土木技師がレジリエンス計画で世界を救うヒーローになる 3 つの方法

世界大恐慌の時代に書かれた「スーパーマン」やファシストと戦う「キャプテン・マーベル」から、惑星間の人種不公平に迫る「ブラックパンサー」まで。スーパーヒーローの物語の多くは、その時代の不安感と政治に対する対抗手段として読み解くことができる。2019 年のアースデイと同じ週に封切られた「アベンジャーズ」シリーズの最新作「アベンジャーズ/エンドゲーム」も同様だが、今回の脅威は環境に関するもので、地球の運命に関する、共有された不安が反映された闘いになっている。

気候変動やテロリズム、インテリジェント ネットワークが計画・分析モデルに強烈な影響を与え、世界各地の建造環境を脆弱化させている。それを受けて、土木工学関係者の多くが社会や環境の責任者として、舞台裏のスーパーヒーローの中心的な存在という新たな役割を担うようになりつつある。本記事ではレジリエンス (土地の強靭化) に関する 3 つのトレンドと、不確実性に対する準備に新たな注目が寄せられている状況に対する、エンジニアによる考察を紹介しよう。

1. 気候変動に備えたデザインで「ニュー ノーマル」に適応

2018 年 11 月に発表された全米気候評価の第 4 次報告書によると、地球の平均気温は今世紀末までに最大 8 度上昇する。報告書は、ルイジアナ州での大雨による高い洪水リスクや、コロラド川流域での干ばつによる水不足など、現在進行中の危険や今後の予測にも言及。その結果としてどれほど構造物の損害や人的犠牲がもたらされるかは、温室効果ガスの排出削減に対する国際社会の取り組みに大きく依存している。

ASCE 理事長で Odeh Engineers プリンシパルのデヴィッド・オデー氏によると、米国土木学会 (ASCE) が 2018 年に発表した新たなマニュアルで、さまざまに分岐する経過を含む気候シナリオに基づいた、リスク評価の新生モデルが提供されている。

「今後 100 年間に生じる最悪の洪水がどのようなものかを、以前は過去のデータを基に、それなりの確信を持って予測できました」と、オデー氏。「干ばつや大雨、海面上昇などで生じる重大な不確実性の評価と、新たな、もしくは向上させたインフラ デザイン モデルの作成が委員会の責務です」。

重大な不確実性に対処する手段のひとつが、アダプティブ デザインだ。このアプローチは確率モデリングと観測データを融合させたもので、リスクや損害が境界値を超えた際に構造体へ行う物理的な変更を、あらかじめ計画しておくことになる。オデー氏がその例として挙げるのが、565 ㎞ に及ぶロサンゼルス/サンディエゴ/サンルイスオビスポ路線 (LOSSAN) だ。「将来的に、従来の想定を超えるレベルの洪水や、より深刻な洪水の危険が生じた場合には、構脚を実際にジャッキアップして、特定の区間を最大 1.5 m 上昇させることができます。地下構造物は、鉄道線路の上昇に対処できるようデザインされています」。

2. 非常時に備えた、さらなる災害対策と緩和策

米国の同時多発テロ事件や、より最近では 2015 年 11 月のパリ同時多発テロ事件や 2019 年のスリランカ同時爆発事件は、犠牲者を出す悲劇をもたらし、いかにインフラがテロリストの悪意に影響を受けやすいかを示している。ASCE のインフラストラクチャ レジリエンス部門長を務めるケント・ユー氏は、ASCE の 2018 年方針声明第 499 号が、緊急対応と復興活動を支援するフレームワークを提供していると話す。この方針はまた、インフラに対する自然災害や人為災害の影響の研究と、新旧インフラの「災害からの早急な耐久性と回復力」の向上も支援している。

この方針のカギとなるのが、デザイン関係者や危機管理専門家、インフラ所有者と運用者、連邦政府の間の連携向上とレジリエンス計画だ。「どれほどのインフラが建設されているかを考えてみてください」と、ユー氏。「汚水処理施設、発電所、道路、橋、建物まで、その数は膨大です。新たな基準やテクノロジー、知識を計画的に実践へつなげる、このレジリエンスというマインドセットを持つことで、慣習を変え、人為災害と気候変動に対処するための、より良い準備ができるでしょう」。

Simpson Gumpertz & Heger Inc. の機械工学部門の顧問プリンシパルであるドン・デューゼンベリー氏は、不均衡崩壊軽減のための新たな基準を開発する ASCE 構造工学研究所 (Structural Engineering Institute) の委員長を務めている。

