[營建知訊轉載]淺談BIM應用工具（三）：分析與模擬 謝尚賢 (2013.02)

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

善用三維模型資訊  擬真分析

BIM技術的應用，通常從BIM模型的建立開始，因此在上一篇（「淺談BIM應用工具（二）：塑模、設計與成果展示」[1]）文章中，討論了用以建立BIM模型的塑模工具。接下來，就讓我們談談在不同的工程生命週期階段中，隨著不同發展程度（Level of Development，簡稱LOD）[2]的BIM模型之演進，有哪些可以善用三維BIM模型中的資訊，來進行分析與模擬之需求，還有相關的應用工具應具備怎樣之功能。
BIM技術應用的重點也是優勢之一，便是要在工程還沒實際進行前，透過擬真的事前分析與模擬，來協助各項決策及運籌帷幄，以降低甚至避免工程中可能發生的誤解、衝突、錯誤、浪費與風險等。這些事前的分析與模擬，並非今天有了BIM技術才開始進行，有一些領域，例如結構分析與廠房管線之衝突檢討，很早就已建構自己的三維模型來進行分析與模擬，但有了BIM模型後則可以更方便而有效率，甚至更精進；但也有些領域，例如逃生疏散檢核，在過去因無BIM模型，而只有2D工程圖說資訊，必須要花較多的功夫及成本去建構三維模型，或只好採用較簡化的模式與模型進行分析模擬，現在有了BIM模型，則可以採用更直接且擬真之分析模擬方法；還有一些領域，例如節能減碳相關之分析與模擬，則可以說是隨著BIM技術之發展而開始被重視及導入建築營建業，甚至還有一些新的分析與模擬需求可能會在未來慢慢產生。從上述的討論不難發現，以BIM模型為基礎的分析與模擬工具還有很多的發展空間，值得期待。

