特許 6766465 構造体の設計システム、構造体の設計方法及び構造体の設計プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6766465

(24)【登録日】2020年9月23日

(45)【発行日】2020年10月14日

(54)【発明の名称】構造体の設計システム、構造体の設計方法及び構造体の設計プログラム

(51)【国際特許分類】

   G06F 30/10 20200101AFI20201005BHJP

   G06F 30/13 20200101ALI20201005BHJP

   E04B 1/00 20060101ALI20201005BHJP

   B33Y 50/00 20150101ALI20201005BHJP

【ＦＩ】

   G06F17/50 608A

   G06F17/50 680B

   G06F17/50 636Z

   E04B1/00ESW

   B33Y50/00

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-121967(P2016-121967)

(22)【出願日】2016年6月20日

(65)【公開番号】特開2017-227977(P2017-227977A)

(43)【公開日】2017年12月28日

【審査請求日】2019年5月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】金子 智弥

(72)【発明者】

【氏名】平田 寛

(72)【発明者】

【氏名】中林 拓馬

【審査官】 堀井 啓明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１５８０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１６５６９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ３０／００−３０／３９８

Ｂ３３Ｙ５０／００

Ｅ０４Ｂ１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造体を構成する図形の特徴点となるノードを記憶するノードメモリと、
前記ノードの通過順番を記憶する経路メモリと、
前記構造体の内部を構成する図形を記憶する図形メモリと、
前記構造体を設計する制御部とを備えた設計システムであって、
前記制御部は、
前記図形メモリに記憶された図形の中で、新規閉図形を配置することにより補強する既存図形を特定する配置特定処理と、
前記ノードメモリに記憶された既存図形のノード間に、前記新規閉図形を構成するノードを特定するノード特定処理と、
前記新規閉図形により前記既存図形の内部を分割して生成された分割図形を前記図形メモリに記憶する図形生成処理と、
前記経路メモリに記憶された前記既存図形の外形を通過する経路に対して、前記新規閉図形の外形を通過する経路を前記ノード間に追加して、新規経路を生成する経路生成処理とを繰り返すことを特徴とする構造体の設計システム。

【請求項2】

前記ノードメモリには、前記ノードを特定するノード識別子と、前記ノードのノード座標とが関連付けられたノード情報が記憶されており、
前記制御部は、前記図形メモリに記憶された分割図形を特定し、この分割図形のノードの座標をノードメモリにおいて特定して、前記構造体についての構造解析を実行することを特徴とする請求項１に記載の構造体の設計システム。

【請求項3】

前記制御部は、
前記構造解析の結果に応じて照査条件を満たす構造体が複数ある場合には、前記構造体における前記経路の全長を算出し、
前記全長が短い経路の構造体を特定することを特徴とする請求項２に記載の構造体の設計システム。

【請求項4】

前記制御部は、前記ノードの移動指示を取得した場合、前記移動指示の前記ノードに関するノード情報における前記ノード座標を更新して、前記ノードメモリに記憶することを特徴とする請求項２又は３に記載の構造体の設計システム。

【請求項5】

前記構造体の外形が四角形状をしており、
前記構造体の分割図形は、三角形状であって、
前記制御部は、前記構造体の上面において位置をずらして移動させることにより、始点と終点を同じ位置とする経路を前記経路メモリに記憶することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の構造体の設計システム。

【請求項6】

構造体を構成する図形の特徴点となるノードを記憶するノードメモリと、
前記ノードの通過順番を記憶する経路メモリと、
前記構造体の内部を構成する図形を記憶する図形メモリと、
制御部とを備えた設計システムを用いて、前記構造体を設計する方法であって、
前記制御部は、
前記図形メモリに記憶された図形の中で、新規閉図形を配置することにより補強する既存図形を特定する配置特定処理と、
前記ノードメモリに記憶された既存図形のノード間に、前記新規閉図形を構成するノードを特定するノード特定処理と、
前記新規閉図形により前記既存図形の内部を分割して生成された分割図形を前記図形メモリに記憶する図形生成処理と、
前記経路メモリに記憶された前記既存図形の外形を通過する経路に対して、前記新規閉図形の外形を通過する経路を前記ノード間に追加して、新規経路を生成する経路生成処理とを繰り返すことを特徴とする構造体の設計方法。

【請求項7】

構造体を構成する図形の特徴点となるノードを記憶するノードメモリと、
前記ノードの通過順番を記憶する経路メモリと、
前記構造体の内部を構成する図形を記憶する図形メモリと、
制御部とを備えた設計システムを用いて、前記構造体を設計するためのプログラムであって、
前記制御部を、
前記図形メモリに記憶された図形の中で、新規閉図形を配置することにより補強する既存図形を特定する配置特定処理と、
前記ノードメモリに記憶された既存図形のノード間に、前記新規閉図形を構成するノードを特定するノード特定処理と、
前記新規閉図形により前記既存図形の内部を分割して生成された分割図形を前記図形メモリに記憶する図形生成処理と、
前記経路メモリに記憶された前記既存図形の外形を通過する経路に対して、前記新規閉図形の外形を通過する経路を前記ノード間に追加して、新規経路を生成する経路生成処理とを繰り返す手段として機能させることを特徴とする構造体の設計プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モルタル等で構成される構造体の設計システム、構造体の設計方法及び構造体の設計プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

