Civil 3D Forum CALS/ECシンポジウム2007 地質データの徹底活用で実現するモデルベース設計 ＜３次元地質GIS/CADソリューション GEORAMA＞ 科学システム事業部 社会基盤ソリューション部 村中 一意 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 1 2007/01/19 Tokyo 2007/01/24 Osaka Introduction ＋ CALS/ECアクションプログラム2005 ＋ CADとGIS ＋ 土木地質GIS ＋ ３次元地盤モデル ＋ ３次元地質情報の利活用 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 2 CALS/ECアクションプログラム2005 目標７ ： 地質データの提供による調査分析・施工計画の精度向上 維持管理 Internet Internet 調査・計画 公開用DB/ ウェブサーバ 地質データ Internet 施工 Internet 設計 情報交換 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 3 情報共有・連携 業務プロセス改善 CADとGIS 1 GIS 空間情報を活用した立案・計画・管理 フェーズの分析、意思決定。 維持管理 情報の複製、変換、再入力をする ことなく高精度なCADオブジェクトを 施工 マッピング。 調査・計画 空間情報から得られる影響要素を分析し、 設計・施工時の工学的判断に活用。 設計 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 4 CAD 計測データに基づく設計時の精密な 図面作成、及び施工計画・管理。 CADとGIS 2 図面に属性を持たせ、正確、高精度な編集 機能を活かす エンタープライズでの活用を意識した、より広 範囲な多業務処理 ●土木建設施工が中心 ●プロジェクト単位の管理（限定エリア） ＞ ローカル座標 ●大縮尺（1/250、1/500） ●高精度、高い専門性 ●多種多様な図面種類 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 多用途・多目的 （広域設備管理、シミュレーション、意思決定支援） 面的属性、トポロジー、ネットワーク・・・ 小縮尺（1/2500～） 見易さ重視（主題化、シンボル化） CRM/ERM/SCMとのリンク 高度なデータベース管理技術 5 モデルベース設計を実現 Autodesk Civil 3D 2007 ３次元モデルベース設計 GIS ・土木設計オブジェクトの相互連携 ・リアルタイムシミュレーションで、 設計変更/代替計画を実現 ・2D-3Dデータ連携で3Dプロダクト モデルから成果図面を自動生成 ・ ・・・ 維持管理 施工 調査・計画 ３次元モデルベース設計 ＆ エンジニアリングGIS エンジニアリングGIS ・位置・プロパティ・属性による検索 ・座標投影・変換 ・外部データベースへの接続/連携 ・トポロジ構築/編集/解析 ・GIS/CADデータコンバージョン ・ ・・・ © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 設計 6 CAD 土木地質GISの種類、用途 ３次元地質GIS ２次元地質GIS 地質図の作成・ボーリング柱状図管理 土質試験結果等、調査データ管理 ●ボーリングデータ、地質断面図、地質平面図より地盤 地質構造を３次元的に推定し、表現することが可能 なGIS。 ●地質情報や、地質の物性値情報から３次元地質構 造モデルを構築するための解析支援機能を有する。 単なる３次元表示ではない。 ボーリングデータ、各種試験データを用いて、GIS解析機能を利用した地 層や地下水の等高線図の作成、液状化などの被害予測、被災図作成な ど様々な利用が行われている。 土木設計時の工学的判断のための、弱層分布、断層面、地下水 分布などの地質関連情報と、設計対象との３次元的位置関係の 把握をサポート。 最終的に調査・設計から施工管理、施設管理をサポートすることを 目的としているシステム。 電子化された地質情報を高度利用 参考文献： 全地連 次世代CALS対応研究会 報告書 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 7 建設／工学分野で使用される地質図 調査を担当する 地質技術者 地質学的知見/判断 理学（地質学）重視 厳密に地質層序区分や地質現象の成 因的な検討は必ずしも重要ではない。 土木地質図 工学的な判定に結びつく地質の分類と その広がりを把握（推定）、工学的評価 に必要な情報をいかに抽出し整理でき るかに重点が置かれる。 工学重視 最大の利用者は 土木技術者 工学的判定・評価図 地質技術者から地質学的判断・知見を 伝えるインターフェイス 重要な特徴 設計/施工/補修に活用 同一箇所で長期的に事業が継続。 調査内容・数量が段階的に進む。 参考文献 ： 土木地質図の標準化と将来への展望 ： 原 弘 日本情報地質学会シンポジウム2003公演論文集,11-14,2004 インターネット時代の地質情報 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 8 地質技術者にとっての３次元地盤モデル 地質技術者 調査の重要な成果である 地質情報をより明確に判 りやすく伝達。 計画サイト周辺について、その地形的特長、地 質・土質や地質構造、岩石・土の工学的性質など、 ３次元的位置情報と共に抽出整理しやすいよう に伝達。 発注者 追加ボーリング、断面変更を3D地質モデルに 反映し、情報増加に対応。 土木技術者 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 9 土木技術者にとっての３次元地盤モデル 土木技術者 計画地点・路線・区域とその周辺の地 質・地盤等の条件から、地盤・構造工学 的な視点に立ち、最適なサイト・ルートを 選定。