電腦數值模擬分析方法文獻回顧

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 [35]。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。

電腦數值模擬分析是於施工管理過程中協助使用者做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，開發一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電腦數值模擬分析系統，將是把電腦數值模擬分析技術轉

第三章 應用 BIM 及 AI 於建築工程之資源分配及時程規劃系 統研發

第 一 節 系 統 特 性

目前，決定建築工程各工項所需資源（人工、材料及設備）的流程通常為使用預先建立的 資料庫為各工項分配所需資源，並使用資源分配方法（例如，分析方法和啟發式方法）做資源 分配。 但是，這個過程無法保證為各工項做最佳資源分配，因為各建築工程各工項都有其不同 的工程目標及限制條件，現有的資源分配流程有其使用限制。

目前建築業界所使用的商業排程軟體，各工項資源分配及施工時間皆由使用者依經驗或過 往工程資料估計而得，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。

3D BIM(Building Information Modeling)模型本身具有相當豐富的工程基本資訊(例如：元件 代號、種類、面積、體積、材料、空間面積等資料)，但是 BIM 模型並未包含任何施工順序相 關資訊。

依據維基百科，「目前有大量的工具應用了人工智慧，其中包括搜尋和數學最佳化、邏輯推 演。」。本研究研發一應用 AI 之系統，該系統使用之技術包括搜尋與數學最佳化及邏輯推演。

綜上，本研究研發一應用 BIM 及 AI (Artificial Intelligence，人工智慧)之建築工程資源分配 及時程規劃系統，簡稱為 ISM，該系統可以自動產製各種可能的工項資源分配組合及時程規劃 選項，並依使用者設定的最佳化目標及工程條件，從中自動挑選出最佳的資源分配組合及時程 規劃選項。

本系統同時考慮和整合大多數重要的施工影響因素（例如:工項排程、成本估算，空間分配、

各工種數量分配，各型設備數量分配及材料管理）（圖 3-1），並應用具有數值模擬分析功能的 AI 技術分析並求取最佳解，如此可使工程資源分配及時程規劃接近最佳化。 本系統進行模擬 分析過程的計算參數包含：（1）各工項所需資源相關的工作數量；（2）整個工程每日各資源數 量限制；（3）整個工程的可用空間；（4）工程目標（例如: 整個工程最短施工工期、最少施工 成本、最長施工工期條件限制之最少施工成本等）；（5）工程限制條件（例如，施工工期不可多

於 500 工作日）；（6）各資源單位成本；（7）各工項的最大資源生產率；（8）各工項所需資源種 類；（9）各工項各資源所需的空間位置；（10）各工項所需資源數量比率限制；（11）各工項各 資源所需工作面積；（12）符合工項施工網絡關係圖之各工項施作優先順序；（13）銀行年利率；

（14）加價百分比等（圖 3-2）。其中，各工項所需資源相關的工作數量可藉由作者研發之「工 作分解結構及資料庫系統」工作分解結構功直接從 3D BIM 模型匯入本系統（圖 3-3，請參見本 所 106 年度「應用 BIM 於建築工程之資源分配及時程規劃策略」研究成果報告），無需人工逐項 輸入。

本系統模擬計算分析後產出的資料包含：（1）各工項資源分配；（2）施工期間各空間動態 分配；（3）決定各工項施工時間之主要資源生產率；（4）整個工程各資源及各空間利用率；（5）

各工項施工時間及施工起迄時間；（6）整個工程施工時間、施工起迄時間及施工成本的計算（包 含工程成本現值計算）；（7）材料管理和採購期程規劃；（8）整個工程施工時間、施工成本、施 工成本現值等風險性分析（圖 3-4）。此外，本系統可讓使用者依假設狀況做結果預測分析，並 可依據工程不可預見的臨時狀況（例如:變更設計、材料交付延遲等）即時安排調整各工項資源 分配及時程規劃。

本系統是在 Simphony（NSERC / Alberta Construction Industry，University of Alberta）的環 境下開發的，Simphony 是一種通用的模擬語言。本系統是一個全自動電腦模擬系統，並可以像 使用一般傳統排程軟體般輕鬆使用，但具有更強大的功能，包含考慮工程的不確定性和動態行 為。本系統讓使用者在不熟悉電腦模擬技術的情況下能夠構建模擬模型，並讓使用者能夠直接 找到經過最佳分析之所有建築項目重要資訊。

