中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
建築資訊建模BIM (Building Information Modeling)應用領域含括資訊技術、建築及營建等範疇，故被視為營建管理應用中劃時代的改變。然而，BIM在施工領域的應用仍然具有很大的應用發展空間。例如，BIM可快速提供空間及數量等資訊，供建築工程施工階段之資源分配、時程規劃、資訊管理及多維度BIM模型建置等相關應用，但是BIM無法提供這些應用所需之全部資訊。如何以BIM模型及資料為基礎，並做進一步之資料計算分析及整合不同的應用層面，將是未來BIM應用發展的主軸之一。
近年隨著建築工程技術提昇，工程規模日趨龐大及複雜，導致工程成本亦日趨提高，建築過程之資源分配及時程規劃優劣對工程成本及完工時程之影響亦日益重大。
目前建築工程對於營建過程之資源分配及時程規劃多以經驗或過往工程資料為依據，更鮮少考慮空間參數或變因，即使專業人士也難以根據工程目標及工程限制條件精確計算出工程各工項之最佳資源與空間分佈，及其相關之最佳工程時程及工程成本，導致營建過程之資源分配及時程規劃難以最佳化。不同於傳統數值分析方法，離散事件模擬DES(Discrete-Event Simulation)技術可被應用發展為模擬及分析營建過程之嶄新且功能強大之資源分配及時程規劃系統，該系統除了能依據建築工程人力限制、空間限制、成本限制、時程限制、材料限制及設備限制等個別工程不同限制提供較傳統數值分析方法更精準之資源分配及時程規劃外，亦能依據使用者不同工程目標（如：最低成本、最短工期或工期不超過特定期限之最低成本等）、工程限制（如：可提供之各工種數量、各類機具數量及空間等）或施工現場臨時突發狀況提供不同資源分配、時程規劃、結果預測及風險性評估。
營建管理中最最基本，但也是最耗時及易產生人為錯誤的部分就是各類資料的輸入，及因應各種不同需求及不同形式的資料轉換、計算及報告輸出。由於營建管理的過程中涉及多種不同軟體，有些無法做資料的輸出，有些可做部分或全部資料的輸出，又可輸出的資料內容、格式及單位等又大多無法完全符合其他不同軟體的輸入需求，因此使用者常常需耗費許多精力及時間在尋找不同軟體所需資料、轉換格式及單位、輸入及報告輸出。
綜上，本研究研提一結合BIM、DES及資料庫管理之建築工程營建管理策略藍圖，實際案例驗證則聚焦於研發「工作分解結構及資料庫系統」工作分解結構功能，並研訂如何自BIM匯出資料及使用資料格式，並經「工作分解結構及資料庫系統」依工項需求重新整合這些資料，供後續資源分配及時程規劃系統分析計算。
二、研究方法及過程
本計畫將依文獻資料探討了解目前BIM、營建工程資源分配、營建工程主要影響參數、空間規劃、電腦數值模擬分析方法及BIM的建築資訊交換標準現況，並依文獻資料探討發展建築工程營建管理策略。
另本研究以一 Autodesk Revit軟體建置之12層樓高宿舍大樓之BIM模型為實際案例，研訂如何自BIM匯出資料及使用資料格式，並經自行研發之「工作分解結構及資料庫系統」工作分解結構功能依工項需求重新整合這些資料，供後續資源分配及時程規劃系統分析計算。
三、重要發現
本研究計畫研提一應用BIM於建築工程自動化之資源分配、時程規劃、營建管理及資料庫管理之整合系統架構，此架構涵蓋四個主要部分：（1）3D BIM模型;（2）工作分解結構及資料庫系統;（3）資源分配及時程規劃系統;（4）多維度BIM模型產生器。此架構內容包含如何從BIM模型獲取適當檔案格式之BIM元件資訊、於資源分配及時程規劃系統自行設定工程目標及工程限制條件，透過系統自動發展出近乎最佳的資源分配、時程規劃及營建管理計劃，並讓工程管理人員能藉由檢視動態多維度BIM模型了解工程狀況，並執行風險性分析及資料庫自動化管理。此架構能幫助管理人員預測未來任何時段的工程執行率，並提供突發狀況對工程造成衝擊影響完整預測資料。一旦BIM模型設計、工程資源、工程目標或工程限制條件發生變化，工程管理人員也將即時獲得包含資源分配、時程規劃、營建管理、資料庫管理及多維度BIM 模型等相關更新資料。因此，管理者可以在突發狀況發生後立即採取修正措施，並減輕對正在進行工程的潛在損害。
