油圧ショベルのMC/MG基礎知識ガイド

2024年に建設業の中小企業に対しても時間外労働の上限規制が適用されます。さらには、建設現場における慢性的な人手不足から、現場作業に不慣れな作業員さんの人数が増え、経験豊富な作業員さんへの負担増加対策が喫緊の課題と認識しています。これらから、建設現場の生産性向上、業務改善を目的とする働き方改革^※1，※2が求められています。
とは言っても、建設現場でICTを使用するには、建設現場でこれまで必要としなかったICTの知識、新しい作業内容を覚える必要があります。このため、そう簡単にICT導入には踏み出せないと思われる建設現場も多いと認識しています。
今回のコラムでは、建設現場にマシンコントロール／マシンガイダンス（MC/MG）を導入しようと考えている建設現場の方に向けて、油圧ショベルのMC/MGに着目した基礎知識について、次に示す視点から説明していきます。

・BIM/CIM

・油圧ショベルのMC/MGを使用するメリット

・油圧ショベルMC/MGの使用に必要な3次元設計データ

・油圧ショベルMC/MGの基本的な仕組み

・油圧ショベルMC/MGがトラブル発生で使用できない場合の対応策

・油圧ショベルMC/MGによる施工範囲の出来形管理・検査

※1　厚生労働省「働き方改革」の実現に向けて
※2　国土交通省「建設業働き方改革加速化プログラム」

BIM/CIM（Building Information Modeling／Construction Information Modeling, Management）^※3

国土交通省において、建設事業の調査、設計、施工、監督・検査、維持管理という建設生産プロセスの各プロセスから得られる電子情報を活用することで生産性の向上などを達成しようとする政策として、BIM/CIMがあります。BIM/CIMとは、３次元モデルに各種の情報を結びつけて、測量～地質調査～計画・設計～施工～維持管理までの建設生産・管理システムの各段階において３次元モデルを利活用する政策のことです。

自動車産業を始めとした製造業では３次元の電子データ（3次元モデル）を利活用して生産性を向上させた成功事例にならって、建設業で課題とされている生産性向上、業務効率化・高度化を目指した政策です。BIM/CIMは現在、i-Construction の取り組みとして産官学一体となって推進されています。
この政策において着目すべきポイントは、建設業で生産性を低下させている要因が、２次元の紙の図面で各種作業を進めている点であるとの考えです。具体的には、

・２次元図面から完成形状を想像するためには経験が必要になること

・紙面で情報共有するには回覧や複写する必要があること

これから説明する油圧ショベルMCにおいて、設計図面から3次元設計データを作成することが、生産性向上につながることをご説明していきます。

※3　国土交通省BIM/CIM

油圧ショベルのMC/MGを使用するメリット

最初に油圧ショベルのMCに着目して、使用するメリットを考えます。油圧ショベルのMCを使用するメリットは、油圧ショベルが移動した位置に対応し3次元設計データにしたがったバケット高さ・勾配に自動制御されることによる効果です。次の3点と考えます。

・設計形状に対する出来形形状の差が少ない
（施工精度の向上、出来ばえ（工程能力）の向上）

・丁張り設置や丁張りの盛替えに必要な現場作業の削減による作業員さんの労働時間が短縮

・油圧ショベルの手待ち時間の削減による生産性の向上
（なお、この手待ち時間とは、丁張設置や、盛り替えに伴う油圧ショベルの作業中断時間のことです）

次に、油圧ショベルのMGを使用するメリットを考えます。油圧ショベルのMGを使用するメリットは、油圧ショベルが移動した位置に対応し3次元設計データとバケット刃先との差分（バケットの高さや傾きの差分）をモニターによりオペレーターが確認できることによる効果です。次の点と考えます。

・いつでも、設計データの平面範囲内ならどこでも、設計形状に対するバケット刃先の差分が案内されるため、出来形形状のバラつきを抑えられる
（オペさんが持つ運転操作技能を最大限に発揮可能、これによる施工精度の向上）

