BIMCIM9章

8問 • 1年前

問題一覧

地形・地盤モデル 9.1　地形の3次元モデリング 9.1.1　ＴＩＮ　地表面データはグリッド（格子）状であっても、ランダムであっても通常、点の集合として表現される。レーザースキャナやSfMによっても3次元点群データが得られる。地表面の点の集合データは、一般的に○○と呼ばれる、面的な三角形の○○に変換される。TINを作成する際は、まず3次元の点の集合を標高0の○○を作成し、平面上にあるすべての点を線分で結んで重ならない三角形のメッシュを生成して、最後にメッシュの接続が崩れないようにしながら、○○に移動させる。ここで問題となるのは、多数存在する点から三角形のネットワークを作成する際、どの点とどの点を線分で結んで三角形にしていくかで、数多くのパターンが存在し、どれを選んだらよいか迷ってしまうことである。例えば、図9.1に示すように、4つの点でも2つの異なる三角網ができ、点の数が大きくなる程、パターン数は膨大になる。図9.1の2つの三角網を比較すると、（ａ）のように三角形の形が平べったくないほうが、（ｂ）のように平べったい場合よりも、より正確に地表面の形状を表現することができることが知られている。そこで、どのような配置で点データが与えられても、常に最適な三角網を唯一無二の解として描くことができる方法論が必要である。それを与えてくれるのが、○○と○○である。

TIN（Triangulated Irregular Network:不整三角網）, メッシュデータ, 水平面に鉛直に投影した図, 水平面上の各店を標高値に戻るように鉛直方向, ボロノイ図, ドロネー三角形

9.1.2　ボロノイ図とドロネー三角形　ボロノイ図とは、平面上に与えられた点集合に対して、どの点に○○という基準で平面を分割したものである。図9.2に6個の点（これらを○○と呼ぶ）に対するボロノイ図を示す。各母点の周囲の領域を○○、領域の境界線を○○、境界線の交点を○○と呼ぶ。ボロノイ図の描き方は、○○を引いて交点を求めながら、領域を決定していく。なお、ボロノイ図は、○○に対して一意的に決まる。図9.2 　次に、ボロノイ図でボロノイ境界線で隣接しているボロノイ領域の母点をつなぐと通常は、三角形で分割でき、このようにして三角形で分割することを○○といい、その図をドロネー図という（図9.3）。ただし、もしｎ個の母点が同一の円周上にある場合は、三角形の集まりでなく、ｎ角形になってしまう（図9.3（右））。グリッド状の地形データの場合これに該当するが、その場合は正方形を2つに分割する際、右上がりのたすきにするか、右下がりにするかを予め決めておけばよい。これ以外の場合、一般的には地形を表す4つ以上の点が厳密に円周上に配置されることは極めてまれである。ドロネー図には、「○○」という数学的に重要な定理がある。　現在のTINのソフトウェアは、ボロノイ図とドロネー三角形分割に基づいて作成されてるはずである。ドロネー三角形を描いた場合とそうでない場合を図9.4に示す。この図は、谷の一部を標高100ｍと110ｍの等高線上に5つの点を与えた場合、真中の図はドロネー三角形で、右図はそうでない場合である。図から明らかなように、ドロネー三角形のメッシュはかなり現実に近い地形を表しており、そうでない三角形メッシュでは、谷であるはずの大部分が水平な平面になり、平べったい三角形の部分で110ｍの標高から100ｍの標高にいきなり崖のような急斜面となっており、不自然な地形である。

最も近いか, 母点, ボロノイ領域, ボロノイ境界線, ボロノイ点, 近傍にある2点間で垂直二等分線, 任意の母点, ドロネー三角形分割, 平面上の点集合Pに対するドロネー三角形分割は、Pに対する三角形分割の中で最小の内角を最大にする