立体の構造物を製造する場合、３Ｄ（３次元）プリンタを利用することがある。この３Ｄプリンタは、複数の層を積み重ねることにより立体を形成する。この場合、各層の形状を変更することにより、複雑な立体も製造することができる。

【0003】

このような３Ｄプリンタによるコンクリート構造物の設計も検討されている（例えば、非特許文献１参照。）。この非特許文献１においては、連続して吐出されるモルタルを、任意の形状に動かして層を形成し、この層を積み重ねる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】３ＤＰｉｄ．ａｒｔｓ、「今夏登場？住宅を建設する３Ｄプリンターへの疑問」、［online］、［平成２８年４月１５日検索］、インターネット<http://idarts.co.jp/3dp/betabram-3dprinter/>

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、３Ｄプリンタを用いて、モルタルによりコンクリート構造物を製造する場合には、モルタルの吐出の開始や停止等の制御は難しい。そのため、モルタルの連続的な吐出状態を継続させて形成する必要がある。この状態において、モルタルの吐出口が同じ箇所を何回も通過すると、その部分だけが厚くなる。このため、構造体の設計において、吐出口の的確な移動経路を考慮しておかなければ、所望の構造体を製造することができない。また、モルタルを多層に積み上げて構造体を構築する場合、１層における始点と終点とがずれていると、次層を形成するために、モルタルの吐出を停止して吐出口を終点から始点へ移動させる必要がある。

【0006】

本発明は、上述の課題に鑑みてなされ、その目的は、３次元プリンタを用いて製造する構造体を効率的に設計することができる構造体の設計システム、構造体の設計方法及び構造体の設計プログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

・上記課題を解決する構造体の設計システムでは、構造体を構成する図形の特徴点となるノードを記憶するノードメモリと、前記ノードの通過順番を記憶する経路メモリと、前記構造体の内部を構成する図形を記憶する図形メモリと、前記構造体を設計する制御部とを備えた設計システムであって、前記制御部は、前記図形メモリに記憶された図形の中で、新規閉図形を配置することにより補強する既存図形を特定する配置特定処理と、前記ノードメモリに記憶された既存図形のノード間に、前記新規閉図形を構成するノードを特定するノード特定処理と、前記新規閉図形により前記既存図形の内部を分割して生成された分割図形を前記図形メモリに記憶する図形生成処理と、前記経路メモリに記憶された前記既存図形の外形を通過する経路に対して、前記新規閉図形の外形を通過する経路を前記ノード間に追加して、新規経路を生成する経路生成処理とを繰り返す。一筆書きできる図形の内部に閉図形を配置した場合には、その配置した閉図形の外形を通過する経路を追加して生成された新たな経路は必ず一筆書きになる。従って、ユーザは、閉図形を配置する箇所を指定するだけで、そこに閉図形を配置することにより、一筆書きの経路を有する構造体を設計することができる。これにより、３次元プリンタを用いて製造する構造体を、効率よく設計することができる。

【0008】

・上記構造体の設計システムにおいて、前記ノードメモリには、前記ノードを特定するノード識別子と、前記ノードのノード座標とが関連付けられたノード情報が記憶されており、前記制御部は、前記図形メモリに記憶された分割図形を特定し、この分割図形のノードの座標をノードメモリにおいて特定して、前記構造体についての構造解析を実行することが好ましい。これにより、設計した構造体における発生応力度等を評価することができる。

【0009】

・上記構造体の設計システムにおいて、前記制御部は、前記構造解析の結果に応じて照査条件を満たす構造体が複数ある場合には、前記構造体における前記経路の全長を算出し、前記全長が短い経路の構造体を特定することが好ましい。全長が短い経路であれば、コンクリート構造物を構成するモルタルの使用量を少なくすることができる。従って、複数の選択可能な構造体を設計した場合において、経路の長さに基づいて、効率的に製造できる構造体を特定することができる。

【0010】

・上記構造体の設計システムにおいて、前記制御部は、前記ノードの移動指示を取得した場合、前記移動指示の前記ノードに関するノード情報における前記ノード座標を更新して、前記ノードメモリに記憶することが好ましい。これにより、ユーザの指示に応じてノードを移動させて、所望の構造体を設計することができる。

【0011】

・上記構造体の設計システムにおいて、前記構造体の外形が四角形状をしており、前記構造体の分割図形は、三角形状であって、前記制御部は、前記構造体の上面において位置をずらして移動させることにより、始点と終点を同じ位置とする経路を前記経路メモリに記憶することが好ましい。これにより、四角形状の外形を有する構造体の内部に、三角形状のトラス構造を配置することができる。更に、この場合、荷重が加わる上面の部材を厚くすることにより、始点と終点を同じ位置にすることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、３次元プリンタを用いて製造する構造体を効率的に設計することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本実施形態の設計システムの構造を説明する説明図。