氏によると、テロリストからの攻撃リスクを緩和する基本的な手段は 3 つある。それは、まずバリケードを設置して脅威を排除すること。次に構造を堅牢化して、衝突や爆発、火災によるダメージを抑制すること。そして最後に、主要部分が機能しなくなった場合に構造全体に応力を移動させる交番荷重経路を用意することだ。「この基準は主に 3 番目の選択肢を念頭に開発されたものです。損害を被っても崩壊しない建物をデザインするためには、そうするべきなのです」と、デューゼンベリー氏。

不均衡崩壊軽減技術は、官庁舎や高層ビルのロビー、橋やその他のインフラ資産で、材料として、また人命救助としての応用性を有しているという。氏は、米国同時多発テロ攻撃後に米国国防総省を調査した、ビル性能チームのメンバーだった。同省は崩壊に対するレジリエンスを想定したデザインではなかったが、攻撃を受けた後の性能が有効な指針となっているということだ。

「飛行機が建物の 1 階部分に突っ込んだ形になっても、2 階部分はすぐには崩壊しませんでした」と、デューゼンベリー氏。「15 分から 20 分はそのままの状態を保ち、上階の人々が避難するのに十分な時間がありました。構造は、部分的には十分な残留強度を保っていました。外壁内にレンガが充填されており、上階全てが非常に深い梁として損傷箇所を囲むようになっていたためです」。

3. サイバネティクスを用いた、より安全な移動手段

自動車メーカーやテック企業が自動運転車に研究費をつぎ込むようになるにつれ、政府や土木工学関係者には、公共の安全向上と渋滞緩和をもたらす連結道路の建設が求められるようになっている。

ワシントン大学教授で、本大学のスマート道路交通システム応用研究所 (STAR Lab: Smart Transportation Applications and Research Laboratory) の設立ディレクターを務めるインハイ・ワン氏は、州や地方の交通局からサイバネティクス (共通の目標を実現して効率性を向上させるべく構築される通信ネットワーク システムに関する学問) が注目を集めていると話す。

道路上や交差点の交通流量の感知と規制には、世界各都市で長年に渡ってインダクタンス ループ検出器や磁気装置、ビデオ画像処理装置が使用されてきた。だが、こうした感知システムでは、今後のコネクテッド自動運転車 (CAV) の支援には不十分だ。ASCE 道路交通システム開発研究所 (Transportation and Development Institute:T&DI) は CAV Impacts Committee を立ち上げ、CAV の応用が今後の道路インフラの計画やデザイン、運用、保守にどう影響するのかを研究している。「未来の道路は、よりスマートになります。道路は車両や歩行者などのユーザーとつながり、バックエンドのパワフルな意思決定システムで支援されるようになるからです」と、ワン氏は話す。

CAV 技術で実現するスマート道路は、2046 年までに道路での死亡事故撲滅の実現を目指す米国運輸省の「Road to Zero」プログラムなどに極めて重要な役割を果たす。「この観点から、道路インフラをより安全で信頼性と効率性に優れたものとするために、どうデザイン・整備されるべきかを検討しています」と、ワン氏。

STAR Lab で、ワン氏は道路交通検知モバイル ユニット バージョン II (MUST-II: Mobile Unit for Sensing Traffic version II) 技術の開発を指揮している。MUST-II は、車両や歩行者の移動時間データ、部分交通量データ、路面状態データ、視界データを収集する標準的なセンサーの役割に加えて、車両や歩行者と通信する沿道ユニットとして機能することが可能だ。

MUST-II センサーが収集したデータは、DRIVE Net 上で視覚化される。DRIVE Net は、PacTrans とワシントン州運輸省の資金援助を受けて STAR Lab が開発したオンライン プラットフォーム。「交差点を渡りたい人が、この MUST-II 経由で交通信号の制御機に接続するアプリを使っていると、信号が歩行者に最適な方法でリクエストを処理し、青に変わります」と、ワン氏。

「未来は、人間のドライバーとロボットのドライバーがかなり混在した状況になるでしょう」と、ワン氏は続ける。「これら 2 種類の車両の相互関係にどう対処すればよいのでしょうか？　これに関する産業界、大学、専門機関の非常に活発な研究を期待しています。全てがシームレスに連動するようになるには、まだ時間がかかるでしょう」。