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「擴增實境(AR)結合虛擬施工及設計(VDC)於
營建施工應用研究」
內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 成果 報告
「擴增實境(AR)結合虛擬施工及設計(VDC)於
營建施工應用研究」
研究 主持人 ： 王榮進 協同 主持人 ： 馮重偉 研 究 員 ： 陳怡兆、黃昱翔、謝宗興、劉青峰 研 究 助 理 ： 張展豪、林煒埕 研 究 期 程 ： 中華民國 109 年 2 月至 109 年 12 月內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 成果 報告
中華民國 109 年 12 月
I
目次
目次 ··· I 表次 ··· III 圖次 ··· IV 摘要 ··· VII 第一章 緒論 ··· 1 第一節 研究緣起 ··· 1 第二節 研究背景 ··· 1 第三節 預期目標 ··· 3 第四節 本研究計畫之重要性 ··· 4 第二章 文獻回顧 ··· 6 第一節 國外 AR 擴增實境及 MR 混合實境之發展 ··· 6 第二節 國外 AR 擴增實境與 MR 混合實境於施工與運維管理之應用 · 10 第三節 國內 AR 擴增實境與 MR 混合實境應用之相關研究 ··· 16 第三章 研究方法與過程 ··· 27 第一節 研究採用之方法 ··· 27 第二節 研究採用方法之原因 ··· 56 第三節 預計可能遭遇之困難及解決途徑 ··· 58 第四節 重要儀器之配合使用情況 ··· 60 第五節 研究步驟 ··· 60 第四章 國外 VDC 發展策略及應用 ··· 63 第一節 美國 VDC 發展策略及應用 ··· 63 第二節 新加坡 VDC 發展策略及應用 ··· 66 第三節 小結 ··· 75II 第五章 研擬國內 VDC 發展策略 ··· 76 第一節 國內 VDC 發展及應用情況 ··· 76 第二節 國內 VDC 發展背景及可能推動路徑分析 ··· 81 第三節 辦理推廣說明會及推廣小冊 ··· 85 第四節 小結 ··· 87 第六章 結論與建議 ··· 88 第一節 結論 ··· 88 第二節 建議 ··· 90 參考資料 ··· 92 附錄一: 工作會議紀錄 ··· 95 附錄二: 第一次專家座談會會議紀錄 ··· 99 附錄三: 第二次專家座談會會議紀錄 ··· 104 附錄四: 第三次專家座談會會議紀錄 ··· 108 附錄五: 期中審查意見回覆對照表 ··· 110 附錄六: 期末審查意見回覆對照表 ··· 116
III
表次
表 1 施工階段 BIM 元件資訊需求 ··· 32 表 2 維運階段 BIM 元件資訊需求 ··· 33 表 3 施工工項需求資訊 ··· 34 表 4 專案資訊解析內容 ··· 36 表 5 工項元件關聯表 ··· 37 表 6 資訊需求解析 ··· 38 表 7 模型與工項關係表 ··· 46 表 8 現地施工查核作業情境解析表 ··· 49IV
圖次
圖 2-1 現實－虛擬連續光譜 ··· 7 圖 2-2 影像式(左)及光學式(右)顯示器原理 ··· 7 圖 2-3 情境因子與情境適應性系統之互動架構 ··· 9 圖 2-4 擴增實境物件呈現問題示意 ··· 10 圖 2-5 以圖像辨識機制呈現擴增實境內容 ··· 12 圖 2-6 擴增實境室內導航機制 ··· 13 圖 2-7 頭戴式標籤定位機制示意 ··· 14 圖 2-8 以 AR（MR）裝置呈現管道物件 ··· 15 圖 2-9 4D BIM 模型結合流程 ··· 16 圖 2-10 4D BIM 與 MR 現地使用狀況 ··· 16 圖 2-11 BIM 結合 AR 和 iBeacon 應用之消防安全設備檢測系統架構 ·· 18 圖 2-12 BIM 結合 AR 和 iBeacon 應用之消防安全設備檢測系統操作畫面 ·· 19 