3D BIM模型元件及其他基本資料(例如：元件代號、種類、面積、體積、材料、空間面積等資料)須經過「工作分解結構及資料庫系統」工作分解結構功能彙整後，才可與「資源分配及時程規劃系統」各工項相關參數連結，並做後續模擬分析計算，本研究計畫開發「工作分解結構及資料庫系統」工作分解結構功能及研訂二種不同方式的細部執行策略，並以一宿舍大樓為案例進行操作，驗證其可行性。
根據研究結果，本研究有四項建議，建議一為持續研究及推廣應用BIM於工程施工階段與維護管理階段；建議二為拓展結合BIM與離散事件模擬(Discrete-Event Simulation, DES)技術應用於建築工程施工階段資源分配及時程規劃之研究；建議三為拓展結合BIM 與資料庫管理應用於建築工程施工階段及維護管理階段之研究；建議四為拓展結合BIM、DES技術及資料庫管理，及研發多維度BIM模型產生器，應用於建築工程營建管理及維護管理之研究，詳細說明請參考下面章節。
四 、 主要建議事項
建議一
立即可行建議—持續研究及推廣應用BIM於建築工程施工階段與維護管理階段
主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署、內政部建築研究所
協辦機關：財團法人臺灣建築中心、財團法人臺灣營建研究院
在公共工程委員會、本所、財團法人臺灣建築中心、財團法人臺灣營建研究院、各機關學校BIM中心及BIM軟體廠商共同努力推廣下，BIM 於工程規劃設計階段之應用在本國已逐漸成熟。相對的，BIM於本國工程施工階段與維護管理階段之應用範圍仍較小，大部分稍具規模工程僅應用於施工階段之4D、虛擬實境及碰撞檢查，尚屬CAD應用範圍，僅少數大型工程或高科技廠建置會搭配基本BIM模型資料管理，故建議加強BIM於本國工程施工階段與維護管理階段之深層應用研究，並將研究成果於國內業界推廣。
建議二
立即可行建議—拓展結合BIM與離散事件模擬(Discrete-Event Simulation, DES)技術應用於建築工程施工階段資源分配及時程規劃之研究
主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署、內政部建築研究所
協辦機關：財團法人臺灣建築中心、財團法人臺灣營建研究院
3D BIM模型本身具有相當豐富的工程基本資訊，但是BIM模型並未包含任何施工順序相關資訊，所以需要一工項時程規劃系統提供工項排程功能。傳統工項時程規劃系統決定各工項所需時間時常靠經驗或過往工程資料估計，然而每個工程都有其不同的工程條件(例如：工班數量、機具數量、材料數量、施工範圍、受限施工環境之施工效率等) 及不同最佳化目標(例如：最短施工時間、最低施工成本、有施工時間限制之最低施工成本等)，經驗或過往工程資料無法保證能適用於新的工程。
另外，傳統資源最佳化技術主要包括數學方法和啟發式方法。然而，數學模型由於公式複雜可能導致求得局部最佳解。啟發式模型則是在不同情況下具有不同的有效性，因此無法適用於所有的工程案例。此外，使用者也無法針對給定的工程案例事先知道適用於何種啟發式模型。所以，啟發式模型無法保證獲得最佳解。啟發式模型不一致的解決方案已經導致商用工程管理軟體於資源調度功能間巨大分歧。
電腦數值模擬分析是為真實系統設計一數學邏輯模型並在電腦上對該模型進行實驗的過程。過程模擬的目標涵蓋生產力提升、風險分析、資源分配和現場規劃等範圍。經由對構成該過程之活動本身及活動間順序關係精確表示於模型中，建模者可以預估該過程最後成果的相關資訊和於某特定時間內完成該過程的機率。由於營建工程所需資源包括笨重且昂貴的設備，透過電腦數值模擬分析可以檢視各種可能的資源動態空間規劃選項，並從中挑選出最佳的資源動態空間規劃。施工建模需要使用各模型所定義的建模元素來表達及組成施工過程。電腦數值模擬分析可應用於動態性模擬分析施工過程隨時間產生的變化。
應用離散事件模擬(Discrete-Event Simulation, DES)技術於電腦數值模擬分析為協助使用者於施工管理過程中迅速做出決策分析的利器之一。精確建立施工過程模型後，可利用電腦數值模擬分析出較佳的替代方案及優化相關資源的動態空間規劃。然而，在建築業中應用電腦數值模擬分析技術於施工管理的案例幾乎很難找到，主要原因為電腦數值模擬分析技術的複雜性和建築業人員缺乏該技術的相關知識，另一個可能的原因為需要針對不同的營建管理目標開發不同的電腦數值模擬模型。由於通常不同的工程會有不同的工項及工項間網絡關係，導致不同的工程需要使用不同的電腦數值模擬模型。另外，目前工程管理一般皆使用要徑法（Critical Path Method ，CPM）技術做排程、時程控制，然而應用要徑法技術的電腦軟體與應用電腦數值模擬技術的電腦軟體間並不相容，因此想同時應用這兩種技術仍存在一個很大的技術門檻，也導致幾乎很難找到應用電腦數值模擬分析技術於建築業施工管理做排程、時程控制的案例。