必要であれば対策を講じる。 適時、任意の断面図を得て、工学 的判断に使用する。 線形に沿った縦断地質断面図 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 10 発注者にとっての３次元地盤モデル 地質技術者 設計/施工レビューや、管理 事業には、効果的な管理を するGISツールとして活用。 発注者 土木技術者 周辺住民 対象サイトのフォトリアル なプレゼンテーション。 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 11 ３次元地質情報の利活用 課題 各種調査データソース ▲データベースとしての利便性 ●ボーリングデータ ●地形標高モデル ●断面図 ３次元位置情報、付随する属性等、データとしてGISと融合する必要性 ３次元地盤モデル ▲３次元化手法の更なる整備 ●層序・構造の確定 ●地層境界面の推定 補完誤差（最適化原理、クリッギング法、その組合せ・・） 表現が困難な地層構造（レンズなど） ▲３次元化の効率性向上 ３次元地盤モデル検証・再構築 データ作成効率化（層序・構造の確定など） ●地学的検証 ●調査データ増による情報追加 ●地層境界面の再推定 ▲可視技術の向上 ▲モデルデータ構造標準化 ３次元地盤モデルの高度利用 実測値と推測値の区別、根拠の明確化 再利用を考慮した標準化 ●各種地質関連図 ●３次元分布把握 ●解析シミュレーション ・・・ ●データの追加・更新が容易に行える。 ●再現性のある地質情報を提供できる。 ●観察データと地質技術者の知識や判断を明確に区別できる。 ●データ密度、分布、精度を定量的に評価できる。 各種調査データをもとに地盤、地質構造を３次元的に推定し、表現することのできるGIS。 地震防災等の検討に密接に関係。 電子化されたデータを有効活用する時代においては、非常に重要な位置を示す！ 参考文献 ： ３次元電子地質図の要素 ： 桝本 眞二・塩野 清治 日本情報地質学会シンポジウム2001公演論文集,15-18,2001 インターネット時代の地質図標準 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 12 GEORAMA Overview ＋ ３次元土木地質GISソリューション ＋ GEORAMA Drawing/Modeling ＋ 地質境界の空間推定機能 Demonstration © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 13 地球を切る、視る、創る。 ３次元土木地質GISソリューション © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 14 モデルベース設計を地盤分野へ拡げるGEORAMA ３次元土木設計/GIS/汎用CAD Design / Decision Making > CAD/GIS Model Base + Add-on Software 3D地質モデル（サーフェスモデル） < 地表面 + 地層境界面 > GEORAMA ３次元土木地質GISソリューション © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 15 GEORAMAを構成する２つの機能 GEORAMA for Civil 3D GEORAMA GEORAMA Modeling Drawing ３次元的に整合性の取れた地質図面を作 成、管理するドローイングツール。 ２次元図面と３次元地質モデルを結びつけるモ デリングツール。 調査技術者による多角的な知識や経験に よる地質学的推測のため、３次元的思考を サポートするツール。 土木技術者による設計のための工学的判 断に必要な任意セクションの地質関連図を 得ることが可能。 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 16 GEORAMA Drawing機能でのパネルダイアグラム作成 GEORAMA 地図上で、ボーリング位置、 断面位置を管理 Drawing ボーリングデータや、地質断面図等の断 片的データから、３次元的に整合性の 取れたパネルダイアグラムを作成。 ボーリングデータ 地質断面図/平面図 完全に整合性の取れた パネルダイアグラム © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 17 GEORAMA Modeling機能での3D地質モデル作成 GEORAMA Modeling 最適化原理 による推定 GEORAMA Drawingのデータあるいは、 既存の地質断面図を使って、最適化原 理で３Ｄ地質境界面推定。 最適化原理 による再推定 3D地盤モデル 3D地質境界面 任意断面をセクションカット 切り出した断面を修正 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 18 GEORAMAの境界面の空間分布推定法（データ補間） 境界テーブルで管理された境界面を対象に、断片的 な空間データ（ボーリングや断面図）より空間分布推 定を行う。 Q(f) J1 J2 φ f ： ： ： ： ： 最大目的関数 振動の少なさを表す目的関数 滑らかさを表す目的関数 制約条件（観測点） 地層面 最適化原理による地質面の推定方法 他の推定法 ・逆距離荷重補間法 ・クリギング法 ・加重一次補間法 ・スプライン補間法 物性値の分布モデルの作成を力学的ポテンシャルエネルギー の最小化問題のアナロジーとして捉えた手法。塩野他（1987： 情報地質12）は、傾斜データや不等式で表されるデータにも対 処できるよう解法を拡張した。この方法は、他の方法と比べて 精度良く推定でき、先験情報を用いるため安定した解が得ら れ、さらに走向・傾斜データ等、多様な情報を扱える。 