圖 2-13 導口之移除與放置 ··· 21 圖 2-14 設備搬運與旋轉之過程 ··· 21 圖 2-15 設備順利搬出變電室之情境 ··· 22 圖 2-16 確認人員施作空間 ··· 22 圖 2-17 以 AR 辨識設備是否與環境發生衝突 ··· 22 圖 2-18 執行 MR 現地施工查核情況 ··· 24 圖 3-1 特性要因圖範例 ··· 28 圖 3-2 導入 BIM 備標作業之 BPMN Leve1 總覽 ··· 29 圖 3-3 BPMN Leve2 估計數量流程解析 ··· 30 圖 3-4 BPMN Leve2 分析單價流程解析 ··· 30 圖 3-5 IDEF0 標記法 ··· 31 圖 3-6 IDEF0 之分解結構示意圖 ··· 32V 圖 3-7 專案資訊解析流程示意圖 ··· 35 圖 3-8 專案資訊解析結構示意圖 ··· 36 圖 3-9 文字及視覺程式撰寫方式之比較 ··· 40 圖 3-10 HoloLens 外觀及內建感測器 ··· 42 圖 3-11 MRTK 包含之功能列表 ··· 43 圖 3-12 目標物定位範例 ··· 44 圖 3-13 Unity 開發介面 ··· 44
圖 3-14 Visual Studio 程式寫入 HoloLens 畫面 ··· 46
圖 3-15 混合實境資料傳遞模式 ··· 48 圖 3-16 混合實境功能架構圖 ··· 50 圖 3-17 初步開發之 AR 使用者介面 ··· 51 圖 3-18 導航功能 ··· 51 圖 3-19 小地圖功能 ··· 52 圖 3-20 測量與點算功能 ··· 52 圖 3-21 工項查詢功能 ··· 53 圖 3-22 檢查白板功能 ··· 53 圖 3-23 查驗表單功能 ··· 54 圖 3-24 讀取圖說與 PDF 功能 ··· 54 圖 3-25 初步開發之 MR 使用者介面 ··· 55 圖 3-26 初步開發讀取雲端模型庫之功能示意圖 ··· 55 圖 3-27 透過定位功能將 BIM 模型與真實環境疊合 ··· 56 圖 3-28 以兩點向量進行模型定位理論開發 ··· 56 圖 3-29 初步開發之雲端存取檢核表單 ··· 56 圖 3-30 虛擬管線與現實結構體碰撞偵測示意圖 ··· 57 圖 3-31 開啟導航至碰撞元件點位功能示意圖 ··· 57
VI 圖 3-32 開啟模型可視化篩選功能 ··· 58 圖 3-33 開啟導航至欲查核元件位置示意圖 ··· 58 圖 3-34 研究流程圖 ··· 65 圖 4-1 CIFE 發展之結合 BIM 資訊的強大 AI 引擎 ··· 66 圖 4-2 A:AR; B:3D 列印工程元件; C:工程預鑄化; D:機器人自動化 · 67 圖 4-3 Mortenson 銀十字醫院 ··· 68 圖 4-4 Trimble connect 及距離量測功能 ··· 69 圖 4-5 新建階段展示 3D 模型確認管線位置及資訊 ··· 69 圖 4-6 新加坡第一次 BIM 發展路徑圖 ··· 71 圖 4-7 新加坡第二次 BIM 發展路徑圖 ··· 71 圖 4-8 BIM 基金申請流程 ··· 73 圖 4-9 建築資訊分析 ··· 76 圖 4-10 在 BIM 模型中模擬起重機 ··· 76 圖 4-11 模擬監控工址進度 ··· 76 圖 4-12 新加坡福音之光教堂 ··· 77 圖 4-13 工程排序 ··· 77 圖 4-14 起重機規劃 ··· 78 圖 5-1 設計協調與提送時程 ··· 79 圖 5-2 檢視結構與建築模型示意圖 ··· 80 圖 5-3 施工圖範例 ··· 81 圖 5-4 配合 AR 調整前與配合 AR 調整後 ··· 81 圖 5-5 榮工工程 BIM 導入 ··· 82 圖 5-6 帽樑剪力鋼箱與鋼筋介面-主筋偏移或剪力鋼箱開孔 ··· 83 圖 5-7 三鶯捷運線虛擬實境協助設計變更之可行性評估 ··· 83 圖 5-8 冰水主機空調設備維運資訊整合 ··· 84
