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。
 
 

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。
 

 

「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)。
 

 

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)。
 

 

 

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)。
 

 
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)。
 

 

 
(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)。
 

 
 

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。

 

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)。
 

 
(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)。
 

 
(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)。
 

 

 

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。
 

 

(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)。
 

 

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)。
 



 

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。
 

 

 
 
【出典】

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建設ITガイド 2021
BIM/CIM＆建築BIMで実現する”建設DX”



 
 

2020年10月末、世界各地のBIM関係者が集い、建設産業におけるデジタル化についての標準化や実用化に向けての情報共有、議論を行うbuildingSMART International(以下bSI)サミット会議がオンライン会議形式で開催された。今年の世界的COVID-19拡大の影響を受け、これまで世界各地の会議場で開催されていた形式を、今年度はバーチャルサミットと称して約2週間にわたるオンライン形式へと完全に切り替えての開催となった。
 
bSIサミット会議において、建設ライフサイクルにおけるBIMワークフロー、BIMのデジタルツインへの展開、建築からインフラへのBIMの拡張などの議題を中心に、標準化、最新事例の共有、BIM実務者のネットワーキングが行われてきている。
 
本稿では、bSI バーチャルサミット2020秋での主要テーマ、およびbSIバーチャルサミット期間中に発表されたオープンBIMの国際アワード bSI Award 2020の概要について報告する。

 
 

bSIでは、建築・土木、スマートシティ、法規、教育などの各分野において、それぞれRoomと呼ばれている分科会活動が行われている。今回のサミットでは、53のRoomセッション、104のプレゼンテーション、196名の発表者、80時間以上の発表コンテンツ量となった。今回のバーチャルサミットにおける各Roomと、BIM個人能力認証プログラムにおける主なセッション概要を以下に示す。
 
建築分科会(Building Room)：
建築分野における、BIMデータ連携の要件定義であるIDM(InformationDelivery Manual)、IDMに 基 づ いたIFC使用範囲の定義であるMVD(Model View Defi nition)など、BIM活用に必要な標準、レポート、技術仕様などの策定を行っている。今回のサミットでは、FM(ファシリティマネジメント)、防災・避難シミュレーション(人流解析)、エネルギーシミュレーション、空間ゾーン(Spatial Zone)のユースケース・IDM策定、建物性能シミュレーション(BIM2SIMプロジェクト)、鉄骨モデル分野のMVD策定、研究施設設計へのBIM・IFC活用などについて議題が設定された。
 
インフラ分科会(Infrastructure Room)：
 道路、橋梁、鉄道、トンネル、港湾分野へのIFC拡張を行っている。現在進行中のIFC拡張プロジェクトの最新のロードマップが確認された(図-1)。IFC5へ到達するまでの、インフラストラクチャー分野のIFC拡張バージョンIFC4.3リリース候補版(ReleaseCandidate)の進捗状況、トンネル分野のIFC拡張プロジェクト、港湾施設・水路(Ports&Waterways)分野のIFC拡張プロジェクトの活動状況報告があった。
 

 
製品情報分科会(Product Room)：
BIMに関連する用語、分類体系コード など を、 国 際 標 準(ISO 12006)に基づく建築デジタル辞書サービスbSDD( building SMART Data Dictionary)により、BIMライブラリや、デジタルサプライチェーンなどへの展開を検討している。製品識別コード(GTIN: Global Trade ItemNumber)の標準化・普及展開を行っている国際組織GS1との協調活動、建設サプライチェーンにおける資材、製品情報の流通プラットフォームに関連するテーマが増加してきている。
鉄道分科会(Railway Room):鉄道分野の軌道、エネルギー、信号設備、通信設備などへのIFC拡張作業を行っている。中心となっている鉄道事業者企業は、フランス、イタリア、スイス、オーストリア、北欧、中国などとなっている。
 
建築確認分科会(Regulatory Room)：
建築申請分野におけるユースケース、自動チェックシステム活用に必要な要件整理、建築確認分野のIDM、MVDやガイドラインの策定を目指している。今回のサミットではEU、およびエストニア政府からのBIMによる建築確認プロセスの試みが紹介された。また、buildingSMART Japan(以下bSJ)からは、意匠設計小委員会における建築確認へのIFC活用の検討作業から、法規情報モデルRIM(RegulationInformation Model)という概念を具体的なイメージで説明した(図-2)。
 

