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探討以BIM為基礎的電腦輔助建築設計 Exploring BIM-based Computer-Aided Architectural Design

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張益豐, 施宣光國立台灣科技大學建築系

2012/05/26

中華民國公共工程資訊學會一百零一年學術研討會

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大綱

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1. 動機與目的

2. 文獻探討:電腦輔助建築設計的發展:From CAD to BIM

1) What is CAAD?

2) From CAD to BIM

3. 研究方法

1) 建築資訊模型的資訊傳遞與整合

2) Level of Detail(LOD)與建築設計流程的探討

4. 研究結果案例操作---中央研究院實驗室大樓的BIM建築設計流程

1) 基地配置階段的建築資訊模型建構(LOD 100)

2) 基本設計階段的建築資訊模型建構(LOD 200)

3) 細部設計階段的建築資訊模型建構(LOD 300)

5. 結論與建議中華

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摘要

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以 BIM技術為基礎的電腦輔助建築設計方法，提升團隊間協同作業的水平整合效率，達成跨階段的資訊垂直整合。電腦輔助建築設計的發展從CAD走向BIM，從輔助設計者繪製施工圖到促進設計方案的決策與整合AEC產業團隊合作，其關鍵要素是設計階段的資訊處理與交換。設計階段的資訊處理與交換可以利用建築資訊模型(Building Information Model, BIM)來達成:(1)資訊的完整，無缺漏，並包含所有作業所需資訊。(2)沒有多餘重複。(3)不相互矛盾，並提供有效的搜尋與分析。本研究根據AIA的Level of Detail (LOD)規定標準將設計分成三個階段(LOD100到LOD300)，對應各階段的設計重點與目標並進行實際案例設計。

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動機與目的

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本研究提出以 BIM技術為基礎的電腦輔助建築設計方法是以設計者為導向，輔助設計資訊的傳遞與整合。設計者從建築設計發展初期就操作BIM軟體，利用3D資訊建築模型為整合的工具，將設計所需的資訊透過建築資訊模型儲存成一資料庫，所有的設計圖面與工程預算估價都將由BIM提供，使反覆探索設計、變更設計與資訊傳遞變得容易瞭解，緊密的串連專案的參與人員，提升建築團隊的合作效率。

ArchiCAD. 2011. http://www.graphisoft.com/

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電腦輔助建築設計的發展:From CAD to BIM

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電腦輔助設計(Computer-aided design, CAD)是利用電腦工具進行方案模擬與製作，有利於設計者進行設計方案的思考，簡化複雜的設計動作，可以更快速地制定決策，提升工作效率，並促進團體合作。

“BIM is a new approach to design, construction, and facility management in which a digital representation of the building process is used to facilitate the exchange and interoperability of information in digital format.(Eastman, 2008)”

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From CAD to BIM

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時代大型主機時代工作站時代個人電腦時代網路時代雲端運算時代

年份 1960-1970 1970-1980 1980-1990 1990-2000 2000-2010

照片

說明 1960年開始運用電腦在建築設計上的研究，初期的電腦是大型工作站的型態，使用者必須自行撰寫程式語言驅動電腦作業，當時的研究趨勢是設計自動化，思考電腦是否能自行做設計。

1970年開始有實務應用，以電腦取代過去的紙筆繪圖，改善繪製施工圖的速度，使用複製與貼上的動作指令減少重複性作業。設計的發想仍是用手在紙上繪製草圖，在設計方案確定後才使用電腦進行製圖工作，最後輸出成圖紙的施工圖，提高了工作效率，但是僅限於2D製造，對於設計思考並無明顯幫助。

1980年個人電腦出現後帶動圖形化介面的普及，省去撰寫程式與編譯的繁複操作，Autocad軟體的作業方式逐漸成熟，促使設計者由2D平面圖走向3D模型思考。

1990年後因為工具的改進與電腦運算能力提升，促使建築形體與空間開始解放，以往傳統尺規無法構成的形體與複雜計算都交由電腦處理。在這個時期，電腦輔助設計對建築設計顯著的影響是建築形體的可能性與多樣性，及縮短營造程序所需的時間。

1990年網路逐漸興起，研究者開始思考運用電腦輔助建築合作式設計與虛擬設計的研究，串連不同領域的合作者，利用資料庫進行設計資訊整合。2010年進入雲端運算的時代，利用建築資訊模型建構建築物生命周期中所有的物件資訊，以增進建築設計的方案規劃與維護管理。

