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[營建知訊轉載]從2019 ISARC看營建自動化發展方向 郭韋良、董自然、謝尚賢 (2019.6)

6/30/2019

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郭韋良  國立臺灣大學 土木工程學系博士生
董自然  國立臺灣大學 土木工程學系專案經理
謝尚賢 國立臺灣大學 土木工程學系教授兼系主任

 
 
2019年5月,臺大BIM研究中心主任謝尚賢教授帶領學生出訪加拿大參加由阿爾伯塔大學(University of Alberta)主辦之「營建自動化與機器人國際研討會」(International Symposium on Automation and Robotics in Construction;ISARC 2019),在營建資訊的自動化與機器人應用上進行深入的觀察。本次ISARC與 「Modular and Offsite Construction(MOC)Summit」,以及「International Conference on Construction and Real Estate Management」(ICCREM)共同舉辦,參加人數眾多,包括許多國際學者專家,而來自台灣的出席者也不在少數(圖一)。
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​圖一 來自台灣的出席者合影
​2019 ISARC在班夫(Banff)舉辦,會議日期自5月21日至5月24日,為期4天。議題的內容包括:
  1. Information Modeling(資訊塑模)
  2. Automation and Robotics(機器人與自動化)
  3. Data Sensing, Computing, and Visualization(視覺化、感測數據與計算)
  4. Education(教育)
  5. Human Resources and Environment(人力資源與環境)
  6. Lean,Logistics,Prefabrication,and Modularization(精簡營建、物流、預鑄與模組化)
 
營建自動化

本次研討會主軸為「Industry 4.0 for Resilient Urbanization」(工業4.0的韌性城市),會議發表包含許多目前討論度極高的議題,像是無人飛行載具技術、無人地面載具技術 ,機器人技術,機器人路徑規劃等。而這些領域的發展則應用於工地的管理監控,或是藉此發展智慧工地,例如將這些技術應用於網路訊號不足的施工現場裡,輔助人員定位或傳遞資訊。

▓提升無人飛行載具(UAV)耐用性
2019 ISARC的發表題目中共有7篇論文是關於UAV(無人飛行載具)技術的探討,令人印象最深刻的是由Narumi所發表的研究[1],主要是介紹如何設計專門用於室內工地現場的UAV、提高UAV的安全性,並透過裝置將影像回傳於管理畫面。此外,由於UAV通常是於戶外使用,極少會在建築物內飛行,因此必須克服許多技術問題,像是如何閃避施工現場的障礙物,或是防摔機制。Narumi所設計的UAV以氣球為主體骨架,藉此作為摔落與碰撞的防衛機制,並以多旋翼UAV來進行測試,測試結果發現,此設計可有效減少UAV損害程度,且透過於室內工地現場使用UAV,可提高現場巡檢的效率,同時減少人員受傷與時間耗損機率。
 
模組化預鑄工程─營建業的未來升級

提到模組化預鑄工程,目前美加地區主要運用材料以木材為主,已長久發展木構造建物,近年更致力於材料研究,改良後的工程木材可提升硬度、防火、防蛀功能且可塑性高,同時兼具木材的低碳、輕量化優點,能有效降低能源消耗,在預鑄工程的運用上大有裨益;透過在工廠內預鑄、預先製作建物的方式,將工地內的施工期縮短,甚至在建物生命週期結束後,還可保留可拆解與彈性運用的特性,於歐美地區及香港等地已有不少案例。針對模組化工程及木構造營建,2019 ISARC也有相關討論與研究如下,是相當值得關注的面向:

一、模擬工程木材於預鑄工程應用
來自俄勒岡大學的Bahar Abiri等人[2],針對模組化營造的應用,提出了模擬創新工程木材「縱橫多層次實木結構積材」(Cross Laminated Timber, CLT)在預鑄過程中的限制,並以實際案例進行測試,以期未來用以優化CLT在預鑄工程中的應用,並協助進行決策。

二、橋
梁預鑄工程優化分析 橋梁工程的預鑄也是討論議題之一,University of Nevada, Las Vegas的Elina Prajapati等人[3]針對橋梁工程加速的技術(Accelerated bridge construction,ABC)執行,分析61個不同執行計畫中的優缺點,用以優化橋梁預鑄工程,以達成對業主、承包商以及用路人三贏的結果。

三、預鑄工程於經濟層面帶來的影響
Edinburgh Napier University的Tsvetomila Duncheva等人則分享了預鑄模組化營造在經濟層面的影響[4],營建產業的技術以及效率提升程度,相對於其他工業而言可說是處於停滯狀態,甚至稍有倒退的趨勢,產業中的創新不足實為一大原因,而該研究提出一個幫助投資者及業主評估模組化營造的工具,在未來技術革新的發展中,讓握有實權進行革新者能更有效了解新技術的益處。

