建築環境シミュレーション

「この場所に三階建てを建てたら、北側のお宅にどれくらい日陰がかかるのか」「ビルの足元で風が巻いて、自転車が倒れるようなことにならないか」「この平面で、夏場に冷房がちゃんと効くのか」。設計や近隣説明の場面で、経験と勘だけでは答えにくい問いがあります。こうした問いに、建てる前にコンピュータ上の計算で答えを出そうという手法が建築環境シミュレーションです。この記事では、扱える現象の種類、計算がどう進むのか、中小の工務店や設計事務所が実務のどこで使えるのか、そしてAIによって何が変わりつつあるのかを、公的資料や実際の技術発表をもとに整理します。

建築環境シミュレーションとは

建築環境シミュレーションとは、日照・日影、風、熱、空気の流れ、エネルギー消費といった建物まわりの環境現象を、実際に建てる前にコンピュータ上で数値計算し、予測・評価する手法の総称です。図面の段階では「たぶん大丈夫でしょう」としか言えなかった部分を、数値と色分けした図で示せるようになる、というのがいちばんの効き目です。

計算のもとになっているのは、空気や熱の動きを表す物理の方程式です。たとえば気流の解析では、流れを表す運動方程式と、質量・エネルギーの保存則を連立させて解くという考え方が使われます。国土交通省のProject PLATEAUが公開している熱流体解析のユースケースでも、運動方程式・連続式・エネルギー式を基礎方程式として、速度・圧力・温度を計算する仕組みが説明されています（出典: 国土交通省 Project PLATEAU）。

「環境シミュレーション」とひとくちに言っても、対象とする現象によって使うソフトも、必要な入力データも、読み取り方もまるで違います。まずは代表的な種類を押さえておくと、外注先やソフトを選ぶときに話が早くなります。

• 日照・日影：季節と時刻ごとに、建物がどこにどれだけ影を落とすかを計算する
• 日射・太陽光：屋根や壁が受ける日射量、太陽光パネルの発電ポテンシャルを推計する
• 風環境（ビル風）：建物ができたあと、周辺の風速・風向がどう変わるかを予測する
• 温熱環境・気流（CFD）：室内の温度ムラ、空調の効き、換気の行き渡り方を可視化する
• エネルギー消費：空調・照明・給湯などを含めた一次エネルギー消費量を算定する
• 音・光：騒音の伝わり方や、昼光をどれだけ室内に取り込めるかを評価する

何を予測できるのか（種類別）

日照・日影シミュレーション

太陽の位置は、緯度・経度と日付・時刻が決まれば計算できます。そこに建物の三次元形状を置けば、冬至の午前九時にどこへ影が伸びるか、といった予測が可能になります。近隣説明や日影規制の検討でよく使われる、いちばん身近な環境シミュレーションです。国土交通省が整備・オープンデータ化を進める三次元都市モデルProject PLATEAUでは、屋根面を細かく区切って日射量や太陽光発電のポテンシャルを推計する取り組みも進められています。

風環境（ビル風）シミュレーション

中高層の建物が建つと、その足元や隣地で風が速くなることがあります。いわゆるビル風です。大林組は、電子地図情報から街区の三次元モデルを作成し、建設前後の風環境の変化を計算する風環境シミュレータ「Zephyrus（ゼフィルス）」を公開しており、防風対策の検討や、粉じん・大気汚染物質の拡散予測、風力発電量の評価にも使えるとしています（出典: 大林組）。植栽や防風壁を入れた案と入れない案を比べられる点は、対策を施主に説明するうえで説得力になります。

温熱環境・気流解析（CFD）

室内の空気の流れや温度分布を計算するのがCFD（数値流体力学）です。空調機の位置や吹出方向、間仕切りの取り方によって、同じ能力のエアコンでも効き方は変わります。CFDはその差を色分けで見せてくれます。屋外に広げれば、街区スケールのヒートアイランド検討にも使われます。前出のPLATEAUのユースケースでは、オープンソースのOpenFOAMを計算エンジンに、一平方キロメートル程度の街区を対象としたウェブ上の熱流体シミュレーションシステムが構築され、神奈川県横須賀市などで実証されています。

省エネ性能・エネルギー消費量の計算

空調・換気・照明・給湯・昇降機などを合わせた一次エネルギー消費量を算定するのも、広い意味での環境シミュレーションです。日本ではこの計算方法が公的に整備されており、国立研究開発法人建築研究所が国土交通省国土技術政策総合研究所の協力のもと、エネルギー消費性能計算プログラムやモデル建物法などの計算ツールと技術情報を公開しています（出典: 建築研究所「建築物のエネルギー消費性能に関する技術情報」）。他の環境解析と違い、こちらは申請に直結する計算だという点が特徴です。

