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書籍版「建設ITガイド」に掲載した特集記事のバックナンバーです。

BIMによるデジタルツインの実現

2021年10月4日

はじめに

現在、わが国ではSociety5.0の実現に向けたさまざまな取り組みが進められており、仮想空間上に現実空間の事象をリアルタイムに再現する「デジタルツイン」への関心が高まっている。
 
このたび、当社のBIM推進モデルプロジェクトにおいて、企画・設計から竣工後の維持管理に至る一貫した建物情報のデジタル化、すなわち、デジタルツインを構築し、次世代型生産システムを視野に入れたBIM活用を積極的に推進した。
 
本稿では、「全てのプロセスをデジタルに」をコアコンセプトとした、企画・設計から建物管理までの各フェーズにおける取り組みの一端を紹介する。
 
 

企画・設計フェーズ

本件は設計・施工プロジェクトの特性を生かし、デザインビルドの協業をより効率的、かつ迅速的に行うため、施工部門、維持管理部門も参画したスーパーフロントローディングを実施した。
 
企画・設計フェーズにおけるバトンタッチ型の作業スキームから脱却し、関係者が同時並行で共同作業を行う座談会型の「コンカレントエンジニアリング」(図-1)を採用することで、短期間で高精度な検証を行うことが可能となるため、着工時にはバーチャル空間上で建物が竣工を迎える、いわゆる「着工時仮想竣工」を目標とした。
 

コンカレントエンジニアリング

図-1 コンカレントエンジニアリング

 

各種シミュレーションによる検証

「着工時仮想竣工」を達成するためには、バーチャル空間でのさまざまなシミュレーションが有効となる。
 
本計画は、市街地における高層建築であるため、ビル風の検証を目的として、風環境を数値解析するシミュレーションを実施した。
 
ビル近傍建物のBIMモデルを基に、従来から採用されている本技術を採用することで、より高精度な検証が可能となった(図-2)。
 

また、近年の防災に関する関心の高まりもあり、火災時の熱や煙が人の避難行動に与える影響を考慮したマルチエージェント型の避難シミュレーションを実施した(図-3)。
 
避難者を単なる「流体」ではなく、意思や性格を持つ「人間」として設定し、動きや相互作用を再現することで、「建物のデジタルツイン」に加え、建物内での「人のデジタルツイン」が可能となる。
 
さらに、建物竣工後に発生する設備機器の更新に関して、BIMを活用した工事計画のシミュレーションを実施し、建物の仮想運用を行うことで、短時間でローコストな改修となる設備プランを計画し、顧客への付加価値へつながる検証を行った(図-4)。
 

風環境シミュレーション

図-2 風環境シミュレーション


 
火災時の避難人流シミュレーション

図-3 火災時の避難人流シミュレーション 

屋上設備機器の更新シミュレーション

図-4 屋上設備機器の更新シミュレーション



着工時仮想竣工へ向けたもの決めの推進

顧客への「もの決め」を促進し、合意形成の精度を向上させることも、着工時仮想竣工の重要な要素となる。
 
一般的なBIMモデルの表現力は、内装プランの「もの決め」に活用できるレベルに達していない。
 
そこで、仕上げ材の画像およびその反射率、照明器具の配光や調光、昼光条件をモデルに付与し、レンダリング処理を行うことで、極めて精細な空間シミュレーションが実現する。
 
さらに、VRやMR技術との連携により、バーチャル空間へ没入することで、デジタルツイン活用による「もの決め」の推進が可能となる(図-5、6)。
 

BIMモデル

図-5 BIMモデル


 
BIMモデルのレンダリング処理

図-6 BIMモデルのレンダリング処理


 

モジュールプランニングと製造設計

工事背景として、建設業界全体の繁忙の影響を受け、深刻な労務不足、資材・人件費の高騰が懸念された。また、昨今の「働き方改革」の推進により、生産現場でのさらなる業務効率化を求められる状況であった。
 

(1)オフィスエリアにおける取り組み
本プロジェクトは、商業、オフィス、ホテルの複合高層建築ということもあり、高層階への人と資材の搬送を最小限にすることを目的として、オフィスエリア空調システムの徹底的なモジュールプランニングを行った(図-7)。
 

オフィスエリアのモジュールプランニング

図-7 オフィスエリアのモジュールプランニング


 
さらに、以下記載の製造・施工フェーズにおける高効率生産の軸となるプレファブ・ユニット化へのスムーズな連携のために、製造を見据えたモジュールの最適化、すなわち製造設計へのデータ展開・利活用を促進した。
 
BIMモデルを用いた気流シミュレーション評価により、最適な制気口位置を検証し、その結果を基にBIMの「数量拾い機能」を使い、複数パターンのモジュールモデルの中から材料ボリュームが最少となるものを設計へ反映させた(図-8、9)。
 
気流シミュレーション評価

図-8 気流シミュレーション評価


 
モジュールプランニングから製造設計へ

図-9 モジュールプランニングから製造設計へ


 
(2)ホテルエリアにおける取り組み
客室シャフトは、狭小な空間で多工種の作業が発生するため、非効率で労災リスクが伴う作業となることが多い。
 
そこで、デジタルモックアップによるメンテナンス性の確認を行うのと同時に、モジュールプランニングによるシャフト全体のユニット化を計画した(図-10)。
 
客室シャフトのモジュールプランニング

図-10 客室シャフトのモジュールプランニング

 
 

製造・施工フェーズ

今後の建設業は、入職者や熟練工の減少により、工程の逼迫や、施工品質の低下が懸念されている。
 
そのため、生産プロセスの再構築により、現場労務を低減させ、「工程の安定化」と「品質の標準化」を行うことが、喫緊の課題である。
 
建設業のプロセスは、「ものを運び、取り付ける」といった、非常にシンプルなものであるが、材料を現場に搬入し、多くの労務で加工・組付けの現地作業を行うため、常に「人」が介在し、結果としてさまざまなリスクの発生を招き、生産性の低下をもたらしている。
 