9.1.3　TINの活用　TINは〇〇であるが、各三角形を面に変換すれば、〇〇になる。該当するTINの地域の航空写真や衛星写真のデジタルデータを鉛直上方からサーフェスモデルにテクスチャマッピングを施せば、リアリティのある3次元地形モデルを容易に作成することができ、道路やダムなどの計画や設計をBIM/CIMで行う際に役立つ。　TINは、道路や河川構造物のように、盛土・掘削により地形に変更を加える構造物の3次元設計を行う際の基本データとして活用される。また、次節で記す地層の境界面もTINで表現される。

ワイヤーフレームモデル, サーフェスモデル

9.2　地質・土質の3次元モデリング　地層は、ボーリング孔のボーリングデータや○○等の物理探査手法のデータ、地形図等をもとにして、地質学者や地盤技術者によって地盤の鉛直断面上に描かれる。こうした鉛直断面の地質断面図が、現場領域内でネットワーク状になると、地質構造が3次元的に把握できるようになり、地質断面図間を内挿あるいは外挿して描くことができるようになる。地層境界面は、地表面と同様に、○○で表現することができる。　地層境界面からすぐ下の地層境界面までの地層は土砂や岩などの中身が詰まっているが、サーフェスであるＴＩＮモデルだけでは中身がないため、ソフトウェアでは中身を何らかの方法で埋めて、○○にする必要がある。地層を小さな立方体で埋めつくす○○やそのデータ量を減らした○○もあるが、データ量が膨大になるため、あまり使われていない。本書では、一般的に用いられている○○を紹介する。　まず、図9.5に示すように、各層にLayer1,Layer2,Layer3といった具合に名称を付ける。次に、TINで表現される地層境界面に、S1,S2.S3といったように名称を付ける。SはSurfaceの頭文字で、1，2，3といった番号は、地層境界面のすぐ下の地層の名称の番号である。例えば、図9.5において、S1は地表面であるが、すぐ下の地層がLayer1であるから、○○と名付ける。しかし、同じ地表面であっても、すぐ下がLayer4になっている部分があるため、図9.5の右の方の地表面には○○と名付ける。また、Layer5のようにオーバーハングした部分があるレンズ状の地層については、あくまで地層境界面のすぐ下のLayer番号を用いるため、図9.5に示すように、サーフェスを細かく分割し、一貫性をもって地層境界面に名称を付ける。トンネルなどの人工的な地下空洞や自然にある空洞等は、Cave1、Cave2といった具合に命名し、空洞上部の境界面は、○○のように名付け、空洞下部の境界面は、その下の地層のLayer番号からS2のように名付ける。このようにモデル化すれば、各地層内の任意の点において、その点がどの地層に属しているかは、点から鉛直上方に直線を伸ばしていき、最初に当たる地層境界面の名称を参照し、その番号からその点のLayer番号が自動的に認識することができる。これにより、Voxel等で空間を埋めつくさなくても、全ての点で中身があるかどうか、あるのであれば何があるのか、ということを表現することができるわけである。この方法は、○○と呼ばれることがあるが、決まった呼び名があるわけではないようである。

AE（Acoustic Emission）法, TIN, ソリッドモデル, Voxelモデル, Octreeモデル, Upper Surface Method, Ｓ１, S4, C1,C2, Upper Boundary Surface（上側境界面）法

