BIM 應用於建築節能評估之
策略與實務
內 政 部建 築研 究 所 協 同研 究 報告
中華民國 102 年 12 月
BIM 應用於建築節能評估之
策略與實務
研究主持人：陳建忠
協同主持人：施宣光
研究員：陳彥宏、劉青峰
研究助理：張益豐、張美智、簡睿永
內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告
中華民國 102 年 12 月
（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）目次
目次 ... I
表次 ... III
圖次 ... IV
摘 要 ... IX
ABSTRACT ... XIII
第一章 緒論 ... 1
第一節 研究緣起與目的 ... 1
第二節 研究範圍 ... 2
第三節 研究流程 ... 5
第二章 文獻回顧 ... 7
第一節 Interoperability-建築資訊的互換性 ... 7
第二節 建築節能設計評估相關之資料交換格式 ... 21
第三節 節能設計與環境模擬分析軟體 ... 24
第三章 研究方法-專家訪談與案例分析... 29
第一節 專家訪談-建築業務流程探討 ... 29
第二節 案例分析(一)－萬華段集合住宅 ... 33
第三節 案例分析(二)－台電福和辦公大樓 ... 41
第四章 研究成果 ... 53
第一節 BIM 應用於建築節能評估之策略 ... 53
第二節 節能資訊交付手冊(IDM) ... 58
第三節 節能模型觀點定義(MVD) ... 62
第四節 衍生式建模-參數化量體設計工具 ... 64
第五章 結論與建議 ... 71
第一節 結論 ... 71
第二節 建議 ... 73
附錄一 專家訪談紀錄 1 ... 77
附錄二 專家訪談紀錄 2 ... 79
附錄三 專家訪談紀錄 3 ... 81
附錄四 專家訪談紀錄 4 ... 83
附錄五 專家訪談紀錄 5 ... 85
附錄六 專家訪談紀錄 6 ... 87
附錄七 期初審查意見回應 ... 93
附錄八 期中審查意見回應 ... 95
附錄九 期末審查意見回應 ... 97
附錄十 節能資訊交付手冊 ... 101
參考書目 ... 134
表次
表 2-1、LoD 各階段內容比較(表格來源:本研究室整理) ...11
表 2-2、輸出與輸入項目比較(表格來源:本研究室整理) ... 21
表 2-3、環境模擬分析軟體比較(表格來源:本研究室整理) ... 24
圖次
圖 1-1、設計資源投入及成效與時間關係曲線圖(圖片來源:Eastman, 2012;
PatrickMacLeamy, CURT, 2007) ... 2
圖 1-2、研究流程(圖片來源:本研究室繪製) ... 6
圖 2- 1、BIM 相關研究與名詞解釋，圖片來源:(buildingSMART, 2012) ... 9
圖 2-2、IFC 系統架構表(圖片來源: BuildingSMART，本研究改繪) ... 10
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) ...11
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) . 13
圖 2-5、能源分析的需求表(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012) ... 14
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)
... 15
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)
... 16
圖 2-8、IDM 的技術架構(圖片來源: BuildingSMART) ... 17
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)
... 18
圖 2-10、建築能源分析的模型觀點圖解(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012) ... 19
圖 2-11、project 的 IFC 關聯圖(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012) ... 20
圖 2-12、Root Attributes 的關聯圖(圖片來源:NBIMS-USTM V2，2012) ... 20
圖 2-13、BEEP-2010 軟體介紹(圖片來源: BEEP 操作手冊) ... 26
圖 2-15、建研所開發綠建築標章軟體(圖片來源:綠建築評估電子化作業軟體操作
手冊) ... 27
圖 2-16、DIVA for Rhino (圖片來源: http://diva4rhino.com/) ... 28
圖 3-1、基地範圍與位置(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 33
圖 3-2、全年季節溫度圖(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 34
圖 3-3、被動式策略比較圖(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 34
圖 3-4、風花圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 35
圖 3-5、氣候總圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 35
圖 3-6、發展中的概念量體模型(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 36
圖 3-7、量體設計物理環境考量說明(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 37
圖 3-8、西側立面熱輻射量說明(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 37
圖 3-9、太陽軌跡與建築量體關係(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 38
圖 3-10、地面層日平均熱輻射(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 38
圖 3-11、標準層與地面層風場(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 39
圖 3-12、一年四季日照陰影分析(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 39
圖 3-13、室內風場分析(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 40
圖 3-14、建築外殼設計-東向立面(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 40
圖 3- 15、建築量體策略構想(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 42
圖 3-16、建築物環境說明圖(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 43
圖 3-17、銳角造型(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 43
圖 3-18、緣角造型(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 44
圖 3-19、無造型板之屋頂風場模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 44
圖 3-20、造型頂板之導流效果模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 45
圖 3-21、考慮排熱之行人風場模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 45
圖 3-22、排熱氣之路徑模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 45
圖 3-23、排熱氣對雙層牆之影響模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 46
圖 3-24、煙囪設計示意圖(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 46
圖 3-25、外溫 18-24 度 A 模式之氣流剖面模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務
所) ... 47
圖 3-26、外溫 18-24 度 A 模式之溫度分佈模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務
所) ... 47
圖 3-27、雙層牆之形式(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 48
圖 3-28、三種雙層牆形式之氣流模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 48
圖 3-29、雙層牆於各層之氣流模擬圖(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 49
圖 3-30、建議採用之雙層牆形式(資料來源:九典聯合建築師事務所) ... 49
圖 3-31、室內光環境模擬(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 50
圖 3-32、建築資訊量的簡化(資料來源:九典聯合建築師事務所)... 51
圖 4-1、建築節能作業流程(圖片來源:本研究室繪製) ... 53
圖 4-2、配置階段的分析項目與設計準則(圖片來源:本研究室繪製) ... 54
圖 4-3、基設階段的分析項目與設計準則(圖片來源:本研究室繪製) ... 55
圖 4-4、細設階段的分析項目與設計準則(圖片來源:本研究室繪製) ... 56
圖 4-5、工作迴圈說明(圖片來源:本研究室繪製) ... 57
圖 4-6、建築計畫階段團隊作業流程(圖片來源:本研究室繪製)... 59
圖 4-7、基本設計階段的團隊作業流程(圖片來源:本研究室繪製) ... 60
圖 4-8、細部設計階段的團隊作業流程(圖片來源:本研究室繪製) ... 61
圖 4-9、ifcDoc Tool 節能模型觀點定義(圖片來源:本研究室繪製) ... 62
圖 4-10、ifcDoc Tool 節能模型觀點定義(圖片來源:本研究室繪製) ... 63
圖 4-11、參數化設計模型與物理環境評估的整合(圖片來源:本研究室繪製) ... 66
圖 4-12、參數化的量體設計工具原型(圖片來源:本研究室繪製)... 67
圖 4-13、操作案例-萬華段集合住宅(圖片來源:本研究室繪製) ... 68
圖 4-14、操作案例-台電福和辦公大樓(圖片來源:本研究室繪製) ... 68
圖 4-15、revit 操作案例-萬華段集合住宅(圖片來源:本研究室繪製) ... 70
圖 5-1、BIM 的應用策略與實務作業(圖片來源:本研究室繪製) ... 72
摘 要
