体傷害モデルを用いた事故再現

建築・工事現場では、ひとつの事故が人命に直接関わるため安全第一が基本と考えられています。しかし、労働人口が減少する日本において、高齢者や日本語を母国語としない労働者、また非熟練者の労働者割合が増加傾向にあり、確実に事故が起きやすい労働環境になってきています。

そこで、未然に事故を防ぐ取り組みはもちろん、事故が起きる過程や想定される事故が起こってしまった際に人体にどのような影響を与えるか、それらを事前に予測するために生体工学研究の応用がますます求められるようになってきました。

衝撃解析ソルバーであるRadiossは、事故の再現シミュレーションに最適なソルバーで、物体の衝突、大変形、亀裂進展および破壊といった非線形性の強い物理現象を高速に、かつ安定的にシミュレーションすることが可能です。1987年にフランスで開発され自動車会社や航空機メーカーで使用されています。大規模モデルの解析に必須の並列計算に対応しており、高い計算速度スケーラビリティと並列コア数の違いが解析結果へほとんど影響を与えない独自の並列処理アルゴリズムを特徴としています。

また、事故をはじめとした外的要因による人体の損傷を評価することが可能な、バーチャルな人体モデルであるHUMOSも用意しています。この人体モデルは、科学のために自ら提供された囚人の死体を、内臓や骨格の計測データを元に精確にモデル化した貴重な有限要素モデルです。座位や立位、また肥満度合いにより6種類の人体モデルがあり、骨や筋肉などの部位に応じて適切なRadioss用の材料物性が設定されています。

衝撃解析ソルバーRadiossとバーチャルな人体モデルデータHUMOSがあれば、実験などでは再現することが難しい建築現場で起こる事故をシミュレーションすることで、想定される事故の要因分析や事故の人体への影響を事前に予測することができます。

建材落下の頭部への打撃シミュレーション

ヘルメットを着用していない状態で、重さ20KgのH鋼が頭部に落下した状況をシミュレーションしました。頭蓋骨に衝撃があるのは当然ながら、首が曲がり、下顎骨から背骨、大腿骨まで衝撃が伝わっていることが確認できます。

人体モデルHUMOSを使用した頭部への建材落下シミュレーション

人体モデルHUMOSを使用した頭部への建材落下シミュレーション(全身)

人体モデルHUMOSを使用した頭部への建材落下シミュレーション人体モデルHUMOSを使用した頭部への建材落下シミュレーション(頭部拡大)

今回は頭部への落下を検証しましたが、ヘルメットで守られていない肩への衝撃、墜落・転落した際に命綱がどのように人体に影響するかを分析することも同様に可能です。これら人体モデルによるシミュレーションの結果を用いて、例えば転倒してぶつけたとしても大きな怪我にいたらない足場製品の開発に繋げるなど、人体モデルデータを使用した衝撃解析の応用事例は尽きません。


構造解析

AEC(建築、エンジニアリング、建設)で求められる様々な解析モデリングと構造解析が可能です。例えば、以下のようなソリューションに対応しています。

  • BIMから出力された詳細設計の構造解析や地震応答解析

  • 原子力発電所施設(コンクリート壁)や火薬庫の耐衝撃設計

  • 船橋、トンネル、地下施設の構造解析

  • 地表面、地盤や地層の解析モデリング

  • 微動や地震応答解析

  • サッシ、窓枠、建具などの建材の生産シミュレーション

数値流体計算(CFD)

AEC(建築、エンジニアリング、建設)で求められる熱流体の様々な課題に対し、Altair HyperWorksは最適かつ一つで完結した解析環境を提供しています。

  • 高層ビルの大規模耐風シミュレーション(風洞実験をGPUで高速に解析)

  • オフィス内の空調、レストランの厨房や排気の検討

  • クリーンルームやマシンルームの熱流体解析

  • 太陽輻射を考慮した都市熱流体解析

  • 広域都市や風力発電地帯の環境アセスメント

  • 船橋、鉄橋、ガス・石油プラットフォームやケーブルの流体構造連成解析

  • 海洋建築の流体構造連成解析

  • サッシなど建材の押出成形シミュレーション

都市の熱流体解析都市の熱流体解析

海洋建築の流体構造連成解析
海洋建築の流体構造連成解析
出典:Agência Brasil(Licença Creative Commons Atribuição 3.0 Brasil
海洋建築の流体構造連成解析海洋建築の流体構造連成解析

ソフトウェアの統合

繰り返し作業の多いモデリングや処理を自動化・標準化し、生産性と品質を劇的に改善。

設計効率化や独自プログラムによる工業規格フォーマットへのデータ変換などにより、作業効率が損なわれる可能性があります。その対策として、HyperWorksには、データ変換とモデル作成自動化のための高速ツールが用意されています。

HyperWorksのプロセスオートメーションテンプレートを利用することで、標準規格や社内設計ワークフローにおける以下のような作業の自動化と標準化が可能になり、従来の手法に比べて設計効率が5~20倍向上します。

  • データのやり取り

  • 異なるソフトウェアとの互換性

  • メッシュ作成、荷重・境界条件の設定

  • プロパティと材料の割り当て

  • ポストプロセッシングとレポート作成