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谢尚贤:浅谈BIM应用工具(三)

查看: 1716| 评论: 0| 发布者: bimuser |来自: 技术新知

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简介:BIM技术应用的重点也是优势之一,便是要在工程还没实际进行前,透过 拟真的事前分析与模拟,来协助各项决策及运筹帷幄,以降低甚至避免工程中可 能发生的误解、冲突、错误、浪费与风险等。
善用三维模型工具 拟真分析
 
  BIM 技术的应用,通常从 BIM 模型的建立开始,因此在上一篇(「浅谈 BIM 应用工具(二):塑模、设计与成果展示」 [1])文章中,讨论了用以建立 BIM 模型的塑模工具。接下来,就让我们谈谈在不同的工程生命周期阶段中,随着不 同发展程度( Level of Development,简称 LOD)[2]的BIM模型之演进,有哪些可以善用三维 BIM 模型中的信息,来进行分析与模拟之需求,还有相关的应用 工具应具备怎样之功能。
 
  BIM技术应用的重点也是优势之一,便是要在工程还没实际进行前,透过 拟真的事前分析与模拟,来协助各项决策及运筹帷幄,以降低甚至避免工程中可 能发生的误解、冲突、错误、浪费与风险等。这些事前的分析与模拟,并非今天 有了BIM技术才开始进行,有一些领域,例如结构分析与厂房管线之冲突检讨, 很早就已建构自己的三维模型来进行分析与仿真,但有了BIM模型后则可以更 方便而有效率,甚至更精进;但也有些领域,例如逃生疏散检核,在过去因无BIM 模型,而只有2D工程图说信息,必须要花较多的功夫及成本去建构三维模型,或只好采用较简化的模式与模型进行分析仿真,现在有了BIM模型,则可 以采用更直接且拟真之分析模拟方法;还有一些领域,例如节能减碳相关之分析与模拟,则可以说是随着BIM技术之发展而开始被重视及导入建筑营建业,甚 至还有一些新的分析与模拟需求可能会在未来慢慢产生。从上述的讨论不难发现, 以BIM模型为基础的分析与模拟工具还有很多的发展空间,值得期待。
 
  应用工具 特色与功能
 
  以下就举一些笔者想到的分析与模拟需求为例,来讨论所需之应用工具的特 色与功能,还有他们与 BIM 模型间的关系:
 
  · 环境影响模拟: 此部分之模拟工具通常需要 LOD 200 之 BIM 外壳几何模型,而目标建 筑物周遭环境之建筑物则可用 LOD 200 之外壳几何模型或只需 LOD100 之量体模型即可,再搭配数字地形图与地图,来进行一年四季的日 照与建筑物阴影相互影响等之分析,甚至再搭配能进行流体动力分析之 工具来进行建筑物周围风场之模拟。
 
  · 节能减碳设计分析: 此部分之应用工具随着近年来对节能减碳的要求,及绿建筑规范之发展 而越来越受到重视,工具软件的功能也越来越细致。通常这类工具必须 要能让用户输入气象单位提供的当地全年气候数据,然后根据对日照 热辐射及室内采光、通风与空调之模拟,来考虑符合人体舒适度及室内 照明需求的节能减碳设计,例如外壳隔热、遮阳、自然通风等[3],减少 照明及空调之使用,达到节能减碳目的。在室内通风与热流之分析中, 通常需要 LOD 200 甚或 LOD 300 之 BIM 模型外壳、开口、玻璃、隔间 等与其材质、透光度、导热性等信息,也牵涉到照度模拟、流体动力计 算与热传导分析,详细的分析多需要大量之计算,而目前大部分的应用工具多采用较简易快速的分析方法,毕竟在初步设计规划阶段,只要能 满足设计方案的比较与节能减碳效益粗估上的精确度要求即可。
 
  此类分析模拟工具的发展空间还很大,一方面是在分析的精确度与视觉 化呈现及仿真效能的提升方面,另一方面则是现代建筑与设施日渐智慧 化,利用许多自动的感测装置及半自动或自动的控制装置来达成节能减碳目标,但如何将这些控制机构及情境(例如,随室内温度变化与需求 而自动开关的窗户)纳入分析模拟当中,则仍是需要继续努力的研究与 应用议题。
 
  · 音场模拟: 此部分的应用多是在设计对声音的质量要求较高的场所时,例如,音乐 厅、剧场、电影院等,也可能是需要对音响或噪音的影响进行评估时, 例如户外表演场所、机场、火车、高速道路等对周遭环境之影响。通常 需要 LOD 200 甚或 LOD 300 之 BIM 模型外壳、隔间、室内装修及主要 摆设等之几何与其材质吸音能力等信息,再配合专业软件来完成分析。
 
