2022年7月1日（金）にオンラインで開催された「コンピュテーショナルデザイン＆BIMセミナー」より、セッション2「広島スタジアムにおけるRhino＆GrasshopperとRevit連携紹介」のウェビナーの内容をご紹介します。
主催 ：株式会社Too
協力 ：大成建設株式会社
シンテグレート合同会社
協賛 ：オートデスク株式会社
講師 ：大成建設株式会社一級建築士事務所 設計品質部 BIM推進室 福田 純 氏
どうぞ、当日の映像もあわせてご覧ください！
【動画】
コンピュテーショナルデザイン＆BIMセミナー（全編一括公開）
セッション2：広島スタジアムにおけるRhino＆GrasshopperとRevit連携紹介
自己紹介
大成建設株式会社一級建築士事務所 設計品質部 BIM推進室所属の福田純（まこと）と申します。今回は、実際のプロジェクトにおいてのBIMとコンピュテーショナル・デザインの活用を紹介していきます。
まず初めに、私の簡単な経歴から紹介します。1996年に意匠設計者として大成建設に就職し、約10年間意匠設計者として仕事をしました。その後BIMの推進部署に異動し、最初は主に平面図や立面図、断面図、仕上表、建具表などの図面群を2次元CADからBIMへ置きかえていくプロジェクトに参画していました。その後は、意匠・建築の図面のBIM化や構造・建築のBIM化を行うことでBIMソフト『Revit』の中で統合モデルを作り、調整をしながらまとめるということをしていました。つまり、パソコンの世界の中で建物を構築していく現場監督のような仕事です。簡単に言うと、「BIMマネージャー」と呼ばれるポジションのことです。
転機となったのは、2016年から2017年までの1年間にあった国立競技場設計のプロジェクト室への異動でした。そのプロジェクトでは、主に面積を管理する平面図形や仕上表、建具表などの図面群をBIMでまとめていく仕事をしました。プロジェクトには、コンピュテーショナル・デザイナーやプログラマーの方も参画していて、私はその技術力やコンピュテーショナル・デザインが持つポテンシャルにすっかり魅了されてしまいました。
国立競技場のプロジェクト室から戻ってきてからは、率先して複雑な曲面を持つ建物を建築するプロジェクトや規模が大きいプロジェクトに参画しました。そういった経験を経て、現在では特殊な建物が持つ課題をBIMやコンピュテーショナル・デザインの技術で解決していく役割を会社で担っています。
BIM（建物情報モデル）とは
それではまず最初に、BIMについて簡単に説明していきます。上図は、北海道の旭川にある総合研究機構林産試験場の建物です。
この建物を施工図・製作図を見ながら、Revitで忠実に再現した3Dモデルが上図です。木の質感も設定されているため、簡易なレンダリング表示をするとこのようになります。BIMには壁や床、天井、窓柱、梁などの建物を構成する部材があらかじめ用意されています。それら各部材をレゴブロックのように作っていくのが、BIMのイメージです。
次に、壁に注目していきます。CLTの厚さ150mmの壁ですが、中身を見ると30mmの壁の5層構造になっていることが読み取れます。また、旭川という積雪の寒冷地のため、窓には木製の断熱のサッシやLow-Eのペアガラスが入っていて、その結果の熱貫流率の数値もあわせて確認できます。形の情報だけではなく、建物を成立させるための物性的な情報やコストなども詰め込んでいけるのがBIMの特徴です。
Revitには「ビュー」という機能があり、3Dモデルを簡単に平面図や立面図、断面図で見ることできます。図面枠にビューをドラッグ&ドロップするだけで、モデルが持っている情報を表示することができます。また、立面図の窓を消すとモデルにある窓も消え、モデルの床を消すと平面図にある床も消えます。これが、ビューの中でモデルと図面の整合性が担保されていると言われる理由です。