綜上，建議研究開發一可匯入及應用BIM工程基本資訊，並與實際建築工程施工管理系統有極高相似性、可視覺化，且可靈活應用於不同工程與適用於不同施工管理目標的資源分配及時程規劃電腦數值模擬分析系統，以利將DES技術轉移到施工管理實際應用層面。
建議三
立即可行建議—拓展結合BIM與資料庫管理應用於建築工程施工階段及維護管理階段之研究
主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署、內政部建築研究所
協辦機關：財團法人臺灣建築中心、財團法人臺灣營建研究院
資料準備是營建管理過程中非常重要的工作之一，並且是最耗時間及最困難的工作之一。雖然3D BIM模型本身具有相當豐富的工程基本資訊，但是BIM模型並無法提供工程施工階段及維護管理階段所需之全部資訊(例如：施工階段之工項施工順序、工項起迄時間、施工成本控管及材料採購控管，及維護管理階段之設施管理等相關資訊)，所以需要於工程施工階段及維護管理階段另增加一資料庫管理系統，以補足3D BIM 模型本身不足之處。
綜上，建議拓展結合BIM與資料庫管理應用於工程施工階段及維護管理階段之研究，以符工程施工階段及維護管理階段之實際需求。
建議四
立即可行建議—拓展結合BIM、DES技術及資料庫管理，及研發多維度BIM模型產生器，應用於建築工程營建管理及維護管理之研究
主辦機關：行政院公共工程委員會、內政部營建署、內政部建築研究所
協辦機關：財團法人臺灣建築中心、財團法人臺灣營建研究院
在近期營建管理的發展上，3D-CAD電腦模式在營建管理的設計階段提供革命性的進展，讓設計者能有如身歷其境般檢視修改其龐大複雜的設計內容，也能以此電腦模式輕易與一般無建築概念的人溝通設計內容；其後，Koo and Fischer (2000)研究指出4D-CAD電腦模式(3D的模式與時間結合之特性)較傳統的桿狀圖(Bar chart)更能幫助專案團隊定義問題。在規劃設計階段，4D-CAD可幫助使用者清楚的了解施工流程及發現可能遭遇之問題；在施工階段，4D-CAD可幫助使用者管控施工進度。
然而，4D-CAD只能模擬營建過程的影像變化，使用者無法掌握每一工項背後所隱含的資訊（如施作物件的尺寸、材料；所需物料、人員、機具、空間及起迄時間等），也因此無法幫助使用者做精確的分析及管理，建議針對上述4D-CAD電腦軟體不足處研發「多維度BIM 模型產生器」，產製多維度BIM模型，允許使用者檢視施工流程之動態多維度資料 (3D+時間+資料)。
「多維度BIM模型產生器」連結3D BIM模型與「資源分配及時程規劃系統」之資源分配及時程規劃等模擬運算結果，允許使用者在電腦上觀看施工流程時，可從另一動態視窗同時檢視正在施作的工項名稱、工項總施作時間、工項開始施作日期、工項施作完成日期、工項花費成本、工項所需資源名稱及數量等資料。如此，使用者不僅能掌握4D-CAD影像中正在施作的工項為何，也能輕鬆掌握相關重要資訊。此外，因「多維度BIM 模型產生器」已設定連結3D BIM模型與「資源分配及時程規劃系統」，3D BIM模型與「資源分配及時程規劃系統」任何變更皆能立即反映在多維度BIM 模型動態資料，避免人為輸入錯誤及提高效率。
另外如上所述，拓展結合BIM與DES技術應用於建築工程施工階段資源分配及時程規劃之研究，及拓展結合BIM與資料庫管理應用於建築工程施工階段及維護管理階段之研究，皆有其實際需求。為能提升應用效率，上述功能各資料間移轉須能儘量自動化或半自動化，故建議研發整合上述功能成一完整系統。
綜上，建議拓展結合BIM、DES技術及資料庫管理，及研發多維度BIM模型產生器，應用於建築工程營建管理及維護管理之研究，並研發整合上述功能成一完整系統，使上述功能各資料間移轉能儘量自動化或半自動化，以提升應用效率。