計算はどのように進むのか

ソフトによって手順の呼び名は違いますが、大枠の流れはどの解析でも似ています。外注する場合でも、この流れを知っておくと「どこで手間と費用がかかるのか」「どの情報を用意すればよいのか」が見当をつけやすくなります。

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   形をつくる

   建物と周辺地形の三次元モデルを用意します。BIMモデルや地図データを流用できると、この工程がぐっと軽くなります。細かすぎる形状はかえって計算を重くするため、目的に応じて簡略化するのが定石です。

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   条件を決める

   計算の前提を入力します。風なら気象台のデータをもとにした風向・風速、日照なら地点と日付、温熱なら外気温・発熱量・空調の設定などです。この前提の置き方で結果は大きく変わるため、実務ではもっとも神経を使うところです。

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   空間を細かく区切る

   計算する領域をメッシュと呼ぶ細かい格子に分割します。細かくすれば精度は上がりますが、計算時間とパソコンの負荷も跳ね上がります。知りたい場所の周りだけ細かくする、といった調整が必要になります。

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   計算を回す

   各格子について方程式を繰り返し解き、値が落ち着くまで反復します。規模によっては数時間から数日かかることもあり、この待ち時間の長さが従来の環境シミュレーションの弱点でした。

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   結果を読む

   温度や風速の分布を色分け図やベクトル図で確認します。数値がもっともらしいかどうか、極端な値が出ている箇所はないかを見て、モデルや条件の入力ミスがないかを点検します。

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   設計に反映する

   問題が見つかった箇所について、開口の位置、吹出口の向き、植栽や庇の追加といった対策案をつくり、条件を変えてもう一度計算します。この往復を何回できるかが、設計の質を決めます。

建設現場・工務店での使い方

大がかりな研究開発の話に聞こえるかもしれませんが、実務での使いどころは意外と身近です。とくに「言葉では伝わりにくいことを、絵にして見せる」場面で効きます。設備や施工の全体像を整理したい場合は、AI番頭のサービスのような業務整理の入口から検討するのも一つの手です。

• 近隣説明：日影の広がりを季節・時刻ごとに図で示し、口頭説明の食い違いを減らす
• 営業・提案：断熱仕様を変えたときの光熱費や室温の違いを、施主に数字で見せる
• 確認申請まわり：省エネ基準の適合に向けて、設計変更が性能値に与える影響を先に把握する
• 空調・換気計画：会議室や工場の温度ムラを事前に確認し、吹出口の位置や台数を見直す
• 仮設・安全計画：屋外作業スペースの暑さや、高所の風の強さを想定して段取りを組む
• 改修・リノベ：既存建物の弱点（熱が逃げる箇所、風が抜けない箇所）を可視化して優先順位をつける

自社で解析ソフトを抱えるかどうかは、案件の頻度次第です。年に数件であれば、解析会社や設計事務所に外注したほうが総額は安く済むことが多く、日照のように比較的軽い解析だけを自社で持つ、という切り分けもよく行われています。

AI侍

絵にして見せるのが肝要でござる。数字だけ並べても施主どのの腑には落ちませぬ。色の濃淡で「ここが暑うござる」と示せば、話は一足飛びに進みますぞ。

AIで何が変わりつつあるか

環境シミュレーションの最大の難点は、計算に時間がかかることでした。案を一つ試すのに数日待つのでは、設計の初期段階で何十通りも比べるという使い方はできません。ここに機械学習を持ち込む動きが広がっています。過去に計算した大量の結果をAIに学習させ、似た条件なら計算を解かずに答えを推定させる、という発想です。

大成建設は2019年3月、数値シミュレーション結果をAIに学習させることで建物周辺の風環境を高速に予測する技術を開発したと発表しています。同社の資料では、従来は風洞実験で約2か月、数値シミュレーションで1〜2週間を要していた予測が、数分程度で行えるとされています（出典: 大成建設ニュースリリース）。設計の初期に何案も比較できるようになるという意味で、使い方そのものが変わる変化だといえます。

ただし、AIが推定した結果は学習に使ったデータの範囲でしか信用できません。学習させていない特殊な形状や条件を入れると、もっともらしいが実際とはかけ離れた答えが返る危険があります。重要な判断にかかわる箇所は、従来どおりの計算や実験で裏を取るという前提は変わっていません。

メリットと注意点

もう一点、法令上の手続きと解析結果は別物だという整理も必要です。省エネ基準の適合判定のように、定められた計算方法とプログラムを使うことが前提になっている手続きもあります。設計の検討に使った解析と、申請に用いる計算は、目的も要求される厳密さも違うものと考えておくのが安全です。

よくある質問

関連用語

自社のどの業務からデジタル化を始めるべきか迷っている場合は、お問い合わせから現状をお聞かせください。解析の導入そのものより先に、整理したほうがよい工程が見つかることもあります。

出典・参考