 
技術専門分科会(Technical Room)：
IFCの拡張、メンテナンスおよびセマンティックWebへのIFC活用手法、API活用などの検討を行っている。共通データ環境CDE(CommonDataEnvironment)のAPI(アプリケーション・プログラミング・インターフェース)標準に関しての提案が行われた。

 
施工技術分科会(Construction Tech Room)：
施工段階における、製造業(ファブ)、流通(ロジスティクス)などのサプライチェーンと連携するため、BIMデータをAPI(アプリケーション・プログラミング・インターフェース)によって他システムと連携する仕組みについて、現状と今後の方向性について発表が行われた。取り上げられたテーマとしては、4D/5D BIM、CDEのAPI標準openCDE API、デジタルツイン、IoTプラットフォームFIWAREおよびそのデータモデル・API仕様であるNGSI(Next Generation Service Interface)などが挙がっている。
 
空港分科会(Airport Room)：
空港分野の資産管理、運用管理の視点から空港施設ライフサイクルへのBIM活用に必要なIDM 、MVD、ガイドラインなどの策定を行っている。今回はデータのセキュリティに関する設計、施工、維持管理者など各分野におけるシナリオ分析について報告があった。そのほか、ウィーン空港におけるBIMデータとCADデータの連携プロセスの実証実験結果の分析、空港のデジタルツインについての議論が行われた。

 
BIM個人能力認証(buildingSMARTProfessional Certifi cation Program):
bSIでは、国際的なBIMの個人能力認証制度の展開を進めている。建設産業における情報共有の重要性、BIMの背景や利点、BIMデータの国際標準であるIFC、BIM情報管理に関する国際標準ISO 19650など、bSIが推進してきているオープンBIMに関する基本知識テキストに基づいた教育コースおよび個人能力の認定が2018年から開始されている。これまでにオンラインテストによって3000人弱へ認定証明書を発行した。現時点でドイツ、スイス、オーストリア、ノルウェー、スペイン、イタリア、ロシア、中国などがこの認証制度を開始しており、それぞれの言語での教育コース、オンラインテストが実施されている。日本国内でも、bSJがこのBIM個人能力認証の仕組みを導入する準備を進めている。
 
 

bSIでは、IFC、IDM、MVD、BCF(BIM Collaboration Format)などbuildingSMART標準を活用したオープンBIMの普及促進を目的に、2014年からbuildingSMART Awardを年一回実施している。春に応募を開始して、秋のサミット国際会議において設計、施工、運用・維持運営、学生、研究などの部門ごとの審査、表彰式を行っている。2020年度も、全世界から100以上の応募があり、10の分野別Awardが発表された(図-3)。また、今回のAwardプログラムには各buildingSMART支部から111名の審査員(内3名が日本支部から)が参加した。

 

 
□設計:パナマ運河第4ブリッジプロジェクト(中国)
□施工:プロジェクトCelsius (JohannesRis)(スウェーデン)
□ハンドオーバー:Tonsberg病院プロジェクト(ノルウェー)
□資産管理:オークランド空港プロジェクト(ニュージーランド)
□学生研究:スマートBCF(フランス)
□社会人研究:BIMによる安全・健康分野検証(英国)
□テクノロジー: openBIMデータパイプラインツールキット開発(オーストラリア)
□イノベーション:Novo Brdo共同住宅プロジェクト(スロベニア)
□テクノロジーリーダーシップ:IFCモデルサーバusIFCserver (イタリア)
□発注者リーダーシップ:マシンリーダブル分類体系マニュアル(ノルウェー)

 
 

建設プロセスをデジタル化する過程で、BIMが提供する3次元空間情報、4D(時間軸)、5D(コスト情報)はさまざまな情報をつなげる重要な要素となる。製造業から生まれた「デジタルツイン」のコンセプトが、建設業においても建設デジタルツインとして注目されている。2019年の開催されたbSIサミット・ドイツデュッセルドルフ会議以降、製造業で進展してきているデジタルツインの概念がBIMへと拡張されてきており、今回のバーチャルサミット会議においても、デジタルツインに関連する話題が多数発表された。
 