9.3　道路の3次元設計ソフトウェアの利用の流れ　土木分野には、道路、鉄道、水路、河川構造物等のような、横断面は比較的小さく、水平方向に非常に長い、主として盛土掘削の土工による線形構造物が多い。こうした土工の線形構造物を3次元デジタル地形モデルを利用して、平面図、縦断面図、横断面図を半自動的に描き、盛土掘削の土工量まで自動的に求められるCADソフトウェアは40年程度前から米国で販売され始め、2000年代半ばから日本の土木分野でもBIMとは別に利用する企業が現れ始めた。現在では、BIM/CIMにおいて、こうしたソフトウェアを利用するのは当然となっている。本節では、そうしたソフトウェアの基本的な利用の流れを説明する。 9.3.1　道路の3次元中心線形の設計　道路の3次元設計ソフトウェアで、まず行うことは地形のTINモデルデータと航空あるいは衛星写真とテクスチャマッピングした3次元地形モデルの平面図をPC画面上に表示することである。次に、道路中心の平面線形を3次元モデルの中に描きながら入力する。標高は通常、○○とする。平面線形は、一般道路の場合は、○○であるが（図9.6（ａ））、高速道路の場合は、直線と円弧の間に○○が入る（図9.6（ｂ））。円弧の回転半径は、道路の規格に合わせて、適切な値を選ぶ必要がある。緩和曲線は、高速道路の場合、通常、○○が用いられる。クロソイド曲線とは、図9.6（ｂ）に示すように、道路中心線の距離と曲率（円弧の回転半径の逆数）が線形関係にあるような曲線である。運転手が、直線区間から曲線区間にはいり、ハンドルを一定の回転速度で操作すると、自動車はクロソイド曲線上を走ることとなる。適切な緩和曲線区間がないと、高速道路では、自動車が曲線区間で車線をはみだすか、急ハンドルを切ることによる事故が発生する可能性があり、危険である。図9.6 　次に、平面線形に基づく地表面の縦断面をソフトウェアに自動的に描かせる。縦断面は、本来には、曲面であるが、これを水平に引っ張って平らに引き延ばしたような平面として描き、さらに、鉛直方向と水平方向で縮尺を変えて表現することができる。これは、標高の差の幅が、水平方向の距離に比べて小さすぎて、画面上で違いが認識できないことが多いからである。縦断面の地表線の形状を見ながら、道路中心の縦断線形を直線と円弧、○○、○○、○○などを組み合わせて入力する（図9.7）。この際、○○などの規格に注意しつつ、なるべく、掘削や盛土が大きくならないような縦断線形を描くことが重要である。　平面線形と縦断線形を合わせることによって、3次元の中心線形ができあがる。

0ｍ, 直線と円弧, 緩和曲線, クロソイド曲線(Clothoid curve), 2次曲線, 3次曲線, サインカーブ, 最急勾配

9.3.2　横断面の設計と3次元モデルの作成　次に、道路の切土部と盛土部の各々標準となる横断面を描きながら入力する。一般的に切土の法面は○○だが、盛土の法面は○○とすることや、小段を一定の○○に設定する。横断面の例を図9.8に示す。　ここで、地表面の○○と道路の平面・縦断線形、横断の標準断面を合わせることにより、図9.9のように、切土、盛土をソフトウェアが自動的に求め、法面や法肩の形状まで3次元的に表現される。さらに、道路の出発点から一定間隔（通常、20ｍ）の各ステーションにおいて、地表線を含めた横断面図が自動的に出力される。（図9.10）

