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ホーム   コンピュータ・建築・人間生活~その夜明けから黄昏まで/和泉正哲    第8回(最終回):建築構造設計の未来像
  • 第1回 : デジタルコンピュータの夜明け前から正午迄
  • 第2回:ソフトウェア
  • 第3回:数値解析と図化の進化
  • 第4回:コンピュータの進化と構造計算プログラムの登場
  • 第5回:一貫構造計算プログラムと構造設計者の職能
  • 第6回:小型コンピュータとインターネットの時代
  • 第7回:AIの出現と人類とコンピュータの黄昏
  • 第8回:建築構造設計の未来像
和泉 正哲

(いずみ まさのり
/ Masanori Izumi)

 

< 略 歴 >

1953年|東大工学部建築学科卒業、同学科修士課程進学

1958年|東京大学数物系研究科博士課程修了(工学博士)建設省建築研究所研究員

1972年|東北大学教授(工学部建築学科構造力学講座)

1994年|東北大学名誉教授 東北芸術工科大学教授

1999年|東北芸術工科大学名誉教授 清水建設顧問

2006年|清水建設技術研究所顧問

2008年|大崎研究室顧問、現在に到る。

その他:タイAIT、チリカトリカ大学、米カルポリ大Visit. Prof.、マケドニヤスコピエ大学名誉教授、上海同済大学工程力学研究所名誉所長、運輸省通訳ガイド(英語)、日本建築学会賞、同大賞、科学技術庁長官賞 受賞、論文、著書多数

第8回(最終回):建築構造設計の未来像

蛇足(=無駄なもの(中国の故事より))【図34】は最近中国湖南省南方長城で撮った写真で一見蛇に足が在るかのように見えるが、それは蛇に呑み込まれ中の可哀相な蛙の足である。残骸を当てにして、もうハエが来ているのも痛々しい。この最終回では、未来について話したいが、蛇足とならないように心掛けたい。

【図34】蛇足(だそく):見えているのは蛙の足です。

10. 未来を語るに当たって

人間は未来が予見できないので幸せである。(ただ必ず死ぬ事を知らぬ他の動物の方がもっと幸せなのかも知れない。)それなのに人間は、未来を知ろうと試みる。例えば自分のDNAをわざわざ調べて癌で早死すると知り落胆するような世の中となってきた。ただ、それを知り早期除去などの対策がとれるなら、知る方が良い(霊験師には予知能力があるのか? 私の知人の著名な美人霊験師は3.11東日本大地震の前に「東北で蝦夷(えみし)の霊が異常に騒いでいる、何か起る」と言っていた。それでも、私は彼女の信者ではないのでその予知能力をにわかには信じ難いが)。前回、人類とコンピュータの黄昏に言及した。暗そうな未来が予見されたが、それを避けようと試みられるのも、やはり人間+AIである(成功、失敗はやり方次第)。そこで、明るい未来の為に人間の幸福とは何かを先ず考えて見る。

10.1 幸福度

ちなみに国連の「世界幸福度報告書2018」では幸福度第1位はフィンランド、日本は何と54位で、より下位の主要国は韓国57位ロシア59位中国86位の3国だけで最下位はアフリカ中部の内戦国ブルンジ156位となっている。

幸福度をどう決めたかが問題であるが、所得、健康と寿命は、日本は上位のはずである。社会支援、自由、寛容さ、と続く内に、例えば日本は寛容さが低く腐敗は進んでいる(政治家と官僚のニュースの所為?)等と勝手に評価されて次第に落ち、最終結果は日本人の知る殆どの国もが日本よりも幸福な国となっている。

ウソ!と反発する前に、世界が日本を評価する目はこの程度のものとして認識しよう。

10.2 幸せとは何か、そして、皆が幸せになるために

所得の高い者の方が概して幸福度は高いが、幸福度はかなり主観的であり、客観的データとは必ずしも整合しない。健康、所得、人間関係(家族、職場、友人、近隣)、仕事(安定性、適性、やり甲斐)等が幸福度を決める重要因子であり、更にこれに未来の予見が加わる。例えば、病気がちで身寄りと蓄えの少ない老人は、現状に拘らず不幸を訴える。日本人の幸福度の低さは、財政外交面で未来に希望のない事も影響している。戦乱や災害をさけ、高過ぎる欲望を持たず ‘「足る」を知れば’ 人間は幸せである(【図35】)。