  · 结构分析: 此部分的分析工具已发展多年且也相当成熟,只是过去通常都是由结构 工程师根据 2D 建筑图说自行建构分析所需之三维模型,现在则可以由LOD 300 之 BIM 模型中自动导出所需之几何及材料属性信息,除了较 简单方便外,也可避免因人工解读及建模时可能造成之错误,尤其对于 不规则造型之构造物而言,效益最为显著。
目前此部分应用最大的困境还是在 BIM 塑模工具与结构分析软件间之 信息抛转还不是很标准及完善,尤其是将分析完成后之信息回馈到 BIM 模型中以利后续应用方面。对此应用有进一步兴趣者可参考文献[4]之讨论。
 
  · 机电管线系统分析: 传统上,机电管线系统之设计皆以平面图为之,且在设计时间所完成之 设计还留有很多以示意为主的表达,必须等到施工阶段才由施工者自行 判断决定。应用 BIM 技术之后,设计成果在几何与空间位置上必须够 明确清楚才有办法据以建构 BIM 模型,因此一些设计及施工上的决策 必须提前。然而每个系统在 BIM 模型中都被更清楚地展示出来,除了 可以提前检讨协调系统间的冲突问题,也有利于进行个别系统之相关设 计模拟分析,例如:管流之分析、电力负载分析、水循环分析等。此部 分之分析功能多需与 BIM 塑模及设计工具密切结合,所需要之 BIM 模 型多为LOD 300 程度。
 
  · 空间冲突分析: 不管是在设计时间、施工前或施工中,由于建筑、结构、机电管线系统 都由不同专业分工协同设计与施作,难免会在设计与施工上发生空间冲 突的问题,因此必须透过 BIM 模型之整合来检核,并加以协调来改善 整体之设计成果。此部分之应用需求与效益目前已十分显著,因此也已有不少的软件包工具可以运用。而在 BIM 模型的需求上则为 LOD 300 或 LOD 400。在空间冲突的检讨上,一般分为硬碰撞与软碰撞两类,硬 碰撞指的是两物体在空间中有所重迭而发生碰撞,而软碰撞则是指两物 体在空间中虽未重迭而发生碰撞,但因维修需求或其他设计与施工上之 考虑,必须要保持一定之空间距离却无法满足。这两项功能都很重要,大多数的应用软件也都有不同程度之支持。较具挑战的部分反而是在发 现有空间冲突后,该如何依情节轻重来筛选及呈现,以协助工程师能快 速准确且有效率地解决问题。此部分之功能则还有不小的进步空间。
 
  · 疏散逃生模拟: 社会发展越成熟,就会从原本偏重成本效益的心态,转向越来越重视品 质与安全的文化,因此,对于建筑设施空间的安全设计与检核的要求也 就会越高。传统上,因为安全相关仿真所需之模型建立不易且成本高, 加上这类模拟多牵涉到人类行为之模拟而有其一定之难度,因此,规范之 要 求 通 常 为 处 方 式 的 (prescriptive-based ) 而 非 性 能 式 ( performance-based)的。处方式的规范基本上是透过一些条列的检核 规则及标准,来达成安全的目的,但常无法回答「此设计到底有多安 全?」、「若某种情况发生,最不安全的地方会发生在哪?」 等问题,而性能式规范则将重点放在要求要达到之安全目标,并通常透过分析模 拟来检核多种可能情境下(特别是最糟之情况下),此安全目标是否还 能被确保,因此对于设计之优缺点有较全面清楚之掌握,也是目前全世 界各类规范之发展与推动趋势。有了 BIM 模型之后,加上对人类行为模拟之技术持续进步,相信建筑 营建产业的相关安全规范也会朝向性能式规范演化。但在这个发展过程 中,即使是协助处方式规范之检核,BIM 模型之应用也能发挥不小效 益,尤其是设计过程中常因设计变更而需重复检核多次时。只是这类之应用工具目前多需要自行透过一些 BIM 应用工具之 API( Application Programming Interface)来开发,例如参考文献[5]中的捷运站紧急逃生 时间检核工具就是一例。此类之模拟通常会需要 LOD 300 之模型。
 
  · 施工模拟: 从管理的角度来看,施工阶段应是营建工程生命周期中最复杂且关键之 阶段,不管是在参与人力的分工协调、投入资源之分配与时程规划等, 都需要事前好好规划,才能在实际执行时顺利平安地完成。因此,复杂 之大型工程常在初步规划设计时间,就会先以 LOD 200 之 BIM 模型模 拟工地之空间安排、施工要项之时程与成本控制、重要之施工程序(例如较困难或复杂之吊装)等,到了要发包施工之前,还会再一次以 LOD300 之 BIM 模型进行前述各项更详细的施工模拟与检核,包括施工阶 段之结构安全性分析(例如参考文献[6])。到了施工阶段,营造厂商 还会以 LOD 400 之 BIM 模型进行各项施工仿真。此部分工具之需求高且效益显著,因此已有不少软件包可以应用,但真要能切合施工阶段 较细腻之管理需求,则还有不少可以进步之空间及客制化之需求。
 

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