VII 圖 5-9 國內可能發展 VDC 之路徑圖 ··· 85 圖 5-10 擴增實境(AR)結合虛擬施工及設計(VDC)於營建施工應用 推廣小冊<試讀本>封面與封底 ··· 86 圖 5-11 擴增實境(AR)結合虛擬施工及設計(VDC)於營建施工應用 推廣說明會海報 ··· 86 圖 5-12 推廣說明會現場狀況 ··· 87
VIII
摘要
建築/工程/營造(Architecture, Engineering and Construction, AEC)產業相較於其它產業，應用新科技的步伐相當緩慢，也因此在現今資 訊科技發達的社會普遍認為此產業與新科技缺乏相關性，然而隨著新科技 的 發 展 ， 例 如 擴 增 實 境 (Augmented Reality, AR) 、 混 合 實 境 (Mixed Reality, MR)、人工智慧(Artificial Intelligence, AI)、建築資訊模 型(Building Information Modelling, BIM)等，如能有效的應用，將可 增進 AEC 產業的價值並改變其形象。近年來提倡以 AR/MR 為主要工具的虛 擬設計與施工(Virtual Design and Construction, VDC)概念，乃是藉由 AR、MR 及 BIM 等技術，將工程專案從規劃、設計、施工到維運整個專案生 命週期，進行視覺化分析、效能評估、降低各項風險，進而節省時間、成 本及提升專案品質。 雖然目前國內已有應用 BIM 於建築土木新建工程，但實務上，由於傳 統專案執行方式，從規劃、設計、施工到維運各階段由不同的團隊負責， 受限於其專業領域及相關的工作內容，而無法有效整合模型資訊，必需不 斷的修改甚至重建模型以產生完成工作內容所需的資訊，影響導入 BIM 於 工程專案的成效。然而即使利用工作整合性較高的專案執行方式，例如統 包，亦常因追求縮短專案時間，造成無法應用 BIM 模型整合設計及施工， 而是施工後才建置模型，降低其應用的價值。此外在工程施工階段，在虛 擬環境中所建構的模型，常會遇到實際環境與設計的差異，例如機電管線 模型，造成執行的困難，因此透過實境與虛境整合的模式，讓專案參與者 能有效溝通並應用此模式於工程生命週期各階段，將可提升整體工程專案 的效率及品質。 綜上所述，內政部建築研究所為分析國際近年來 BIM 的發展趨勢，業 已於 105 年「BIM 雲端作業之先導應用與 AEC 產業 4.0 升級策略規劃研究」
IX 研究計畫，提出未來營建工程專案模擬的前導範例，近年國內建築資訊模 型(BIM)導入建築生命週期的設計、施工及維運階段已逐漸成為營建流程 應用的主軸，尤其透過 BIM 所帶來的資訊能夠在施工及維運過程提供有效 的幫助。 主 要 建 議 事 項 根據研究發現，本研究針對本案研究過程以及成果，提出下列具體建 議。以下分別從立即可行的建議、及長期性建議加以列舉。 立即可行建議 針對 AR/MR 不同應用情境的設備需求分析 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、台灣建築資 訊模型協會、臺灣營建研究院 協辦機關：內政部建築研究所、中華民國電機技師公會、內政部營建署 針對混合實境(MR)設備方面，目前以微軟發行的 HoloLens 頭戴式眼 鏡未來發展成效較明顯，其他 MR 設備應用效果相對不顯著，建議各單位 可以參考本研究針對 AR 及 MR 不同應用情境的功能需求分析及示範系統， 對應符合自身的應用情境去做思考，採購相對應的 AR 或 MR 設備，方能 提升擴增實境(AR)與混合實境(MR)結合虛擬施工及設計(VDC)於營建施工 的未來發展可能性及應用價值。 針對 AR/MR 的模型定位技術 主辦機關：中華民國全國建築師公會、中華民國電機技師公會、台灣建築 資訊模型協會、臺灣營建研究院 協辦機關：內政部建築研究所、財團法人台灣建築中心、內政部營建署 模型定位的精確程度對於擴增實境(AR)與混合實境(MR)結合虛擬施 工及設計(VDC)於營建施工的未來應用發展影響甚大，現階段針對模型定 位技術尚未成熟，有許多細部內容包含不同設備及科技結合之應用，建議
