株式会社 竹中工務店 様建物性能の評価に欠かせない構造計算の独自ソルバーを開発
-独自ソルバーHYPER-DYNAMICSによるシオサイト「浜離宮サイドプロジェクト」解析事例-
お話を伺った方
(株)竹中工務店設計本部
構造設計システム推進担当
副部長：畑中公樹様（写真右）
課長代理：鹿島 孝様（写真左）
（株）竹中工務店は神社仏閣の造営を業として1610年に名古屋で創業。明治維新後、次第に洋風建築を手がけるようになる。商店建築では日本初の鉄筋コンクリート造の高島屋京都店（1912年）を施工。竣工当時は世界一の高さだった東京タワー（1958年）や日本初の空気膜構造による多目的スタジアム・東京ドーム（1988年）、日本初の屋根開閉式多目的スタジアム・福岡ドーム（1993年）など、常に最新の設計・施工技術を追求し、時代のニーズと建築主の期待に的確に応える建築を提供し続けている。
今年になりシオサイトに新しいビルが続々とオープンしています。最後の街区としてD街区の建設も始まりました。この街区にできるホテルと事務所の複合施設「浜離宮サイドプロジェクト」を設計・施工したのが株式会社竹中工務店です。
竹中工務店といえば創業以来400年近い歴史を誇り、総合建設業として東京ドームをはじめとする大型ドームや、2002年ワールドカップで使用された各地のサッカースタジアムなど、地域のランドマークとなる多数の建築構造物を手がけてこられました。
そうした建築物の構造設計や耐震性能評価のために、竹中工務店では設計部が中心となり、技術研究所や情報センターと協力して構造解析ソルバー「HYPER」を自社開発されています。CRCは、3次元骨組構造物非線形動的解析システム「DYNA2E」や構造物-地盤連成系動的解析システム「DINAS」で培ったノウハウを活かして、「HYPER」の開発に協力してきました。
今回は、設計本部で構造設計システムの維持・開発を担当しておられる畑中公樹氏と鹿島孝氏に独自ソルバーの開発方針などについてお伺いしました。
耐まず最先端の弾塑性動的応答解析ソルバー「HYPER-DYNAMICS」を開発。
建物の構造設計のための応力解析は、昔は弾性解析ばかりだったのが、20年程前から弾塑性解析も必要となってきて、当社でも社内でツールを開発して使用していました。しかし、もっと本格的な弾塑性解析のシステムが必要であるとの認識のもと、システムを新しく開発する方向が社内で決まりました。そこで1992年に数社の候補の中から、「DYNA2E」や「DINAS」で実績があったCRCにソルバーの開発をお願いしたのです。
資料提供：(株)竹中工務店
当時は、せっかく開発するのであるならその時点で最先端のものをという考えで、弾塑性の動的応答解析「HYPER-DYNAMICS」を作りました。 しかし、こうした最先端のシステムは複雑な解析をするために計算時間もかかるし、 データもたくさん必要であるため、実際の業務における設計では逆に使いにくい。そのため実務の設計では自分たちで作ってきたツールを使い、特に高度な解析を必要とするときだけ新しく開発した 「HYPER－DYNAMICS」を使っていました。
その後、実務設計で要求されるレベルも上がり、コンピュータの計算速度も速くなって実用化の兆しが出てきました。実務設計では特殊な場合を除き動的応答解析は必要でなく、静的弾塑性解析を用います。そこで実務設計用のために、動的弾塑性システムである「HYPER－DYNAMICS」の機能を絞り込み、静的弾塑性解析システム 「HYPER－STATICS」にモディファイするのを、再びCRCにお願いしました。その後「HYPER－DYNAMICS」と「HYPER－STATICS」の２本立てとなり、実務設計では主に「HYPER－STATICS」を使用しています。
こうした開発では、最初に簡単なシステムを作った後で機能を拡大していく方法もありますが、それでは限界が早くくるのではないかということで、開発にあたっては、最初にできるだけ高度なところを追求しておいたほうが後々役に立つだろうと考えたわけです。
1995年の阪神大震災では当社が設計施工した建物にも被害を受けたものがあり、その被害調査を竹中技術研究所が中心になって行いました。このとき「HYPER－DYNAMICS」の高度な機能が解析に大変役立ちました。
限界耐力計算にも対応した構造設計の一貫システム「BRAIN」。
いま当社では「HYPER－STATICS」をソルバーに組み込んだ構造設計システム「BRAIN」
を開発し、外販もしています。
「BRAIN」は国土交通大臣の認定を取得しているので、出力をそのまま建築確認申請で提出する構造計算書に使用できます。「BRAIN」は、ドームや膜構造などの特殊なもの以外、どんな建物にも応用でき、実際、当社の構造計算の99％は「BRAIN」を使って行っています。2002年12月にリリースしたBRAIN V2.0は、構造設計システムとして１つのプログラムで許容応力度法と限界耐力法で性能評価が行えるシステムです。限界耐力法は、平成12年の建築基準法施行令改正で、性能検証型の新しい構造計算方法として導入されたもので、完成した建物が性能に照らして安全かどうかを評価する方法です。限界耐力法のソルバーにも「HYPER－STATICS」を使っていますが、これをもっと使いやすくして欲しいという要望があります。限界耐力法でOKがでる条件を逆に満足させるような機能が欲しいと言われています。
許容応力度法と限界耐力法とでは、どのような設計に適しているかを見極めながら使っていく必要があります。例えば限界耐力法では地盤も適切に評価します。また従来、動的検討等が要求された高さ60m以下の高層建築物でも、限界耐力法でより適切な答が出ると思われます。こうした計算方法の違いについては、ケーススタディをして常に最適な手法を模索しています。