・丁張り設置や丁張りの盛替えに必要な現場作業の削減による作業員さんの労働時間が短縮

・油圧ショベルの手待ち時間の削減による生産性の向上
（なお、この手待ち時間とは、丁張設置や、盛り替えに伴う油圧ショベルの作業中断時間のことです）

ただし、油圧ショベルMC/MGを使用するためには、油圧ショベルMC/MGが理解できる（で利用できる）3次元設計データと、油圧ショベルMC/MGを建設現場で動かすためのノウハウが必要になります。特に初めて油圧ショベルMC/MGを使用する場合は、次の点を課題として押さえておくことをお勧めします。

・施工開始前までに3次元設計データを作成するための作業員さんの労働時間増加

・読み込んだ3次元設計データに関わるトラブルや、油圧ショベルのMC/MG の構成機器のトラブルに伴う油圧ショベルの手待ち時間の増加

なお、これら課題は、油圧ショベルMC/MGに関わる建設現場での経験値や蓄積したノウハウや、技術の向上次第で、将来的には少なくなっていくと考えています。

油圧ショベルMC/MGの使用に必要な3次元設計データ

3次元設計データの作成に必要な基本的なデータは、設計図書として提供される「①２次元図面に記載されたデータ」と、3次元設計データの端部を決定するために必要な「②現況地形データ」です。この「①２次元図面に記載されたデータ」は、線形計算書、平面図、縦断図、横断図に示される分散して記載される平面線形、縦断線形、横断形状を表す幾何形状の数値のことです。

また、「②現況地形データ」は施工の際に実施される起工測量成果のデータです。3次元設計データは、この2つのデータを3次元設計データ作成ソフトウェアに入力することで完成した3次元モデルです。この3次元モデルは、一般的には、点群データを不整三角網で結線した面データ（TINデータ）です。
ここで、3次元設計データを作成する際に留意するポイントを示します。

・適切な設計図面（2次元図面）に基づき3次元設計データを作成すること（設計照査を踏まえ、適切な当初設計図、あるいは変更設計図を選択すること）

・線形に対して、適切に横断図面を組み合わせて3次元設計データを作成すること（慣例的に使われる設計図面の組み合わせルールの違いや用語の違いにも留意）

・線形方向、あるいは横断方向に対する設計範囲よりも確実に広い範囲で測量された現況地形データを用いて3次元設計データを作成すること

この留意するポイントは、頭の中で設計図面から完成形状をイメージ出来る人からは、「当然だよ。」と思われる内容だと考えます。
つまり、3次元設計データ作成は、ソフトウェアを使ったこれまで経験がない面倒な入力作業ですが、建設現場で積み上げてきたノウハウ・スキルが生かせる作業でもあることを認識して欲しいため、あえてここに記載します。

油圧ショベルMC/MGの基本的な仕組み

油圧ショベルMCは、バケット先端の3次元位置座標と3次元設計データとの位置関係をリアルタイムで算出比較し、バケット先端の高さと勾配を自動制御する技術です。
油圧ショベルMCの基本的な構成機器は、一般的な油圧ショベルに次に示す位置情報技術、各センサー、ソフトウェア、ハードウェア、通信技術を追加とした機器構成となります。また、油圧ショベルMGの基本的な構成機器は、油圧ショベルMCの基本的な構成機器からバルブモジュールを除いた機器構成となります。
ちなみに、保有される一般的な油圧ショベルに構成機器を追加することも原則可能です。

