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BIM技術與公共工程

郭榮欽 / 國立臺灣大學土木工程學系工程資訊模擬與管理研究中心執行長

謝尚賢 / 國立臺灣大學土木工程學系教授暨工程資訊模擬與管理研究中心主任

早在約二十年前,航空、機械、與製造業便開始了一波應用電腦3D技術於產品設計、分析與製造之產業革命,至今已發展得相當成熟,應用也十分普遍。營建產業則因產業特性之不同,在3D產品資訊模型及其相關應用軟體工具的發展與應用上,雖也持續地有些進展,但速度相對地較為遲緩。近年來,由於3D遊戲與電影的蓬勃發展,吸引許多資金投入虛擬空間的擬真或混真模擬技術與軟體工具的研發,使得技術與工具又更加成熟,加上現在許多建築設施的造型與空間安排之複雜度已達到了不使用3D模擬技術則難以設計與施工的地步,還有為了達到節能減碳與永續發展上的要求,也必須使用3D模型來進行分析設計才能達成。因此近年來,以3D建築資訊模型為核心的BIM(Building Information Modeling)技術之發展與應用,在營建產業已蔚成一股不可忽視的趨勢,甚至在許多歐美先進國家,BIM技術已成為競爭力的基本門檻,並已漸納入政府公共工程的要求中,十分值得臺灣營建產業重視。本文先簡介BIM技術,再淺談其對公共工程之影響。

一、何謂BIM?

圖

BIM是Building Information Modeling的縮寫,指的是在營建設施(包括如建築物、橋梁、道路、隧道等)的生命週期中,創建與維護營建設施產品數位資訊及其工程應用的技術。換一個較容易想像與理解的方式來說,BIM技術就是一個在電腦虛擬空間中模擬真實工程作為,以協助營建生命週期規劃、設計、施工、營運、維護工作中之各項管理與工程作業之新技術、新方法與新概念(而不是常被誤解的新工具)。BIM強調工程(包括建築、土木、水利、河海等各類工程)的生命週期資訊集結與永續性運用、3D視覺化的呈現與跨專業跨階段的協同作業、幾何與非幾何資訊的繫結、靜態與動態過程資訊的即時掌握、微觀與巨觀空間資訊的整合等。以上之BIM技術特質對公共工程的品質提昇、減少錯誤變更的成本浪費、有效縮短工期、跨專業整合與溝通界面管理等成效,國內外都已經有許多成功案例與輝煌成果。而整個BIM技術運用仍在持續而快速發展與進步中。

BIM術語,因不同使用時機與目的,通常包含三種定義:

1. 指一個『產品』 - 也就是描述一個建築物的數位化3D模型,亦是涵蓋其「形」與「意」之結構化的資料集,故可稱:建築資訊模型。

2. 指一項『活動』 - 也就是建置與管理一個建築資訊模型的行為,可稱為:建築資訊建模。

3. 指一套『系統』 - BIM本身具有系統化集體運作過程的內涵,營建業若導入BIM,就彷彿自然地在執行一套新的商務系統模式,所以,可用: 建築資訊管理稱呼它。

二、BIM相關技術的發展

自從物件導向理論與技術在資訊科技領域中的逐漸萌芽與發展,歐美開始用此技術來描述產品生命週期的資訊,建構產品資料模型,含創建、組構、使用、維護等的資訊掌握與傳輸、交換等應用。此技術首先在航空、機械、與製造業開花結果,逐漸擴展到營建業。長期研究建築物資訊模型技術的美國喬治亞理工學院的查爾斯伊士曼(Charles Eastman)教授,在"Building Product Models"書中,即詳細介紹建築物的元件資訊模型組構原理,揭開Building Information Model (簡稱BIM)術語概念啟用的先河。2002年,Autodesk公司開始使用Building Information Modeling來闡述該公司AEC(Architecture, Engineering, and Construction)相關產品的功能設計理念,加上營建產業分析師 – 傑里萊瑟靈(Jerry Laiserin)積極撰文推薦,促成許多3D工具軟體大廠,如Tekla、Bentley Systems和Graphisoft等的跟進,紛紛進入追求理想BIM技術工具的競逐中。

有了日益成熟好用的工具,加上發展多年的產品生命週期資訊管理與應用的理論基礎,再經過許多營建案例的成功應用,近年來的BIM技術發展與應用可說是蓬勃發展且突飛猛進。目前BIM相關技術的發展大致上可以分為資訊交換標準、建模技術、與模型運作技術三個方面:

(一)、資訊交換標準:

