[營建知訊轉載] 綠建築結合BIM 開創可能性 謝尚賢 (2014.10)

謝尚賢 國立臺灣大學 土木工程學系教授兼工程資訊模擬與管理研究中心主任

永續發展 必須面對課題

自從上個世紀 60 及 70 年代發生環境污染與能源危機後，永續發展（Sustainable development）概念就已經被提出。但一直到了最近十年，氣候變遷現象（例如全球暖化、極端氣候、都市熱島效應等等）加劇，在全球造成許多災害，永續發展（包括大家耳熟能詳的節能減碳）才成為全世界不得不共同面對的重要議題。

綠建築是人類在居住方面，朝向永續發展的努力之一，期望在建築物全生命週期中，不管是最終的建築物成品或營建過程，都要能兼顧資源使用效率與對環境的責任。經過多年發展，今日的綠建築已不只是一般人直覺以為的僅專注在節能與綠化上，而是包含「生態、節能、減廢、健康」等多面向的努力，在人類住的需求與環境永續發展間尋求平衡，並致力於以下列手段減少人造環境（Built environment）對人類健康與自然環境的整體衝擊[1]：

​•有效率地使用能源、水及其他資源
•保護人類健康及改善工作生產力
•降低廢棄物量、污染及環境惡化

訂立綠建築指標 全球風行

為了推廣綠建築，並幫助大眾瞭解人類針對建築物在永續發展所做的努力，不同的國家與地區多已發展出考量自身價值、文化、環境條件的綠建築認證系統（Green building certification system），如美加地區的 LEED、英國的 BREEAM、德國的 DGNB、日本的 CASBEE、中國的 GBAS 系統。而台灣也於 1999 年建立起自己的 EEWH 系統，在生態（Ecology）、節能（Energy Saving）、減廢（Waste Reduction）與健康（Health）四個面向上以九項指標來評估一棟建築物的綠建築表現：生物多樣化、綠化、基地保水、水資源、污水與垃圾改善、日常節能、二氧化碳減量、廢棄物減量及室內健康與環境等指標。然後根據建築物在這些指標上之得分，將綠建築分成五個等級：合格級、銅級、銀級、黃金級及鑽石級。此外，政府在建築相關法規（例如，建築技術規則）中，也訂定有綠建築標章或相關條款，並對公共建築需達到的綠建築等級有一定要求。

從建築設計與營造的角度來看，要讓一棟建築物達到一定的綠建築等級，需要業主、建築師及工程師在設計與施工階段，更緊密的合作。尤其是在規劃與初步設計階段，就必須根據所設定的綠建築等級，做好各項相關指標的分析評估與設計模擬工作，以擬定有效的「生態、節能、減廢與健康」策略及選擇合適的綠建築設計方案。BIM（Building Information Modeling）是近年來建築、土木與營造工程領域快速發展的技術，善用數位化模型建構、管理與應用，於虛擬數位空間對工程生命週期各階段作業進行擬真模擬，以便能更早地掌握並解決工程實際執行時可能遇到的問題，及更積極地整合工程生命週期的各項作業，當然就能有效地降低成本與錯誤，並掌握工程的成果、品質、效率與安全。因此，應用 BIM技術對於綠建築的規劃、設計，乃至於施工及後續營運維護，都有很大的幫助與效益，於是就有人提出 Green BIM 概念[2]，強調 BIM 技術對綠建築的設計及營造有所貢獻[3]。

設計與建造 應用BIM於九大指標

以下就 EEWH 九項指標，參考文獻[4]中對指標之說明，針對不同的綠建築面向，簡單地談談 BIM 可如何協助建築師及工程師達成綠建築的設計與建造：
 
生態面向上的生物多樣性、綠化、基地保水等三指標：
在生物多樣化指標（包括社區綠網系統、表土保存技術、生態水池、生態水域、生態邊坡/生態圍籬設計和多孔隙環境）上，因為與建築物模型間之關連較弱，BIM技術的應用主要是以3D視覺化來協助生態環境之設計方案評估；在基地保水指標（包括透水鋪面、景觀貯留滲透水池、貯留滲透空地、滲透井與滲透管、人工地盤貯留）上，則可以應用 3D BIM 模型，搭配套裝或自行開發之軟體工具，以協助設計所需之計算分析與規範檢討，及模擬施工方法與過程。在綠化指標（包括生態綠化、牆面綠化、牆面綠化澆灌、人工地盤綠化技術、綠化防排水技術和綠化防風技術）上，BIM 技術則能提供視覺化且互動式的輔助設計與規範檢討（例如[5]）。
 
