[營建知訊轉載] BIM應用於建管行政之發展現況簡介 郭榮欽 (2013.11)

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


政府的建築管理行政作業隨著都市發展的程度而愈趨複雜，而建築工程又是龐大資金的活動，工程從規劃設計到施工營運，牽涉到的各層專業人員、材料、業務，都相當龐雜，且環環相扣，牽一髮動全身，當事者(即所有各環節的利益關係者)身歷其中，常會產生來自各種可能因素的壓力，人們即常因這些龐雜的事務和過大的壓力而造成失誤或怠忽，這些情況是否可能因資訊技術的更多介入而有所改善是值得探討的。建築管理作業在人類聚居的社會裡，是個必要的程序，從多方蒐集的資訊來看，國際上大多數的國家都一樣，我國在這方面的制度，從民國四十年左右至今，改進的幅度相當大，近年成功地將技術與行政分工負責，可謂已達相當完善的地步[1]。十多年前，因應電腦製圖與文書處理作業的資訊化演變，所有建管系統即陸續改成數位化、電腦化，甚至網路化，這似乎是很自然的變革。爾今，BIM在全世界建築產業正掀起一波廣泛的討論與熱烈發展中，BIM技術在幾年後隨著ICT技術持續深化的進步下，也會逐漸取代許多傳統的工程作業，包括圖文資訊載體與作業程序、營運模式等。雖然建築管理作業應不必急於在業界尚未成熟與普及之際正式引進行政流程，但政府與業界仍有必要開始瞭解與探討因應之策，才不至於增加許多無謂的成本，及在作業流程、資訊格式與資訊處理上形成不易統一的局面。
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一、國外發展現況
BIM應用在建管法規檢測方面可以從國內外近年發展的情況來瞭解，國外相關的研發活動，搭配相關軟硬體發展的歷史，可以從2013/05/12紐西蘭Johannes Dimyadi所整理的圖表[2]看出國際上在此技術方面努力的情況(如圖1)，圖中紅色垂直虛線為2002年BIM術語的出現，之後，以BIM為基礎的自動化建築法規檢測技術即蓬勃發展，例如挪威的EDM Server 與 EDM Model Checker、芬蘭的Solibri Model Checker、新加坡的CORENET e-PlanCheck、澳洲的DesignCheck等。美國GSA(聯邦總務署)的空間檢測計畫、ICC(國際法規會)的SMARTCode計畫等，都是持續在努力的計畫之一，2011年起以FIATECH 的AutoCodes大型計畫最受矚目，該計畫第一階段的可行性研究已經在2012年底提出期末報告，旋即推動第二階段，目前正在進行中，該計畫號稱要將檢測時間從60分鐘降低到60秒，是個值得期盼的計畫。

圖1 國際上法規檢測相關研究年表(本文作者參考[2]重繪)

2011年，喬治亞理工學院Eastman教授指導的一位韓國博士生 - Jin Kook Lee在其博士論文：「Building Environment Rule and Analysis (BERA) Language-And its Application for Evaluating Building Circulation and Spatial Program」[3](建築環境法規和分析(BERA)語言-及其評估建築環境與空間規劃的應用)，提到建築法規審查模式的演進是從傳統的人工2D審查，進到目前的3D BIM模型輔助審查，將來會演進到互動式語言驅動審查(如圖2)，他藉SMC的模型瀏覽介面(如圖3)，展示其BERA語言的案例實作成果。

圖2 建築法規審查模式演進略圖(本文作者參考[3]重繪)

圖3 BERA語言工具在SMC平台上展示BIM模型[3]

美國佛羅里達大學的Nawari在2012年發表「Automated Code Checking in BIM Environment」論文[4]中，試圖以數學的一階邏輯量化理論來分析建築法規，用「物件(Objects)」、「關係(Relations)」、「功能(Functions)」三種元素解構建築結構的相關法規。例如：
1.物件：基礎，柱，桁架，...等。
2.關係：深，圓形，方形，大於，部分之間，...等。
3.功能：最大撓度，最大剪力，等。
然後再將解構後的建築法規轉成XML格式，再配合XML BIM模型及整合式查詢語言(LINQ)進行自動化法規檢測。其建議的檢測流程框架如圖4所示。

圖4 Automated Code Checking新建議框架[4]