境界面の同定 境界面テーブル 地表面 B4 B3 B1 B2 境界面 定義領域 地質 Priority S3 S1 下 B1 1 S2 S2 下 B2 2 S3 下 B3 3 S1 残領域 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 19 B4 境界面の論理構造と推定境界面 地層A～Bの３層からなる地盤モデル。 地層境界面はS1、S2の２つ。 デモンストレーション B断面 C断面 地層A ボーリング１ A断面 ボーリング２ 境界面S1 地層B 地層C 境界面S2 1 2 地層境界面の優先度の違いに よる論理構造の違い。 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 追加ボーリングによる地質境界 面のリアルタイム再推定 20 地層境界面の優先度の違いによる論理構造の違い 境界面S1の優先度が高い場合、 S2はS1で切られる。 A断面 境界面S1 境界面S1 境界面S2 境界面S2 優先度を設定していない場合 境界面S2の優先度が高い場合 S1はS2で切られる。 境界面S1 境界面S2 境界面S1、S2の優先度が同じ 場合、レンズ層を表現できる。 B断面 境界面S1 境界面S1 境界面S2 境界面S2 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 21 追加ボーリングによる地質境界面のリアルタイム再推定 調査結果のボーリングが追加された場合 C断面 既に推定されている地質 境界面との差がある 追加された２本のボーリング 再推定 ボーリングに境界 ポイントを追加 追加ボーリングをリアルタイムに ３次元地盤モデルに反映 追加ボーリング位置 境界面S1 ボーリングを通るC断面を設定 境界面S2 追加ボーリングが反映されたC断面 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 22 GEORAMA Applications ＋ 適用事例 ダムサイト原石山掘削計画 ＋ 空港埋め立て 長期圧密計算 ＋ 地すべり対策 ＋ 港湾整備 ＋ 廃棄物処理場 ＋ FEM解析との連携 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 23 ダムサイト原石山骨材掘削計画 調査ボーリングデータ/断面図 例えば、F測線 Autodesk Civil 3Dで作成した3D地形 3D地形から切出した測線にボーリングを投影 GEORAMAでボーリング交換用XMLを読込み 岩級区分→材料区分境界線 属性追加 材料区分色分け（ハッチング） © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 24 属性追加 ダムサイト原石山骨材掘削計画 調査 水平断面図 280mの水平断面作成 交差する鉛直断面図の地質 情報を表示 鉛直断面図 完全に整合性の取れた地質図面を作成 3Dパネルダイアグラム 水平断面図色分け（ハッチング） © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 25 ダムサイト原石山骨材掘削計画 3Dモデリング 水平断面切出し 推定された 材料分布3Dモデル オリジナルの鉛直断面 モデリングの目的、用途 に合わせて細部を簡略化 モデリング用の断面 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 切り出した標高 280m水平断面図 26 ダムサイト 原石山骨材掘削計画 3Dモデル活用 用地境界を考慮した 3D掘削法面作成 材料分布を考慮した 法面勾配決定 任意の標高レベルで水平断面を切出し、 平均断面法で土工数量算出 プレゼンテーション作成 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 27 空港埋め立て 長期圧密計算用地質モデル 出来形管理／プレゼンテーション 3D地質モデルから任意断面切出し ボーリングデータから3D地質モデル作成 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 28 地すべり対策 データ準備：任意の座標系に変換／アタッチ 旧緯度経度 旧直角座標系 ソース図面にアタッチ 新緯度経度 旧日本測地系／世界測地系／直角座標 系／緯度経度など、リアルタイムに座標変 換する投影変換エンジン ソース図面：新直角座標系 新直角座標系 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 29 地すべり対策 浸透流解析 地すべり Cブロック 地すべり Bブロック 地盤モデル作成範囲 地すべり Aブロック 浸透流解析範囲 地形的に分水界とみなせる箇所及び、河 川など水理境界が明らかな箇所を浸透流 解析範囲とする。 浸透流ＦＥＭ解析モデル境界 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 30 地すべり対策 地盤モデル作成の準備 ボーリングデータ入力 検討対象ブロック（Ａ）内に １２本のボーリング すべり面位置の判定に用いられるコア 判定では、土塊の乱れ、粘土層の存在、 色調変化などが、判定の主要な要素と なる。 地すべり Aブロック 地質・土質調査成果電子納品要領（案） 国土交通省 管理情報XML ボーリング交換用XML ● 緯度経度情報 ● ボーリング基本情報 （孔口標高、掘進角度など） ● 土質岩種区分 ● 標準貫入試験 ● ルジオン試験 ● 岩級区分 電子簡略柱状図 地質・岩種リスト © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 31 地すべり対策 地盤モデル作成の準備 断面作成 C A3 検討地すべりブロックはＡ。ブロック内に３本の断面を設定。 