【図2】本実施形態の設計システムにおける構造体の経路を説明する説明図。

【図3】本実施形態の設計システムの設計処理の処理手順を説明する流れ図。

【図4】本実施形態の設計システムにおいてノードの特定及び図形分割を説明する説明図であり、（ａ）は構造物の外形を特定した状態、（ｂ）は図形の外形上の初期ノードを配置した状態、（ｃ）は初期ノード間に新規ノードを配置した状態、（ｄ）は（ｃ）の新規ノードの閉図形を用いて分割対象図形を分割して経路を生成した状態、（ｅ）は（ｄ）の図形のノード間に新規ノードを配置した状態、（ｆ）は（ｅ）の新規ノードの閉図形を用いて分割対象図形を分割して経路を生成した状態を示す。

【図5】本実施形態の設計システムにおいてノードの特定及び図形分割を説明する説明図であり、（ａ）は、図４（ｆ）の図形のノード間に新規ノード間を配置した状態、（ｂ）は（ａ）の新規ノードの閉図形を用いて分割対象図形を分割して経路を生成した状態を示す。

【図6】変更例における四角形状の構造体の設計方法の説明図であり、（ａ）は構造体の外形を示した状態、（ｂ）は初期図形を配置した状態、（ｃ）は（ｂ）の初期図形の経路を示した状態、（ｄ）は、初期図形の内部に閉図形を配置した状態を示す。

【図7】変更例における四角形の外形を有する構造物の内部を、四角形の閉空間で分割した場合に生成される経路を説明する説明図。

【図8】変更例における四角形の外形を有する構造物の内部に、縦横２つずつの菱形を配置した場合を説明する説明図。

【図9】変更例における四角形の外形を有する構造物の内部に、１つの菱形を配置した後、菱形の内部に四角形状、菱形の外側に三角形状を配置した状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図１〜図５を用いて、構造体の設計システム、設計方法及び設計プログラムを具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、三角形状を積層した構造体を設計する場合について説明する。

【0015】

図１に示すように、構造体を設計するために設計システム２０を用いる。この設計システム２０には、入力部１１、表示部１２及びプリンタ１５が接続されている。入力部１１は、キーボードやポインティングデバイスにより構成され、担当者によって入力された情報を取得する。表示部１２は、ディスプレイにより構成され、各種情報の出力（表示）を行なう。

【0016】

プリンタ１５は、モルタルを連続的に吐出する吐出部と、吐出部を３次元的に移動させる移動機構とを備える。
設計システム２０は、構造体の設計処理を行なうためのコンピュータシステムである。本実施形態の設計システム２０は、三角形状の内部に、三角形状を配置したトラス構造によって構成される構造物を設計する。

【0017】

この設計システム２０は、制御部（ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等）２１、ノードメモリ２２、図形メモリ２３、経路メモリ２４を備えている。制御部は、各メモリ（２２〜２４）のデータを用いて後述する処理（設計管理段階、ノード特定段階、図形生成段階、経路生成段階、構造解析段階等の各処理等）を行なう。そのための設計プログラムを実行することにより、設計システム２０の制御部２１は、設計管理部２１１、ノード特定部２１２、図形生成部２１３、経路生成部２１４、構造解析部２１５として機能する。

【0018】

設計管理部２１１は、設計する構造体の情報を取得する。本実施形態の設計管理部２１１は、構造体の外形状を初期情報として取得し、分割する図形の位置情報を取得する。また、設計管理部２１１は、設計した構造体を製造するための経路情報をプリンタ１５に供給する。

【0019】

ノード特定部２１２は、指定された図形の新規ノード（閉図形の特徴点）を特定する。本実施形態では、ノード特定部２１２は、指定された図形のノード間の中点に、ノードが配置されていないときには、新規ノードを配置する。また、ノード特定部２１２は、指定された図形のノード間の中点に、既にノードが配置されている場合には、このノードを、分割する図形の新規ノードとして用いる。

【0020】

図形生成部２１３は、隣接する新規ノードを結ぶ線分により、新たに配置された閉図形（新規閉図形）を生成する。本実施形態では、図形生成部２１３は、新規ノードを頂点とする三角形状の閉図形を配置し、更に、この閉図形の線分によって、この分割対象図形を分割した分割図形を生成する。ここでは、分割対象図形の面積を４分割した三角形の分割図形が生成される。

【0021】

経路生成部２１４は、一筆書きにより構造体を構成するとともに、この一筆書きにおいて交点が生じない経路を生成する。
例えば、図２に示すように、三角形の図形Ｆ１の中に、一筆書きの経路Ｔ１を構成する場合を想定する。図形Ｆ１の中に閉図形（三角形）を配置した図形Ｆ２において、交点がない一筆書きの経路Ｔ２を生成することができる。本実施形態では、経路生成部２１４は、新規閉図形のノードの中で、最後に通過するノードに到着したときに、新規閉図形を一回りする追加経路を分割対象経路に追加する。

【0022】

構造解析部２１５は、構造体の内部に配置した閉図形を用いて、構造体の構造解析処理を実行する。ここでは、生成した閉図形をフレームモデルや有限要素モデル等に適用した構造解析により、想定荷重に対する変形や発生応力度を計算して、発生応力度が許容応力度（照査条件）以下の構造体にあるかどうかを判定する。