BIMの活用を説明するために、この建物がコンクリートの建物だとした場合で話をしていきます。まず鉄筋の1本までを詳細にモデリングして、鉄筋の重なりや曲げ、機械式継手などの情報を取り込んでいきます。そのモデルデータを専用のファイル形式で書き出して鉄筋の加工機に連携すると、鉄筋がデータに沿って自動的に切断されます。これは「デジタルプロダクト」と言われる領域ですが、BIMの技術はそこまで到達しています。
コンピュテーショナル・デザインとは？
ここからは、コンピュテーショナル・デザインについて話をしていきます。コンピュテーショナル・デザインとは、簡単にいうと設計プロセスの一部をコンピュータに代行させることです。3DCADの『Rhinoceros』にビジュアルプログラミングの『Grasshopper』を搭載すると、それもコンピュテーショナル・デザインと呼ばれます。
上の図左側がGrasshopperで、右側がRhinocerosです。今回は例として、球体の建物を作っていきます。Grasshopperで球を表す「Sphere」のコマンドを打つとプログラムの最小単位である「コンポーネント」が生成され、同時にRhinocerosの画面でも球体が生成されます。Grasshopperで数字を打ち込んだり数値を動かすと、球の半径を変更できます。この数値のことを「パラメーター」といいます。コンピュテーショナル・デザインはこのパラメーターで設計するため、「パラメトリックデザイン」と呼ばれることもあります。
コンピュテーショナル・デザインのRhinocerosとGrasshopperでは、球形や赤色、半径の数値などの形を示す情報しか持っていません。つまり、コンクリートの建物の場合の材料がコンクリートであることやコンクリートの強度、鉄筋の本数などの建築を作る際の必要な情報は持っていません。RhinocerosやGrasshopperの3DCADに対して、建築の情報を詰め込んで平面図や立面図、断面図、仕上表、建具表など図面を作りやすくするためにチューンナップされているものがBIMというわけです。
このコンピュテーショナル・デザインを一番上手に使った建築家は、「アントニオ・ガウディ」であると言われています。
上図では、天井面から糸を吊るして重りをぶら下げてます。重りの重さや個数、重り間のピッチ、糸の長さなどのパラメーターを変更していくと、重力によって全体の形状がダイナミックに変わります。このようなガウディの考え方によって設計され、建設されたのが世界遺産でもある「コロニア・グエル教会（サグラダファミリア）」です。
同じことを現代のコンピュテーショナル・デザインのツールで作ることができます。上図の右側にあるのは、私が教わりながら作った最初のプログラムです。
まずはポイントを均等に配置し、お互いに反発し合うような力を加えて、さらに重力加速度を加えました。それらが拮抗する形を物理演算のコンポーネントで導きました。こういったやり方で設計をしていくのが、コンピュテーショナル・デザインの最初のステップです。
「現時点」のBIMの課題や限界
ここでBIMに話を戻していきます。BIMは、建築のモデルや図面を作るうえでは有効なソフトですが、良いところばかりではありません。個人的な意見ですが、BIMの課題や限界は大きく分けて4項目あると考えています。それは、「軽快性」と「専門性」、「可変性」、「連携性」の4つです。
まず、1つ目の「軽快性」について説明します。上図の右側にあるような中規模のオフィスビルであれば、意匠や構造、設備なども1ファイルで管理でき、軽快に動かすことができます。一方で、建物の規模が20万㎡を超えるものであったり、部屋数が3,000、建具数が4,000ぐらいのクラスになると、どうしても動きが悪くなってしまいます。そのため、適切にファイルを動くサイズに分けて管理をすることが必要になります。
2つ目の課題は「専門性」です。BIMはさまざまな情報を入れることができるため、ツールやコマンドなどを設定する箇所が多く、覚えるのは簡単ではありません。そのため、習得にはどうしても時間がかかってしまいます。また、コンピュータの中とはいえ建物を作るため、一定レベルの建築の知識も要求されます。建築の知識が不十分な方が作ったBIMのデータは使い方が難しく、より専門的な知識が求められるという側面があります。