【図35】戦乱や災害がなく、 ‘「足る」を知る’ 事ができれば人は幸せです。

全地球への影響は別として未来の為の布石を打ち続ける中国は幸福度が今後急上昇するであろうし、逆に米国はトランプ大統領が君臨する限り一時的繁栄後に孤立衰微し現在18位のランクを下げると思われる。前世紀的手段で他国を犠牲にしながら強引に自国の幸福度を高める事は、敗戦で武力を全く削がれた日本では不可である。

外交術で安全を確保しつつ地道に生きる力を付けエネルギー食料の自給率を上げ、税金蚕食の議院や公務員の数を減らして彼等を正業に付かせ、治療医療を予防医療に変え健康年齢を増して老人も社会貢献の仕事等ができる仕組みにしなければならないが、これは日本の現実とは正反対とも言える程、遠く困難な事である。

10.3 人類の進歩と世界情勢

人間を含め全生物の内、個体が生存の本能を具備するもののみが種の存続を果たしてきた。他を打ち負かす闘争本能もそのひとつであろうが、「理性ある生物」の人間も、昔から他種生物に対するだけでなく、馬鹿げていると知りつつ人間同士の戦争を続けてきた。大戦後に地球主義が芽生えても、時の経過と共に、今、再び国家主義へ逆行しつつある様に見える。本能や感情を持たないコンピュータに合理性を期待したい。

発展したAIが、「地球上の誰かが過度の欲望を満たして皆を刺激し、人類の滅亡を早める愚(現在は、たった8人の大富豪が地球全人類の半数、即ち36億人の持つ富相当額を保有すると言われる異常時代。)」を指摘し、「全員が適切な満足度を得ながら、人類が今後長期生存し得る手段」を示してくれ、且つ、greedy(貪欲)な国もそれを理解してくれる可能性も未だ極微少ながらも存在する。それが、淡いながらも、今我々に残された唯一の期待である(但し完全平等主義は止めた方が好い「怠ける人には健康に生きる最低限収入を保証し、努力する人には例えばその15倍程度を限度とする収入を認め、現在のような超高収入な人の存在は止める」あたりが適切ではないか)。

11. 建築構造の未来

このように、人類は生き延びられると言う僅かな強運を期待した場合、私の専門の建築構造の未来はどうなるのであろうか。これには、温故知新、過去から考えるのが良さそうである。

建築構造の基本は、構造力学である。前世紀(=20世紀)の前半は、4個の平衡方程式と1個の不等式(=エントロピー増大式)とから成立するNewton力学を基に、応力度-歪み度間の関係式(=構成方程式)が線形と言う仮定条件下で外力と物体の変形との関係式即ちナヴィエの式が19世紀に導かれ、この式を満たし、形状、外力、境界条件を満たすものが本当の解(=変形、応力etc.)とされ、研究実務共にそれに集中した。Newton力学は旧いと言う意見もあるが、人工衛星などの高速物は別として人工構造物の解析にはNewton力学で充分の精度が得られる。ナヴィエ(仏M.Navier1785-1836数学物理学者、流体力学は有名)の式からは、例えば人々に良く知られた地震のP、S、表面波等も得られるが、建築構造では部材の特質を考えて元の式を大幅に簡便化し、例えば線材用に導いた「梁の基本式」を使い架構を解く。シェル等の連続体は複雑で如何にして精度の良い近似解を得るかが問題であった。

20世紀後半のコンピュータの普及が、事情を急変させた。人智で解けなかった問題を、「単に演算が確実で速度が早く、容量が大きく安定した記憶装置を持ち、大小の判断はできる」ただそれだけのコンピュータが易々と解き、更に領域を線形から非線形へと拡大した。非線形領域では線形数学の使用はない筈だが、非線形は係数をやや異にする微小線形の集まりとしてコンピュータを用いて線形数学を基礎に数値解析を用いて解く事が主流となり、大学で教える古典的構造力学は単なる基礎教養に落ちた。

11.1 コンピュータと共存する現在

人智に勝るコンピュータの出現で、過去のデータも整理分析されBIM(第4回参照)も年々充実し、構造設計、計算、作図を行なう自動一貫プログラムも普及し、建築構造専門家は今後何をすべきかが、問題視される様になってきた。勿論他に問題がない訳ではない。例えば構造研究者と構造設計者の乖離である。研究者は狭い分野を深く掘り下げようとする一方、設計者は現在得られて居る知識を総合して一つの構造物に仕上げねばならない。