X 各單位可以將模型定位主題納入未來研究議題，期許將來研究成果可以提 供更多關於模型定位的方式與相關資訊供參考，作為推動未來 AR 與 MR 應用發展的重要基石。 針對 AR/MR 的建模流程與資訊成本 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、台灣建築 資訊模型協會、臺灣營建研究院、內政部營建署 協辦機關： 內政部建築研究所 針對模型資訊成本方面，建議欲發展擴增實境(AR)與混合實境(MR)的 單位，前期應先解析資訊與其相對應用之需求，再結合 BIM 應用於工程上， 以改善目前資料處理成本過高的現況，經前期解析產出的規範與資料內容 方能應付後期擴增實境(AR)與混合實境(MR)的使用情境，若前期不重視建 模規範的建立與模型相關資料的分析與處理，後期就無法有效率的達到 AR 及 MR 應用於工程上預期之成效。 長期性建議 針對擴增實境(AR)與混合實境(MR)未來發展 主辦機關：內政部營建署 協辦機關： 內政部建築研究所、中華民國全國建築師公會、中華民國電機 技師公會、財團法人台灣建築中心、台灣建築資訊模型協會、臺灣營建研 究院 針對未來發展，擴增實境(AR)與混合實境(MR)皆是未來工程領域發展 自動化的基石，其成效在近幾年已經越來越顯著，建議可考量結合光達產 生的多元資訊提升 AR 及 MR 於工程上的應用成效，建議各單位應該盡早 著手發展，分析欲發展之情境需求找出適合自身的應用情境、方式與設備。
第一章 緒論
第一節 研究起緣
內政部建築研究所為分析國際近年來 BIM 的發展趨勢，業已於 105 年 「BIM 雲端作業之先導應用與 AEC 產業 4.0 升級策略規劃研究」研究計畫， 提出未來營建工程專 案模擬的前導範例，近年國內建築資訊模型(BIM)導 入建築生命週期的設計、施工及維運階段已逐漸成為營建流程應用的主軸， 尤其透過 BIM 所帶來的資訊能夠在施工及維運過程提供有效的幫助。然而 目前國內 BIM 的使用仍侷限在資訊瀏覽，在 BIM 實際施工及維運現場的連 結應用上仍缺乏實質性的突破。在此前提下，本研究欲應用擴增實境(AR)、 混合實境(MR) 所具備現實與虛擬結合的特性，瞭解這些技術結合 BIM 導 入於虛擬設計施工(VDC)之成效，在建築物之施工及維運階段，提供規劃設 計、施工及維運單位協作及應用，以期能推廣國內未來虛擬設計施工(VDC) 之進階施工及維運服務。第二節 研究背景
虛擬設計與施工（Virtual Design & Construction, VDC)，係藉由 資訊工具於建築專案生命週期中，利用視覺化(Visualize)、分析及效能評 估等方法，進行有效之工作處理進而解省時間及成本之方式。近年來，隨 著 BIM 建築資訊模型的有效推展，更進一步帶動 VDC 虛擬設計與施工在 AEC 產業的應用成效。 相關研究即指出，以 BIM 作為專案生命週期資訊整合的核心，在設計 及施工階段的應用與支援已具成效，透過 BIM 建築資訊模型的元件屬性資 訊、可視覺化特性(Eastman 2011)，將能夠呈現幾何外觀、空間概念，和 概略物件如設施、窗戶等建築元件之屬性資料。例如，Lin 等人則利用 2D Barcode 系統記錄各種不同元件與編碼並結合 BIM 模型提升 3D 系統效益，
提供專案參與者在維運階段得以有效地掌握專案整體資訊；以及建立以 BIM 為基礎的 BIMFMM 維護模式系統，維護人員利用訪談與 BIM 模型檢視相 關設施維護紀錄，使得設施維護管理的實行獲得更高效率(Lin and Su 2013)。另一方面，亦有相關研究提出 Landscape Information Modelling （LIM）之概念，將 BIM 建築資訊模型進一步延伸應用於景觀工程之設計 (Beer et al. 2007)(Zahrádková, Veronika Achten 2015)。
