4.2 建築資訊模型概念與發展
4.2.3 建築資訊模型應用於軌道線形設計
有別於傳統線形設計，BIM 應用標準基礎(criteria-based)設計特徵的方式，
可將軌道設計需求，事先定義於設計標準檔案中，例如：特定速度之曲線最小半 徑之需求、漸曲線的最小長度限制，直線段最短距離要求等相關量化規範，皆能 定義於設計標準檔案中。當設計者規劃線形時，適當的參數值將自動產生並建議 給規劃者，規劃者可參考系統之建議或自行選擇定特定的數值，以確保設計值符 合規範要求。BIM 支援 IFC 資料格式建立之作業環境，具有下列特性
參數化智慧圖形元件的應用：
BIM 將參數化智慧圖形元件分成三類：固定元件、浮動元件及自由元件 固定元件：固定元件經由特定參數定義元件的位置，其參數僅能經由設計者 變更，它不受其他元件影響而改變幾何性或切線角，但其長度會因其附加元件而 改變。
浮動元件：浮動元件永遠自動與所銜接的元件保持正切，所以其幾何形狀是 隨著所銜接元件之正切角所定義。
自由元件：自由元件與所銜接的元件保持正切，並與後續銜接元件保持正切，
所以自由元件之幾何形狀由與其銜接之前後元件所定義。
41
藉由三種類型的參數化智慧元件交互應用，BIM 將自動保持線型的正切，規 劃者能更專注於考量影響線形的其他因素。
自動化設計標準與自動化設計檢查。
BIM 使用標準基礎(criteria-based)設計特徵的方式，確保線形設計符合當 局的最低標準的要求，規劃者可以將線形的最低限設計標準事先定義於「設計標 準檔」中，設計標準檔案包含四種設計標準如下所示
各種速度之曲線最小半徑要求表 超高設置方法
各種速度之超高變化率
各種半徑曲線之漸曲線最小長度要求
這四種設計標準包含大部份線形設計之標準，其他未能包含之設計標準可以 數學方程式定義於設計檢查集合中，藉由事先定義的設計標準與設計檢查，有助 於設計成果之自動檢查。例如當設計之行車速度為 120km/h，程式將自動檢查所 有曲線半徑是否大於 300m。
警示符號的應用
當線形元件之設計參數與預先定義之設計標準或設計檢查衝突，程式將於圖 面及線形元件一覽表同時顯示警示符號，提醒規劃者線形未能符合規範要求。
資料及圖形動態連結
BIM(IFC 標準)由許多 schema 所組成，這些 schema 按照物件導向的觀念和原 則分成四類，並透過參照與繼承關係組成一個四個觀念層的架構，此種嚴格階梯 參照原則，使資料及圖形能即時動態連結，當規劃者於圖面上或資料表中改變任 何參數，則整個資料模型將即時更新所有相關資訊(樊啟勇,2006)，例如當曲線 半徑改變，曲線長度、線形長度、幾何點位置及里程將即時動態自動更新。
多樣的資料更新模式
傳統線形設計之變更，需利用交互應用試算表、線形計算程式及 AutoCAD 繪 圖，過程較為繁瑣且沒有效率，BIM 因為資料及圖形之動態連結，使資料的更新 更具彈性且有效率，例如設計者能直接於資料表中更新曲線半徑並確認其圖面上
42
之位置，或由圖面上更新曲線並同時於資料表中確認曲率半徑滿足設計要求。
動態圖形修正模式
BIM 利用參數化智慧元件組合成線形，當線形中之任一元件參數變更，與其 銜接之相關元件將自動配合修正，並於圖形上即時顯示修正後之圖形，以圖 4-3 為例，當原路線之直線段平移一段距離，則前後之曲線自動調整曲線長度並保持 與直線正切，圖形以虛線表示原路線，並以實線表達變更後路線，規劃者於圖面 上將很容易去判斷變更後之影響。
圖 4-3：動態圖形修正展示圖
4.2.4 傳統定線方法與 BIM 定線方法比較
傳統定線方式純粹應用數學方法，利用試算表或程式語言，將所計算之路線 中心線座標匯入繪圖軟體，再由人員判讀後修正，重複同樣的步驟直到符合要求，
嚴格來說應該只是電腦輔助繪圖。BIM 定線方法將線形計算納為背景作業，設計 者只要給定設計準則及相關元件參數，電腦將自動產生合於設計規範的線形，且 任何變更系統將自動計算及更新，設計者僅須專注於各項設計因素間之取捨，是 屬於電腦輔助設計，比較其差異如表 4-1
表4-1：傳統鐵路定線與BIM定線比較表
特性 傳統定線 BIM 定線
精確的定線 精確 精確
電腦輔助繪圖 有 有
電腦輔助設計 無 有
設計標準自動檢查 無 有
資料動態連結 無 有
物件導向觀念 無 有
43
參數化物件 無 有
路線變更所需時間 較長 快速
44
五、 決策輔助系統建構
鐵路平面線形設計中，每個曲線元件的切線方向、曲率半徑、緩和曲線參數 及長度甚至是曲線連接型態等的設計，需要十分龐大的幾何計算量，設計人員應 著重在不能量化之設計因子之考量，龐大的幾何計算量可由電腦自動計算後建議 設計者可行之方案，本研究建構一套符合鐵路規範之決策輔助模式，藉由電腦輔 助計算，提供設計者符合規範之參數值，加速鐵路線形設計之進行。
5.1 系統架構