法規から学会規準までの構造関係の印刷物を積み重ねると、天井に届きそうになる。それを全て熟知して纏める構造設計者の苦労は並大抵ではない。しかもそれ等の基規準の精度や成立もまちまちである。ある事項に関し多くの資料を集め平均や分散を取り規準式に纏めた物もあれば、ある仮定を設けそれが正しいとして導いた理論式もある。人手では無理で、コンピュータなしでは解けない難解な式も多い。つまり、基規準にまで纏められていても、並べて見れば全く渾然としている。ことに酷いのが、一番重要な設計荷重の想定精度が1桁良くて2桁であるのに、精緻な応力や変形を請求する愚である。更に、多数の構造設計者が、この複雑怪奇な構造界で生きるために使用せざるを得ない「一貫プログラム」については、それが全てを熟知したベテランの構造専門家が中心となって開発されたものもあるが、他方構造素人のソフト屋達の合成物の場合もあり、それがそのまま基規準には違反しないとして行政が許認可した所産も存在する。構造のベテランは基規準に書かれていなくても重要個所を補強するが、ソフト屋にはそれが不可能で、ソフト屋作成のプログラム使用の結果が価額的に安い構造物を設計するケースも多く、災害の際にそれが露呈する可能性を残している(7.5参照)。渾然物の計算結果は本当の構造安全性能の評価が難しく、誤りがあっても設計者が見過ごす可能性が高い。意識的改ざんの姉歯事件(7.3参照)以来、行政は審査を厳しくせざるを得ず、仕事の膨大化を避けた民間活用にも大きな影響を与え、部分修正でも改ざん防止のため全面計算をし直して修正なしの書類を添付する事も要求され提出書類は膨大となり、一層実体が見えなくなってきた。

今は、実務、研究、行政の50歳前後の専門家各4~5名で、精度を考え微細を避けて重要点を逃さない簡明な基規準作りを考えるべき時期だと思う(50歳前後は、経験、実力があり、私の様な老頑者と異なり、物事をまとめる能力を保有している)。

【図36】ナヴィエの式(非線形物体を伝播する波、例えば津波で問題となるソリトン波等は適用外)

11.2 残された問題

残された問題というと、いかにも大部分は終わり残りが僅かにある様に聞こえるが、実は残る部分が最大最重要最困難な部分である(現象を簡略化して数式で表現し、それを正しいとして解析的研究や業務を進めるのは容易である)。

A. 建築物を設計する際に、最も不明なのが建設後から廃棄までの間にどの様な外力が作用し、その際に建築が、どの様な状態(経年変化の耐力減退や周囲環境の変化etc.)にあるかであり、それが人々の安全問題に直結する重大事項である点が問題である。しかも相手は人間では制御不可の「自然」の場合が多い。

「予知能力」を持たぬ人間は、1.統計確率手段の利用 2.理論的解析に因る推論 そして、3.その両者の結合に因る総合判断 で未来を推定し、安全確保を試みてきた。更に現在のコンピュータはデータを多く見せる程、人間の気付かぬ事象間の関連も(理由付けなしに)我々に教えてくれる様になった(これは期待を持たせる)。ただ、確率は多くの事例を対象とした場合は適用できても、個々の事例には当てはまらない。

例として、風と地震を考えて見る。建築物が対象とする強風が人にとって助かる点は、多くの場合前兆現象があり予知可能で『防災の最後の手段=逃げる』時間のあることで、更に近年の予報の精度は急速に上昇し、竜巻など小地域の現象にまで拡張される可能性が出てきた。現在の問題は現在使用されている過去の資料と現在の現象とでは母集団に違いを生じていることである。人為の地球温暖化による海水温度上昇は、全気象現象の発生頻度や平均値を変え分散を大きくした。例えば従来、日本では希有の現象として無視された竜巻は、近年発生頻度を増大させて次第に設計時に考慮すべきものへと変わりつつある。もし竜巻にも耐えるとなれば、木造や鉄骨造等軽量な構造物の設計方法は根本的な見直しを必要とする。