3つ目は「可変性」です。ここでは、事後的な変更のしやすさを可変性と呼んでいます。Rhinoceros+GrasshopperにはGrasshopper、RevitにはDynamoというビジュアルプログラミングツールがありますが、個人的にはコンピュテーショナル・デザインであるRhinoceros+Grasshopperの方が可変性があると考えています。
また、2次元CADで平面図や立面図、断面図、仕上表、建具表などを別のファイルで管理しているプロジェクトでは、平面図の窓を消すと、それ以外の図面の窓も手動で消す必要があります。そうすると、エントロピー増大の法則のように図面上の整合性が担保されなくなってしまいます。その点ではBIMは2次元CADより可変性があると言えますが、まだ十分なレベルではありません。
最後は「連携性」です。AUTODESK社のRevitに代表されるBIMソフトには、さまざまな種類があります。それぞれのソフト間でデータを連携する場合、『IFC』と呼ばれるファイルフォーマットで渡していくのが一般的です。しかし、IFCで渡された側で修正可能なデータになっていない、データの欠落がある、データが飛んでいるなど、少なからず連携性には課題があります。
BIMの運用の実例
BIMの課題や使いどころを踏まえた上で、実際にプロジェクトの進め方について話をしていきます。今回紹介するのは、『広島スタジアム』のプロジェクトです。
このプロジェクトでは、広島市中区基町の自然に囲まれた場所に上図のようなスタジアムを建築しました。観客席は約2万8500席で延べ面積は約6.7万㎡、最高高さは約42m、階数は地上7階建てです。観客席はRC造/一部RC造のコンクリート型の構造体でしっかりと作られ、屋根は鉄骨造で作られているプロジェクトです。
こういった大きいプロジェクトの際に気を付けることの1つに、BIMの容量があります。このサイズ感のBIMモデルをパソコンで動かすのは簡単ではなく、場合によっては重くて動かなくなってしまうこともあります。そのため、作業者のそれぞれのパソコンで扱えるサイズにファイルを分割していく必要があります。
このプロジェクトでは、屋根や屋根を支える鉄骨、観客席、観客席周りの構造体、仕上げの軽量鉄骨の壁、建具などのファイルを細かく分けています。もちろん、作業者のパソコンで十分に動かすためです。データを統合する際には、作業者がそれぞれAUTODESK社の『BIM360』と呼ばれるクラウドプラットフォームにアップロードしていきます。クラウド上で統合されたBIMのモデルは、水を得た魚のように軽快に動かすことができます。『Microsoft Edge』や『Google Crome』などのインターネットブラウザだけでなく、『iPad』のようなタブレットでも世界中から見ることができる便利なツールになっています。
5年前に比べると、こういった技術には大きな進歩・変化があります。ここからは、このプロジェクトにおいてBIM化が難しかった屋根に絞って説明していきます。
まず、屋根作成全体の流れを説明します。上図左側に「設計」と「施工」、それぞれの流れがあります。緑色の枠が、Rhinoceros+Grasshopperで作業するところです。まず最初にやるべきことは、図にある通り「パラメトリック化」です。設計者の固定的なイメージをパラメトリック化し、可変性を持たせていきます。
次に、屋根に必要な水勾配において、適切な雨水の処理について解析をしていきます。その次が屋根を支える構造体です。構造体では、構造設計者の考え方をヒアリングして構造体を自動生成します。自動生成された構造体を構造解析ソフトに連携して解析を繰り返し、解析された結果を再度取り込んで構造体を再生成していきます。ここまでのフローはRhinoceros+Grasshopperで行っています。建築の図面を作っていく際はコンピュテーショナル・デザインよりもBIMの方が特化しているため、Rhinoceros+Grasshopperで作られたものをBIM化して連携していきます。