急勾配, 緩勾配, 高さ間隔, TINデータ

9.3.3　土工量の自動計算　次に、切土、盛土の土工量を自動的に求める。方法としては、①非常に細かいグリッドを発生させ、切土、盛土の範囲におけるグリッドの各格子点における道路の標高と地表面の標高の差分を計算し、差分に格子1個の面積を掛け算して柱状の体積を求め、合算する方法と、②平均断面法による方法の2種類がある。（図9.11）。　①の方法の方が、グリッドの間隔を非常に小さくすれば、計算精度は極めて高くなるが、切土、盛土の土工量の値しか出力されないため、正しいのかどうかを人間が手計算で確認することができない。一方、②の方法は、従来の手作業による設計をそのままコンピュータにやらせており、各横断面の切土、盛土の面積が出力されるため、後で人間が検算することができる。いずれにしても、プログラムでほぼ自動的に計算できるため、作業量や時間に差があるわけではない。　①の方法は、比較設計のように複数のプランについて土工量を計算する際に便利であり、②の方法は、最適な設計が決まった後の提出用に利用するといいであろう。 9.4　道路土工モデルLandXML 9.4.1　LandXML 　○○は、米国のNathan Crews氏によって2000年から、前節で説明した道路の3次元設計ソフトウェアによって作成される設計データの標準化を図るために開発されたオープンソースのXMLの○○である。データモデルとして、構造が単純で分かりやすいことから、2000年代半ばには、欧米先進諸国で○○として、広く利用されるようになった。　ここで、XMLとは、Extensible Markuo Languageの略で、「○○」と訳されている。簡単に言えば、タグと呼ばれる＜と＞で挟まれた特定の文字列で、地の文やデータに情報の意味や構造、装飾などを埋め込んでいくための言語である。似たものにインターネットのウェブサイトでおなじみの○○もあるが、HTMLではタグが固定化されており、ユーザが独自のタグを指定することができない。一方、○○は、汎用のメタ言語であり、ISOで標準化されたマークアップ言語であるが、巨大で一般の人々が使わないような機能まである。そこで、SGMLを簡略化し、より使いやすく手直ししたものがXMLである。　LandXMLは○○という非営利のコンソーシアムによって運営され、世界各国に散らばるメンバーたちのインプットと批准によって、スキーマを開発、更新してきた。2008年8月に○○が承認され、2014年6月に○○のドラフトが提案された。　LandXMLのスキーマに基づいて、道路土工ソフトウェアが具体的な道路設計のモデルデータをインスタンスファイルとしてエクスポートしたり、インポートできるようにしていることから、異なる道路土工ソフトウェアであっても、あまり問題なくモデルデータの交換。共有ができるはずである。

LandXML, スキーマ, デファクトスタンダード, 拡張可能なマーク付け言語, HTML(Hypertext Markup Language), SGML（Standard Generalized Markup Language）, LandXML.org, LandXML1.2, LandXML2.0

9.4.2　J-LandXMLとOCF検定　わが国においては、以前は○○が日本独自の線形データモデルを策定したが、LandXMLが世界のデファクトスタンダードになったため、2015年に「○○」を策定し、国内で標準として広く利用されている。海外のLandXML1.2とは仕様が多少異なり、日本独自の進化を遂げた部分もあることから「○○」と呼んでいる。　国内の道路の線形プログラム、3次元道路土工設計ソフトウェアの多くは、J-LandXMLに準拠しており、インスタンスファイルをインポート・エクスポートできると宣伝している。本当に市販のソフトウェアがJ-LandXMLに準拠しているかどうかは、○○が検討を実施している。OCFは、○○に合格し、現在、認証を取得しているソフトウェアの一覧をウェブサイトで公開している。土木分野のIFCのソフトウェア検定をbSJがJACICの協力のもと実施しているのと似ている。　J-LandXMLは、第14章で記すように、ＩＣＴ施工で○○などで標準として利用されており、BIM/CIMにおいて重要な標準と言える。一方、bSIでは、道路、鉄道、水路などの土木構造物のプロダクトモデルを含む○○を策定し、2024年春には○○になる予定である。既に、欧米の道路関係のBIMソフトウェアのベンダーは、自社のソフトウェアをIFC4.3に準拠させ始めている。LandXMLの手軽さは捨てがたいが、IFC4.3に準拠するような可能性がある。一方、我が国は、一旦やりかたが決まるとなかなか変更したがらない文化があることから、おそらく、IFC4.3とJ-LandXMLとの間でデータ交換ができるように変換プログラムを独自に開発していくことになるであろう。

国土交通省国土技術政策総合研究所（国総研）, LandXML1.2に準じた3次元設計データ交換標準（案）, J-LandXML, 一般社団法人OCF（オープンCADソフトウェアフォーラム）, 「LandXMLに準じた3次元設計データ対応検討」（略称「J-LandXML検定」）, マシンガイダンス、マシンコントロール, IFC4.3, ISO16739

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