臺大謝尚賢：淺談BIM應(yīng)用工具

序曲CAD與BIM之異同可能有不少人剛開始接觸BIM(BuildingInformationModeling)這個名詞時，會以為它只是一套新的3DCAD軟件，因為從視覺的靜態(tài)呈現(xiàn)上來看，他們的確十分相似，而就軟件工其的發(fā)展來說,BIM塑模(Modeling)工具的確也可算是CAD工具的進(jìn)階發(fā)展。但是,為什么在許多場合，特別強調(diào)BIM工具與CAD工其之不同(或異同)筆者覺得主要有以下兩點考慮:1.在土木工程領(lǐng)域里，大家長期以來所熟悉的CAD工其多只是幾何造型的建構(gòu)與設(shè)計工具，而所產(chǎn)出的幾何模型，也都是點、線、面的集合體，其與工程實體的對應(yīng)皆須由人來賦予及解讀。然而，今日BIM塑模工具則是強調(diào)對象他的參數(shù)模型建構(gòu)，不僅能把與工程實體對象一一對應(yīng)的虛擬對象組合起來以建構(gòu)出3DBIM模型，亦能透過所謂的參數(shù)他塑模(ParametricModeling)技術(shù),讓工具用戶輕易地調(diào)整模型對象或其集合體的幾何參數(shù)(例如，長、寬、高等)及幾何參數(shù)間之關(guān)連性(例如相等、等比例、相鄰、相切等)，來完成模型的建構(gòu)與修改工作。2.不若CAD模型多指幾何模型，BIM模型除了前述的對象他參數(shù)幾何模型外，更重視對象屬性信息(例如型號、材質(zhì)、物理性質(zhì)等)之建立與管理,以利模型生命周期中的各種應(yīng)用，因此有區(qū)隔之必要。BIM象征新技術(shù)新思維此外，BIM技術(shù)雖是以BIM模型為基礎(chǔ)，但并不僅只是BIM模型的建構(gòu)技術(shù)，而是涵蓋整個營建設(shè)施從規(guī)劃設(shè)計、建造、營運維護(hù)，一直到拆除的生命周期中，所對應(yīng)BIM模型之建構(gòu)及全生命周期信息管理與應(yīng)用技術(shù)。因此，BIM應(yīng)用工具涵蓋了在工程生命周期中建構(gòu)、管理、與應(yīng)用BIM模型時所需的各類工具。BIM技術(shù)并不只是軟件，它除了代表了一個新時代建筑營建產(chǎn)業(yè)技術(shù)應(yīng)用與服務(wù)提供的新思維，也是一套管理與應(yīng)用產(chǎn)品與制程信息的新技術(shù)。當(dāng)然，工欲善其事，必先利其器，且工具之發(fā)展也可看成是技術(shù)進(jìn)步之指標(biāo)之一，因此自有其不可忽視之重要地位。塑模、設(shè)計與成果展示塑模工具需求保留各階段版本關(guān)聯(lián)談到BIM技術(shù)之應(yīng)用，常常大家第一個想到的就是BIM模型的建立，因為BIM模型不僅是BIM技術(shù)應(yīng)用不可或缺之信息整合中心，也是BIM應(yīng)用成果其體呈之重要載體。然而針對不同的使用者與不同的應(yīng)用需求，各式各樣的BIM塑模(Modeling)工具就產(chǎn)生了。在這里我們用「塑?！苟挥谩附！箒硗伙@BIM模型與CAD模型在建構(gòu)上的邏輯與實質(zhì)內(nèi)容皆有所不同。以下分兩點來討論對BIM塑模工具之需求與目前BIM軟件的發(fā)展現(xiàn)況:1.建筑土木工程在不同的生命周期中(例如:規(guī)劃、初步設(shè)計、細(xì)部設(shè)計、施工、營運維護(hù)等)，對于工程信息有不同詳細(xì)程度之需求，因此BIM模型之發(fā)展多會分成不同階段，并對模型組件之信息詳細(xì)程度有不同要求。也會透過專業(yè)分工，由不同的專業(yè)人士(例如:建筑師、結(jié)構(gòu)技師、空調(diào)技師、機(jī)電技師等)來負(fù)責(zé)不同階段之模型發(fā)展、修改與維護(hù)工作。因此，實際應(yīng)用上，在不同的工程階段，BIM模型并不是一個單一的數(shù)字模型，也不是所有的人都在一個模型中工作，而會是隨著工程階段的推進(jìn)，產(chǎn)生一系列BIM模型版本，而理想的情況是希望在這些版本間的信息關(guān)聯(lián)與演他過程都能被保存與應(yīng)用。在3D幾何模型的建構(gòu)技術(shù)應(yīng)用上，又必須結(jié)合如B-Rep(BoundaryRepresentation)與CSG(ConstructiveSolidGeometry)等技術(shù)，來因應(yīng)BIM模型在對象化、參數(shù)化、與自由曲面(Free-formSurface)上之需求，更增加了發(fā)展泛用型塑模軟件之難度。于是，目前的BIM塑模工具多是針對不同的專業(yè)人士來發(fā)展專屬工具或在朝向泛用型工具的發(fā)展努力中先進(jìn)行一些功能上的客制化。雖然目前有IFC(IndustryFoundationClass)信息交換標(biāo)準(zhǔn)來協(xié)助BIM信息在不同軟件工具間之拋轉(zhuǎn)，但由于各軟件自身信息結(jié)構(gòu)之復(fù)雜度及對IFC標(biāo)準(zhǔn)之支持程度不同，實務(wù)上仍是會碰到不少問題而需另外以人工補救。