目的撰寫應用程式解決重複且繁雜的動作。設計自動化，取代傳統紙筆繪圖與實體模型思考設計。

開發電腦輔助設計(繪圖與製造)系統，以電腦為繪圖工具，進行建築設計。

利用圖形介面提供簡單且直接的操作，去除複雜的程式語法操作。

利用許多資訊媒材提供輔助，解決遠距離團隊合作的問題，促進設計決策

建築設計協同作業，針對合作成員的問題，提供協助與資訊，輔佐設計團隊進行設計方案

作業

系統

每一台機器搭配自家的作業程式每一台機器搭配自家的作業系統 MS-DOS

Windows 3.0

Windows XP、MAC Windows 7、網路即電腦

軟體使用者自行撰寫程式，以驅動電腦進行計算

使用者自行撰寫程式，以驅動電腦進行繪圖作業

Autocad 3DMAX、FormZ、 Sketchup Revit、ArchiCAD、

MicroStation 介面文字介面文字介面圖形化操作介面圖形化操作介面物件導向的操作介面

用途將電腦作為紀錄與計算的工具將電腦視為繪圖工具與輔助製造產品的機器

藉由電腦的運算功能，建築外型開始解放

建築設計協同作業，用於建築團隊整合、資訊管理、物業管理

強調永續設計的分析、衝突偵測、施工規劃、建築物生命週期管理

傳遞

方式

圖紙圖紙圖紙,DWG, DXF, DWG, DXF, XML, XML, IFC

溝通

對象

人與人溝通人與人溝通人與人溝通、人與物的溝通人與人溝通、人與物的溝通人與人溝通、人與物、物與物的溝通

趨勢

發展

理論的發展、設計自動化電腦輔助設計系統的開發專家系統、資料庫、人工智慧、圖形化操作介面

案例式資料庫、合作式設計、虛擬實境、資料庫探礦

Code checking systems、IFC、IPD 中華

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研究方法:建築資訊模型的資訊傳遞與整合

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本研究以建築資訊模型輔助設計概念的發展，進行專案管理文件與維護設計資料。專案設計過程中若有設計變更的地方，電腦會自動更新資料，讓設計與圖面文件同步變更。透過建築資訊模型與合作對象共享重要資料，加強建築設計程序的協同合作與整合性、環境模擬評估分析、衝突偵測與施工規劃。

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Level of Detail(LOD)與建築設計流程的探討

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國際組織AIA(2011)針對BIM的建模標準採取分階段審查的方式，其用意便是將設計資訊分階段處理，以確定設計資訊的傳遞。

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案例操作---中央研究院實驗室大樓的BIM建築設計流程

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中央研究院是台灣的研究機構，因研究發展需要必須興建一實驗室大樓，基地位於台灣台北，其設計目標為: (1)綠建築的永續設計。(2)導入BIM技術，建構完整的建築資訊模型，供日後業主維護管理。

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基地配置階段的建築資訊模型建構(LOD 100)

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LOD 100階段的資訊模型非常簡單，但其分析結果對建築物的影響反而最大。此階段進行設計方案的變更所付出的成本最低，卻是建築資訊模型建構過程中成本效益最高的一個階段。

設計團隊可以利用LOD100階段的資訊模型進行各種概估與分析，以檢討初步的設計概念是否符合建築計畫的需求，輔助設計方案的決策制定。

使用Revit Architecture建立LOD 100的量體模型，導入Ecotect軟體，進行環境模擬評估以修正量體配置，得到最佳的基地配置方案。中

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國公

共工

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• LOD 100階段的資訊模型必須提供下列的功能需求：

輸出周圍道路、基地概況、建築物退縮、高度等資訊以輔助檢討建築物位置與高度是否符合行政法規之相關規定，以及其與建築計畫在基地配置之目標是否符合。

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上午 10點下午 2點

春

夏

冬

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輸出建築物的量體、樓地板面積、外牆與屋頂面積與高度、建築物基本的構造方式、地下室開挖體積、周長與面積等資料，協助工程造價的概估，幫助建築師與業主控制工程預算。

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輸出基地內的綠地面積、各種植栽的配置與建築物量體各方向之表面積，以分析對現有自然環境的影響等等。依據建築計畫書的空間使用來預估各向立面的開窗率，參考當地的氣象資料以評估建築物對環境的影響，以及營運所需消耗的能源。

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基本設計階段的建築資訊模型建構(LOD 200)

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基本設計階段的建築資訊模型建構應對應LOD200的規定，包含空間配置、樓梯、電梯、建築物外牆、柱、樑、樓版與其他結構系統組件、隔間牆、門窗開口、屋頂等建築元件，以及各元件之材料、使用性質、3D形式或其他相關屬性。

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LOD 200階段資訊模型具備的功能說明：

計算各建築元件之體積、面積、各向長度，輸出其材料與規格等資訊，並整合所有建築元件的單價資料，進行更詳細的工程造價評估。

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根據各空間的面積、位置、動線、開口比率，核對是否符合建築計畫中對各功能空間在面積與物理環境的需求。

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輸出建築技術規則的法規查核項目之相關資訊，例如各空間之逃生動線與距離、樓梯各項尺寸、空間高度、各開口寬度等，以輔助建築技術法規的審查

輸出都市設計法規所需審查之各種平面圖、立面圖、剖面圖。它能提升繪圖效率，確保各個圖面之間的一致性，以及各項空間與材料數量計算上的正確性。

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細部設計階段的建築資訊模型建構(LOD 300)