關鍵詞：BIM、節能設計、IDM、MVD、IFC、參數化 一、 研究緣起 近年來 BIM 的發展為建築業各相關專業團隊資訊整合不易的困境帶來改變的契機。在專業 分工的概念下，目前的建築業務流程是依據建築生命週期分階段處理，建築團隊必須付出許多 溝通成本來整合各種跨領域的知識與資訊，在這過程中資訊整合是最耗時也是最關鍵的工作。 資訊交付手冊(Information Delivery Manual, IDM)是 BIM 技術與節能資訊能否有效地應用的關 鍵，根據文獻回顧的整理可知，使用業務流程模型圖示(Business Process Modeling Notation, BPMN)分析建築設計團隊的業務流程，從建築計劃、概念設計、基本設計到細部設計階段，了 解建築團隊間的資訊整合、溝通目的、交換資訊與文件。為了落實節能資訊整合的目標，建築 團隊必須以 BIM 技術與工具為基礎，進行跨領域的資訊交換，在交換的過程中即時回饋到設計 方案進行調整與修正，讓設計者能做出更好的設計結果，以更主動積極的方式取代被動消極的 錯誤整合與檢討，達成建築團隊間的水準連結與跨階段的垂直整合，確保各階段的決策執行與 貫徹。 二、 研究方法及過程 本研究探討 BIM 應用於建築節能評估之策略與實務，採用專家訪談的方式(九典聯合建築 師事務所)，了解目前台灣建築產業的工作流程，以萬華段集合住宅為案例操作，找出建築團隊 間的溝通困難點，制定 IDM(Information Delivery Manual)手冊與 MVD(Model View Definition)標 準協定，探討 IFC(Industry Foundation Classes)格式在不同軟體間進行資訊的交換與傳遞，並適 時開發相關程式來解決，考量台灣的法規、案件類型、事務所規模、節能目標與產業生態做適 當的調整，建立適合台灣產業的節能資訊交付手冊、節能模型觀點定義與參數化量體設計工具。 三、 重要發現 對於建築節能設計最佳的效果發揮階段是建築計畫與 LOD 100 階段，設計者在設計初期發 展建築量體時不能只有考慮節能(能源)一個面向，還必需考量預算與法規，這三種面向環環相 扣互相影響。IFC 格式是包含整個建築生命週期所有的資訊，只是輸出 IFC 格式並不能解決資 訊交換的問題。建築設計是一個動態的過程，在過程中設計者必須與不同領域的專業者合作， 在某些階段設計者是專注在某些議題的討論而不需要過多或過早的資訊，因此資訊交換專案會隨著階段與物件的不同而有調整。IDM 確定業務流程，再由 MVD 定義交換項目的內容，有效 的促進溝通合作，避免將所有或無相關的資訊全部轉換過去。 參數化量體設計工具用來支持建築設計初期的能源概估是可行的，它可以有效地連結設計 建模與能源模擬工具，快速的回饋能源分析的結果，利用概估的方法找出可行的設計方案，供 設計者與業主進行決策。 四、 主要建議事項 本研究提出立即可行與中長期建議如下: 建議一 立即可行:參數化量體設計工具的推廣與教學 主辦機關:中華民國全國建築師公會、財團法人台灣建築中心、國立台灣科技大學建築系 協辦機關:內政部建築研究所 參數化工具(grasshopper)的使用與研究在國際上已經盛行一段時間，在實務操作上許多國際 知名建築師事務所(Zaha Hadid、MVRDV、HOK)也利用這種工具完成了許多大型工程。本研究 在第四章所撰寫的參數化量體設計工具其內容與操作步驟都可以提供給中華民國全國建築師公 會與財團法人台灣建築中心做為學習範本，這些工具皆有試用版可供學習使用，如果要進行業 務使用則必需購買正式版本。除此之外，國立台灣科技大學建築系施宣光教授每學期皆有開設 參數化設計相關課程，歡迎業界人士前來學習，相關的上課資料也都有教學網站提供下載，讓 更多設計者一同學習促進產業發展。 建議二 立即可行:參數化量體設計工具與建築法規的整合應用 主辦機關:中華民國全國建築師公會、財團法人台灣建築中心、國立台灣科技大學建築系 協辦機關:內政部建築研究所 本研究建議參數化量體設計工具的後續可以朝建築法規檢討的方向去發展，找出建築量 體、容積與土地使用的相關法條，思考如何以參數化技術提供建築量體的策略。台灣因為地狹 人稠，建築物的建築策略大多是以最少的價格(建築成本)發揮最大價值(經濟效益)，因此土地的 利用價值才是業主給與建築師的最高指導原則，也就是發揮建築最大容積。一般建築師會在土
地最大使用的前提下，再思考節能、營建技術等議題。台灣的建築法規複雜且規定繁多，法條 的解釋需要有經驗的建築師與審查人員提供協助，再由學術人員研究整理後以參數化技術呈現。 建議三 中長期建議:與現有國內的綠建築標章申請軟體整合 主辦機關:內政部建築研究所、財團法人台灣建築中心 協辦機關:中華民國全國建築師公會 國內已經有開發數套輔助綠建築標章作業與申請流程的軟體，但是這些軟體在建築面積或 是立面開窗率等幾何計算還是需要設計者在 AutoCAD 中自行圈選範圍與計算數值。如果可以 和參數化工具整合讓設計者完成設計方案後，便可以快速得到相關的建築面積、立面開窗率與 開窗面積等數值，設計者在申請標章作業時，不用再花費時間手動計算，降低計算錯誤與提高 工作效率。目前可行的方式是由參數化量體設計工具將這些數值輸出成 EXCEL 檔案，設計者 僅需手動輸入到綠建築標章作業與申請流程的軟體。如果需要更進一步的自動化流程則必需與 原軟體開發團隊合作，討論如何做程式介面的銜接。 建議四 中長期建議:節能資訊交付手冊的制定 主辦機關:財團法人台灣建築中心、內政部建築研究所 協辦機關:中華民國全國建築師公會 節能資訊交付手冊需要與台灣的建築法規(如綠建築標章與建築技術規則)與業務流程結合 才能發揮功能。然而節能資訊交付手冊的定義不應該是只有一個標準版本，產官學三個方面的 立場不同，其意義也不同，分別討論如下: 1. 在學術上，本研究制定的節能資訊交付手冊(附錄十)是簡易的概念版本，建構在建築 專案的參與人員都是以 BIM 技術進行專案，交換資訊項目都是以 IFC 格式為基礎。但 是目前實際工作並不是以 BIM 為基礎，綠建築標章的申請文件仍然是由申請者自行準 備，這個工作應該要整合到節能資訊交付手冊之中。在台灣 BIM 還只是剛起步的階 段，相關的技術與配套措施需要有學術單位的研究支持，提供給政府單位做法律規範 的參考。本研究所制定的節能資訊交付手冊僅說明其概念缺少詳細的內容，後續需要 內政部建築研究所、財團法人台灣建築中心與中華民國全國建築師公會共同協調，發
展出有利於建築節能設計與標章申請作業的手冊。 2. 在產業界，隨著事務所的規模、建築案件與合作模式的不同，其資訊交換項目與交換 程序也會有所調整，建築專案的參與人員應該自行調整發展出適合自己使用的資訊交 付手冊，這個手冊的意義應該是以發展建築節能設計方案為主，協助標章申請文件產 生為輔。 3. 對政府單位而言，節能資訊交付手冊應該是協助綠建築標章的申請與法規檢核，輔助 建管專案的管理。綠建築標章是由內政部建研所主導發展，財團法人台灣建築中心承 辦綠建築標章的申請與審核，透過制定一個標準的節能資訊交付手冊來明確告知綠標 章的申請流程與步驟，讓建築師可以順利通過標章的申請，提升產業界對於使用 BIM 進行建築節能設計的意願。建築師使用 BIM 進行建築節能設計協助產生相關申請文 件，未來在審查流程中將成為建築師進行綠建築作業的輔助工具。
ABSTRACT
Keywords: BIM、energy saving、IDM、MVD、IFC、 parameterize
1. The origin of our research
In recent years, the development of BIM for architecture makes the turning point in the information integration of the different professional architecture team. In the concept of specialization, the current business process of architecture is based on the life cycle of a phased architecture, and the architecture team must pay a lot of communication costs to integrate a variety of interdisciplinary knowledge and information in different phase. The information integration in this kind of process is the most time consuming job, at same time, it is also a critical job.
Information Delivery Manual, IDM, is a key for the BIM technology and energy saving information to effectively apply. According to literature reviews, using BPMN (Business Process Modeling Notation) analysis the business process of architecture design team, which could understand the information integration, the communication purpose and the exchange of information and documents between different architecture design teams from the conceptual design, approximate geometry and precise geometry phase. In order to implement the goal of the information integration between architecture teams, they must base on the BIM technology and tools to do the interdisciplinary exchange of information. During the exchange process, the information real-time feedbacks to design for the adjustment and revision, which allows the designer to make better design results in a more proactive way of replacing errors by passive integration and review, reaches the level link between architecture teams and cross-phase vertical integration, and ensures the implementation and follow-out of decision-making in the various architecture phase.
2. The method and process of the research
Our research investigated the BIM strategy used in architecture energy-saving assessment and practice, uses the expert advice (Bio-architecture Formosana, firm) method to understand the current Taiwan architecture industry’s workflow. Basing on the operation of a project: Wanhua collective residence, finds out the difficult communication points between architecture teams to define IDM(Information Delivery Manual) manuals and MVD(Model View Definition) standard protocol and survey IFC(Industry Foundation Classes) format between different software exchange and delivery. At the same time, considering Taiwan’s regulations, the type of project, the scale of