本研究之決策輔助系統，利用 AutoCAD Civil 3D 及 VBA 建構，其系統架構 如圖 5-1 所示，其核心為建築資訊模型所建構之軌道線形智慧元件，藉由設計者 於輸入路線之路徑參數及緩和曲線之類型，系統將路線拆解成獨立之軌道線形參 數化智慧元件，再藉由元件間之限制條件，計算出線形元件之屬性資訊組成軌道 線形模型。另一方面將有關軌道線形能量化之設計規範整理成設計規範檔 (eXtensible Markup Language, XML)，未能量化之部分將於後續以人工判讀，接 著將軌道線形模型逐一比對軌道線形設計規範，將未達規範之屬性以圖示方式顯 示於圖面，並將未符合規範之建議數值提供設計者，作為修改設計線形之決策參 考，達到決策輔助目的。
圖 5-1：系統架構 規範自動審查(電腦判讀)：
軌道設計標準、規範檢查集
資料表 選單 資料儲存(BIM):
軌道線形模型
空間資料分析(人工判讀)：
主題圖套疊
人機界面
視覺
45
46
47
48
故緩和曲線之最小長度要求，需經過軌道模型中部分圖形元件屬性計算 後比對，才能達到規範自動審查目的。
鐵路線形設計決策輔助系統由平面線形及縱面線形之圖形元件組成，為了行 車安全、順暢及旅客之舒適，不論平面或縱面線形皆有其嚴格的線形設計規範，
為求線形曲率變化之連續性要求，往往需要複雜及反覆的大量數學資料運算，數 學資料運算為電腦之強項，藉由輔助決策模式之構建，數學資料運算及線形規範 審查將由電腦主動輔助完成，設計人員將可專注於非線形因子，例如環境、地質、
拆遷…等不可量化設計因子之考量。
5.2 系統流程
如圖 5-3 所示，設計者需設定適當的參數，並接著設定路線之各個轉折點，
系統便能依據設定之參數及最初線形，詳細計算路線各線形元素之屬性資料，接 著藉由系統自動規範審查，並提示不符規範之警示資訊，設計者依據系統提供之 警訊反覆修正路線直到路線符合所有規範要求，俟路線通過所有規範要求後，再 以套疊各主題圖之方式，確認路線符合滿足各主題圖之功能需求，任何因為主題 圖之需求而變更之線形資訊，皆需要反覆經過軌道線形決策輔助系統之規範確認，
直到最終線形同時滿足線形設計規範要求及各主題圖之功能需求。
49
圖 5-3：輔助決策流程
5.2.1 參數設定
首先，設計者需輸入基本參數設定，以作為線形設計之基本依據。參數包含 路線名稱、類型、設計速度、設計規範檔案路徑、起始樁號、定線形式及標示形 式。
否
否 是
是 參數設定
路線選擇及曲線設定
路線曲線計算
座標及里程計算
自動規範審查
主題圖套疊 符合規範
符合需求
結束
決策輔助系統
設計規範資料庫
設計規範提示
50
5.2.2 曲線設定及路線選擇
路線線形可依設計者需求，於曲線及直線間加入緩和曲線或僅單純由直線及 圓曲線構成，且緩和曲線也可依設計者需求，選擇克羅梭曲線、三次拋物線或正 弦半波長。接著以座標值輸入或於電子底圖上點選路線轉折點，完成初步路線輸 入。
5.2.3 輔助決策分析
輔助決策系統依據前面步驟所設定參數及初步路線，詳細計算各圖形元件之 所有屬性值，經比對線形設計規範後，將未符合規範之圖形元件及屬性值以警示 符號方式提示設計者，設計者依據輔助決策系統提供之資訊，利用於圖面修改圖 形元件或於資料表修改屬性值方式修改設計線形，設計過程反覆修改線形直到滿 足輔助決策系統之所有線形規範。
5.2.4 主題圖套疊
軌道線形設計輔助決策系統僅針對軌道幾何線形規範提出決策建議，而軌道 線形設計需要考量之因子不只侷限於幾何線形規範，需同時考量運輸、經濟、用 地、拆遷、興建、水文、防洪、地質、環境…等多項因素，然上述因素往往非量 化資訊且無法由電腦解讀，故本流程藉由套繪上述因素之各類主題圖並以人工判 圖以達到設計之需求。
5.3 系統實作
路線設計公路與鐵路同樣是由直線及曲線等基本元件所組成，不同的是鐵路 需由道岔改變車輛之行進方向，AutoCAD Civil 3D 已建構相當完整的定線功能 應用於公路線形設計並已內建完整的 A.A.S.H.T.O. (American Association of State Highway and Transportation Officials) 公路規範，但公路之規範並不 全然適用於鐵路，本系統利用其原有的定線元件，蒐集台灣鐵路之相關規範，建
路線設計公路與鐵路同樣是由直線及曲線等基本元件所組成，不同的是鐵路 需由道岔改變車輛之行進方向，AutoCAD Civil 3D 已建構相當完整的定線功能 應用於公路線形設計並已內建完整的 A.A.S.H.T.O. (American Association of State Highway and Transportation Officials) 公路規範，但公路之規範並不 全然適用於鐵路，本系統利用其原有的定線元件，蒐集台灣鐵路之相關規範，建