【0023】

一方、図１に示すノードメモリ２２には、閉図形を構成する各ノードに関するノード情報２２０が記憶される。このノードメモリ２２には、構造体の外形が入力された場合には初期ノードに関するノード情報２２０が記憶され、配置する閉図形の位置が指定された場合には新規ノードに関するノード情報２２０が記憶される。ノード情報２２０は、ノード番号と、このノード番号に関連付けられたノード座標とを含んで構成されている。

【0024】

ノード番号データ領域には、各ノードを特定するためのノード識別子（ノード番号）に関するデータが記憶される。
ノード座標データ領域には、このノードの位置を特定するためのノード座標に関するデータが記憶される。

【0025】

図形メモリ２３には、構造体を構成する図形に関する図形情報２３０が記憶される。この図形メモリ２３には、構造体の外形が特定された場合には、初期図形に関する図形情報２３０が記憶され、配置する閉図形の位置が指定された場合には、分割図形に関する図形情報２３０が記憶される。本実施形態では、分割図形として三角形が記憶される。図形情報２３０は、図形識別子と、ノード番号とを含んで構成されている。

【0026】

図形識別子データ領域には、各図形を特定するための図形識別子に関するデータが記憶される。
ノード番号データ領域には、この図形を構成するノードを特定するためのノード識別子（ノード番号）に関するデータが記憶される。本実施形態では、図形の各頂点を構成するノードのノード番号が記憶される。

【0027】

経路メモリ２４には、経路に関する経路情報２４０が記憶される。この経路情報２４０は、初期図形及び分割図形が生成された場合に記憶される。この経路情報２４０は、順番とノード番号とを含んで構成されている。

【0028】

順番データ領域には、経路上で通過する各ノードの順番に関するデータが記憶される。
ノード番号データ領域には、この順番において通過するノードを特定するためのノード識別子（ノード番号）に関するデータが記憶される。

【0029】

（構造体の設計処理）
次に、図３〜図５を用いて、以上のように構成された設計システム２０における構造物の設計処理について説明する。本実施形態では、外形が三角形状であって、内部に三角形状の閉図形を配置したトラス構造の構造体を設計する。

【0030】

まず、設計システム２０の制御部２１は、外形に基づく初期情報の生成処理を実行する（ステップＳ１−１）。具体的には、制御部２１の設計管理部２１１は、設計する構造体に関する外形の形状、寸法、想定荷重等の情報を入力する入力画面を表示部１２に表示し、ユーザ（設計者）に入力を促す。そして、設計管理部２１１は、入力部１１からユーザが入力した構造体の外形形状、寸法及び想定荷重等を取得する。

【0031】

次に、制御部２１のノード特定部２１２は、構造体の各辺上に配置した図形の各頂点に各ノードを配置し、各ノードにノード番号を付与する。そして、ノード特定部２１２は、ノード番号に関連付けた各ノードの座標を含むノード情報２２０を、ノードメモリ２２に記憶する。

【0032】

更に、制御部２１の図形生成部２１３は、初期図形に対して図形識別子を付与し、この図形識別子を含む図形情報２３０を生成して図形メモリ２３に記憶する。この図形情報２３０には、この図形の各頂点を構成するノード番号を含める。

【0033】

次に、制御部２１の経路生成部２１４は、初期図形（ここでは構造体の外形）を一筆書きする経路情報２４０を生成して経路メモリ２４に記憶する。具体的には、経路情報２４０に、通過する順番に対応付けたノード番号を含める。本実施形態では、始点と終点が同じノードとなる左周りの一筆書きの経路を生成する。

【0034】

次に、設計システム２０の制御部２１は、分割位置の取得処理を実行する（ステップＳ１−２）。具体的には、制御部２１の設計管理部２１１は、表示部１２に、設計画面を表示する。この設計画面には、構造体の外形図形及び構造体の内部を構成する分割図形を含める。ユーザは、この設計画面に表示した図形において、閉図形を配置する分割位置（分割対象図形）を指定する。

【0035】

次に、設計システム２０の制御部２１は、ノードの特定処理を実行する（ステップＳ１−３）。具体的には、制御部２１のノード特定部２１２は、分割対象図形を構成するノードを、図形情報２３０を用いて特定する。そして、ノード特定部２１２は、特定した各ノードの中点の位置に、新規ノードを配置し、このノードに対してノード番号を付与する。ここで、既存ノードの中点位置に、既にノードが配置されている場合には、このノードを用いる。そして、ノード特定部２１２は、各新規ノードのノード番号と、そのノード座標とを含むノード情報２２０を生成して、ノードメモリ２２に記憶する。

【0036】

次に、設計システム２０の制御部２１は、図形の分割処理を実行する（ステップＳ１−４）。具体的には、制御部２１の図形生成部２１３は、隣接する新規ノードをそれぞれ結ぶ線を設定する。そして、図形生成部２１３は、これらの線によって分割対象図形を分割して複数の閉図形（新規分割図形）を生成し、各新規分割図形に対して図形識別子を付与する。この場合、新規分割図形として、分割対象図形の辺を含まない内部新規分割図形と、分割対象図形の辺を含む周辺新規分割図形とが生成される。そして、図形生成部２１３は、各新規分割図形の図形識別子と、新規分割図形の頂点のノードのノード番号とを含む図形情報２３０を生成して、図形メモリ２３に記憶する。更に、図形生成部２１３は、分割対象図形の図形情報２３０を削除する。