逆に地震の方は、気象現象程人為的影響を受けず母集団は急激な変化はしないが、前兆現象の把握ができていないので、急激に来て『逃げる』のは現在のところ難しい。地震に前兆現象はないのか? 例えば2011/3/11東日本大震災にも前震が3/9及び3/10の2回もあったが、それが大地震の前震と専門家でも気付けなかっただけである。また、これ程明確な前震でなくても大地震前にはやはり小地震が幾つか起る等前兆はあると考えられているが、それが常時生じている小地震と区別できないのが問題である。

話しは全く異なるが、今から約半世紀前、私が大学の構造力学講座担当となった時に研究の目標を『地震予知』に置き、コンピュータ内に地殻モデルを構築し応力状態を仮定し、地震の資料が得られる度にそれらを用いて応力状態に自動修正を加えて、現況に近付きたいと思った。その前提となる破壊力学、地震発生メカニズム、波動の発生伝播等関連問題の研究に研究室の全員が心血を注いだが四半世紀が急速に過ぎ、私は定年を迎えてしまった。地震やGPS観測網も密になりデータも蓄積された現在、諸機関が協力してモデルを構築する事は可能であり、たとえ浅く局所的に大被害を与える中規模地震は困難でも、大規模地震の概略の予知が可能となり、前兆現象も捕らえ易くなると思われる。ある程度の予知と『逃げる』事が可能になれば、耐震問題ももっと考え易くなる(【図37】)。

【図37】危険物からは『逃げる』。それが安全の鉄則である。

現代は、何故か動的設計は静的設計より高度と見られている節があるが、それは誤りである。ことに、初期の高層ビル設計には米国の強震記録があたかも設計用標準波の様に取り扱われた。日本の高層ビルの魁ともいえるKビル完成当時、建研職員の私に某会社が計算結果の動画作成プログラムの宣伝のため、無料使用を提供してきたので、早速米国波と最大加速度の同じくする人工波を作り、それによりKビルが崩壊する衝撃的動画を作成した。それを発表し、世に警鐘を鳴らそうとしたが上司に差し止められた。昨今は、日本の記録も充実し標準波も指定されているが、その標準波で設計しておけば安全と言う保証はない。ただ経験上多分安全であろうと考えて居るだけであり、理論的には確率論導入の動的解析の方が勝るが、それとても母集団が確定されず五十歩百歩であり、経済的に許せば安全余裕度を大きく取るか、または、イザという時に逃げられる様な位置・規模・構造で我慢するかしかない。耐震工学は残念な事にいまだ経験依存の未熟な学問分野である。

11.3 近未来のBIM

BIM(Building Information Modeling)は、データを吸収しながら日ごとに進化している。不動産屋の機能も併せ持ち、誰かが『これこれの物件が**以下の予算で欲しい』と問えば、売り出し中の物件多数の中から選択し、あるいは、敷地を探し新築の方を勧めてくれる様にもなる。新築の場合は、設計や見積りも出してくれ、賃貸、買い取り、新築の比較をし、その得失を示し、勧告もする。依頼者の要求が具体的で緻密な程、BIMはその効果を発揮する。つまり、近い将来不動産屋もそして通常の建築士も失業の危機が来る。

著名な建築デザイナーや構造計画者が個性を生かしたいなら彼等の作品をできるだけ多くAIに示せば彼等の個性を抽出し、BIMに組み込んでくれる。しかし、BIMは多分個性より合理性を勧告するだろう。

合理性とは何か、費用も含めた依頼者の要求を満たすだけでなく依頼者の気付かぬ点、例えば、安全性の余裕、維持費の安さ、環境保持や改善、将来の生活変化に応じた対応や改良のし易さ、転売時の価値の高さ、最終処分時のコストを含めた容易さ等々、依頼者にとり総合的な「良さ」の確保であり、現在の建築家が必ずしも気遣いしない部分も多分にある。つまり、BIMは建築家の便利な道具を超えて建築家なしでも済ます事のできる新分野の開拓者でもある。最初に死に瀕するのは建築構造家で、彼等は研究畠でしか生存し得なくなる(教育は、BIMの方が得意である)。現在構造実務家はデザイナーの考えを具体的に実現する為の要の位置に在るが、今後はBIMがデザイナーの考えを誘導し、目的を達成し得る最適な場所(地中も含む)・機能・形・構造を選択しそうである。例えば、川端の超高層アパートの高層階は、強風地震時の揺れも大きく安全余裕度も低く災害・故障によるライフライン機能停止時の生活困難度が大きいのにも拘らず需要があるのは、主としてその展望の快適さにある。しかし、今はvirtualで窓外対応位置に好きな画像を写し出し、朝エーゲ海で目覚め、昼はエッフェル塔脇のレストランで昼食し、夜はニューヨークの夜景の中で眠る事も可能であり、むしろその方を好む人もあろう。そうなれば、可能な機能全部を含み目的に叶う案をBIMが作成しあるいは選び、推薦順位とその理由を示してくれるようになる。

