近年國內建築資訊建模(Building Information Modeling, BIM)導入建築生命週期的設計、施工及維運階段已逐漸成為營建流程應用的主軸,尤其透過建築資訊建模所帶來的資訊能夠在施工及維運過程提供有效的幫助,然而目前國內BIM的使用仍侷限在資訊瀏覽,在BIM實際施工及維運現場的連結應用上仍缺乏實質性的突破。
因此,藉由應用擴增實境(AR)及混合實境(MR) 所具備現實與虛擬結合的特性,導入BIM專案全生命週期中進行虛擬設計與施工(Virtual Design & Construction, VDC),利用視覺化分析及效能評估等方法,達到BIM與實際施工及維運現場的連結,進而節省時間及成本。隨著建築資訊建模的有效推展,更進一步帶動虛擬設計與施工在建築工程營造(AEC)產業的應用成效。
本所於109年度研究案「擴增實境(AR)結合虛擬施工及設計(VDC)於營建施工應用研究」,進行將建築資訊建模(BIM)導入擴增實境(AR)及混合實境(MR)於營建施工應用研究。本研究以建築資訊模型為核心,整合施工圖說規範、查核表單及混合實境操作功能於同一個應用程式,進而發展出能夠結合以上資訊的傳遞架構,並在此發展架構下開發出一套可實際應用於施工及維運現場視覺的資訊支援系統。混合實境資料傳遞架構如圖1。
圖1 混合實境資料傳遞架構圖
在施作現場若要使用混合實境設備輔助作業,裝置則須有能獨立運作而不用連接外接設備、允許使用者直接看到現地情況並空出雙手進行作業、運作時間長、操作直觀便利等優點才能符合現地的使用需求,否則會有安全上及使用性上的疑慮。隨著擴增實境(AR)及混合實境(MR)技術的發展,市面上有許多相關的設備及開發工具,與其他混合實境設備相比,頭戴式混合實境設備HoloLens(如圖2)因具備獨立運作無須連接其他設備、能紀錄空間資訊及感測使用者動作、允許直接觀察實體環境、可連接網路等優勢,為較著名且功能較完善之裝置。
圖2 HoloLens外觀及內建感測器
目前本研究初步於HoloLens開發的功能包含雲端模型資料庫建置及讀取功能、定位功能、量測功能、導航功能、查核工項篩選清單、管線自動碰撞偵測功能、軌跡紀錄等功能,使用者介面如圖3。
圖3 使用者介面(以HoloLens呈現的畫面)
(一)雲端模型資料庫建置及讀取功能
開啟雲端模型資料庫(如圖4),點擊使用者介面上需要的模型進行下載(如圖5)。可以建置以元件為單位的模型資料庫,亦可以專案或樓層作為為資料庫的讀取分類,改善傳統於設備本地端讀取資料的計算負擔。
圖4 雲端模型資料庫介面
圖5 讀取雲端模型資料庫之功能(以HoloLens呈現的畫面)
(二)定位功能
開啟定位功能並配合Hololens掃描實境的功能(如圖6),對使用者所在的空間進行運算並生成虛境資訊傳遞到設備,透過本研究藉由向量化開發的定位功能(如圖7)可達成貼合虛擬與現實模型,相較於其他系統定位模式,不需事先至現地進行圖樣的張貼程序,使用者可以肉眼自行選定作為定位的目標,以達到提升定位準確率目的。
圖6 透過定位功能將BIM模型與真實環境疊合
(以HoloLens呈現的畫面)
圖7 以兩點向量進行模型定位理論開發
(三) 查核工項篩選清單
開啟查核工項篩選清單功能,可依照相關設備的設計查核表單(如圖8),於施工前讀取歷史檢核資料來確認預定施工進度,並可於施工後進行自主檢查表單存取。本研究設計之表單為半自動化輸入,自動偵測元件上的資訊與當下時間進行填寫,並可以透過雲端資料庫的連結進行儲存,將資料更新至雲端資料庫中,降低傳統以圖面進行紀錄的不便性及人為輸入可能產生的錯誤,進而提升資料傳遞的準確率及效率。相關工項元件資訊詳見表1、2。
圖8雲端存取自主檢核表單
表1工項元件關聯表
裝修項目
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OmniClass
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類型
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關聯元件
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需求資訊
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室內隔間
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21-03 10 10
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輕隔間
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隔間牆
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材質、施作面積、高度
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磚牆
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室內窗戶
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21-03 10 20
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落地式
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窗
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長、寬、玻璃面積、數量、材質、樓層、類型
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非落地式
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室內門
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21-03 10 30
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門
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門
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材質、面積、長、寬、數量、樓層
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室內格柵
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21-03 10 40
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格柵
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牆、天花板
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面積、間距、材質
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高架地坪
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21-03 10 60
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地坪
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地坪裝修
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面積、材質、高度、位置
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懸吊式天花板
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21-03 10 70
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懸吊式
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天花板
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天花板高度、面積、位置
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牆面裝修
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21-03 20 10
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粉刷
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牆面裝修、天花板、牆壁
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裝修材質、牆壁材質、面積、預留高度、位置
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磁磚
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地坪裝修
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21-03 20 30
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磁磚
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地坪裝修
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裝修材質、面積、位置
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表2工項資訊需求解析表
工項
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成本需求
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時程需求
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裝修工程
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分包作業項目
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物料及工需求
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施工生產率
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輕隔間
工程
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輕鋼架隔間
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輕鋼架、板材(M2)
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45
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M2/天
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磚造隔間
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水泥(包)、砂(M3)、紅磚(塊)
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45
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M2/天
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泥作工程
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打底粉刷
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室內
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水泥(包)、砂(M3)
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300
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M2/天
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室外
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200