図２ BRAIN概念図資料提供：(株)竹中工務店
シオサイト 「浜離宮サイドプロジェクト」の設計で「HYPER-DYNAMICS」が大活躍。
図３ 汐留・浜離宮サイドプロジェクト資料提供：(株)竹中工務店
建物はきわめて規模の小さいもの以外、必ず構造計算を行います。特に、法律で特別な検討が要求されているものを作りたいとき、例えば、60m以上の超高層とか膜構造とか特殊な免震構造などを作りたいときは、詳細な構造計算書を提出して国土交通大臣の認可を取らなければなりません。このように安全だから許可してくださいと申請するわけです。
現在建設中の浜離宮サイドプロジェクト（通称汐留D街区）もそうです。事務所の上にホテルが乗っていて、機能の違う建物が上下に重なっています。そのため柱の配置なども上下で異なり、全体が性質の違う2種類の骨組みの組合せになっています。台風の時など、上部のホテルはお客様が不安にならないよう、揺れを小さく抑えなければなりません。最近は何かと地震が話題になりますが、これくらい高い建物になると、台風による揺れも建物の骨組みを決める上で重要な要素になってきます。もちろん大地震の時の安全性も必要で、構造設計も単に建物を丈夫にするのではなく、建物の揺れを制御するため様々に工夫を凝らすことになります。そのような設計にはどうしても詳細な動的解析が欠かせません。建物を簡単な計算モデルに置き換えるのではなく、そっくりそのまま計算する必要があります。このプロジェクトではHYPER-DYNAMICSが大活躍しました。最初に一貫計算で設計をして、その結果をHYPER-DYNAMICSで検証するわけです。一貫計算からHYPER-DYNAMICSへのデータ移行も簡単で、たいへん助かりました。
図４ 浜離宮サイドプロジェクトパースと動的解析モデル資料提供：(株)竹中工務店
自社開発の構造設計にこだわる。
「HYPER－DYNAMICS」はかなり高度な解析を目指しており、仕様については竹中技術研究所、ソフト改良整備にあたってはCRCと協力して開発してきており、今後も技術研究所で開発した新しい技術を積極的に取り込んでいくことになると思います。最近では、プレストレストコンクリート構造の動的解析機能を「HYPER－DYNAMICS」に追加しました。こうした新技術が成熟してくると、今度は「HYPER－STATICS」へ入れます。そうすると「BRAIN」から容易に使えるので、一般の設計の中でその機能を使っていくという流れになります。
建築設計の業界において、「BRAIN」のような構造設計の一貫システムを自前で持つかどうかは議論の分かれるところです。大手ゼネコンの中でも自社開発でやっていこうとしているのは非常に少ない。私達が「BRAIN」を作るときも、そういう議論はありました。
しかし、「BRAIN」のソルバーは「HYPER－STATICS」であり、一方に最先端の「HYPER－DYNAMICS」がある。「HYPER－STATICS」で計算したデータは簡単に「HYPER－DYNAMICS」へ持ってこられるという大きな利点があります。例えば、「BRAIN」の代わりに市販品の構造設計システムを使うとなると、最先端のシステムを自社開発で持っていても、その間のデータコンバートは結構大変になります。私達は、最先端システムで検討して実務に使えるとなったときに、割に簡単に構造設計一貫システムへ移すことができますので、結果的に今の社内のシステム構成は非常にいい格好になっていると思います。
弾性解析は技術的に確立した世界で、どの解析システムで解こうが同じ答えが出ます。ところが動的弾塑性解析では、まだ研究、開発途上の解析技術という状況にあります。一方、建築設計では次第に動的弾塑性解析が頻繁に使われるようになってきています。いずれ解析方法の細部が問題になると思われます。そのときに解析システムの中身が全くわからないという状態だと対応のしようがない。そのことも、自前のシステム開発にこだわる一つの理由です。また今後システムのネットワーク化に対応していくことも考えており、CRCの協力を仰ぎたいと思っています。
１０年以上にわたり、竹中工務店様独自の構造解析システムの整備を、微力ながらお手伝いさせて頂きました。非常に高度な技術をシステム化していく過程で、苦労した点もありましたが、開発されたシステムが第一線で活躍していることを伺うと喜びもひとしおです。独自の開発姿勢に、竹中工務店様のシステムに対する責任感の強さが感じられ、システムの発展性がさらに期待されます。今後の改良整備に対しても、ぜひ協力させて頂き、御社の発展に少しでも寄与できればと願っております。
最後に畑中様、鹿島様には大変貴重なお時間を頂戴致しまして誠に有難うございました。（聞き手：CRC亀岡）
※この記事は2003年4月4日のインタビュー内容に基づいて構成されています。
| 登記社名 | 株式会社 竹中工務店 http://www.takenaka.co.jp/ |
|---|---|
| 本社所在地 | 大阪市中央区本町4-1-13 |
| 創立 | 1899年（明治32年） |
| 社長 | 竹中 統一 |
| 資本金 | 500億円（2003年3月現在） |
| 売上高 | 8,518億円（2002年度） |
| 受注高 | 8,471億円（2002年度） |
| 従業員数 | 8,246名（2003年4月現在） |
| 主な事業概要 | 土木建築総合請負（都市・地域開発計画、土地利用計画、建設資金計画、収支計画、建築設計、構造設計、設備設計、インテリア設計、工事施工、資材調達）、リノベーション事業、不動産事業、開発事業、FM･CMサービス |