architecture firm, energy-saving goals and appropriate adjustment of industrial ecology, builds up a suitable IDM manual for Taiwan’s industry、saving energy’s Model View Definition (MVD) and parameterized designing tools .
3. The important issue
The best performance stage is planning and LOD 100 stage, because the designer should consider not only budget、cost and environment but also energy saving, which are closely related. IFC data schema comprises information covering the many disciplines that contribute to a building throughout its lifecycle, but using it in software output cant solve the problem of information exchange. The process of architecture designing is a dynamic one, during the process, the designer must co-operate with different specialist to discuss only related issues not too much non-related information. Therefore, the content of exchanged information will adjust with stage and target. Using IDM to confirm the process of project then using MVD to define the content of exchanged information can efficiently push communication in cooperation to avoid non-related information transformation.
Parameterized design tool to support the architecture’s early stage planning at conceptual energy estimate is workable, because it can efficiently link design modeling with energy simulation tool and quickly feedback the result. Then, by using this conceptual estimation method to find workable design solution could support the designer and proprietor make decision.
4. The major suggestion issues
Our research proposes instantly workable and long-mid term suggestions as follows: The first suggestion
Instantly workable suggestion: the popularization and education of parameterized design tools The sponsor institution: Republic of China Architect Center, Taiwan Architecture & Building Center, Architecture Department of National Taiwan University of Science and Technology
The co-organizer: Architecture and Building Research Institute, Ministry of The Interior
Using and research about parameterized tools already populated in international world and also completed in many famous big scale architecture projects by famous architect offices(Zaha Hadid、 MVRDV、HOK). Our research report in chapter 4 which descript about the operation steps of parameterized mass design will be the teaching materials for Taiwan Architects Association or Taiwan Architecture & Building Center. These tools have trial versions for learning and could be bought for business issue in official version. Additionally, Prof. Shih has the related parameterized courses in
National Taiwan University of Science and Technology and welcomes everyone in career to learn them. The related information and material of these courses publish to teaching Web-site and could be download, which attracts more architect designers to learn together and also encourage the development of the architect industry.
The second suggestion
Instantly workable suggestion: the integration of parameterized design tools and architecture regulation and its application
The sponsor institution: Republic of China Architect Center, Taiwan Architecture & Building Center, Architecture Department of National Taiwan University of Science and Technology
The co-organizer: Architecture and Building Research Institute, Ministry of The Interior
Our research suggests that the parameterized design tools could develop toward architecture regulation by checking the regulation of building mass, volume and land usage and thinking about how to provide tactic for building mass by parameter technologies. Owing to the limit land size and crowed people in Taiwan, most of the tactic of architecture designs are base on the biggest economic benefit, therefore, the value of land use is the highest guideline. The general architects will consider the land use firstly, then consider the issues about the energy-saving or construction technology. In fact, the architecture regulations of Taiwan are complicate, which need the help of experiential architects and auditor to explain them and organize by academic members to represent them in parameterized technology.
The third suggestion
Instantly workable suggestion: the integration with current domestic software tools for applying EEWH
The sponsor institution: Architecture and Building Research Institute, Ministry of The Interior, Taiwan Architecture & Building Center,
The co-organizer: Republic of China Architect Center
Currently, there are many software tools to assist the process and application of EEWH, however, they still need the designer to set the range and calculate its value by AutoCAD in the aspect of gross building area or the window rate. It will be very convenient that when the designers finish the design then they can quickly get the related value about the gross building area, the window rate and area. The designers don’t need to take time to calculate by themselves and could reduce the mistakes and prompt the working efficiency during applying a certification. Current feasible method is to output
these values in EXCEL files from parameterized tools, then the designer just need to input them to the software which assists the process and application of EEWH.