Material Management

Equipment Distribution Labor

Distribution

Scheduling Cost

Estimate

Space Distribution

FIAPP in ISM

圖 3-1:ISM 同時考慮和整合大多數重要的施工影響因素

圖 3-2:ISM 進行模擬分析過程的計算參數

空間

計算各工項的時程。此外，本系統引用 Ahuja et al.(1995)所介紹的工項關鍵性概念，而非一般常

風險性分析，此流程圖的 16 個演算步驟詳述如下：

建構各工項網絡關係

　 步驟 1：先設定在整個工程中可以使用的人力、設備、材料及空間類型。然後，建構 各工項網絡關係，並設定各工項所需資源類型。

　 步驟 2：從 BIM 模型輸入或手動輸入各工項所對應人力、設備及材料的工程數量；設 定各工項中各資源的平均生產率及資源間的數量關係限制；設定每天可用資源與空間的最大數 量及資源的平均單位成本；設定工程目標（如：最低工程成本、最短工期等）及工程限制條件

（如：工程完成期限、每天可使用的資源數量限制等）。 執行模擬分析

　 步驟 3：設定模擬分析次數

　 步驟 4：設定每個工項執行的優先程度。若無特殊考量，可以設定最小值為 1，最大值 為總工項數目的均勻分佈。

　 步驟 5：系統依據每個工項於步驟 4 所設定的優先程度分配人力、設備及空間。

　 步驟 6：系統根據步驟 5 所分配的人力、設備及空間計算各工項所需時間、各工項時 程及整個工程所需時間。

　 步驟 7：綜整步驟 6 之結果，檢查每天各類型資源所分配的總數目是否超過該類型資 源每天可用的最大數量，並確認各工項各資源間的數量關係沒有違反原先所設定的限制條件。

　 步驟 8：計算每個工項所需各種材料數量。

　 步驟 9：計算各工項成本及整個工程成本。

　 步驟 10：產生及儲存各次模擬分析相關資料，包括：各工項及整個工程所需時間、各 工項及整個工程所需成本、整個工程所需成本現值、所需材料數量、各工項所需各種資源數量、

各資源在各工項的預計生產率等。

　 步驟 11：根據步驟 2 所設定工程目標，比較新的模擬分析結果是否優於先前的模擬分 析結果，以較優者為新的最優者。

　 步驟 12：重複步驟 4 到步驟 12，直至完成步驟 3 所設定模擬分析次數。

風險性分析

　 步驟 13：設定針對風險性分析的模擬分析次數。

　 步驟 14：將各資源生產率及資源單位成本設定為機率密度函數。

　 步驟 15：將各資源數量設定為常數，其值等於「執行模擬分析」階段所獲得的最佳結 果。

　 步驟 16：產生所需工程時間及所需工程成本等的隨機分佈機率圖及累計分佈機率圖。

圖 3-5: ISM 系統流程圖

第 三 節

數 值 模 擬 分 析 程 式

(i C i overhead contingency profit tax mark up

R       

U(j) = 資源* j 的單位成本 U(k) = 材料 k 的單位成本 A(i) = 工項 i 所需總空間

a(i, j) = 工項 i 中的單位資源* j 所需空間 a(i, k) = 工項 i 中的單位材料 k 所需空間 資源*= 人力資源或設備

各工項所需人力、設備、材料及空間數量皆於此階段中計算，材料則假設沒有每天能提供 最多數量的限制，也不考慮材料運送延遲的問題。G(i , j)是由系統以隨機的均勻分佈方式自動 設定，並限定為整數。N(i, j)、N(i, k)、U( j)、U(k)、a(i, j) 及 a(i, k)則可以由使用者設定為隨機 分佈函數或固定的常數。

（2） 安排工項施做順序

在此階段，所有工項的施做順序乃依據他們的邏輯，資源和空間的要求決定。如果某工項 符合所有啟動的條件，它就會被選入工項可實行工項的名單中。某工項的最早可施做時間決定

在此階段，所有工項的施做順序乃依據他們的邏輯，資源和空間的要求決定。如果某工項 符合所有啟動的條件，它就會被選入工項可實行工項的名單中。某工項的最早可施做時間決定