整體而言,預鑄工程已是未來不可小覷的趨勢之一,而木構造在其中亦扮演著重要角色;反觀臺灣,因囿於建築技術及法規的限制,目前仍以鋼筋混凝土為建材大宗,其能耗以及對環境所造成的衝擊皆十分可觀,也還不容易在建築生命週期結束後再進行循環利用。經過工程木材的創新與改良,木構造在耗能、資源運用以及抗震防火上,都已有相當優異的表現。而木構造在臺灣能否獲得使用上的突破,或許也將是臺灣營建產業能否創新的重要環節之一。然而,在技術成功引進運用前,若大環境仍有諸多限制,加上業者觀念如未能及時更新,產業的升級與創新恐怕也是困難重重。
 
建築資訊塑模(BIM)

2019 ISARC約有30篇與建築資訊塑模(Building Information Modeling, BIM)相關的研究。整體看來,許多研究都已開始針對建築生命週期中的營運維護(Facility Management,FM)階段做為研究範疇。由於BIM技術具有貼近現實的資訊、視覺化與擬真等特性,因此許多人皆以BIM模型輔以現有的擴增實境(Augmented Reality,AR)及虛擬實境(Virtual Reality,VR)技術進行研究,無論在工程資訊的呈現或管理方面,皆有不錯成效。也有研究人員對照在不同的虛擬溝通環境(Virtual communication environment)下[5],此種做法能有效的進行合作。研究結果顯示,在VR的環境裡,確實能降低工作上的負擔,並在合作上更容易達成共識。
此外,研究人員也開始關心如何藉由BIM技術來達成資訊的即時回饋,以便在建築室內進行定位、防災逃生,甚或工地檢核等工作;例如以感測器回傳的資訊即能作視覺化的呈現,亦可於BIM模型上進行即時分析。

一、以AR技術結合深度學習
由Corneli所發表的研究[6],希望藉由現有AR技術來輔助在建築物營運維護階段時的建築資產管理。Corneli利用BIM模型中的現有資訊作為機器學習的資料,包括辨認物件及其於BIM模型中的位置,並從BIM/AIM(Asset Information Models)中將物件資訊中擷取出來。在資訊呈現上以頭戴式顯示器(Head-Mounted Display,HMD)將現實中物件的資料做呈現,也因為是初期研究,所以目前先以單一物件(滅火器)做測試。而研究結果顯示,這個方法已可精確辨識出物件。

二、以IFC
空間資訊即時規劃建築室內逃生路徑 而在Mirahadi的發表中[7],則呈現如何透過BIM的IFC檔案即時計算出建築物中的逃生路徑規劃。Mirahadi的研究是將整棟建築物的每個轉角與樓梯作為計算的節點,並利用戴克斯特拉算法(Dijkstra's algorithm)作為路徑的演算法,同時根據離災害點的距離給予不同路徑的成本。由於此做法所擷取的節點範圍相當大,計算所用到的節點會相對少許多,因此可大幅減少計算的資源,並達成即時的計算,對於樓層平面小及樓層高的建築物是不錯的方式,研究中也表明,最短的路不一定就是最安全的路徑。

三、使用感測地墊改善室內定位精準度
此外,由Chen所發表的研究[8],則是以BIM模型結合具有傳感器的地墊做室內定位,透過Beacon訊號的輔助確認使用者所在的空間,並同時透過Revit API將訊號從資料庫傳回BIM模型中。雖然這項研究目前仍屬初步開發,但已可克服目前室內定位常見的一些缺陷,如訊號受人或建築物的干擾時,便可使用此方法準確偵測到室內人員的位置。
 
模組式空間營造─參訪DIRTT
​

研討會結束後,參訪團前往卡加利參觀DIRTT的分公司與工廠。DIRTT是一間於2005年在美國芝加哥成立的公司,該公司運用虛擬實境等先進科技作為溝通的工具,為客戶提供客製化的模組式空間,包含醫院、學校及住家等類型的內部空間規劃及建造。再加上全年無休的直營預鑄工廠,DIRTT能將產品在短時間內製造完畢,並在數週至數月內快速完成客戶委託的專案。
作為一家客製化空間的公司,DIRTT的室內空間安排不僅展現公司的現有技術,也可看出對於員工工作空間品質的重視。首先映入眼簾的是展示木材結構技術的簡報廳,為了向客戶詳細展示木材的連接,DIRTT準備了與實品相同大小的演示模型;簡報廳旁則是模組化醫院空間的展示,利用容易組裝鑽孔的輕隔板,保留增設儀器及空間調整的彈性,解決醫院需求日新月異而舊式空間無法跟上腳步的問題。此外,旁邊也建造了小型會議室的展示間,同樣也以模組化的方式建造,除可保留相當大的彈性,也能在短時間內完成建造。
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​圖二 虛擬實境體驗空間
​為了能讓客戶身歷其境體驗設計,DIRTT打造了高規格的虛擬實境體驗空間(圖二),備有8套體驗裝備,用以向顧客展示設計及說明,包含謝主任在內的參訪團成員,全都受邀體驗了虛擬實境的先進器材。走上二樓,樓梯旁竟然建造了一座銜接一、二樓的溜滑梯(圖三),而緊鄰二樓的辦公區域旁,則是以木造天橋(圖四)連接一座酒窖(圖五),相當特別。
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圖三 溜滑梯
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圖四 木造天橋
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圖五 二樓酒窖
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圖六 全年無休的工廠

