Interoperability-建築資訊的互換性

建築資訊建模的核心理念就是藉由資訊模型的建構過程來整合各階段所需的專業知識，利 用資訊模型進行各種模擬、分析和估算，以協助各階段決策的制定。美國國家 BIM 標準 (NBIMS-US)透過 IFD(International Framework for Dictionaries),IFC(Industry Foundation Classes) 以及 IDM(Information Delivery Manual)/MVD(Model View Definition)的建置以提升建築協同作 業團隊各專業之間資訊的互用性(interoperability)。就資訊技術的角度而言，這些資訊內容與格 Energy Analysis 已為能源耗損評估帶來更為全面的模擬內容，本研究擬以其為基礎，配合國內 的應用條件，研究適用於國內情況同時兼顧國際化的標準可行的作業模式，在 BIM 的架構下結 合參數化設計與能源耗損評估程式進行設計優化。甚至在目前研究比較缺的量體配置階段就可 以開始能源耗損評估以協助配置方案的制定。

根據 NBIMS-US 第四章 Design to Building Energy Analysis 的敘述，在 buildingSMART 以及 Open Geospatial Consortium 的領導下，自 2008 年起的一個大型計畫中由數十個單位共同進行節 能資訊 BIM 標準規格的測試，發展出 BEA 標準規格並經測試驗證，規範建築能源耗損評估與

BIM 輸出的認證規格，任何 BIM 輸出的 IFC 檔案只要通過 BEA 標準的認證，就可以經由同樣

BIM 應用於建築的節能評估就資訊作業流程的角度而言，乃是屬於整合專案交付(integrated project delivery, IPD)的一環。針對這個議題的研究乃是從 IPD 的基本理念起始。其中最關鍵的 部分就是如何以資訊建模的基礎連接不同專業之間的資料交換，也就是為了釐清建築生命週期 流程中資訊流程的作業模型，所牽涉到之 IDM, MVD 以及資料交換標準格式 IFC 的發展與制定。

為了落實以 BIM 為基礎的建築設計流程，讓不同領域的參與人員能快速交流資訊，必需使 用一種通用格式讓資訊得以在不同軟體間轉換與流通，因此 buildingSMART 提出以 IFC 作為 BIM 軟體之間的交換格式。IFC 格式包含建築生命週期的所有物件，不同領域的參與人員因為 軟體之間的資料交換，針對物件的描述與屬性。IFD(International Framework for Dictionaries)是 國際字典框架，針對不同領域專家對於同一物件的描述、名稱與定義作一個統一的標準規範，

讓資訊的提供者與接收者對同一資訊有一致的解讀。因此在 IFC 與 IFD 的基礎架構上，BIM 才 能有效地發佈規定與應用在實務專案之中。

圖 2- 1、BIM 相關研究與名詞解釋，圖片來源:(buildingSMART, 2012)

第一項 IFC-工業基礎類別(Industry Foundation Classes)

IFC 是由國際組織 BuildingSMART 建立，它包含建築生命週期內的所有資訊與物件，提供 可擴展的資訊架構，被用來當作是 BIM 軟體的通用檔案交換格式，作為建築資訊交換的媒介，

紀錄了物件資料與物件之間的關聯性，可以用來評估建築整體或部分的效能(Fazio, He, Hammad,

& Horvat, 2007)。使用 IFC 的目的是解決建築資訊交換的問題，串聯建築生命週期各階段的物 件資訊，從專案的開始延續到建築物完成後的設施管理與維護(Aram, Eastman, Sacks, Panushev,

& Venugopal, 2010)。BIM 是以物件導向為基礎的設計，具備資料封裝、組織、聯繫的特性，對 於人或軟體而言皆可透過簡單可讀取的格式來傳遞資訊(Nawari, 2011)。因此符合 BIM 精神的軟 體所建置的建築物件應具備以下特性:

1. 功能類型(Functional type) 2. 幾何形體(Geometry) 3. 屬性(Attributes)

4. 物件之間的關係(Relations between objects)