節能面向上的日常節能指標：
建築節能上的設計與分析，因牽涉到建築方位、物件與空間之安排，例如：開口率、外遮陽、開口部玻璃及其材質、外殼構造和材料、屋頂構造與材料、帷幕牆、風向與氣流之運用、空調與冷卻系統之運用、能源與光源之管理運用，以及太陽能之運用等。3D BIM 模型的應用，大大地提升建築物節能分析與設計的效率與品質，因此可說是 BIM 在綠建築領域最主要的應用領域。目前已有許多商業套裝軟體（例如 Autodesk Ecotect Analysis）及一些免費能源分析模擬軟體（例如：美國能源部的 EnergyPlus），可與 BIM 模型搭配運用，來對具有節能元件（例如：綠牆、綠屋頂、太陽能板或其他被動式節能元件）或設施（主動式節能控制裝置）的建築進行不同詳細程度的分析。此部份的工具與技術已越來越成熟，不過分析的困難在於模擬節能元件及設施，尤其是相關模擬參數的決定。另外，此類分析的複雜度與計算量通常不低，且目前也還沒有足夠的實際或實驗案例，能夠驗證能源分析模型與工具在不同情境下的精確度。這些都是未來還需要繼續努力之處。
 
減廢面向上的二氧化碳及廢棄物減量二指標：
在二氧化碳減量（包括簡樸的建築造型與室內裝修、合理的結構系統、結構輕量化與木構造）上，BIM 模型除可供視覺化的設計檢討，也有建築元件的數量與相關屬性資料，來協助評估計算碳足跡；而在廢棄物減量（再生建材利用、土方平衡、營建自動化、乾式隔間、整體衛浴、營建空氣污染防制）上，對於基地所需的挖填方計算，也能透過 3D 模型提供較 2D 工程圖更準確的估算，而有利土方平衡。且在施工階段應用 BIM 模型，更能因精確計算工程材料之數量而降低超量備料，以及因物件尺寸計算更精準而減少邊角料之廢棄量。


健康面向上的室內健康與環境、水資源、污水垃圾改善等三指標：
在室內健康與環境指標（包括室內污染控制、室內空氣淨化、生態塗料與生態接著劑、生態建材、預防壁體結露/白華、地面與地下室防潮、噪音防制與振動音防制）上，BIM 可搭配計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱 CFD）軟體進行室內通風與空氣品質模擬，及搭配聲場分析軟體工具以模擬聲音傳播；在水資源指標（包括省水器材、中水利用計畫、雨水再利用與植栽澆灌節水）上，BIM 的管線設計技術，也能與管流分析模擬軟體搭配，以供設計水的回收循環再利用系統；在污水與垃圾改善指標（包括雨污水分流、垃圾集中場改善、生態濕地污水處裡）上，BIM 的 3D 視覺化優勢，則可於設計階段考量相關指標的要求，及利於檢討設計成果。

未來發展 趨向性能式規範
如前所述，BIM 技術能在許多方面對綠建築的設計與建造有所助益，但因目前綠建築設計規範與認證指標系統中的檢核方式與標準還多是採處方式的說明（Prescriptive），較難讓 BIM 技術的優點有效地完全發揮。然而，從處方式的規範逐漸朝向性能式（Performance-based）規範的發展趨勢已越來越明顯，將來 BIM技術的應用勢必成為綠建築的設計與建造中不可或缺的一環。

參考文獻
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1. Wikipedia (2014). “Green Building,” http://en.wikipedia.org/wiki/Green_building, Accessed on October 15, 2014. 
2. E. Krygiel and B. Nies (2008). Green BIM - Successful Sustainable Design with Building Information Modeling, Sybex, ISBN: 978-0470239605.
3. McGraw-Hill Construction (2010). Green BIM - How Building Information Modeling is Contributing to Green Design and Construction, McGraw-Hill SmartMarket Report, McGraw-Hill Construction.
4. 邦集團(2014)，"綠建築九大指標"，http://www.fubonland.com.tw/b/B1.html, Accessed on October 15, 2014.
5. 陳以文(2013)，"應用BIM模型之法則式綠建築設計輔助系統之研發"，碩士論文，國立臺灣大學土木工程學系。

(本篇刊載於營建知訊381期第63-66頁)