C 地すべり Cブロック C A3 A1 地すべり Aブロック B2 A2 地すべり Bブロック B2 B1 A2 B1 A1 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 32 地すべり対策 地盤モデル推定、ＤＷＦパブリッシュ 入力断面パネルダイアグラム 地盤モデル推定 ＤＷＦパブリッシュ © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 33 集水井工による地すべり対策の検討 A2測線： すべり面付近で、効果的に地下水を集水。 50m 40m ３次元すべり面(Aブロック)と 集水井工の位置関係 120度 集水井工 径4m 70m 120度 50m © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 34 地すべり対策 解析結果 水位の低下の効果の検討（GIS表示） 対策前の地下水位 対策後の地下水位 対策前水位 － 対策後水位 の差を演算し、 衛星写真に重ねて、地すべり範囲と同時に 水位差コンター図を表示 水位差コンターライン 地すべり平面範囲 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 35 活用事例 港湾整備事業 港湾整備事業 目的： 地質断面図作成の効率化。 設計用基礎地盤の３次元分布把握。 構造物の支持層となる基盤面を３次元的に推定し、推定さ れた基盤境界面を任意位置の地質断面図作成に役立て、 効率化したい。 設計用基盤 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 36 活用事例 港湾整備事業 推定された設計基盤面 構造物の支持層となる基盤面を３次元的に推定し、 作成したパネルダイアグラム © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 37 活用事例 鉱量計算/掘削計画 GEORAMAカスタマイズ例 整合性の取れたダイアグラム 資料提供：日鉄鉱業（株）様 掘削計画/掘削道路設計 水平断面図より鉱量計算 鉱量計算 目的： 掘削計画・掘削法面に沿う道路擦り付け 水平断面図作図、水平断面図からの平均断面法による鉱量計算 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 38 活用事例 廃棄物処理場の地盤改良 廃棄物処理場 遮水壁・地盤改良工事 目的： 遮水機構確保のための地盤改良エリア選定 廃棄物処理場外へ浸出水の漏洩を防ぐため、遮水機構を確保する必要があり、そのた めに地盤モデルを活用する。 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 39 活用事例 廃棄物処理場の地盤改良 調査ボーリングや断面図を利 用して建設サイトの３次元的 な地質構造モデルを作成 調査／測量結果 + ３次元土木設計/GIS/汎用CAD アドオンソフトウェア ３次元土木地質GISソリューション GEORAMA 作成された３次元地盤モデル をプレゼンテーションや、地盤 改良範囲の選定に使用。 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation ３次元地盤モデル 40 活用事例 廃棄物処理場の地盤改良 ボーリング調査データや地質断面図より、建設現場の不透水層や弱層の分布を３次元的に確認する。 また、地元住民がわかりやすいプレゼンテーション（説明資料）にも使用する。 不透水層の３次元分布 ２次元平面図 ２次元断面図 ３次元地盤モデルから任意位置で切り出された断面図を使って、 地盤改良範囲や遮水壁の設計検討に利用する。 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 41 活用事例 ＣＡＥ活用事例 環境調査/対策検討 山留め工事における地下水流遮断 ３次元FEM浸透流解析 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation ボーリング地質調査／地質断面図 ３次元地盤モデル 42 ３次元パネルダイアグラム 活用事例 ＣＡＥ活用事例２ 計画・施工管理 C1 防護工 (薬液注入) 地下鉄 ボックスカルバート 5600 5336 5400 外回り線 内回り線 900 1100 C2 10420 10420 11220 11220 近接施工における影響沈下 構造物と地盤モデル 地表面沈下計測値／解析値比較 6 任意断面を切り出し 5 4 鉛直変位量(mm) 3 2 1 0 -1 -2 沈下影響FEM解析 -3 -4 -5 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 トンネル横断方向の距離(m) 内回り線 掘削 外回り線 掘削 トンネル位置 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 43 活用事例 ＣＡＥ活用事例 設備管理・危機管理 パイプ属性管理 （高圧/中圧/低圧管） ライフライン パイプネットワーク パイプ・継ぎ手部の想定地震に対す る応力度マップ ３次元地盤モデル 想定地震シミュレーション © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 想定地震に対する最大加速度分布とパイプ ネットワークの断面力分析 44 CAD/GIS/CAE連携・活用を実務ベースへ Design Model Base Simulation Decision Making © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 45 © 2006 ITOCHU Techno-Solutions Corporation 46
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