5. 行為規則(Behavioral rules) (Pratt 2004)

圖 2-2 說明 IFC 的系統架構，IFC 包含 800 種以上的實體物件、358 種的屬性設置與 121 種的資料類型，採取階層分類的方式用來定義建築生命週期中的所有物件，資源層定義 26 種基 本的 EXPRESS，是個物件的共享基礎。核心層定義有關實體模型的資訊包含延伸的功能。交付 層說明 AEC 產業常用的可交換物件類別。需求層詳細描述專案參與者的使用內容。

圖 2-2、IFC 系統架構表(圖片來源: BuildingSMART，本研究改繪)

圖 2-3 比較傳統的資訊交換與以 IFC 格式交換的方式，IFC 提供了一個跨領域架構，整合 建築師、結構工程師、HVAC 工程師、製造商、專案管理者與土木工程師等專案參與人員，遵 守共同的格式，方便參與人員進行資訊交換，也確保資訊的傳遞完整。

圖 2-3、傳統的資訊交換與以 IFC 格式交換的方式比較(Chen et al., 2005)

第二項 LoD-資訊模型發展(Level of Develpoment)

關於 LoD 的解釋為模型發展(Level of Develpoment)，隨著建築業務流程的進行，其模型元 件的內容可以不斷增加資訊與延續發展，這是美國建築師協會(American Institute of Architects，

AIA) 所 提 出 ， 在 AIA 官 方 文 件 (AIA DocumentE202™-2008 Building Information Modeling Protocol.)中建築生命週期分成 5 個階段，分別是概念規劃(Conceptual)、基本設計(approximate geometry)、精確設計(precise geometry)、施工模型(fabrication)、竣工模型(as-built)，從元件內容、

工期規劃、成本估算、計畫要求、永續材料和環境模擬與評估等面向來解釋 BIM 建築元件的資 訊需求、差異與應用發展(AIA, 2011)。而建築設計的流程與建築師的業務範圍包含到 LOD 300 的階段。表 2-1 是說明各階段模型的內容、4D 時程安排、成本估算、計畫承諾、永續建材、環

圖片 LoD 500 模 型

第三項 IDM-資訊交付手冊(Information Delivery Manuals)

為了落實以 BIM 為基礎的建築作業模式，我們需要以 IFC 做為資訊交換的基礎格式，來分

資訊交付手冊(Information Delivery Manuals，IDM)可以視為團隊合作的藍圖，說明各團隊 必須交換的資訊項目與文件內容，解決資訊交換過程中模糊不清的部分。本章節有關於 IDM 與 MVD 的部分將以美國國家 BIM 標準的文獻(National BIM Standard - United States™ Version 2) 作為實例說明，IDM 可以分成三個部分

1. 建築業務程序圖(Process Maps)

建築業務程序圖(Process Maps)的探討與制定可以使用業務流程圖示(Business Process Modeling Notation,BPMN)來表示，它是一種標準化的圖示(BPMN, 2011)，用來描述業務流程與 建構程序圖(process map)，主要內容分成三類：活動、關聯、資訊交換項目。程序圖可以幫助 所有的參與者了解彼此的需求與利益目標，確定工作流程與交付內容，建立決策點，提高工作 流程的透明度(資訊公開透明化)，幫助團隊之間的交流。這些項目在階段合作中交付文件做整 合，再由設計者與業主裁決是否准許，其成果和評估依據值得深入研究與檢討，尤其是關於設 計回饋的效益。

圖 2-4、概念設計階段的能源分析流程圖(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)

2. 交換需求(Exchange Requirements)

交換需求(Exchange Requirements)是分析整個建築專案中每個參與角色所需的資訊，圖 2-5 說明建築師的交換需求，包含資訊名稱、資訊內容、資料型態與單位，以表格的方式逐項確定 是否需要提供。

圖 2-5、能源分析的需求表(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)

3. 交換需求模型的描述(Exchange Requirements Model Description)