そこで、前述した「製造設計」による製造への連携を行い、プレファブ・ユニット化、すなわち「現場の工業化」を促進し、非効率な現場作業を効率的な工場作業へ転換することで、生産性向上を図ることが重要である。

 

オフィスエリアにおける取り組み

企画・設計フェーズで行ったモジュールプランニングと製造設計を基に、現場でのプレファブ・ユニット化を推進した。

 
これにより、現場での労務人工、労災リスクの高い高所作業、発生する産業廃棄物の削減に大きく寄与し、施工品質の標準化につながった(図-11)。
 

モジュールコンストラクション

図-11 モジュールコンストラクション


 
(1)工事プロセスのデジタル化ならびに進捗管理

資機材に設置したQRコードとBIMデータの属性情報を連携させることで、工事進捗をリアルタイムに見える化し、デジタルツインを活用した工事プロセスのデジタル化を行った(図-12)。
 

工事プロセスのデジタル化

図-12 工事プロセスのデジタル化


 
(2)施工アシスト
現場における品質管理は、個人の技術力に左右されるのが現状である。
 
そこで、施工BIMモデルとMR(複合現実)技術を連携させた「施工管理アシスト」の試行を実施した。
 
施工BIMモデルには、各種の属性情報を付与しているため、さまざまな情報を呼び出し、現地出来形と施工BIMモデルとの照合や、納入仕様書の確認、耐震支持の設置状況等、MR画像にて迅速に確認することが可能となる。
 
さらに、同技術を応用し、躯体工事中のスリーブチェックにも試行し、その有効性が確認された(図-13、14)。
 
モジュールモデルどおりの施工実現

図-13 モジュールモデルどおりの施工実現


 
MR技術との連携/スリーブチェック

図-14 MR技術との連携/スリーブチェック


 

ホテルエリアにおける取り組み

企画・設計フェーズで行った客室シャフトのモジュールプランニングとデジタルモックアップを基に、客室シャフト全体のユニット化を計画した。
 
現場低層階にユニット工場を設え(図-15)、客室盤や配管類のユニット化、資材管理や各種品質検査を効率的に実施し、人と物の移動を低層階で集約管理した。
 
フロアごとの内装工事進捗に合わせ、シャフトユニットを搬入据え付けする計画としたため、FRPフレームを採用し、ユニットの軽量化を図った(図-16)。
 
電気設備に関しても分電盤二次側ケーブルを盤結線しコネクタ接続することにより、全工種のシャフト内作業は、ユニット工場への効率作業へ転換された。
 

現場内のユニット工場

図-15 現場内のユニット工場


 
FRPフレームによる軽量化

図-16 FRPフレームによる軽量化



(3)リアルタイム現場管理システム
現在稼働中のプロジェクトにおいて、当社開発の資機材位置や稼働状況、人の位置やバイタル情報等をリアルタイムに3次元で表示するリアルタイム現場管理システム「3D K-Field」を展開し、建設現場のデジタルツイン活用を推進している(図-17)。
 

建設現場のデジタルツイン/3D K-Fiel

図-17 建設現場のデジタルツイン/3D K-Field




 

維持管理・運営フェーズ

本件では、企画・設計フェーズから継続して醸成させたBIMモデルに、建物の維持管理・運営で必要な属性情報を付与することで、FM用BIMデータベースを構築し、一気通貫のFM連携を達成することを目標とした(図-18)。
 
維持管理・運営フェーズにおけるデジタルツイン活用の基盤はBIM-FMシステムである(図-19)。
 

FMプラットフォームとBIMデータの連携

図-18 FMプラットフォームとBIMデータの連携


 

FMプラットフォームへのデータ集積

図-19 FMプラットフォームへのデータ集積


 
FMプラットフォームへBIMデータベースを連携させることで、①設備台帳作成の効率化、②メンテナンス情報の一元管理、③スマートデバイスによる現地作業の効率化、④顧客デジタル資産の付加価値機能の向上等、従来の維持管理業務の効率化・高度化が達成される。
 
さらに、当社開発のスマートBMを連携させ、クラウドに蓄積されたビッグデータをAI解析することで、設備の最適チューニングや省エネルギー支援によるランニングコストの削減、機器の異常や故障の早期把握等、ライフサイクルマネジメントが可能となる(図-20)。
 
スマートBM


 

おわりに

本稿では、従来からの生産プロセスを見直し、企画・設計から維持管理・運営フェーズにおけるデジタルツイン活用による次世代型生産システムの構築を目指した取り組み事例を紹介した。
 
企画・設計フェーズでの「着工前仮想竣工」、製造・施工フェーズでのモジュールコンストラクション、さらには、維持管理・運営フェーズでの建物ライフサイクルコストの低減に向けたトータルソリューションを創出すべく、取り組みを行った。
 
今後は、BIMデータの利活用範囲をさらに拡大し、建築プロジェクトにおけるさまざまな業務の効率化を図っていくとともに、デジタルツインの集合体となるスマートシティの社会実装を視野に入れ、建設および建物運用時に得られたビッグデータを循環させることで(図-21)、建物オーナーや利用者の課題・目的の解決と建物資産価値の向上に寄与していきたいと考える。
 

デジタルデータの循環

図-21 デジタルデータの循環



 

鹿島建設株式会社 加藤 誠

 
 
【出典】


建設ITガイド 2021
BIM/CIM&建築BIMで実現する”建設DX”
建設ITガイド_2021年


 
 



 

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