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細部設計階段包含建築物的細部元件、空調、消防、水電管線設備、機電、瓦斯、實驗室之排氣與給氣等相關管線與設備的形式與規格屬性。

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LOD 300階段建築資訊模型建構規格能滿足下列需求：

由LOD 200模型產生繪製施工圖所需之底圖，並依照細部設計所建構之詳細構造，自動計算工程所需之工料數量，產出規格報表以製作預算書。

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針對各種管線系統與結構系統進行空間干涉檢查，以確保設計品質。本研究使用Revit的干涉檢查功能進行此項分析(Bokmiller, 2010)，提供設計階段的空間規劃參考。

輸出綠建築規劃中物理環境與能源耗損評估所需的各項資訊。相較於LOD 100階段，本階段輸出的資訊能夠更詳細的分析出在建築物營運期間為了維持物理環境品質所需耗損的能源。

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設計者完成LOD 300的建築資訊模型後，移交給營造單位去建構符合LOD 400的資訊模型。在營造施工的階段，設計者仍會需要依據營造單位的意見修正LOD 300的模型，並且在施工期間提供有關設計階段所建構之BIM模型的使用協助。

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在後續的工程管理上，本研究建議將建築資訊模型結合工程進度表，進行工程進度模擬(4D)，提供各種與時間相關之建築材料數量與施工項目的查詢。

將規劃工程進度表的程式(如MS project或P3)所建立之工程進度資訊以資料庫格式輸出，並匯入資料庫管理系統。透過ODBC(Open Database Connectivity)介面，將所使用之BIM軟體(如Revit或Bentley MicroStation)與資料庫管理系統連結。

透過建築資訊模型的建構，將建築元件與工程進度表的工作項目連結，使用資料庫查詢語言來建立工程管理所需之查詢與分析功能。所有的建築元件可經由工程進度表的時間順序篩選，以3D物件的方式呈現，協助業主、監造團隊與營造團隊掌控工程進度，作為施工單位在工程採購與工程管理的參考依據。當面臨設計變更的狀況時，它能夠即時評估建築材料的數量變化，協助處理變更後的工程進度安排與建築材料的數量計算，輔助工程的進行。

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結論與建議

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• 在BIM軟體已經備妥的條件下，設計者必須將原有CAD系統的資料導入BIM軟體的資料庫，應用BIM的技術進行建築設計思考與傳遞設計資訊，提升建築團隊合作的效率。

• BIM在設計資訊處理與交換上是以量化的方式呈現(data)。

• 在輔助設計思考的部分，當軟體沒有提供某功能或是操作指令複雜不合乎設計者的思考邏輯與使用習慣時，設計方案將難以進行(process)。

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結論與建議

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• 以BIM為基礎的電腦輔助建築設計其未來發展方向如下:

1. 培養具備操作BIM軟體的設計者，從概念發展階段就使用BIM軟體思考設計方案。

2. 培養具有建築設計背景的資訊管理人才，協助專案管理、處理各階段的設計資訊傳遞與銜接其他領域的團隊合作資訊。

3. 針對設計者操作需求進行API、plung-in的開發，補足BIM軟體缺少的功能。

4. 以ICF共通格式作為跨領域團隊的設計資訊交流，制定共同合作的IDM與MVD確定設計資訊的交換(interoperability)協定與項目(BIM Standard)。

5. 建立團隊協作平台：針對專案管理與溝通，建立一網路平台加強團隊間的合作關係，進行溝通討論、檔案交換、資訊交流，促進設計決策與專案進度(BIM-Server)。

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1. 邱茂林(Ed.)，(2003)，CAAD TALKS 2:Dimensions of Design Computation，臺北市:建築情報季刊。

2. AIA. 2011. http://www.aia.org/

3. ArchiCAD. 2011. http://www.graphisoft.com/

4. Bokmiller, D., & Titlow, M. (2010). Mastering Autodesk Revit MEP 2011. Indianapolis, Ind.: Wiley Pub.

5. Eastman, C. M. (2008). BIM handbook : a guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers, and contractors. Hoboken, N.J.: Wiley.

6. Eastman, C., Lee, J.-m., Jeong, Y.-s., & Lee, J.-k. (2009). Automatic rule-based checking of building designs. Automation in Construction, 18(8), 1011-1033.

7. Groover, M. P., & Zimmers, E. W. (1984). CAD/CAM : computer-aided design and manufacturing. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall.

8. Krygiel, E., & Nies, B. (2008). Green BIM : successful sustainable design with building information modeling. Indianapolis, Ind.: Wiley Pub.

9. MicroStation. 2011. http://www.bentley.com/en-US/Products/microstation+product+line/

10. Mitchell, W. J. (1977). Computer-aided architectural design. New York: Petrocelli/Charter.

11. Revit. 2011. http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?id=17801984&siteID=123112

12. Schmitt, G. (1999). Information architecture : basis and future of CADD. Basel ; Boston: Birkhäuser--Publishers for Architecture.

References

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謝誌

本研究感謝國科會計畫補助，計畫編號為NSC 100-2221-E-011-128-

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