施工段階に入った後は、鉄骨系・構造型のBIMソフトである『Tekla』にデータ連携していきます。ありがたいことに、今は各種メーカー様が金属屋根や折半屋根、膜屋根などの情報も3次元ソフトで高い精度で作っていただいています。そのため、各種メーカー様の作ったデータを用いて、屋根の統合モデルを作っています。屋根の統合モデルもRhinoceros+Grasshopperで作成しています。
実際の作業イメージ
まず最初に、固定的な3次元モデルに対してパラメトリックに編集可能なものにします。
その後、雨水のシミュレーションや解析も行い、サッカーフィールドに雨水が流れ込むことがないように水勾配を確認していきます。
表面が定義された後、構造体を自動生成していきます。構造設計者のラフな構造のイメージを仮定断面と呼んだりしますが、その仮定断面の情報をもとに構造体が自動生成される仕組みを構築しています。
そして、構造解析ソフトにモデルデータを持っていきます。構造解析ソフトに取り込み、繰り返し解析していきます。解析により、部材の精度が一気に上がっていきます。
解析された結果を、DIX株式会社様のプログラム『EEL』に取り込むと上図のようになります。鉄骨部材の詳細度のことをLOD（Level of Depelopment）と言いますが、そのLODが解析ソフトを通過していく事でジャンプアップしていきます。
このようにして作られたRhinoceros+GrasshopperのデータをBIMに持ってくる際には、『Rhino.Inside.Revit』と呼ばれる技術を使います。このRhino.Inside.Revitのプログラムを走らせると、構造体が自動生成されます。
この辺りは、株式会社GEL様にも協力いただきました。屋根は説明したようにプログラムを使って作られていますが、下のスタンド部分はRevitの同時編集機能で作業しています。そこから自動生成されているモデルを統合して、構造体と構造図を作っていきます。
施工段階に移った後は、鉄骨系のCADであるTeklaにデータを移します。そして、膜の3次元データや折半の3次元データなども含めてRhinocerosで統合していきます。
上図のように、下から見てみるとルーバーがあるのが分かります。このルーバーの長さと傾きを変えていくのですが、全てを手動で入力しているわけではありません。プログラマーの力を借りて、ルーバー1つ1つのサイズやルーバー間のピッチなど全てをパラメトリックに制御されるような仕組みにしています。このように作られたRhinocerosのデータもBIM360にアップロードできるため、関係者間でデータを共有し、確認しながら検討を進めています。
まとめ
BIMとコンピュテーショナル・デザインという異なるツールがあり、それぞれに特徴や使いどころがあることは分かっていただけたと思います。もちろんBIMだけ使うだけでも、コンピュテーショナル・デザインだけ使うだけでもさまざまなことができます。
その上で、複雑な建物に対応するためのステップアップとして、BIMとコンピュテーショナル・デザインの掛け合わせが求められます。そのために、それぞれのツールの特性を活かした使い分けやマネジメントが重要です。難しいことに挑戦するのであれば、BIMとコンピュテーショナル・デザインを積極的に掛け合わせていくことが必要だと感じています。また、ソフト間を双方向で連携させていく仕組みなども積極的に考えていく必要があると思います。
私自身は、BIMやコンピュテーショナル・デザインは、結局はただの道具にすぎないと思っています。例えると、BIMやコンピュテーショナル・デザインは、料理の際の圧力釜や電子レンジみたいなものです。圧力釜や電子レンジなどは便利な道具ですが、それだけでおいしい料理が作れるという保証にはなりません。その道具を使う人間こそ重要になります。
特に新しい試みをやる際には、それぞれのプログラマーやコンピュテーショナル・デザイナーの方が持っている先進的な技術を持ち寄って、積極的に掛け合わせることが必要不可欠です。個人的には、全員の思いを結集してチームとして1つの難しいことに挑戦していくという、そんな雰囲気作りも大事だと考えています。