The fourth suggestion:
Long-mid term suggestion: Energy-saving IDM
The sponsor institution: Republic of China Architect Center, Architecture Department of National Taiwan University of Science and Technology
The co-organizer: Architecture & Building Research Institute, Ministry of The interior
The energy-saving IDM established by our research still need to combine with Taiwanese regulations like Building Technical Regulations or Green Building Certification (EEWH). However, the definition of IDM should not have only one standard version, which should be have different meanings in three aspects (industry, government, and academy). These issues are discussed as follows: 1. In the aspect of academy, the energy-saving IDM defined by our research is a very simplified version which only related to architects operating BIM with IFC format to exchange information. In fact, a real project still needs other information to be exchange, for example, Green Building Certification. This issue doesn’t integrate into BIM and needs the applicant prepares some document to apply. Therefore, this should integrate into IDM. In Taiwan, BIM is just a beginning stage and needs be supported by related techniques and methodologies by academic research, which gives the government for reference to set up regulation. Current version of IDM defined by our research only descript the concept but lack of detail content and need institutions (Republic of Chinese Architect Center, Taiwan Architecture & Building Center, and Architecture & Building Research Institute, Ministry of The interior) to cooperate to develop one which benefit for energy-saving and applying EEWH.
2. In the aspect of career, along with the difference in scale of office, the type of building, and the mode of cooperation, the exchange of information item and process will adjust by the architecture members involved in the project, whose IDM menu is suitable for them. The meaning of IDM menu should focus on developing energy-saving design in major and on helping applying the EEWH in minor.
In the aspect of government, the energy-saving IDM menu could help to check the application and regulation of the EEWH and manage the project by the Construction Management Office. EEWH is developed by Architecture & Building Research Institute, Ministry of The interior and is checked by Taiwan Architecture & Building Center. The IDM menu should clearly inform the process and steps of
EEWH to the architect to let them pass the application of the certification and prompt the industry to use energy-saving. Architects could use BIM to generate the related application documents of EEWH to assist them in the process of sustainable design.
第一章 緒論
第 一 節 研 究 緣 起 與 目 的
建築節能為環境變遷衝擊下無可規避的趨勢。針對建築耗能的評估以及各種節能的設計、 材料與構造早已是產學界研究的重點，數十年來也已經有豐碩的成果。然而這些技術是否能夠 真正帶來實質的效益，還要看這些與節能相關的知識與技術是否能與建築生命週期各階段的實 務作業做充分的跨領域整合，而整合的關鍵就是資訊作業。建築資訊建模(Building Information Modeling) (Eastman et. al. 2005)，是近年來在實務界逐漸 形成趨勢的建築生命周期資訊建構的概念與技術。該項技術並可以搭配衍生式建模系統 (Generative Modeling System)以參數化的技術進行建築虛擬模型的建構，並連結各種有關建築結 構與物理環境之評估模擬系統，以協助知識整合與決策制定。本計畫將針對跨專業知識整合與 設計決策流程的議題，探討建築資訊建模技術如何應用於建築節能的評估，並與設計實務流程 結合，在節能的目標上達到設計優化的實效。 本研究的基本立場是產業資訊整合必定是基於資訊處理技術的提升，各專業間資料整合的 標準格式相對來說比較像是資訊處理技術提升所引發的需求，而不是帶動資訊整合的原動力。 建築產業的專業分工原本就是為了讓各專業能夠在符合其能力範圍內以最有效率的方式進行作 業。資訊技術的提升能讓各專業跨越其原本的專業侷限，將原本非其專業的知識納入其決策範 圍。以建築設計而言，跨專業資訊的整合的目的在提升設計品質。而節能效益的提升並不僅僅 牽涉到建築師與節能顧問的溝通，而是必須與業主、結構、機電甚至工程與建築營運管理團隊 形成一個能夠跨越時空的溝通網絡，在建築生命周期的每一個階段，把與節能相關的各種決策、 設計、工程以及營運管理之相關資訊以有系統條理的架構組織起來並傳承到下一個階段。