二、國內的發展現況
國內方面則在學術界及地方政府、業界都有相關的研發活動。2008年交通大學洪士林教授指導的碩士生周承禹發表「應用 IFC 於規範自動審查系統-RC 柱構件之研究」碩士論文，應用BIM模型匯出之IFC檔案，用IFCEngine DLL&OCX 內的API擷取 IFC 檔案內物件的資料，與寫在程式中的規範條件做比對進行審核。
2011年與2012年成功大學馮重偉教授指導兩篇以BIM為基礎之建築設計審查系統為主題的研究，王政揚之「以 BIM 為基礎建構建築設計審查輔助系統之適用分析」研究，透過系統化的解析程序，將法規轉化成符合審查作業程序之標準資料屬性架構，作為後續開發建築設計審查模式之基礎；進一步則在現有IFC/BIM 的基礎上，延伸現有IFC標準資料格式，透過建物圖形元件充分描述建築審查所需資訊內容，以作為後續建築審查資訊之可靠來源；最後再以案例驗證之模式與所提出之審查流程的可行性。研究生黃家偉於2012年發表「以BIM為基礎建構建築設計審查輔助系統-分析與實作」碩士論文，主要透過分析國外發展以BIM為基礎之法規自動檢核過程並考慮國內檢核環境，建立適合於國內法規環境的自動檢核架構，並依據在研究中所建立之架構進行初步實作與實驗，分析國內檢核法規之判斷資訊、撰寫自動檢核程式，進行探討BIM架構下之法規自動檢核是否適用於現今之國內建築設計法規。
以上兩篇研究，重點在試圖將建築技術規則轉化成電腦可讀及可運算的程式，這應該是未來我國在此議題的研究重點之一，甚為重要。台大土木在2012年謝尚賢教授指導碩士生南方英的：「電腦輔助建築量體設計之方法」，嘗試將土地使用分區管制條件預存於資料庫，輔助設計者在概念設計初期，自動能產出符合法規之限制量體(如圖5)，進一步，可以讓建築師快速產出多個合乎法規的簡易概念量體，並從中選出業主滿意的設計[5]。

圖5預設計量體超出限建空間的自動警示[5]

業界方面，國內林煒郁、黃德倫兩位建築師以其專業執業與實際擔任多年之政府建管部門審照經驗，開發以BIM為基礎之在地化建照法規檢討系統，系統運作流程如圖6所示，是一套由建築師寫給建築師/事務所使用之專業軟體[6]。

圖6 BIM在地化建照法規檢討（BIMWASON）系統流程略圖[6]

地方政府則以台北市政府及新北市政府最為積極，台北市政府率全台之先，2010年即開始委託進行可行性研究，2013年的延續計畫，主旨大致包括以下三項：
(一)、建立無紙化業務流程。
(二)、調整原有建管資訊系統基礎架構，考慮未來與BIM作業之銜接。
(三)、挑選部份指標性建管法規，實作BIM為基礎之自動化法規檢測系統。
而新北市採取「做中學」的務實策略，在2012年委外進行BIM導入工程實務管理以及輔助建管審照之研發計畫，目前正在進行的工作大致分為：
(一)、配合進行中之運動中心新建工程，實作BIM輔助工程管理查驗作業。
(二)、以運動中心工程請照作業為案例，實作BIM導入自動審圖作業之系統研發。
(三)、研發上述二項之整合作業平台。
三、以BIM為基礎之自動化建築法規檢測的架構
從以上許多國內外有關以BIM為基礎之自動化建築法規檢測的文獻中，初步可以將整個檢測機制歸納出四大要素，這四大要素即形成以BIM為基礎之自動化建築法規檢測系統的基礎架構。這四大要素就是Eastman在2009年所發表論文：「Automatic rule-based checking of building designs」中的四個功能類別(如圖7)[7]：
(一)、準備模型(Building model preparation)
進行法規檢測時，被檢測模型必須配合能檢測的映對資料，而針對物件使用的命名，又通常具有一定的法令術語規定。因此，在建置模型的階段，必要有一定的規範，以引導設計者可以設計出符合法規驗證的模型出來。因此，提供此預先內置有針對法規所需屬性命名標準的樣板檔案，是滿足建置可供檢測之模型的準備要件之一。另外，如何確保準備模型的資料品質亦為重要的議題之一。
(二)、法規解譯(Rule interpretation)
如果用「裏應外合」的成語來形容「準備模型」及「法規解譯」間的關係，則「裏應」就是「準備模型」，而「外合」就是「法規解譯」。「法規解譯」本身結合了建築法規專業領域的知識，以及程式設計的資訊技術，缺一不可，尤其以建築法規專業領域的知識最為首要，而資訊技術應該為輔。目前此部分大致有兩種做法，一是經由程式設計師直接將法規利用一般的程式語言寫成一個個程式模組。二是這些以人類語法邏輯所描述的法規，使用一種正規化發展出來的方法予以轉譯，然後再轉換為可執行的程式語言。第一種方法由於程式設計人員大都不是建築法規專家，對法規的認知易生誤差。而第二種發展一個正規化的方法，由業界法規專家對法規的邏輯進行階段式的解譯，使法規變成較具邏輯推演的描述，再交由程式人員進行軟體法規的實作，應是一個較為可行的方法。
在法規與法規轉化的過程中，一階謂詞邏輯(First-Order Logic)可能是一個可行的邏輯描述方式之一，在邏輯上，「謂詞」是一個定義明確的術語(或功能)，較容易產出明確的需求定義，而且較容易轉換成標準的程式語法。而在處理上，法規轉換主要處理兩種要素：a.法規的條件與內容，及b.法規作用的屬性，而這些都是與物件的名稱與屬性息息相關，Solibri將前者內化為規則集，而將後者設計成參數化表格供輸入來進行檢測。就長遠而言，下列兩種不同的語言發展形式應該可以被考慮：1.以謂詞邏輯為基礎，經由謂詞邏輯將法規與法規先行轉譯成謂詞邏輯描述，再轉換為可執行的程式碼；2.發展領域導向的程式語言(Rule-based)，讓法規可以簡單的被定義與實作測試，如BERA語言。
(三)、法規檢測(Rule execution)
前兩項基本要素備妥後，即可進行檢測運算，此階段重點在執行過程的管理，例如在正式進行法規檢測之前，需要先對受檢模型進行語法檢查(syntactic checking)，以確定建築模型帶有必要的屬性、名稱、所需的物件等，無論是整套的檢測任務，或可能是對映檢查規則集的一部分之局限型模型視域，皆需先做檢查。另外a.法規檢測完整性，及b.模型版本一致性的管理，也是此階段的重點工作。
(四)、輸出結果(Rule reporting)
檢測結果的輸出，目前以Solibri Model Checker的做法較具代表性，就是包括a.法規實作圖形化報告(Rule instance graphical reporting)，及b.對照法規條文(Reference to source rule)。將來應該可以考慮更積極的做法，即將牴觸法規的部分能自動回饋成模型視域修正的建議，直接幫助建築師調整設計，更省時間。
圖7法規檢測系統應支持的四個功能類別(本文作者參考[7]重繪)
 