【0037】

次に、設計システム２０の制御部２１は、経路の生成処理を実行する（ステップＳ１−５）。具体的には、制御部２１の経路生成部２１４は、内部新規分割図形の各辺を通過する一筆書きの通路を生成する。ここで、経路生成部２１４は、内部新規分割図形のノードの中で、分割対象図形の経路において最後に通過するノードを始点及び終点とし、内部新規分割図形の各辺を通過する経路を追加した経路を生成する。なお、追加経路においては、始点となるノードにおいて、二つの順路（時計回りと反時計回り）とがあるが、分割対象図形の経路の回り方向と反対方向に順路を設定する。これにより、始点及び終点となるノードにおける経路のクロスを抑制する。

【0038】

次に、設計システム２０の制御部２１は、構造計算処理を実行する（ステップＳ１−６）。具体的には、制御部２１の構造解析部２１５は、ユーザによる構造解析指示に応じて、内部にトラス構造が配置された構造体について、構造、寸法及び想定荷重を用いて、構造解析を行なう。そして、設計画面において、想定荷重に対する発生応力度、変形やせん断力等について、構造解析に関する解析結果を表示する。

【0039】

次に、設計システム２０の制御部２１は、照査においてＯＫかどうかについて設計評価処理を実行する（ステップＳ１−７）。具体的には、設計画面には、照査においてＯＫかどうかを選択するＯＫボタン、ＮＧボタンが含まれる。そして、制御部２１の構造解析部２１５は、解析結果を確認したユーザによるＯＫボタンの選択を検知した場合には照査においてＯＫ（照査条件を満たす）と判定する。一方、ＮＧボタンの選択を検知した場合には照査においてＯＫでないと判定する。

【0040】

設計評価処理において、照査においてＯＫでないと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＮＯ」の場合）、設計システム２０の制御部２１は、分割位置の取得処理（ステップＳ１−２）に戻る。ここで、ユーザは、設計画面において、トラス構造を細分化する位置を入力する。そして、制御部２１は、この位置の図形について、ステップＳ１−３以降の処理を実行する。

【0041】

一方、設計評価処理において、照査においてＯＫと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＹＥＳ」の場合）、設計システム２０の制御部２１は、プリンタ１５に、経路の出力処理を実行する（ステップＳ１−８）。具体的には、制御部２１の設計管理部２１１は、経路メモリ２４に記憶された経路情報２４０を、プリンタ１５に送信する。

【0042】

この場合、プリンタ１５は、経路に従ったモルタルの吐出処理を実行する（ステップＳ１−９）。具体的には、プリンタ１５は、構造体の製作時に、吐出口からモルタルを吐出する。そして、プリンタ１５は、モルタルを吐出しながら、設計システム２０から取得した経路に応じて吐出部を移動させる。本実施形態では、複数層を形成するために、始点〜終点を必要回数分、移動する。この場合、始点と終点の位置が同じであるため、下層の終点が上層の始点となる。そして、経路を用いて必要回の一筆書き方繰り返すことにより、モルタル層が積み重ねられてコンクリート構造物が製造される。

【0043】

次に、図４及び図５を用いて、上述した構造体の設計処理の具体例を説明する。
図４（ａ）に示すように、ステップＳ１−１において、制御部２１は、初期図形として構造体の形状（三角形状）、この形状の縦横の寸法及び想定荷重を取得する。

【0044】

そして、図４（ｂ）に示すように、ステップＳ１−１において、制御部２１は、この外形の特徴点（角）にノード番号「１」、「２」、「３」を付与し、これら各ノード番号と、各ノードの座標とを関連付けたノード情報２２０をノードメモリ２２に記憶する。更に、図形メモリ２３において、この図形「Ａ」と、この図形の頂点に位置する各ノード「１」、「２」、「３」とを関連付けた図形情報２３０を記憶する。更に、経路メモリ２４において、一筆書きの経路Ｔｒ１として、反時計回りの通過順番にノード（１，２，３，１）が設定された経路情報２４０を記憶する。

【0045】

ステップＳ１−２において、図形「Ａ」を分割する場合、制御部２１は、ノードの特定処理を実行する（ステップＳ１−３）。ここでは、図４（ｃ）に示すように、各ノードの中点の位置に、ノード番号「４」、「５」、「６」の新規ノードを設定する。そして、制御部２１は、各ノード番号と座標とを含むノード情報２２０を生成してノードメモリ２２に記憶する。

【0046】

次に、図４（ｄ）に示すように、制御部２１は、図形の分割処理を実行する（ステップＳ１−４）。ここでは、制御部２１は、新たに設定したノード「４」、「５」、「６」をそれぞれ結ぶ線分を設定し、これらの線分によって分割した後の分割図形に対して図形（「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」、「Ｅ」）を生成する。ここで、図形「Ｂ」〜「Ｄ」は周辺新規分割図形であり、図形「Ｅ」は内部新規分割図形である。そして、制御部２１は、図形識別子と、各図形の頂点に配置されたノードとを含む図形情報２３０を生成して図形メモリ２３に記憶する。また、制御部２１は、図形「Ａ」についての図形情報２３０を削除する。