11.4 BIMの保有する機能

近未来のBIMは以下の様な機能も併せ持つと考えられる。

1.企画の妥当性の検討(同じ目的達成で、より効果的な代替案提案も含む;未来の事象の為、全てに推定誤差範囲等も示す)

2.企画が妥当と判断された場合の適切な規模、構法、使用年数(環境変化予想、廃棄処理、敷地再利用etc.の検討も含む)の提案

3.(上記1、2を経て)関連する全データを利用可能状態にスタンバイさせ、適宜にその利用を勧めると共に、データ利用結果を理解し易い形で表示する。

4.不足データ取得を勧める。例えば敷地関連で使用期待年間での災害推定時や実施設計時に既存の地質データでは不十分な場合、補足資料を得る為のボーリングの個所、必要データの種類や精度、コスト、適切な業者を示し、得られたデータが入力され次第推定結果や、設計資料を示す。

5.次に実施設計に当たり;

a.適切な形と構造を提案する。例えば寒暖の差が激しくなってきた日本では室内気候の人工管理は不可欠となれば、建物の表面積をできるだけ少なくするのが望ましいが、同時に太陽光、風力外気温等自然エネルギーを利用し生活エネルギーの無駄を省く事の考え、当然材料的にも無駄のない最軽量設計も目指す事になる。既成規格品の価額、運送も考えた施工性、その他様々考慮する事は多様であり、全てを満足するのは困難としても、種々の提案がBIM付属のAIがしてくれる。当然形状も従来の様な角張った形になるとは限らず、デザインの選択肢は非常に拡大する(内部家具も高齢者の安全考慮で角のない物のなっている)。建物使用年間のコスト等も考えに入れた総費用は勿論重要な選択要因になる。

b.上記諸条件が何れも理想的に解決されるはずはなく、適度に妥協した案になるが、発注者が何を重視するかを問い、BIMは自己の幾つかの提案に順位付けをしてくれる。

c.構造安全に関しては、その提案案件の平均重量、鉄骨量その他を考慮し偏差値を示し、発生確率とその損害値からリスク曲線を示し、リスクレベル引き下げの経費と発注者の現況将来性から見た最適リスクレベルと必要経費を勧告する。

6.施工も最適手法、そして多分最適業者も勧告する。

7.完成後は保守管理の最適(最経済的)管理運営手法を勧告し同意があれば、自動的に進行するシステムに乗せる。

8.発注者の経済や本人・家族の状況に応じ、管理運営手法の適時変更をおこなう。

9.その他。

11.5 未来の建築構造家

馬力の大きく持続性のある者には勝てない。人間は力仕事の多くを機械に奪われたが、御蔭で人力では実現不可能な多くの利便さを享受できた。

頭の良い奴には敵わない。AIで、多分人間は多くの仕事を失うが、得る物も大きい可能性が期待できる。しかし、度々言うようで申し訳ないが、それはAIの使い方次第であり、誤用は無惨な未来に直結する。

上手に利用した場合でも、残念ながら最高の知能保有者の立場を失い、AIの勧告(本当は指示)に従うことにはならざるを得ない。

例えば、建築構造家は知識、計算能力、図化、説明その他殆ど全てでBIMに敵わなくなる。その時建築構造家は毅然としてAIを育てよう。間違った情報を与えた時、それを修正するばかりでなく、それが間違いと自分でAIが認識できるようにAIを教育しよう。建築構造家は、これ迄にも増して厳しい態度で研究し仮定と現実の定かでない様な論文等を量産せず、正しい新知識を精選してAIに与えBIMを恒にrefreshして利用しその指示に従おう。前世紀から今世紀に懸けて建築構造も変わった(【図38】)。

【図38】コンピュータと建築構造との関わり方:過去・現在・未来

12. 結語

不変な物はこの世にはない。変わるなら良い方に変わる様に努力したい。今はコンピュータに翻弄されているが、コンピュータの次の時代は何が来るのか?それを夢想するのも楽しい。