第 二 節 研 究 範 圍
近年來 BIM 的發展為建築業各相關專業團隊資訊整合不易的困境帶來改變的契機。圖 1-1 摘錄 Eastman(2012)引用自 PatrickMacLeamy (2007)的設計資源投入及成效與時間關係圖，其中 1 號與 2 號曲線說明在設計的初期進行設計決策變更所需付出的代價最小，而對整體造價與建 築物的效能的影響力卻最大。3 號曲線代表傳統設計流程各階段中資源投入以施工圖說的繪製 最為顯著，而 2 號曲線代表藉由 BIM 技術的實施，相關專業知識可以提前在設計初期階段進行 整合，資源投入的高峰期提前出現在基本設計與細部設計的階段，期望在初期所增加投入的資 源能為整體專案帶來更大的成效。 圖 1-1、設計資源投入及成效與時間關係曲線圖(圖片來源:Eastman, 2012; PatrickMacLeamy, CURT, 2007)整合專案交付(IPD, Integrated Project Delivery)的理想就是將相關專業資訊如結構、工程、 能源耗損評估的提前在設計更前期的階段進行整合，充分進行設計優化，提高工程可行性與建 築物的可用性。目前業界與學術界針對實現 IPD 流程的努力可見於各種資料交換標準的制定， 其中以 IFC(Industrial Foundation Classes)最受到矚目與期待，各種組織紛紛以其為標準透過 IDM(Information Delivery Manual) 制定個專 業 間資料交換的內容，以及 MVD(Model View Definition)制定其 IFC 架構下的資料格式。其所根據的立場就是一旦各專業團隊之間的資料能夠 相互交換，IPD 流程的理想就水到渠成。然而透過標準格式進行跨專業資料交換的努力並非始 於 IFC，至少從上個世紀的九零年代的 STEP，以及之後以 XML 為核心的 AECXML，產學界對
建築工程生命週期各階段與各專業的資訊整合從未停止努力，其核心立場也從未改變，就是交 換資料格式的標準化。 資料交換標準格式的制定必定面臨涵容性與複雜度的兩難處境。由於必須滿足所有相關專 業的需求，因此資料格式的涵容範圍須極大化而變得很複雜而有彈性，當各應用系統輸出或輸 入該標準格式的資料時也因系統各自的差異而產生不同的架構與內容。因此進一步針對各專業 間資料交換內容與格式標準制定的 IDM 與 MVD 因應而生。如果我們進一步回溯歷史，就會發 現類似的資料交換標準格式的形成多是以應用系統為主導，而不是以標準格式的制定為主導 的。以電腦繪圖為例，Autodesk 的 DXF 格式雖然其以 AutoCAD 繪圖系統為基礎的資料格式在 轉換到其他應用系統使用後具有許多問題，但也普遍被使用為圖面資料交換標準。在 Alias 使 用的電腦動畫 3 維模型資料格式 Wavefront obj，以及快速成形系統所使用的 sterolithography 檔 案等等都是以應用系統主導形成的交換格式。到目前為止，電腦繪圖對於 3 維造型物件也尚未 形成一種能普遍用於各種專業的標準格式。而各種專業標準交換格式的形成多半是基於應用系 統資訊處理能力的提升，例如從電腦繪圖到電腦動畫編輯系統(authoring tools)，以至於結合電 腦人機互動以及動態物件模擬功能之後，原本以三維物件的描述為主的資料格式開始被擴充為 更具涵容性，能包含互動物件的各種資料格式。 使用電腦進行建築節能評估之相關技術歷經數十年的研究已有豐碩的成果，產業界對各種 能源耗損評估之應用軟體也已經使用多年，然而如何使評估結果真正在建築設計決策程序中發 揮作用，並非單純僅涉及建築能源需求評估的技術層面，而必須考量建築生命週期各階段中各 參與團隊之資訊作業與決策流程的整合問題。基於上述立場，BIM 技術整合於節能建築評估牽 涉到三個不同面向的議題，簡要敘述如下： 1. 在整合 BIM 的理念與技術的前提下，建築節能的評估如何與建築生命週期的決策流程 整合，在哪一個階段，提供哪個層次的設計資訊進行甚麼樣的評估，才能讓評估結果 真正能有助於實現節能的目標? 由於資訊技術的進展，這個議題同時牽涉到建築生命 週期決策流程的變革，以及各專業團隊參與決策流程時機的調整，此流程應該如何改 變才能充分發揮建築節能評估的功用? 2. 建築專業團隊之間，針對建築節能評估的目標要如何交換資料並整合彼此對整個專案 的貢獻？交換資料的內容與格式如何制訂才能提高整體作業的效率？在此交換資料的 需求下，各專業團隊之內部作業是否具有足夠的專業能力與適當的工具以完成此資料 交付的任務?
3. 資訊整合的作業流程中各階段的決策可能涉及不同的參與團隊，過程中所作有關於節 能的決策如何在後期繼續貫徹，如何讓前期節能評估結果成為後期設計決策的依據， 同時除了節能的目標之外又如何與專案其他的目標進行適當的整合? 本團隊在計畫執行期間將以第一個面向的議題為主要架構，參照國內外既有的成果並依據 國內的狀況針對第二及第三面向的議題進行探討，藉此整理出以 BIM 的理念與技術之基礎下進 行建築省能評估之策略與實務。
第 三 節 研 究 流 程
建築節能設計牽涉三個不同面向的課題。第一個面向是節能建築所需應用的各種技術、材 料與設備；第二個面向為跨專業知識整合與資訊建構流程；第三個面向是設計決策過程中各參 與團隊的利益分配與責任區分。本團隊在此計畫中將以第二個面向，也就是跨專業知識整合與 資訊建構流程為主要研究目的，對第一與第三面向則針對與第二面向相關的部分，做有限度的 分析。 本團隊將遵照建築研究所所擬定之下列目標進行研究： 1. 蒐集國外為建築生命週期中能源耗損評估跨專業資訊互用所建立之 IDM/MVD 標準。 這類資料由 buildingSMART International 集結遍布全世界之各類型參與單位，包括政 府、業主、軟體公司、管理公司、工程設計顧問以及學術單位建立基本的架構並提供 相關工具，目前已經有許多已建置或者建置中的 IDM/MVD，其中有一部分與建築省 能相關，本團隊已經著手蒐集整理中，將於計畫執行期間繼續深入探討，整理作為研 究的依據。 2. 分析建築設計程序中業主、建築師與能源專業顧問的溝通模式，並參考國外相關研究 成果以建立所需的溝通資訊內容(IDM)，以及以 IFC 為基礎的資料架構(MVD)。本團 隊將針對國內的需求與當前的專業溝通模式，整合 BIM 的理念與技術提出更能發揮資 訊整合力量的資訊流程，並分析流程中所需的各種資料交換標準。計畫執行期間將對 國內省能設計及省能評估專業團隊進行深度諮詢以瞭解其在資訊作業流程中，以 BIM 及參數化技術的整合方式，以提升省能設計的品質與效率。 3. 結合可用的軟體工具、作業流程及資訊標準，開發可行的作業模式，在 BIM 的架構下 結合參數化設計與能源耗損評估程式，幫助建築師實際用在設計流程上進行設計優 化。本團隊將根據前項目標所提出的資訊流程，檢討流程中所需的關鍵技術，以參數 化設計的工具開發雛型系統，藉之以測試其可行定並提出改善之道。除能源需求評估 之外，並探討系統化設計優化的可行性，讓 BIM 與參數化技術成為解決跨專業知識整 合的利器。 圖 1-2 說明本研究流程，藉由文獻回顧了解 BIM 與節能設計，歸納出研究方法與相關技術， 研究方法以 BPMN 探討建築業務流程，繪製程序圖，確定不同對象的交換需求與項目文件 (Eastman, Jeong, Sacks, & Kaner, 2010)。搭配衍生式建模的方法，將設計者思考節能設計的因子參數化，每一個 IDM 手冊提供給使用者，其內容說明資料的定義、交換的物件與元素。最後以 實務設計案來操作，回饋與修正 IDM 手冊。