さらに、バケット先端の3次元位置座標の算出にあたっては、次のデータを利用します。

・油圧ショベル本体の3次元位置座標【計測値】

・油圧ショベル本体の向き【計測値】

・油圧ショベル本体の寸法^※4【入力値】

・ブーム、アーム、バケットの回転角【計測値】

・ブーム、アーム、バケットの寸法^※4【入力値】

※4　寸法は、指定した箇所を計測し、あらかじめ入力する必要があります。

油圧ショベルMCにおいて肝となるバケット先端位置座標の精度劣化は、これまでの経験則によると、油圧ショベル本体の3次元位置座標を計測している衛星測位（GNSS）に関わる問題、あるいは入力した寸法値に関わる問題が多いため、覚えておくと役立つと思います。

油圧ショベルMC/MGがトラブル発生で使用できない場合の対応策

建設現場に導入した油圧ショベルMC/MGが突然のトラブルで使用できなくなった場合の対応として、建設現場に準備するべきと考えるICTに、出来形管理用TSがあります。
この出来形管理用TSは、油圧ショベルMC/MGと同様に、2次元図面に記載されたデータを用いて基本設計データを作成することで、効率的な出来形観測が可能になるだけでなく、測設（丁張設置、路線測設など）が支援されます。
このため、出来形管理用TSは、出来形測量・管理だけでなく、油圧ショベルMC/MGにトラブルが発生した際のバックアップ手段として丁張り設置にも活用できます。

油圧ショベルMC/MGによる施工範囲の出来形管理・検査

更なるi-Construction推進のために、2021年以降、ICT等に関係する基準要領等が制・改定されています。^※5、※6　このうち、出来形管理について制・改定された「３次元計測技術を用いた出来形管理要領（案）」^※7があります。

※5　 i-Construction推進のための基準要領等の制・改定について
※6　ICTの全面的な活用
※7　３次元計測技術を用いた出来形管理要領（案）

この出来形管理要領内で、「断面管理」と「面管理」の2つの管理手法が認められています。まず、「断面管理」は、横断図として示されている、平面線形に直交する断面に指定される「幅（寸法）」、「長さ（寸法）」、「標高」の設計値と、出来形計測した「幅」、「長さ」、「標高」の実測値を比較し、出来形の良否を特定の横断面で判定する従来の管理手法です。
先程説明しました出来形管理用TSは、この「断面管理」で使用可能なICTになります。

一方、「面管理」とは、出来形管理の計測範囲内で指定された点密度が確保できる3次元計測技術による出来形測量を行い、３次元設計データと計測した各ポイントとの離れを算出し、出来形の良否を面的に判定する管理手法です。

建設現場への導入実績が増えている空中写真測量（UAV）、地上型レーザースキャナー（TLS）を用いた多点測量が「面管理」で使用可能なICTになります。このため、油圧ショベルMCで施工した範囲は、「断面管理」と「面管理」のどちらかを選択して、出来形管理を実施することになります。
また、実地検査では、出来形管理用ＴＳなどを用いて、現地で検査員が指定した箇所について「断面管理」での検査を行うこととなっている。ただし、「断面管理」での検査は「面管理」の出来形帳票作成ソフトウェアの機能要求仕様書が配出されて、計測データの改ざん防止や信憑性の確認可能なソフトウェアが現場導入されるまでの期間とされています。

まとめ

まとめますと、このコラムでは、建設現場に油圧ショベルのMC導入後に役立つ油圧ショベルのMC基礎知識を紹介しました。ICTとデータを活用した施工、施工管理・検査手段の実施は、見た目に分かりやすかったこれまでの施工、施工管理・検査手段とは隔たりが大きいですが、建設業の働き方改革、建設施工の生産性向上、建設現場の業務改善を達成するためには、有効な手段だと考えます。
そして、このコラムが建設現場の働き方改革に向けたきっかけとなり、建設現場で働く皆さんが、同じに目標に向かい、皆さんの個性を生かしたi-Constructionの取り組みに、少しでも貢献できれば幸いです。これと同様に、i-Construction関連商品・ソリューションの販売・サポート全般を行っているサイテックジャパンは、更なるICTの利活用を支援するため、ICT製品の使い方などの情報をホームページで今後も積極的に公開していきます。