【0047】

更に、ステップＳ１−５において、制御部２１は、新たに一筆書きの経路Ｔｒ２を生成する。この経路Ｔｒ２は、内部新規分割図形「Ｅ」のノードの中で、前の経路Ｔｒ１において最後に通過するノード「６」に至るまでは、経路Ｔｒ１と同じ経路を有する。更に、この経路Ｔｒ２は、ノード「６」において、図形「Ａ」の内部に配置した閉図形「Ｅ」の各辺を回る経路を有する。すなわち、この経路Ｔｒ２は、ノード「１」、「４」、「２」、「５」、「３」、「６」、「５」、「４」、「６」、「１」を通過する。

【0048】

設計評価処理において、照査においてＯＫでないと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＮＯ」の場合）、ユーザは、分割位置を指定する。
ここで、ステップＳ１−２において、図形「Ｂ」を分割対象図形として指定した場合を想定する。

【0049】

この場合、図４（ｅ）に示すように、制御部２１は、ノード生成処理を実行する（ステップＳ１−３）。ここでは、図形「Ｂ」の頂点の各ノード（「１」、「４」、「６」）の中点に、ノード「７」、「８」、「９」を生成する。そして、制御部２１は、各ノード番号と座標とを含むノード情報２２０を生成して記憶する。

【0050】

次に、図４（ｆ）に示すように、ステップＳ１−４において、制御部２１は、新たに設定したノード「４」、「５」、「６」をそれぞれ結ぶ線分によって分割した図形（「Ｆ」、「Ｇ」、「Ｈ」、「Ｉ」）を生成する。ここで、図形「Ｆ」〜「Ｈ」は周辺新規分割図形であり、図形「Ｉ」は内部新規分割図形である。そして、制御部２１は、生成した図形に関する図形情報２３０を生成して記憶し、分割対象図形（「Ｂ」）に関する図形情報２３０を削除する。

【0051】

そして、ステップＳ１−５において、制御部２１は、新たに一筆書きの経路Ｔｒ３を生成する。この経路Ｔｒ３は、閉図形「Ｉ」のノードの中で、前の経路Ｔｒ２において最後に通過するノード「９」に至るまでは、経路Ｔｒ２と同じ経路を有する。更に、経路Ｔｒ３は、ノード「９」において、図形「Ｂ」の内部に配置した閉図形「Ｉ」の各辺を回る経路を有する。すなわち、この経路Ｔｒ３は、ノード番号「１」、「７」、「４」、「２」、「５」、「３」、「６」、「５」、「４」、「８」、「６」、「９」、「８」、「７」、「９」、「１」を通過する。

【0052】

設計評価処理において、照査においてＯＫでないと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＮＯ」の場合）、ユーザは、更に、分割位置を指定する。
ここで、ステップＳ１−２において、図形「Ｅ」を分割位置として指定した場合を想定する。

【0053】

この場合、図５（ａ）に示すように、制御部２１は、ノード生成処理を実行する（ステップＳ１−３）。ここでは、図形「Ｂ」の頂点の各ノード（「４」、「５」、「６」）の中点にノードを配置する。ここで、ノード「４」，「６」の間には、既にノード「８」が配置されているので、このノードを、新規分割図形のノードとして用いる。従って、制御部２１は、ノード「１０」、「１１」を生成し、これら各ノード番号と座標とを含むノード情報２２０を生成して記憶する。

【0054】

次に、図５（ｂ）に示すように、ステップＳ１−４において、制御部２１は、新規ノードと特定したノード「８」、「１０」、「１１」をそれぞれ結ぶ線分によって分割した図形（「Ｊ」、「Ｋ」、「Ｌ」、「Ｍ」）を生成する。ここで、図形「Ｊ」〜「Ｌ」は周辺新規分割図形であり、図形「Ｍ」は内部新規分割図形である。そして、制御部２１は、図形情報２３０を生成して記憶する。そして、ステップＳ１−５において、新たに一筆書きの経路Ｔｒ４を生成する。

【0055】

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の設計システム２０の制御部２１は、ノードの特定処理（ステップＳ１−３）、図形の分割処理（ステップＳ１−４）、経路の生成処理（ステップＳ１−５）を実行する。そして、制御部２１は、照査においてＯＫでない場合には、上記ステップＳ１−２〜Ｓ１−５を繰り返す。一筆書きできる図形の内部に閉図形を配置した場合には、その配置した閉図形の外形（周囲）を通過する経路を追加して生成された新規経路は必ず一筆書きになるため、ユーザは、閉図形を配置する位置を指定するだけで、一筆書きの経路を有する構造体を設計することができる。従って、３次元プリンタを用いて製造する構造体を効率よく設計することができる。

【0056】

（２）本実施形態においては、設計システム２０の制御部２１は、分割図形のノードの各ノード座標をノードメモリから特定し、構造計算処理を実行する（ステップＳ１−６）。これにより、設計した構造体における発生応力度等を評価することができる。