四、對國內發展的建議
以BIM為基礎的自動化建築法規檢測技術，可以涵蓋建築物生命週期的許多不同階段與不同專業領域的需求，而不單單只限於建管執照審查的面向而已；若以此視野來看，此項技術在我國建築產業發展BIM應用的過程中，應可擔負更積極的輔助角色，在設計階段或施工階段，甚至營運維護階段，皆可應用此技術，針對特定的建築法規，包括土地使用分區管制、綠建築設計專章檢討、無障礙空間、防火逃生規定、施工安全措施檢討等等，研發對映之模型視域的檢測系統，不但可進行前置模擬之法規檢測，亦可供政府部門進行後置防誤(或防弊)的審查之用。
另外更為有效的是，部分建築法規可以考慮以建模工具之API開發Add-in的輔助小工具，直接在建模同時，如同Office Word的拼字檢查一般，同步偵測模型元件置入後與其他既有元件互制後的適法性問題，例如樓梯與樓板或梁之間互制之淨高的檢討等，這些只適應我國建築規範，而建模工具卻沒有考慮到之當地法規需求的小細節整理起來應該不少，相當值得國內專家一起努力來研發補強。當然，所有涉及法規檢測的開發成果是否合格而公開可用，仍需政府進行驗證把關。
五、參考文獻
[1]郭榮欽，謝尚賢，2013，”BIM導入建築管理行政作業法規調查研究_期末報告”，內政部建築研究所，台北市。
[2] Johannes Dimyadi, Robert Amor, 2013,”Automated Building Code Compliance Checking -- Where is it at?”, 2013/05/12, University of Auckland
[3] Jin Kook Lee, 2011, “Building Environment Rule and Analysis (BERA) Language-And its Application for Evaluating Building Circulation and Spatial Program”, Georgia Institute of Technology
[4] Nawari O. Nawari, 2012, “Automated Code Checking in BIM Environment”, 14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering, Moscow, Russia, 27-29 June 2012
[5]南方英，謝尚賢，2012，” 電腦輔助建築量體設計之方法”，臺大土木碩士論文。
[6]黃德倫，2013，”BIM實務經驗交流分享-審照系統使用初探”，黃德倫建築師事務所，簡報。
[7] C. Eastman, Jae-min Lee, Yeon-suk Jeong, Jin-kook Lee, 2009 , “Automatic rule-based checking of building designs”, College of Architecture, Georgia Institute of Technology, United States
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(本篇刊載於營建知訊370期)