システムの基本理解（フェーズ1）

パラメータ手動調整による性能理解

このフェーズでは，test_generate_building_win.pyを使用して，設計パラメータを一つずつ手動で変更しながら，パラメータ（入力）と建物の性能（出力）の関係を実際に体験し理解します．

test_generate_building_win.pyの全体フロー

主な機能と処理の流れ

• 手動でパラメータを変更してFCStdファイルと評価値を出力

  1. 固定パラメータで建物を生成:
     test_generate_building_win.py内にtest_paramsという辞書型変数（48行目）があり，建物の幅・奥行・高さや，柱・壁の厚さ，窓の比率，屋根の形状といった設計パラメータが事前に定義されています．

     辞書型変数とは：Pythonのデータ構造の一つで，「名前（キー）」と「値」のペアでデータを管理します．

     例えば：

     test_params = { 'Lx': 8.5, # 'Lx'という名前に8.5という値を対応 'bc': 450, # 'bc'という名前に450という値を対応 'material_roof': 0 # 'material_roof'という名前に0という値を対応 }

     このように{ }で囲み，名前: 値の形式でパラメータを定義します．値を変更する際は，該当する数値部分だけを書き換えます．

  2. FreeCADによる構造解析の実行:
     定義されたパラメータをgenerate_building_fem_analyze.pyスクリプトに渡し，外部プロセスとしてFreeCADを起動します．FreeCADがそのパラメータに基づいて建物の3Dモデルを生成し，構造解析（FEM解析）を実行します．

     📊 技術詳細: FEM解析の詳しい仕組みについては FEM解析システム詳細レポート を参照してください．

  3. 3Dモデルファイル（.FCStd）の出力:
     解析に使用された建物の3Dモデルを，FreeCADで直接開いて確認できる.FCStdファイルとして保存します．ファイルをダブルクリックすることでFreeCADで開くことができ，生成された形状を視覚的に検証できます．
     生成される.FCStdファイルの名前は，例えば test_building_20250813_161902.FCStd のように，実行した年月日時分秒が付与されたものになります．

     📄 3Dモデルの可視化: FreeCADで開いた3Dモデルに材質別の色を付けて可視化する方法については，FreeCADのマクロ設定.pdf を参照してください．

  4. 性能評価結果の表示:
     解析が完了すると，以下のような多角的な評価指標を計算し，ターミナルに表示します．

     • 安全性: 安全率，最大変位，最大応力など
     • 経済性: 建設コスト（単価・総工費）
     • 環境性: CO2排出量
     • 快適性: 空間の広がり，採光，プライバシーなどのスコア
     • 施工性: 施工しやすさのスコア
     
     ⚠️ 注意: FEM解析の安全率などの結果は，同じパラメータでも実行するごとに微妙に異なる値（例：1.106 → 1.108）になることがあります．これはFEM解析の内部処理（メッシュ生成等）で乱数が使用されているためで，正常な動作です．
     

  5. 結果をCSVファイルに保存:
     入力した設計パラメータ（Lx, Lyなど）と，算出されたすべての評価結果（cost_per_sqmなど）は，test_results.csvというファイルに1行のデータとして追記保存されます．初回実行時はファイル自体が新規作成され，2回目以降は既存ファイルに追記されます．

     

     このCSVファイルには，実行ごとの全パラメータと評価結果が記録されます．具体的には，以下の構造になっています．

     • 1行目: 各列の内容を示す日本語名（例：「建物幅[m]」）
     • 2行目: プログラム上で使用される変数名（例：Lx）
     • 3行目以降: 実行ごとの実データ

     timestamp列とfcstd_file列を参照することで，いつ，どの設計案を評価した結果なのかを正確に追跡でき，後の分析に役立ちます．

実行例

以下は，ターミナルでスクリプトを実行した際の出力例です．この1枚の画像に，実行コマンドからパラメータ，解析結果，保存されたファイル名まで，すべての情報が含まれています．

code_winフォルダ内で実行：

python test_generate_building_win.py

【演習1】パラメータ変更による性能変化の観察

目的：
この手順の目的は，test_generate_building_win.pyを使い，設計パラメータを1つだけ変更すると，建物の性能評価値がどのように変化するかを観察することです．これにより，「どのパラメータが，どの性能に，どう影響するのか」という因果関係について，定性的な理解を深めます．

使用するファイル：

• test_generate_building_win.py (パラメータを編集するファイル)

• test_results.csv (実行結果が記録されるファイル)

ステップ1：基準となるデフォルト設計を評価する

まずは，何も変更していない「素の状態」の設計を評価し，これを基準とします．

1. ターミナル（コマンドプロンプト）を開きます．

2. 以下のコマンドを実行します．
   python test_generate_building_win.py

   実行する際は，test_results.csvを閉じておくこと（パーミッションエラーが起こるため）．

3. 実行後，ターミナルに表示される5つの評価指標（特に安全率と建設コスト）の数値を確認しましょう．この実行結果は test_results.csv に自動で記録されるため，これが比較の基準点となります．

ステップ2：1つのパラメータを選んで値を変更する

次に，影響を観察したいパラメータを1つだけ選び，その数値を変更します．ここでは例として，柱の太さを変更してみます．

1. エディタでtest_generate_building_win.pyファイルを開きます．
2. ファイルの48行目にある test_params = { ... } という記述を探します．
3. 'bc': 450, という行を見つけます．（bcは柱の幅(Breite)を意味します）
4. この数値を，例えば450から800に書き換えてみましょう．柱がかなり太くなります．

# 変更前
'bc': 450,           # 柱幅 [mm]
'hc': 450,           # 柱奥行 [mm]

# 変更後 (例)
'bc': 800,           # 柱幅 [mm]
'hc': 800,           # 柱奥行 [mm]

bc (幅)と hc (奥行)は，同じ値にして正方形の柱にするのが一般的です．

1. 更新したファイルを保存します．

ステップ3：再度評価を実行し、結果を比較する

パラメータを変更した状態で，もう一度設計を評価します．

1. ターミナルで，再び同じコマンドを実行します．
   python test_generate_building_win.py
2. 出力された新しい評価指標と，ステップ1で記録された基準値とを比較します．
   • 安全率は上がりましたか？下がりましたか？
   • 建設コストはどうなりましたか？
   • 快適性スコアに変化はありましたか？

ステップ4：色々なパラメータで実験を繰り返す

ステップ2〜3を，他のさまざまなパラメータで試してみましょう．以下に実験の例を挙げます．

• 壁の傾きを変えてみる:

  • 'wall_tilt_angle': -25, の値を 0 や 25 に変えると，快適性や施工性はどう変わるでしょうか？

• 屋根の材質を変えてみる:

  • 'material_roof': 0, の値を 1 に変えてみましょう．（0:コンクリート, 1:木材）
  • CO2排出量や建設コストにどのような影響があるでしょうか？

• 2階の窓を大きくしてみる:

  • 'window_ratio_2f': 0.7, の値を 0.9 (最大)や 0.1 (最小)にすると，快適性はどうなるでしょうか？

ステップ5：結果を一覧で確認する

これまでの実験結果は，すべてtest_results.csvファイルに自動で記録されています．
このファイルをExcelやGoogleスプレッドシートで開くと，変更したパラメータと，それによって変化した評価値を一覧で比較・分析することができます．

【演習2】設計パラメータと建物性能の関係理解

課題：
安全率2.0以上を維持しながら，建設コストをできるだけ小さくする設計パラメータの組み合わせを探してみましょう．

この手動での試行錯誤を通じて，最適化の難しさとトレードオフの関係（安全性 vs コスト）を実感できます．