第二章 文獻回顧
第 一 節 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 式標準之制定可以提升跨專業資訊交換的效率。溝通成本降低將引發產業組織結構與作業程序 扁平化的變革，對現有的建築產業生態產生衝擊。因此，建築資訊建模之相關理念與技術在國 內的產業生態下要如何與建築實務作業程序結合以提升建築生命週期中相關專業的整合與創新 能力，其建模的策略、流程以及各階段中與專業團隊的溝通模式，是一件值得深入探討的研究 議題。 基於此，本團隊秉持的立場是資訊技術的提升勢必帶來產業結構的調整。其基本的趨勢必 定是從專業分工朝向知識與資訊整合。BIM 理念與技術帶來的契機就是在資訊處理的面向上排 除跨專業領域間的隔閡，在建築專案流程上帶來橫向與縱向的整合。從資料交換的面向而言， 最基本的層次就是交換格式的統整，也就是本計畫目標所強調的。 以建築節能設計而言，其設計與施工牽涉到多種專業的相關材料、設備的整合應用，在設 計與工程各個階段中能夠整合相關的知識與技術進行能源耗損評估是其達成目標之重要關鍵， 實為探討建築資訊建模的策略與實務最好的對象，同時也符合社會的需求與時代的趨勢。目前 國內主要的工程顧問公司可以協助建築師做出各種評估模擬，但並沒有結合參數化設計，亦尚 未把多重目標的決策分析納入考量。而在國外目前 NBIMS-US 第四章的 Design to Building 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 具備 BEA 標準的能源分析軟體，如 Energy plus 得到能源分析的結果，以做為設計決策的輔助。 由於推動此項計畫的參與者都屬於國際化的大型公司，其產業結構與國內產業以小型團隊跨專 業結合的生態不盡然相同，本團隊將接續 BEA 標準的成果進一步針對設計團隊與節能顧問之間 的溝通模式加以細化，釐清設計過程中兩個基於不同立場與專業背景的團隊如何透過有效率的 BIM 資料交換達到跨領域協同設計的成效。
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 業務不同所需的資訊內容也不同，建築資訊量應該與建築專案進度配合，而不是在初期階段就 將所有的資訊全部納入設計考慮。 圖 2- 1 說明 BIM 相關的研究關係與名詞解釋， IDM 的製作是根據業務需求與工作內容產 生，不同領域的建築專案參與人員其資訊交換項目與流程必須符合 IDM 的規範，而資訊交換項 目是以 IFC 格式為基礎，其內容由 MVD 來定義，讓建築專案的參與人員能互相交換資訊與共 享，達成 BIM 資訊整合的目標。MVD 的制訂與驗證則是需要程式開發者或是 BIM 軟體開發商 的協助。IDM 的使用對象是不同領域的參與人員，其目的是需求確定，MVD 的使用是在不同 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)
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 境模擬與分析等。 表 2-1、LoD 各階段內容比較(表格來源:本研究室整理)
名稱 LoD 100 LoD 200 LoD 300 LoD 350 LoD 400 LoD 500
階段 概念規劃 (Conceptual) 基本設計 (approximate geometry) 精確設計 (precise geometry 工程介面銜接 施工模型 (fabrication) 竣工模型 (as-built)
圖片 LoD 500 模 型 是 根 據 現 場 完 工狀況而定，不 一定是以 3D 模 型呈現，它包含 營 運 維 修 的 文 件資訊 內容 整 體 建 築 量 體 之面積、高度、 體積、位置、座 向等 模 型 元 件 近 似 數量、尺寸、形 狀、位置、方向 等 模 型 元 件 為 具 精 確 數 量 、 尺 寸 、 形 狀 、 位 置、方向等資訊 以 LOD300 為 基礎，再加上各 建 築 系 統 之 間 組 裝 所 需 之 介 面（interfaces） 資訊細節 具完整製造、組 裝、細部施作所 需資訊 模 型 元 件 為 具 精 確 數 量 、 尺 寸 、 形 狀 、 位 置、方向等資訊 模 型 元 件 為 具 實 際 數 量 、 尺 寸 、 形 狀 、 位 置、方向等精確 資 訊 之 完 工 集 合體
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 享不同領域的專業知識。但是隨著業務流程的進行，各階段的參與人員的也不同，在合作上需 要確定彼此的工作範圍與工作流程，這需要透過檢討業務流程來確定彼此的需求與工作職責，。 不同的階段就需要不同的 IDM 與 MVD 來明確規範這些資訊交換的過程與項目內容。但是在實 際工作的資訊交換過程中，建築資訊常常有遺失、定義模糊、不完整或是有重複多餘的狀況， 使得下一個使用者必須重新整理某些資訊(如繪圖、3D 模型、說明文件等)，以符合自身的工作 需求，無形中增加另一個使用者的工作負擔。使用 BIM 作為溝通與資訊交換的工具是為了促進 不同領域的參與者(專業顧問)進行資訊交換、加入專業資訊、提高溝通效率、促進決策的制定 以降低溝通成本。
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
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)
第 二 節 建 築 節 能 設 計 評 估 相 關 之 資 料 交 換 格 式
BuildingSmart 組織目前已經公布關於建築節能分析所使用的 MVD 包括下列各項(參考資 料來源：http://www.blis-project.org/IAI-MVD/)：
1. Architectural Design to Building Energy Analysis (GSA-003)
其開發過程之參與者包括計畫擁有者(US General Services Adminstration)以及技術開發 (Autodesk, Beck Technologies, Digital Alchemy, Graphisoft)，內容主要針對基本設計階段進行能源 耗損評估時所需要的資料，適用於 LOD200 的建模完成時建築師與節能顧問進行資料交換所用 的標準格式。在這份文件中，參與人員有設計團隊、業主與專業顧問，輸入與輸出的資訊項目 整理如下表: 表 2-2、輸出與輸入項目比較(表格來源:本研究室整理) 輸入資料 輸出資料 建築幾何型（包含空間規劃與空間結構） 評估建築能源符合預期目標 建築座向 評估能源使用與成本 建築構造（包含牆、樓板、屋頂、天花板、窗 戶、門、遮陽裝置） 模擬建築能源的使用、單位成本 建築使用類型（機能） 建築物的能源使用生命週期評估 內部承載與照明、居住與設備計劃表 暖氣、通風換氣、空調（HVAC）系統類型與 運作特性 空間需求 單位比例 氣象資料
2. Concept Design BIM 2010 (GSA-005)