【0057】

（３）本実施形態においては、設計評価処理において、照査においてＯＫと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＹＥＳ」の場合）、設計システム２０の制御部２１は、プリンタ１５に、経路の出力処理を実行する（ステップＳ１−８）。そして、プリンタ１５は、経路に従ったモルタルの吐出処理を実行する（ステップＳ１−９）。これにより、プリンタ１５に出力した経路となるように３次元プリンタの吐出部を移動させることにより、照査条件（本実施形態では許容応力度）を考慮した構造体を製造することができる。

【0058】

また、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、設計システム２０の制御部２１を用いて、三角形状の構造体を設計した。設計する構造体は、三角形状に限定されるものではない。一筆書きできる図形であれば、矩形状等の多角形形状、円、楕円、扇型等を用いることができる。

【0059】

例えば、図６（ａ）に示すように、支持部Ｓｕによって両端が支持される梁（四角形状の外形）を設計するようにしてもよい。この場合、制御部２１は、外形に基づく初期情報の生成処理（ステップＳ１−２）において、図６（ｂ）に示すように、構造体の内部に、初期図形を配置する。例えば、矩形状の構造体の内部に、同じ大きさの略正三角形と、二等辺三角形とを配置する。

【0060】

そして、制御部２１のノード特定部２１２は、構造体の各辺上に配置した図形の各頂点に各ノードを配置し、各ノードにノード番号を付与し、ノード番号に関連付けた各ノードの座標を含むノード情報２２０を、ノードメモリ２２に記憶する。更に、制御部２１は、各初期図形に対して図形識別子を付与し、この図形識別子を含む図形情報２３０を生成して図形メモリ２３に記憶する。更に、図形生成部２１３は、各図形の頂点を構成するノードを各図形情報２３０に含める。

【0061】

次に、制御部２１の経路生成部２１４は、構造体の外形及び内部に配置した初期図形を一筆書きする経路情報２４０を生成して経路メモリ２４に記憶する。ここでは、経路情報２４０に、通過する順番に対応付けて、ノードのノード番号を含める。これにより、四角形状の外形を有する構造体の内部に、三角形状のトラス構造を配置することができる。

【0062】

更に、本実施形態では、図６（ｃ）に示すように、始点と終点が同じノードであって、一番上以外の線を二度通らない経路Ｔ３を生成する。この場合、荷重が加わる上面において、上下に位置をずらして移動させることにより、モルタルを厚くする。これにより、始点と終点を同じ位置に設定する。

【0063】

その後、図６（ｄ）に示すように、構造体の内部において強度を高めたい部分に、より細かいトラス構造を配置するように、ステップＳ１−２〜Ｓ１−７の処理を繰り返すことにより、構造体を設計する。

【0064】

・上記実施形態の設計システム２０の制御部２１は、設計評価処理において、照査においてＯＫと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＹＥＳ」の場合）、プリンタ１５への経路の出力処理を実行する（ステップＳ１−８）。ここで、照査においてＯＫと判定した場合においても、同じ外形形状で、内部構造が異なる複数の構造体候補を設計するようにしてもよい。この場合、ノード特定部２１２に、複数の新規ノードのノード設定パターンを保持させておく。ここで、ノード設定パターンは、例えば、新規分割図形について異なる形状や配置等に応じたノードを設定するためのパターンである。そして、制御部２１は、各ノード設定パターンについて、ステップＳ１−２〜Ｓ１−７を繰り返す。更に、各ノード設定パターンについて、設計評価処理において、照査においてＯＫと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＹＥＳ」の場合）の構造体候補について、ノード情報２２０、図形情報２３０、経路情報２４０を保持させておく。

【0065】

そして、制御部２１は、出力指示を取得した場合には、各ノード設定パターンにおける構造体の経路の全長を算出する。具体的には、制御部２１は、各構造体候補のノード情報２２０のノード座標を用いて、経路の全長を算出する。そして、制御部２１は、算出した全長が最も短い経路の構造体候補を、プリンタ１５に送信する。これにより、複数の選択可能な構造体候補を設計した場合において、経路の長さに基づいて、効率的に製造できる構造体を特定することができる。
また、内部構造が異なる複数の構造体候補を設計する場合、経路を構成するモルタルの太さを変更してもよい。この場合には、プリンタ１５において、吐出部の移動速度を調整することにより、経路の単位長さ当たりのモルタル量を変更する。例えば、設計評価処理において、照査においてＯＫでないと判定した領域について、モルタル量を増やし、梁の断面が太くなったものとして設計を行なう。このような複数の構造体候補を設計した場合には、経路の長さ及び単位長さ当たりのモルタル量に基づいて、総モルタル量が少ない構造体候補を特定する。

【0066】

・上記実施形態において、設計システム２０の制御部２１は、照査においてＯＫかどうかについての設計評価処理を実行する（ステップＳ１−７）。ここでは、ユーザによるＯＫボタンの選択の検知により判定する。この判定処理は、選択されたボタンの検知に限定されず、制御部２１が、許容応力度を用いて判定するようにしてもよい。具体的には、制御部２１の構造解析部２１５には、許容応力度に関する情報を記憶させておく。そして、構造解析部２１５は、構造解析により算出したトラス構造における発生応力度と、記憶している許容応力度とを比較する。構造解析により算出した発生応力度が許容応力度以下になっていない場合には、照査においてＯＫでないと判定する。