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鋪貼磁磚
(工料分離)
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室內
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牆面磁磚施作
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水泥(包)、砂(M3)、磁磚(片)
貼磚工資(M2)
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70
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地坪磁磚施作
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120
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室外
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外牆磁磚施作
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250
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石材工程
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鋪貼石材
(工料分離)
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室內
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牆面石材施作
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水泥(包)、砂(M3)、石材(KG)
貼石材工資(M2)
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70
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M2/天
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地坪石材施作
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80
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室外
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外牆石材施作
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54
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防水工程
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防水層塗佈
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防水層(M2)
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90
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M2/天
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天花板
工程
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明架天花
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輕鋼架、板材(M2)
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210
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M2/天
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暗架天花
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200
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木材工程
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木作天花
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輕鋼架(M2)、板材、角材
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100
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M2/天
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木作輕隔間
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木材、合板(M2)
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45
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木作地板
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板材、角材(M2)
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20
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油漆工程
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油漆批土
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室內
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牆面油漆施作
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油漆、石膏粉、石灰(M2)
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240
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M2/天
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坪頂油漆施作
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240
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室外
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外牆塗裝施作
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80
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門窗工程
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矽利康作業
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水泥、砂、矽利康(M2)
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100
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樘/天
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立門窗框
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門框、窗框(樘)
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20
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(四) 量測功能
本研究開發的量測功能,可量取虛擬物件或真實物件,為量取真實物件須開啟Hololens裝置環境掃描功能取得真實空間的環境資訊,透過量測光線觸及物體並且反射回來的時間確定裝置與物體距離,方能進行量測功能。查核人員以Hololens裝置的視野中心作為基準點,當使用者進行手勢點選行為(如圖9),則在視線基準點建立量測起始點;接著使用者需要將視線中心移動到欲量測的位置,並透過手勢點選行為,建立量測之終點,此時便會獲得量測的長度結果。所測量的數值將可以透過手勢點選按鈕的方式,將數值填寫於虛擬表單。
圖9進行量測長度功能(以HoloLens呈現的畫面)
(五)導航功能
本研究開發的導航功能,可以將BIM元件依照工項進行篩選(如圖10),並藉由BIM元件搜尋功能,找到欲查核的BIM元件並以小地圖引導使用者依畫面上箭頭指示方向找到BIM元件位置(如圖11)。
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圖10 開啟BIM元件篩選功能
(以HoloLens呈現的畫面)
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圖11 開啟導航至欲查核元件位置示意圖
(以HoloLens呈現的畫面)
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(六)管線自動碰撞偵測功能
本研究開發的管線自動碰撞偵測功能,結合Hololens能夠掃描環境的功能,虛擬的管線可以藉由與實際結構體的接觸進行碰撞分析(如圖12),藉此獲得碰撞點位與元件資訊,查核人員可透過移動機電管線元件功能,移動碰撞元件進行觀察並修改模型資訊後,可經由本研究開發的資料交互操作系統將修改後的資訊存取至雲端並更改Revit內的模型,並開發碰撞元件及點位導航功能(如圖13),方便使用者透過此功能導航到施工現場環境內所有發生碰撞的元件位置。
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圖12 虛擬管線與現實結構體碰撞偵測示意圖(以HoloLens呈現的畫面)
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圖13 開啟導航至碰撞元件點位功能示意圖(以HoloLens呈現的畫面)
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(七)軌跡紀錄功能
本研究開發的軌跡紀錄功能,可以全程記錄施工查核人員的位置(如圖14),並從勘查軌跡確認人員是否有確實查核,以免發生查核不確實的情況,並對後續進行的工項造成影響,進而降低施工作業的效率。
圖14 開啟軌跡紀錄功能(以HoloLens呈現的畫面)
(八)依照使用者移動行徑顯現模型功能
本研究開發的行徑顯現模型功能,將依照使用者所在位置進行輕量化顯示BIM模型,減少非必要之模型資訊的產生,僅顯示使用者周遭的BIM模型(如圖15),可以降低HoloLens設備的運算負擔,使畫面顯示的更流暢,讓使用者的視野更清晰,且Hololens裝置顯現的畫面是依照使用者移動行徑,不斷更新被涵蓋到的模型,從而達到BIM模型輕量化的目的。
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(a)顯示所有BIM模型
(以HoloLens呈現的畫面)
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(b)依照使用者所在位置顯示模型
(以HoloLens呈現的畫面)
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圖15 開啟使用者移動行徑顯現模型功能前後比較
模型定位的精確程度對於AR與MR的未來應用發展影響甚大,現階段模型定位技術尚未成熟,有許多包含不同設備及科技結合之細部應用內容待精進,期許未來可以有更多關於模型定位的方式與相關資訊產生之應用成果, BIM延伸應用於AR與MR皆是未來工程領域發展自動化的基石,其成效在近幾年已經越來越顯著,若結合光達產生的多元資訊,更可提升AR及MR於工程上的應用成效,國內相關建築產業應盡早著手分析欲發展之情境需求,找出適合自身的應用情境、方式與設備,進而推廣以增進營建產業自動化的發展,期待國內相關領域投入以提升AEC產業的價值。