(Autodesk, Beck Technologies, Bentley, Digital Alchemy, Graphisoft, Nemetschek North America, Onuma), 以及贊助者( Senate Properties, Stasbygg, US General Services Adminstration)，內容主要 針對基本設計階段一般性需求所需要的資料，適用於 LOD200 的建模完成時各相關軟體資料交 換所用的標準格式。
3. Nordic Energy Analysis (subset of CDB-2010), (NOW-001)
其開發過程之參與者包括計畫擁有者(Nordic Owners, (Stasbygg, Senate Properties) )，專案經 理(Datacubist)以及技術開發(Digital Alchemy, Equa Simulation, Granlund), 以及贊助者( Senate Properties, Stasbygg)，內容主要針對北歐國家的需求，基本設計階段進行能源耗損評估所需要的 資料，適用於 L200 的初期建模完成建築量體、樓層、牆、門窗開口、帷幕等單元以及遮陽構 造時各相關軟體資料交換所用的標準格式。
正在進行中與建築節能有關的 MVD 草案包括下列項目： 4. Early Concept Design to Analysis (GSA-006)
其開發過程之參與者包括計畫擁有者(US General Services Adminstration, )以及學術單位 (Georgia Institute of Technology), 內容主要針對基本設計初期階段一般性需求所需要的資料，適 用於 LOD100+建模時進行建築分析所用的標準格式。
5. Architectural design t thermal simulation (VBL-007)
其開發過程之參與者包括計畫擁有者(Virtual Building Laboratory )，以及技術開發(Granlund, IT University Copenhagen), 內容主要針對室內空間熱環境評估所需的資料，以個別空間為主要 描述主體，包括外牆、開口、隔間牆等單元的材料及細部構造，基本上屬於 LOD200+的階段所 進行的資料交換。
6. Architectural Programming to Architectural Design (BSI-001)
其 開 發 過 程 之 參 與 者 包 括 計 畫 擁 有 者 (buildingSMART International) ， 專 案 領 導 者 (buildingSMART International)，編輯作者(Digital Alchemy)，建築顧問(HOK)，以及技術開發者 (Nosyko, Onuma, Trelligence), 內容主要針對建築計畫階段對於建築基地、測量、牆壁、門窗開 口、櫥櫃、水電、空調、瓦斯、通訊等相關需求的資料交換格式。
7. Curtain Wall Design to Energy Analysis (UNSW-001)
依據已公開文件，其內容到目前為止並不明確。
8. Indoor climate simulation to HVAC design (B HUT_HVAC-00)
目前尚在提案階段，其開發過程之參與者包括計畫擁有者(HVAC-laboratory @ Helsinki University of Technology)，技術開發者(Granlund, IT University Copenhagen)，編輯作者(Virtual Building Laboratory @ TU), 內容主要針對空調機具冷暖氣及通風設備的規格敘述。
從以上的資料看來，Architectural Design to Building Energy Analysis (GSA-003)所公布的資 料比較完整，適用於 LOD200 完成時進行能源評估使用。除了尚在開發階段中的 Early concept design to analysis (GSA-001)以及 Architectural programming to architectural design (BSA-001)之 外，其餘都是針對基本設計後期或者細部設計階段溝通之用的 MVD。以 buildingSMART 所公 布的資料來看，有關建築節能分析資料交換 MVD 的建立上仍舊處於發展階段，各專案的參與 者根據各自的需求在設計不同的階段中進行開發。
第 三 節 節 能 設 計 與 環 境 模 擬 分 析 軟 體
本節分析台灣產業界常用的環境模擬分析軟體如 Ecotect、Vasari 與 Revit、Green building studio 與 eQuest，實際操作這些軟體提供的功能，找出與節能設計相關的資訊、設定參數、檔 案交換方式，推論節能顧問的工作內容、作業流程、節能考量因素與評估方式，作為發展 IDM 與 MVD 的參考。 表 2-3、環境模擬分析軟體比較(表格來源:本研究室整理) 軟 體
Ecotect Vasari、Revit Green building studio eQuest
照 片 說 明 建構簡單數值模型，輔以 由公式化計算技術產生的 空間性能性數據，讓設計 人員能不須採用（in scale） 模型實驗方式，即可在建 築設計初期階段，預先獲 得該建築物或室內空間局 部區域的光環境或熱環境 模擬結果。 autodesk 提供給設計者用 建 築量體 進行環 境模擬 分析的工具，透過簡單的 操 作與概 估的建 築能源 參數，讓設計者可以快速 知道模擬結果。 GBS 是在雲端計算的建 築性能模擬程式，可以優 化 能源 效率 而且 能在設 計 的早 期階 段實 現碳中 立。 細 部的 建築 能源 模擬軟 體，針對基本設計與細部 設計階段的模擬。 功 能 分析建築日照時數與陰影 範圍 風場環境分析 太陽輻射熱 室內照度分析 分 析建築 日照時 數 與陰 影範圍 風場環境分析 太陽輻射熱 建築耗能分析 能源與成本分析 提 供不 同參 數設 定的能 源與成本比較 LEED 照明與用水效率評 估 太 陽能 與風 力發 電量評 估 計算冷及熱負載 分析風扇、冷卻機、熱水 器、熱泵及其他耗能設備 的評效 加熱及冷卻系統、照明、 弱電系統、自然通風、熱 泵 的能 源效 率與 成本分 析 適 用 階 段 概念設計階段 基本設計階段 概念設計階段 基本設計階段 概念設計階段 基本設計階段 細部設計階段 基本設計階段 細部設計階段
檔 案 交 換 格 式 IFC、gbXML 格式匯入 dwg,dxf,3ds 幾何資訊的格 式匯入