應用工具  特色與功能
以下就舉一些筆者想到的分析與模擬需求為例，來討論所需之應用工具的特色與功能，還有他們與BIM模型間的關係：

• 環境影響模擬：
  此部分之模擬工具通常需要LOD 200之BIM外殼幾何模型，而目標建築物周遭環境之建築物則可用LOD 200之外殼幾何模型或只需LOD 100之量體模型即可，再搭配數位地形圖與地圖，來進行一年四季的日照與建築物陰影相互影響等之分析，甚至再搭配能進行流體動力分析之工具來進行建築物周圍風場之模擬。
•  節能減碳設計分析：
  此部分之應用工具隨著近年來對節能減碳的要求，及綠建築規範之發展而越來越受到重視，工具軟體的功能也越來越細緻。通常這類工具必須要能讓使用者輸入氣象單位提供的當地全年氣候資料，然後根據對日照熱輻射及室內採光、通風與空調之模擬，來考量符合人體舒適度及室內照明需求的節能減碳設計，例如外殼隔熱、遮陽、自然通風等[3]，減少照明及空調之使用，達到節能減碳目的。在室內通風與熱流之分析中，通常需要LOD 200甚或LOD 300之BIM模型外殼、開口、玻璃、隔間等與其材質、透光度、導熱性等資訊，也牽涉到照度模擬、流體動力計算與熱傳導分析，詳細的分析多需要大量之計算，而目前大部分的應用工具多採用較簡易快速的分析方法，畢竟在初步設計規劃階段，只要能滿足設計方案的比較與節能減碳效益粗估上的精確度要求即可。
  此類分析模擬工具的發展空間還很大，一方面是在分析的精確度與視覺化呈現及模擬效能的提升方面，另一方面則是現代建築與設施日漸智慧化，利用許多自動的感測裝置及半自動或自動的控制裝置來達成節能減碳目標，但如何將這些控制機構及情境（例如，隨室內溫度變化與需求而自動開關的窗戶）納入分析模擬當中，則仍是需要繼續努力的研究與應用議題。
• 音場模擬：
  此部分的應用多是在設計對聲音的品質要求較高的場所時，例如，音樂廳、劇場、電影院等，也可能是需要對音響或噪音的影響進行評估時，例如戶外表演場所、機場、火車、高速道路等對周遭環境之影響。通常需要LOD 200甚或LOD 300之BIM模型外殼、隔間、室內裝修及主要擺設等之幾何與其材質吸音能力等資訊，再配合專業軟體來完成分析。
•  結構分析：
  ​此部分的分析工具已發展多年且也相當成熟，只是過去通常都是由結構工程師根據2D建築圖說自行建構分析所需之三維模型，現在則可以由LOD 300之BIM模型中自動匯出所需之幾何及材料屬性資訊，除了較簡單方便外，也可避免因人工解讀及建模時可能造成之錯誤，尤其對於不規則造型之構造物而言，效益最為顯著。
  目前此部分應用最大的困境還是在BIM塑模工具與結構分析軟體間之資訊拋轉還不是很標準及完善，尤其是將分析完成後之資訊回饋到BIM模型中以利後續應用方面。對此應用有進一步興趣者可參考文獻[4]之討論。
• 機電管線系統分析：
  傳統上，機電管線系統之設計皆以平面圖為之，且在設計階段所完成之設計還留有很多以示意為主的表達，必須等到施工階段才由施工者自行判斷決定。應用BIM技術之後，設計成果在幾何與空間位置上必須夠明確清楚才有辦法據以建構BIM模型，因此一些設計及施工上的決策必須提前。然而因每個系統在BIM模型中都被更清楚地展示出來，除了可以提前檢討協調系統間的衝突問題，也有利於進行個別系統之相關設計模擬分析，例如：管流之分析、電力負載分析、水循環分析等。此部分之分析功能多需與BIM塑模及設計工具密切結合，所需要之BIM模型多為LOD 300程度。
• 空間衝突分析：
  不管是在設計階段、施工前或施工中，由於建築、結構、機電管線系統都由不同專業分工協同設計與施作，難免會在設計與施工上發生空間衝突的問題，因此必須透過BIM模型之整合來檢核，並加以協調來改善整體之設計成果。此部分之應用需求與效益目前已十分顯著，因此也已有不少的套裝軟體工具可以運用。而在BIM模型的需求上則為LOD 300或LOD 400。在空間衝突的檢討上，一般分為硬碰撞與軟碰撞兩類，硬碰撞指的是兩物體在空間中有所重疊而發生碰撞，而軟碰撞則是指兩物體在空間中雖未重疊而發生碰撞，但因維修需求或其他設計與施工上之考量，必須要保持一定之空間距離卻無法滿足。這兩項功能都很重要，大多數的應用軟體也都有不同程度之支援。較具挑戰的部分反而是在發現有空間衝突後，該如何依情節輕重來篩選及呈現，以協助工程師能快速準確且有效率地解決問題。此部分之功能則還有不小的進步空間。
• 疏散逃生模擬：
  社會發展越成熟，就會從原本偏重成本效益的心態，轉向越來越重視品質與安全的文化，因此，對於建築設施空間的安全設計與檢核的要求也就會越高。傳統上，因為安全相關模擬所需之模型建立不易且成本高，加上這類模擬多牽涉到人類行為之模擬而有其一定之難度，因此，規範之要求通常為處方式的（prescriptive-based）而非性能式（performance-based）的。處方式的規範基本上是透過一些條列的檢核規則及標準，來達成安全的目的，但常無法回答「此設計到底有多安全？」、「若某種情況發生，最不安全的地方會發生在哪？」等問題，而性能式規範則將重點放在要求要達到之安全目標，並通常透過分析模擬來檢核多種可能情境下（特別是最糟之情況下），此安全目標是否還能被確保，因此對於設計之優缺點有較全面清楚之掌握，也是目前全世界各類規範之發展與推動趨勢。
  有了BIM模型之後，加上對人類行為模擬之技術持續進步，相信建築營建產業的相關安全規範也會朝向性能式規範演化。但在這個發展過程中，即使是協助處方式規範之檢核，BIM模型之應用也能發揮不小效益，尤其是設計過程中常因設計變更而需重複檢核多次時。只是這類之應用工具目前多需要自行透過一些BIM應用工具之API（Application Programming Interface）來開發，例如參考文獻[5]中的捷運站緊急逃生時間檢核工具就是一例。此類之模擬通常會需要LOD 300之模型。
• 施工模擬：
  從管理的角度來看，施工階段應是營建工程生命週期中最複雜且關鍵之階段，不管是在參與人力的分工協調、投入資源之分配與時程規劃等，都需要事前好好規劃，才能在實際執行時順利平安地完成。因此，複雜之大型工程常在初步規劃設計階段，就會先以LOD 200之BIM模型模擬工地之空間安排、施工要項之時程與成本控制、重要之施工程序（例如較困難或複雜之吊裝）等，到了要發包施工之前，還會再一次以LOD 300之BIM模型進行前述各項更詳細的施工模擬與檢核，包括施工階段之結構安全性分析（例如參考文獻[6]）。到了施工階段，營造廠商還會以LOD 400之BIM模型進行各項施工模擬。此部分工具之需求高且效益顯著，因此已有不少套裝軟體可以應用，但真要能切合施工階段較細膩之管理需求，則還有不少可以進步之空間及客製化之需求。

 
參考文獻
1.謝尚賢 (2012)，”淺談BIM應用工具（二）：塑模、設計與成果展示”，營建知訊，第359期，第51-53頁。      
2.謝尚賢 (2012)，”BIM之技術應用中LOD意謂詳細度或完整度”，營建知訊，第352期，第60-61頁。
3.鄧挺發、陳志文、林坤霖、尹倩妮（2012），”BIM於節能減碳設計上之應用 - 以捷運萬大線LG05站為例 ”，捷運技術半年刊，第47期，第47-54頁。
4.朱慶村、蔡榮禎、劉政雄、鄧宏逵、楊家豪（2012），”BIM技術在萬大線結構設計之應用 ”，捷運技術半年刊，第47期，第23-38頁。
5.    莫仁維、謝尚賢、康思敏、李維倫、余貴益（2012），”BIM應用於捷運地下車站設施之設計檢核 ”，捷運技術半年刊，第47期，第55-64頁。
6.    陳志文、蔡雪華、賴建名（2012），”BIM在施工階段結構安全性分析之應用 ”，捷運技術半年刊，第47期，第93-102頁。