元来製造業におけるデジタルツインは、実際に存在する製品とその製品のデジタルデータ、実空間の状態をセンサーデータ(IoT)として取り込み、製品ライフサイクルを通してデータ解析、シミュレーション、機械学習などを活用して全体最適を図る概念である。bSIにおける建設産業へのデジタルツイン推進の旗振り役の一企業として、独シーメンス社がある。製造業のデジタル化を目指しているIndustrie4.0(インダストリー 4.0)の本拠地ドイツにおいて、シーメンス社のこれまでの製造業におけるデジタルツインは、以下のように定義されている。

 
製品デジタルツイン:
新製品の効率的な設計のためのデジタルツインの活用
 
生産デジタルツイン:
製造と生産計画におけるデジタルツインの活用
 
パフォーマンスデジタル・ツイン:
デジタルツインを活用した運用データの取得、分析、および対処
 
これらのデジタルツインの概念は、BIMにおける設計段階の各種シミュレーション、施工段階における建設現場におけるIoT、3次元点群データとBIMデータ連携、維持管理段階における建物維持管理システム、IoTセンサー情報などとBIMデータ連携と一致している。さらに、運用段階において蓄積されたデジタルツインデータを、新たな設計、施工段階への改善にフィードバックしていくことが、デジタルツインの特徴として挙げられている。
 
これまでのbSIサミットにおいて、建設分野におけるデジタルツインについて、従来の製造業における概念から、以下のような展開が始まってきている。建設デジタルツインの具体的な構成については、第一にBIMが提供する建物のデジタル表現としての3次元モデル情報、第二に建物・インフラを構成する建材・設備などの製品情報、第三に建設中および運用中の建物・インフラ構造物の状況がどのようになっているかというセンサー情報・シミュレーションデータ、という3つの要素から成り立つといえる。このようなデジタルツインにより、その時点での現実空間の状態が把握され、さらに解析、シミュレーションにより現実世界がどのような状態になるかを予測し、その情報に基づいて対処、現実空間の状況を変更していくことが可能となるとされる(図-4)。
 

 
英国では、英国政府のBIMタスクグループのBIM導入の延長線上において、インフラ・建設業をはじめとしたサービスバリューチェーンと資産ライフサイクル全体をデジタル化し、デジタル・トランスフォーメーション(DX)を目指すため、「デジタル・ビルト・ブリテン(Digital Built Britain)」プログラムを2016年に開始した。この取り組みを推進するためにケンブリッジ大学に設置された Centre forDigital Built Britain(CDBB)が、BIM Level 3以降 を目指すための戦略として、BIM をスマートシティ・デジタルツインの基盤として位置付け、産官学連携のDX推進活動を行っている(図-5)。
 

 
 

本稿では、オンライン会議形式で開催されたbSIバーチャルサミット会議2020秋の概要を紹介した。BIMの展開は、設計、施工フェーズを超えて、製造業、サプライチェーン、インフラストラクチャー、運用・維持管理、スマートシティなどの領域に広がってきている。今回のbSIサミットにおいて、建設分野におけるデジタルツインについての議題がさまざまな分科会で取り上げられ、bSIとデジタルツインコンソーシアムとの協調活動の合意が署名された。今後、BIMとデジタルツイン間の連携についての検討、実証が加速していく状況である。
 
2021年には、3月下旬にbSIサミットがスイス支部の支援によりオンラインカンファレンス形式で開催される予定となっている。bSJでは、bSIサミットにおいて発表された基調講演、分科会(Room)、アワードなどの資料を各委員会やWG活動で分析し、今後の活動に役立てていく予定である。ご興味のある方は、ぜひこれらの活動の原動力となっているbuildingSMARTJapanへ参加し、世界の大きなオープンBIMの潮流へ加わっていただきたい。
 

【参考文献】
●buildingSMART International and DigitalTwin Consortium Sign Memorandum ofUnderstanding:
https://www.buildingsmart.org/buildingsmart-international-and-digital-twin-consortium-sign-memorandum-of-understanding/
 
●buildingSMART Professional Certifi cation:
https://education.buildingsmart.org/
 
●デジタル・ツイン(SIEMENS):
https://www.plm.automation.siemens.com/global/ja/our-story/glossary/digital-twin/24465
 
●Centre for Digital Built Britain:
https://www.cdbb.cam.ac.uk/
 
●buildingSMART International Awards2020:
https://www.buildingsmart.org/bsi-awards-2020
 
 
 

 
 
【出典】

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建設ITガイド 2021
BIM/CIM＆建築BIMで実現する”建設DX”