BIM工具軟體間有時需進行模型檔案的轉換與整合,其資訊交換的標準較常見的有IFC(Industry Foundation Class)標準,專供建築規劃、設計、施工以及管理的資訊交換。另一個則是CIS/2標準 (CIMsteel—整合性標準-版本2),用於結構鋼設計和製造。這兩個標準都有描述產品幾何、元件相關性、整合施作流程和材料、性能、元件製造和其他屬性。

(二)、建模技術:

最為著名的有Autodesk的Revit系列及Bentley的Microstation與Projectwise、Graphisoft的ArchiCAD、及Tekla等;它們都有類似「參數設變引擎」(Parametric Change Engine,此名稱取自Autodesk Revit)的技術,使空間相關元件資訊能智慧式互動調整,幾何元件所繫結的屬性資料,背後也都有獨立的資料庫處理引擎,管理龐雜的模型資訊。

(三)、模型運作技術:

BIM技術含蓋工程生命週期的「形」(幾何資訊)與「意」(非幾何資訊)的所有資訊管理與運用,模型的呈現效能、屬性資料的集結與運作等都牽動著BIM技術運作的優劣。目前BIM的運作技術多數聚焦在3D視覺化的軟硬體效能提昇、空間與時程衝突分析檢核、雲端服務的提供與應用、跨專業協同作業及跨階段間的整合交付等。

三、BIM技術能消除公共工程常見的障礙

BIM技術能幫助營建業解決許多目前作業方式所遭遇之困境,以下僅舉兩個對公共工程的好處給大家參考:

(一)、BIM能彌補2D視圖擬真程度的不足

以2D平面視圖來表達建築物實體,會有許多的簡化與漏失,簡化的結果造成許多盲點的猜測與爭議、而漏失與誤判造成公共工程施作的變更損失與工期延宕。BIM的3D建模能使工程圖說更加清明精細,促使公共工程設計與施工的早期溝通順暢,降低施工後期慢慢由實體浮現的認知落差,造成無謂的設計變更損失。

(二)、BIM能減少工程資訊交換界面

設計者靠傳統的圖文媒體表達完整設計構思,若公共工程在同時間同一空間,相關的工種太多,協調溝通會複雜易錯,不同工種所持的圖文依據也容易產生版本不一或空間互斥,排程不順等現象。BIM的3D模型及其衍生的2D施工詳圖,或繫結的施工說明文件,都能以BIM之參數設變引擎的機制,緊扣在一起,變更時能同步調動,大幅減少工程資訊再製與交換的界面。另外,BIM資訊整合之協同作業平台就是消除工程不同階段與不同工種間太多資訊不同步之缺點的利器,使公共工程的縱向資訊傳遞與橫向連繫溝通都能暢行無阻。

四、BIM 對公共工程的影響與展望

資訊時代是持續以資訊技術進行對現實世界不斷深化的擬真過程;目的在破除舊環境不得已的簡化與多餘的交換界面、資訊重複建置的浪費等;應用電腦高速運算及網際網路傳輸無遠弗屆的特質,讓「形」與「意」的擬真效果更接近實境,並能跨越時空,更精準而接近同步地即時掌握實體的運作,將該實體的靜動態資訊發揮到整個生命週期充分共享之極致。BIM技術正是實現對建築物(或工程結構物)實體的生命週期所有靜動態資訊,以盡可能做到和實體同步運作,做全面性的精確掌控與充分共享的利器。

目前一些歐美先進國家的政府單位已開始或已規劃在3-5年內,於其國內工程中採用BIM技術,尤其以美國最為積極,並推動相關國家標準之訂定,例如,名為NBIMS (National BIM Standards)的國家標準,已進入第二版之修訂。在亞洲,韓國與中國的政府亦有類似的規劃,鼓勵國內工程界採用,例如中國的住房和城鄉建設部在今年(2011年)5月所頒佈的《2011-2015年建築業資訊化發展綱要》中,便特別強調要推廣BIM。在國內,台北市政府建管單位亦委外進行以BIM技術導入建管自動審圖之可行性研究,而台北市捷運局亦決定在新的工程專案正式規定採取BIM技術輔助工程的推動。

國際營建產業之專業人士普遍有一共識,認為BIM技術的發展對營建產業的商務模式與產業文化會有深遠的影響,而持續發展的結果,業主會是明顯的實質受益者。政府是公共工程的最大業主,我國公共工程若能積極導入BIM技術,對政府在公共工程的品質要求、進度掌控、成本降低、以及永續發展方面,都應會有極大的助益。

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