【0067】

設計評価処理において、照査においてＯＫでないと判定した場合（ステップＳ１−７において「ＮＯ」の場合）、設計システム２０の制御部２１は、分割位置の取得処理（ステップＳ１−２）に戻る。この場合には、設計画面において、想定荷重に対する変形やせん断力等について、構造解析に関する解析結果を表示する。これにより、ユーザは、表示された解析結果を確認しながら、新たな分割位置の指定により、構造上の補強を行なうことができる。

【0068】

・上記実施形態においては、制御部２１は、三角形状の図形の内部に、三角形状の閉図形を配置する。内部に配置される閉図形は、三角形状に限定されず、一筆書きできる図形であればよく、四角形状等の多角形形状、円、楕円、扇型等を用いることができる。

【0069】

例えば、図７に示すように、一筆書きの経路Ｔ３で構成される分割対象図形Ｆ３（菱形）の中に長方形を配置した図形Ｆ４においても、交点が生じない一筆書きの経路Ｔ４で構成することができる。この場合においても、既存ノードの中点に新規ノードを配置し、隣接する新規ノードをそれぞれ結ぶ線分を設定し、これらの線分によって分割した分割図形を生成する。そして、制御部２１は、図形識別子と、各図形の頂点に配置されたノードとを含む図形情報２３０を生成して図形メモリ２３に記憶する。

【0070】

・上記実施形態において、ノード設定パターンとして、指定された図形を構成するノードの中点に新規ノードを配置した。ノード設定パターンは、ノードの中点に限られるものではない。例えば、３等分した位置に配置してもよい。

【0071】

また、図８に示す四角形状に、既存ノードの間に２つの新規ノードを配置するようにしてもよい。この場合には、各ノードを、各辺長の１／４、１／２、１／４の位置に配置する。これにより、隣接する新規ノードを結ぶ線分によって、内部に菱形を左右及び上下２個ずつ配置することができる。この場合においても、点ＳＧ１を始点及び終点として、一筆書きの経路Ｔ５を生成することができる。

【0072】

・上記実施形態においては、制御部２１は、構造体の内部に三角形状の閉図形を配置する。構造体の内部に配置する図形を、ユーザの指示に応じて変更（追加や変形）できるようにしてもよい。

【0073】

例えば、図９に示すように、四角形状の閉図形及び三角形状の閉図形の両方を、構造体の内部に配置してもよい。この場合においても、点ＳＧ２を始点及び終点として、一筆書きの経路Ｔ６を生成することができる。

【0074】

・上記実施形態においては、設計システム２０の制御部２１は、閉図形を配置する際に、既存ノードの中点に、新規ノードを配置し、このノードの座標を含むノード情報２２０をノードメモリ２２に記憶する。これに加えて、ノード同士を結ぶ線が交差しない範囲で、ノードの位置（座標）をユーザの指示に応じて移動できるようにしてもよい。具体的には、制御部２１は、設計画面において、ユーザによって移動されたノードについて、ノード番号に関連付けられたノード情報２２０のノード座標を、移動先座標に変更する。これにより、ユーザ所望の位置にノードを変更することができる。そして、この場合においても、一筆書きの経路を維持することができる。

【0075】

・上記実施形態においては、設計システム２０の制御部２１は、経路の生成処理を実行する（ステップＳ１−５）。ここで、内部新規分割図形のノードの中で、分割対象図形の経路において最後に通過するノードを始点及び終点として、新規分割図形の各辺を通過する経路を追加した経路を生成する。追加経路の生成方法は、これに限定されるものではない。例えば、内部新規分割図形のノードの中で、分割対象図形の経路において最初や途中に通過するノードを始点及び終点とすることも可能である。具体的には、図４（ｄ）において、最初に通過するノード「４」を始点とする場合には、ノード番号「１」、「４」、「６」、「５」、「４」、「２」、「５」、「３」、「６」、「１」を通過する経路を生成する。また、図４（ｄ）において、途中で通過するノード「５」を始点とする場合には、ノード番号「１」、「４」、「２」、「５」、「４」、「６」、「５」、「３」、「６」、「１」を通過する経路を生成する。

【0076】

・上記実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、最初、反時計回りの通過順番で経路を生成する。通過順番は、これに限定されるものではなく、追加経路において、既存経路とクロスしない方向に順路を設定すればよい。

【符号の説明】

【0077】

Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４…図形、Ｓｕ…支持部、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４…経路、ＳＧ１，ＳＧ２…点、１１…入力部、１２…出力部、１５…プリンタ、２０…設計システム、２１…制御部、２２…ノードメモリ、２３…図形メモリ、２４…経路メモリ、２１１…設計管理部、２１２…ノード特定部、２１３…図形生成部、２１４…経路生成部、２１５…構造解析部、２２０…ノード情報、２３０…図形情報、２４０…経路情報。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】