至于維持一系列演他發(fā)展下來的BIM模型版本間的連結(jié)性與一致性，難度就更高了，這在單一軟件供貨商自家的系列產(chǎn)品中都還不易實現(xiàn)，但較有機(jī)會，而要不同軟件供貨商之工具間也能做到，那就更不用提了。2.BIM塑模的情境可概分為兩種。第一種是在最理想的BIM應(yīng)用情境中用來進(jìn)行從無到有的建筑(或設(shè)施)設(shè)計活動，此時BIM塑模工具為專業(yè)的設(shè)計工具，應(yīng)、要能提供在3D數(shù)字空空間中產(chǎn)生、定位、關(guān)聯(lián)、修改模型組件之各項功能。由于目前的工具應(yīng)用界面多還是2D的屏幕視窗，因此如何讓使用者能輕易地在平面的窗口畫面中點選及定位3D物件，便是工具是否好用的重要關(guān)鍵之一。SketchUp軟件在這方面展現(xiàn)了不錯的能力，它目前只是幾何模型的建構(gòu)工具，至于一些在臺灣常用的BIM塑模軟件，則還是多倚賴透過平面視圖來協(xié)助空間定位，甚至對象選取，操作上易產(chǎn)生錯覺與誤解，尤其是對初學(xué)者，所以還有相當(dāng)多的進(jìn)步空間。此外，雖說是從無到有的設(shè)計，但也常需要參考其它已完成之設(shè)計(例如機(jī)電設(shè)計得參考建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計成果)，因此不同專業(yè)之BIM設(shè)計工具間的信息拋轉(zhuǎn)或參照，也是必須重視之議題。第二種情境則為針對已經(jīng)存在的建筑(或設(shè)施)實體(即已完工使用)或設(shè)計(即完成設(shè)計但尚未施工)進(jìn)行塑模工作。此時又可分成兩種情形:•有可供參考的2D圖面信息:通常這些圖面是以紙本或CAD電子圖文件的方式存在，因此塑模者就根據(jù)圖文件中的信息來建構(gòu)BIM模型。若有2DCAD圖檔(例如平面圖、立面圖、與剖面圖等)則可利用大多數(shù)BIM塑模軟件提供的功能來先匯入這些CAD圖當(dāng)成參考底圖，以利抓取精確的坐標(biāo)與尺寸信息來協(xié)助建模。•無可供參考的2D圖面信息:此時就必須先進(jìn)行測量工作來掌握建筑物(或設(shè)施)的各組件尺寸與坐標(biāo)信息，再進(jìn)行塑模工作。而量測工作，除了利用傳統(tǒng)的測量儀器以外，近年來也有許多利用雷射掃描技術(shù)來取得對象表面點云信息，再以之當(dāng)成參考信息，或透過一些將點云信息轉(zhuǎn)換為幾何對象之輔助工具，來協(xié)助幾何模型的建構(gòu)。由于雷射掃描只能取得表面的點云信息，且以自動他方式從點云中擷取幾何形狀之技術(shù)還處于研發(fā)階段，雖然一些塑模工具也有提供一些能處理點云之功能，但這方面之應(yīng)用還不普遍。從BIM應(yīng)用實務(wù)上來說，因為目前從生命周期一開始就導(dǎo)入BIM的案例還較有限，且相對于現(xiàn)有建筑物修(擴(kuò))建與使用維護(hù)之應(yīng)用來說，新建工程之BIM應(yīng)用相對有限，因此對于第二種塑模情境之需求(即對現(xiàn)存建筑實體或設(shè)計之塑模)反而較高。若能有效整合量測工具與BIM塑模工具來快速且低成本地完成模型建構(gòu)，將會讓BIM技術(shù)的應(yīng)用更加普及。檢視模型成果兩種途徑過去CAD工具之工程應(yīng)用雖也需要一些工程專業(yè)知識，但或許除了建筑造型與空間設(shè)計以外，還不能算是專業(yè)的工程設(shè)計工具，只能算是表達(dá)設(shè)計成果的繪圖工具。然而，今日BIM設(shè)計工具已經(jīng)是專業(yè)設(shè)計工具，使用者必須具備足夠之專業(yè)知識與經(jīng)驗，才能正確且精準(zhǔn)地操作及建構(gòu)出具有工程應(yīng)用價值之模型。一旦BIM設(shè)計模型完成，設(shè)計成果便可以透過多種的3D模型展示(例如:利用不同視角、透視、隱藏部分對象等方式)或搭配可從3D模型自動產(chǎn)出之2D平面、立面、剖面圖等來呈現(xiàn)。此外，由于是專業(yè)設(shè)計工具，自然要具有一些能輔助專業(yè)設(shè)計之智能(Intelligence)，使用者在操作上當(dāng)然也要符合一定之設(shè)計邏輯。因此，使用者操作接口設(shè)計之親和性與直覺性、輔助設(shè)計功能之智能他與自動化程度、基本設(shè)計對象庫之完整度、及工具所能提供的客制他與擴(kuò)充性彈性，例如:所開放之API(ApplicationProgrammingInterface)功能是否強大，都是評估BIM設(shè)計工具優(yōu)劣之重要指標(biāo)。除了在BIM設(shè)計工具中可以展示設(shè)計成果以外，還可以用BIM模型檢視器(ModelViewer)來檢視BIM模型成果。就類同于PDF文件閱讀器(Reader)般，BIM模型檢視器也是只能用來檢視BIM模型及屬性數(shù)據(jù)，但不能修改模型信息，而且也多是可免費自由下載的。此類檢視器通常能讀取多種模型檔案格式，并能將分別讀進(jìn)來的多個檔案中的模型整合呈現(xiàn)，也讓使用者在模型中注記文字