​接著一行人便搭車前往DIRTT全年無休的接單生產工廠(圖六),接待人員說明,工廠全年無休提高了出貨速度,只要在幾週內便能完成生產,而接單生產的方式更是有效地節省存貨空間。從牆上的植生牆、薄如塑膠片般的新材質玻璃到大尺寸的木構造組件都能看出,廠區佔地雖不算大,卻展現出驚人的效率。

工程創新專題討論─參訪University of Alberta
​

離開DIRTT後,參訪團前往University of Alberta所在的Edmonton,在此參與由康仕仲教授所主辦的專題討論會議,主題包括:人工智慧、木構造、磚造、自動化營建、隧道工程定位以及機器人。
討論會中,A-Partners Ventures Inc創辦人Bruce Alton介紹目前營建產業內的創新,以及AI在營建產業運用的困境;並由Ying-Hei Chui教授詳細說明目前木結構的創新技術,以及在臺灣實際建造的案例。而Rafiq Ahmad教授則帶領我們參觀自動製造實驗室(圖七),包含教學使用的實驗室(圖八),以及他正在進行研究的空間及各式儀器。接著由Carlos Cruz Noguez教授(圖九)帶我們進入一座壯觀的小工廠,參觀磚構造實驗的各式器材(圖十),了解磚造技術的進化及創新方法。相較於目前的傳統方式,新的技術是在磚內加入鋼筋設置,幫助更有效率地定型,並增進未來自動化的可能性。
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圖七 自動製造實驗室
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圖八 教學用實驗室

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圖九 Carlos教授
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 圖十 磚構造實驗工廠
​討論會最後由康仕仲教授分享近期的研究成果RoBIM(圖十一),這是一套以模擬機械手臂自動化製造木結構組件的軟體,能用來優化建造過程中的動作設計,未來有機會應用於模組化生產建物套件,再將套件運送至工地進行快速組裝。
 
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圖十一 RoBIM操作介面
​參訪心得─突破保守思維、引進創新 有待努力
​

經過數天的技術研究洗禮後,再將思緒拉回到產業層面思考,發現產業現況與蓬勃發展的科技間有一道不小的鴻溝。臺灣營建業不僅僅在技術革新上進程緩慢,相較於其他工業而言,營建業的效率相對低落,同時也消耗了大量的資源。一般而言,建築物的建造與使用消耗了全球36%的能源,更有大量廢棄物不斷地產生,對環境造成了巨大衝擊。在Bruce Alton的分享中曾提出一個有趣現象,大型營造公司都很樂意當天使投資人,將資源投注在進行人工智慧技術革新應用的小公司上,然而,一旦談到是否針對自己的公司進行革新時,往往又回到保守退縮的態度,對於新技術的應用經常是敬謝不敏。
在我們驚嘆各種創新的想法及技術之餘,也不免開始思考,目前產業界仍普遍偏向保守,欲將新技術成功引入應用的機率有多高?而引入新技術的下一步又要如何成功推廣,並突破產業界安於現狀的習慣,將整個產業的效率及技術升級,真正實踐所謂「Construction 4.0」的概念?這些都是值得重視及深思的問題。
 
​參考文獻
  1. Tomohiro Narumi & Shigeru Aoki, 2019. Indoor Visualization Experiments at Building Construction Site using High Safety UAV, 36th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, Canada.
  2. Bahar Abiri, Joseph Louis2 & Mariapaola Riggio, 2019. Decision-making for Cross-Laminated Timber Modular Construction Logistics Using Discrete Event Simulation, 2019 Modular and Offsite Construction, Canada.
  3. Elina Prajapati & Jin Ouk Choi, 2019. A Pilot Study of Identifying Execution Plan Differences for Accelerated Bridge Construction, 2019 Modular and Offsite Construction, Canada.
  4. Tsvetomila Duncheva & Robert Hairstans, 2019. Decision Support Tool for Enhancing the Economic Impact of Construction Using Offsite Systems, 2019 Modular and Offsite Construction, Canada.
  5. Tzong-Hann Wu, Feng Wu, Shih-Chung Kang & Hung-Lin Chi, 2019. Comparison of Virtual Communication Environment for Remote BIM Model Review Collaboration, 36th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, Canada.
  6. Alessandro Cabonari, Berardo Naticchia, Alessandra Corneli & Frédéric Bosché, 2019. Augmented Reality and Deep Learning towards the Management of Secondary Building Assets, 36th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, Canada.
  7. Brenda McCabe & Farid Mirahadi, 2019. A Real-time Path-Planning Model for Building Evacuations, 36th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, Canada.
  8. Chia-Hsien Chen & I-Chen Wu, 2019. Using BIM and Sensing Mats to Improve IMU-based Indoor Positioning Accuracy, 36th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, Canada.
轉載自營建知訊第437期,頁62-70。
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