圖 2-6 說明概念設計階段的交換需求模型用途與交換對象，以建築設計的資訊模型做為交 換基礎，進行室內微氣候環境模擬與能源模擬。

圖 2-6、建築能源分析的交換需求模型描述(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)

4. 交換需求模型(Exchange Requirements Model，ERM)

根據交換需求的描述轉化成圖 2-7，每個資訊項目的 IFC 定義與物件屬性關聯由 MVD 來 定義。相關的內容說明請參考第二章第四節。

圖 2-7、建築能源分析的交換需求模型概述(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)

圖 2-8 從資訊技術的角度分析 IDM 的架構，整體分成兩個層面，交換需求層以上可以視為 系統分析與設計，業務規則(business rules)與實際驗證(verification tests)是影響交換需求內容的兩 個因素。機能部分(functional parts)與概念(concepts)層與程式撰寫、軟體功能開發有關，程式開 發人員根據使用者的需求提出解決的辦法。functional parts 是 IDM 架構中的基本資訊單元，它 代表單一的資訊構想、一種單獨行為，其內容必須明確的包含要交換的特質(attributes)或屬性 (properties)。程式開發人員用它來進行 IFC 格式的資訊需求交換，並在程序圖所描述的範圍內 進行資訊傳遞。

圖 2-8、IDM 的技術架構(圖片來源: BuildingSMART)

第四項 MVD-模型觀點定義(Model View Definitions)

模型觀點定義(Model View Definitions，MVD)從格式、內容、過程與工具等方面來說明，

使用 IFC 架構格式來定義建築業務流程中的某個階段，不同領域的工作者彼此互相交換與傳遞 的內容，包含定義交換的物件內容與關聯，明確的指出哪些資訊、內容與物件是需要提供，哪 些資訊是不需要提供。有關節能 MVD 的內容可分成兩個部分說明:

1. 模型觀點定義概述(Model View Definition Overview)

圖 2-9 描述這個資訊交換模型的主要用途、內容、製作者與文件版本資訊，根據其內容聚 焦在基地脈絡(鄰接建築物)、建築節能預算、受熱區和有關目標條件的資訊、空間資訊用於能 源分析（居住、時間表、設備與照明）、建築元素的受熱性能與太陽能光電陣列(分析太陽能板 的設置)。

圖 2-9、建築能源分析的模型觀點定義概述(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)

2. 模型觀點圖解(Model View Diagrams)

圖 2-10 說明模型觀點定義(MVD)在進行建築能源分析工作時所需要的資訊交換項目，分類 成不同的系統來規定內容，這些內容有許多物件屬性組成。與能源分析相關的項目系統有模型 架構(說明模型的樓層分類、空間類型、基地、使用分區)、建築系統(包含建築元件，柱、牆、

樑、樓板、坡道、帷幕牆、太陽陰影、窗戶)、設備系統(HVAC 系統)、動力系統(電力與照明系 統)與其他系統(門窗的類型與基地內的物件)。

圖 2-10、建築能源分析的模型觀點圖解(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)

圖 2-11 以”專案(project)”作為範例說明其 IFC 的物件屬性。project 是 functional parts，由許 多 concept 組成，這些 concept 之間的關係是一種階層式架構，每一個 concept 的描述如圖 2-12 所示。圖 2-12 說明 Root Attributes 的定義以及它關聯的資訊。IFC 格式包含整個建築生命週期 所需的資訊，在設計階段設計者擁有的(或者該說是所需要的)資訊量少，許多 IFC 格式裡的欄 位是空缺，形成多餘的資訊。本研究研讀 NBIMS-USTM V2 文獻中的第四章第四節，從中發現 NBIMS 已經發展出符合美國建築業務流程的建築能源分析用 IDM 與 MVD，因此本研究在這個 基礎下找出主要的節能資訊交換項目，發展符合台灣節能資訊交付手冊與節能模型觀點定義的 雛型，進一步思考如何以參數化工具作為整合策略的可能。

圖 2-11、project 的 IFC 關聯圖(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)

圖 2-12、Root Attributes 的關聯圖(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012)