Q&A
Q1. BIM推進を専業で行う部門の人員・体制と一般社員に対するBIM教育の現状と今後の予定について教えてください。
実際の正確な人数はわかりませんが、弊社の設計本部にいる人数に対してのBIM推進部署の人数割合は、3〜5％ぐらいの割合だと思います。また今では、図面を作る際には社外の協力事務所やパートナーの方にレクチャーして、作っていただくやり方にシフトしていっています。
一般社員に対するBIM教育の現状と今後の予定ですけれども、BIMの環境整備をしていく中で重要なものの1つに、図面の作り方があります。平面図や立面図、断面図、仕上表、建具表の作り方などは、現在マニュアルの整備を行っています。今では作り方は動画でも見ることができるため、基本的には動画を見れば誰でも学習できるという環境作りも行っています。
Q2. 国立競技場案件でコンピュテーショナル・デザインに惹きつけられたとのことでしたが、具体的にはどのあたりでしたしょうか？
広島スタジアムで複雑な形態の屋根を作っていく仕組みを説明しましたが、実はあれも国立競技場の屋根の仕組みを焼き直しているにすぎません。特に、国立競技場のプロジェクトの屋根生成のプロセスには惹きつけられました。当時の私はBIMマネージャーであり、コンピュテーショナル・デザインには一切触れてなかったため、全てが新鮮でした。同時に、何かプロジェクトがあるならば絶対に自分もやってみようと心に決めました。
Q3. 中小規模の設計事務所において契約上施工との断絶が必然的に起こる場合、施工会社の立場で設計事務所のBIM活用の何に期待し、何が課題と考えていますでしょうか？
設計事務所で作っていただいているBIMにはさまざまなデータがあります。データの中には難しいものもあり、階段がその1つに含まれます。階段のような縦方向の行き来があるものがモデル化されてないBIMでは、上の階と下の階の関係が見えづらいことがあります。その辺がある程度BIMでモデル化されている、つまり縦が通っているBIMのデータがあるだけで活用の幅が全然違います。要は建物として成立している3Dモデルであれば、ありがたいということです。
Q4. コンピュテーショナル・デザインが進みすぎると人のアイデアや発想がコンピュテーショナル・デザインに制限されてしまうような印象がありますが、むしろコンピュテーショナル・デザインが人のアイデアや発想の後押しをするようなことがありますか？
とても良い質問だと思います。今回説明したのは、設計者のイメージ・デザインがあったうえで作り込んでいくというコンピュテーショナル・デザインですが、それは先にデザインがあることが前提です。そうではなくて、コンピュテーショナル・デザインのツールの方から設計者のイメージデザインを触発していくようなことは、これから求められていく新しいものだと思っています。
九州大学の末光先生のTOTOギャラリーの展覧会では、解析ソフトの結果からデザインのイメージを持ってきている事例が多数展示されていました。地球も温暖化していますし、これからは電気的なエネルギーを使わずに人が快適に過ごせる建築も増えていくと思います。風や熱、断熱性能の解析によって建築形態が導かれるというデザイン方法も、これからもっと広がっていくと考えています。
Q5. 昨今、学生には建設業界が敬遠されているような風潮を感じています。これから建設業界の希望や明るい未来についてどのように感じますでしょうか。
私自身は、建築業界には希望や明るい未来があると思います。もはや、今建築を勉強している学生さんがうらやましいぐらいです。これからBIMやコンピュテーショナル・デザインと呼ばれる技術がコモディティ化していくことで、風の解析などもパソコンがあれば誰でもできる世界になっていきます。こういった技術が広がっていけば、業界の認知度も上がっていくと思います。
BIMにおいても、私が始めた時は本当に全てが手探りでしたが、今では本などの教材が情報過多と言われるくらい多くあります。やる気さえあれば学習できる環境も整っているため、そういった点でも明るい未来があるのではないかと思っています。