.dat, .rad – Radiance 相關 輸出格式 .idf,.eio - Energyplus 相關 輸出格式 rvt 相容 IFC 格式匯入 dwg,dxf,dgn,sat,skp 幾 何 資訊的格式匯入 Revit 建模且以 gbXML 匯 入 Excel 表格匯出 dwg,dxf,平面資訊的格式 匯入 輸 入 參 數 設定基地位置 設定氣象資料 設定建築物使用型態 各項風場環境、太陽輻射 熱、室內照度相關參數設 定 設定基地位置 設定氣象資料 設定建築或空間類型 每人的使用面積 每人顯熱、潛熱增量 照明負載密度(W/m²) 動力負載密度(W/m²) 照明運作時間 動力運作時間 建築物運作時間 設定建築構造 建築物能源設定 開窗率 營運計畫 設定 HVAC 系統 設定基地位置 設定氣象資料 設定建築物使用型態 Revit 建模的房間區域 建物運作時間表 HVAC 系統 室外氣候資訊 設定建築構造與材料 設定基地位置 設定氣象資料 建物型態與尺寸 平面配置 建物構造與材料 HVAC 系統與運作時間 照明系統與運作時間 空間的使用類型與時間 輸 出 資 訊 日照分析圖 風場環境分析圖 太陽輻射熱分析圖 室內照度分析圖 氣候資料分析表 建 築日照 時 數與 陰影範 圍模擬 風場環境分析圖 太陽輻射熱分析圖 建築耗能分析表 能源與成本分析 excel 表 LEED 照明與用水效率評 估 excel 表 太 陽能 與風 力發 電量評 估 excel 表 能源與成本分析圖 生命週期分析圖 能源與成本分析 excel 表 LEED 分析 excel 表 空間負載分析 excel 表 台灣也有開發相關的節能評估軟體工具，目的是輔助建築師申請台灣綠建築標章所需的文 件，內容以綠建築標章檢討為主，計算綠建築各項指標所需的資料，簡化複雜的計算過程以加 快作業時間。建築能源評估程式 BEEP-2010(Building Energy Evaluation Program)由成大建築林 憲德教研究開發，根據建築技術規則設計施工篇-綠建築基準之相關法規規定，可用來計算台灣 區各類型建築外殼耗能，包含常用的建材資訊(材料、構造類型、熱傳導係數等)藉由程式的引 導填入相關資料完成外殼節能計算，最後產生相關報表，簡化繁複的計算與查詢。這個程式所 需的資訊量相當於設計者完成基本設計方案後，也就是設計方案已經確定，但是面積的劃分與 計算仍需設計者自行作業。內政部營建署也開發綠建築電子化評估系統，供建築產業使用，使
用方式與開發概念也與 BEEP-2010 類似。除此之外，中華民國全國建築師公會執行內政部建築 研究所補助計畫案『綠建築評估系統軟體開發研究計畫』，提出「綠建築評估系統軟體」之建構， 以 execl 軟體建置，作為申請標章或候選證書之輔助工具。使用者填入基本資料與必要之計算 數據，透過此軟體運算可以即時顯示各項指標是否合格。
圖 2-14、綠建築電子化評估系統(圖片來源:內政部營建署)
Harvard GSD 研究室開發一參數化工具”DIVA for Rhino”(Lagios, Niemasz, & Reinhart, 2010)，其目的是進行採光與能源模擬的優化設計，使用 grasshopper(參數化工具)有效連接各種 環境模擬軟體，以動態的方式呈現模擬的結果，該工具讓設計者可以快速知道(1)開口對於室內 光環境照度的影響，(2)比較不同的建築物座向其能源耗損與碳排放量。
第三章 研究方法-專家訪談與案例分析
第 一 節 專 家 訪 談 -建 築 業 務 流 程 探 討
BIM 能否成功在建築產業產生其功用與價值的關鍵在於建築業務流程。BIM 的推動應符合 產業界的業務流程與工作內容，因此本研究採用專家訪談與案例分析藉以了解目前台灣建築產 業的業務需求與設計流程，並分析目前與節能相關的建築法規內容，找出設計者與其他領域專 家進行資訊交換的項目，制訂節能資訊交付手冊(IDM)。根據找出的項目來定義節能模型觀點 (MVD)，作為建築節能評估的參考，解決不同領域工作者在建築節能業務的資訊交換問題。本 節分述如下: 一、 根據專家訪談的紀錄，整理出的重點如下: 1. 在建築量體設計時，設計者可以使用的元素有風場、熱輻射、陰影與雙層外牆等，都 是設計者的節能設計策略與工具。 2. 如何建立環境模擬分析的結果、室內環境與建築成本之間的關係是設計者在量體設計 階段所要知道的資訊，同時也是業主所在意的問題。 3. 在資訊技術面上，設計工具與模擬分析軟體之間的資訊交換介面將影響交換的流暢性 與節能分析結果的即時回饋。 4. 目前做的物理環境模擬分析，僅能透過顏色去了解熱輻射的量，但無法知道顏色的改 變能改變多少溫度，或是降低多少能源的使用，以及採用節能設計時相對的成本會增 加多少。 5. 建築師事務所不論是由所內自己進行或請顧問進行節能設計與分析，其目的是用來修 正建築設計，主要的設計決策在基本設計階段就應該決定好。 6. 節能目標不會是由建築師事務所來預設，因為這些節能目標若是要量化的計算，對事 務所是種人力預算上的負擔，除非業主主動要求能源分析，提供經費給專業團隊進行 此項工作。 7. 在細設階段建築師的工作主要是決定建築材料與施工、室內設計的佈局。 8. 然而在細部設計階段，工作重點是機電技師的系統規劃(空調與照明)，節能分析的結果是否可以提供給機電技師作為一開始的系統規劃的依據?這個部分將是節能設計與 設計準則能否延續的關鍵步驟。 9. 機電技師是否可以參考節能設計與分析的結果修正原本的規劃?影響空調系統與照明 系統。 10. 如果建築方案已經具備自然通風與採光的功能，空調與照明系統是否可以選擇較不耗 能的規格?或是規劃管線的配置方式? 從目前的案例與專家經驗來看，主要的影響還是 在使用者行為與空間使用情境的改變。 二、 法規分析-建築物節約能源設計技術規範分析 為了與產業界做銜接，制訂節能資訊交付手冊需要參考與建築節能相關的法規如:綠建築標 章規範中的節能指標(外殼、通風、空調與照明)與建築物節約能源設計技術規範，檢討項目與 內容整理如表 3-1。主要的節能計算是以建築物外殼、開窗面積與材料熱傳導為主，外殼計畫 分成屋頂、外牆、開口三個部分，這些部分又依序檢討開口率、構造、材料、遮陽等元素。照 明系統的節能則需檢討開窗率、遮陽系統與反射光的利用。 表 3-1、建築物節約能源設計技術規範分析表(表格來源:本研究室整理) 項目 內容 1. 氣候分區 北部 中部 南部 2. 建築外殼 外殼透光 外殼不透光 3. 建築外殼-屋頂 透光部分 不透光部分 投影面積計算 4. 建築外殼-外牆 開窗面積 5. 建築外殼-開窗模式 A 類:開窗不大 B 類:方位良好 C 類:遮陽良好 6. 外遮陽效果 遮陽裝置類型 7. 通風係數 透光門窗 外殼開窗
8. 建築材料 熱傳透率 Ui[W/(㎡ ‧ K)] 熱傳導係數 k[W/(m‧K)] 9. 玻璃 日射透過率 反射率 建築物節約能源設計技術規範裡面分成六大類建築物(醫院類、旅館餐飲類、辦公廳類、百 貨商場類、住宿類、學校類大型空間類及其他類建築物)，建築類型的不同會產生某些特殊特空 間需求的計算，例如辦公大樓會計算外殼耗能與冷房度時，但是大部分的節能檢討項目是相同 的，本研究以住宅為例說明計算的概念與步驟: 1. 建築物基本資料 2. 屋頂平均熱傳透率 Uar 檢討 3. 檢討外牆平均熱傳透率 Uaw 是否合格？ 4. 計算天窗平均日射透過率 HWs 5. 檢討天窗平均日射透過率是否小於其基準值 HWsc？ 6. 檢討外殼玻璃是否有反光公害？ 7. 決定各方位開窗之面積與日射修正係數 fk 8. 決定開窗部位之通風修正係數 fvi 9. 決定外遮陽修正係數 Ki 10. 計算各方位外殼等價開窗面積 11. 計算外殼總等價開窗面積 Aeq 12. 計算外殼總面積 Aen 13. 計算外殼等價開窗率 Req 根據上述的研究，專家訪談所討論的方法是在設計初期，而建築物節約能源設計技術規範 的方法是在基本設計階段，這兩者存在著因果關係。本研究建議將各階段參與人員的參與時間 提前，讓節能顧問在建築規劃階段就提供服務建議，讓建築師在概念設計階段就從建築量體來 思考節能設計的可能，並設置決策點分階段審視是否達成節能目標。建築計劃書的完成時間與 概念設計階段有部分重疊，不同於傳統流程的專業分工與時間切割，這個重疊的部分就是建築
團隊進行資訊整合的時間。建築規劃階段主要以需求分析與空間計畫的文件交流為主，概念設 計階段延續建築計畫的內容使用 BIM 文件的進行資訊交換，提供樓層平面圖給節能顧問進行建 築資訊量化分析與模擬各種方案可能。基本設計階段除了發展建築外觀設計，更重要的是接受 節能顧問的方案建議，做出適當的空間調整、外殼開窗與遮陽類型的設置，發揮 BIM 技術與建 築節能的整合效益。