此外，隨著行動設備，如平板電腦、智慧型手機等裝置的快速發展， 為了促使 BIM 建築資訊模型在各項行動裝置上達到整合應用的效益，相關 BIM 軟體開發商，皆已陸續發表行動裝置 BIM 應用程式，讓使用者得以在 作業現場透過行動設備瀏覽 BIM 模型資訊。然而，隨著專案生命週期的進 行，BIM 模型之資訊量與複雜度亦隨之增加，在行動裝置規格與效能限制 下，不僅無法有效處理大量的 BIM 資訊(Irizarry et al. 2013)，亦造成 資訊分享與實務應用的困難度(Kivits and Furneaux 2013)，因此，在 BIM-based 施工與維運管理的發展上，必須要考量現場作業資訊取用的完 整性、行動性與有效性。另一方面，雖然 BIM 已具備 3D 視覺化的圖像， 但電腦的虛擬環境與實境景物仍存在一定程度的落差，對於工作現場的使 用人員而言，在應用上仍需要進行 BIM 模型與現場空間景物的比對，如 Wang 等學者指出，雖然 BIM 在工程上已有許多成功的應用案例，但在工地 現場的工作、管理與監控上的應用支援卻是相對不足的(Wang et al. 2013)，因此，BIM-based 施工與維運管理模式的建置，除滿足前述作資訊 取用的需求外，也必須考量資訊呈現的立即性、可見性與便利性。在可視 性資訊呈現的需求下，結合 BIM 模型與虛擬實境(Virtual Reality, VR) 及擴增實境(Augmented Reality, AR)於行動裝置，乃近年 A/E/C 產業之 新興應用發展方向。其中，虛擬實境所提供的沉浸式體驗，僅適用於設計 階段，對於模型的開發與審視上能發揮價值，卻無法在施工或營運維護階 段發揮實質效益；而擴增實境則提供使用者一個虛實並俱的環境，將虛擬
的內容適時的嵌入現實環境中，在不失實際視野的前提下，獲取裝置所提 供的資訊。因此，AR 技術正具備了在正確時間、正確地點呈現正確資訊予 使用者之特性，倘若 AR 技術能用運用得宜，方能提高施工與維護作業的 效率，改善傳統以平面圖說、自身經驗等作業方式容易產生之缺失，減少 錯誤發生的機會。 綜上所述，本研究將以 BIM 模型為核心來整合相關施工與維運模式、 資訊交換標準與相關規範資訊等，此種模式應是可行且符合專案資訊管理 需求之方法，但仍須考量不同面向的資訊屬性、資訊取用以及資訊呈現的 方式，如此才能有效落實以 BIM 模型為基礎之施工與維運應用模式。因此， 本計畫將研究範圍設定在生命週期的施工與維運階段，分別就施工與維運 之資訊需求解析，建立可描述多面向建物元件標準屬性架構，並進一步透 過擴增實境(AR)、混合實境(MR)的整合應用，達到資訊取用的完整性、行 動性與有效性，以及資訊呈現的立即性、可見性與便利性，在現有 BIM 的 發展架構下進一步去擴充與延伸在營建施工之可行架構及維運應用之雛 型系統。
第三節 預期目標
1. 彙整國內外 BIM 導入擴增實境(AR)、混合實境(MR)、虛擬設計施工 (VDC) 之發展現狀，了解現今產業應用之效益與瓶頸。 2. 研提國內 BIM 導入擴增實境(AR)、混合實境(MR)、虛擬設計施工(VDC) 之發展建議策略及製作 BIM 為基礎的 VDC 推廣小冊，延伸 BIM 的 應用價值，期能提出一套可行的施工及維運現場視覺資訊支援模式， 使施工及維運階段之相關作業能在 BIM 的輔助下產生更大的效益。 3. 辦理 1 場成果說明會，發表結合 BIM、擴增實境(AR)及混合實境(MR) 於施工應用之推廣小冊及展示應用系統之示範案例，透過邀請規劃設 計、施工及維運等單位之參與及交流，收集回饋意見，期能提升推廣價值及應用成效。
第四節 本研究計畫之重要性
1.提出改善施工與運維管理資訊處理與整合之有效方法 在專案資訊處理與整合系統的作法上，雖然過去在營建產業資訊標準 化、資訊交換與傳遞、資訊整合系統的相關研究已有需多成果，然而對產 界業而言，不僅技術門檻過高且系統建置成本也非一般專案所能負擔。本 計畫在資訊處理與整合的作法上，是以 IFC 標準資料格式為基礎，進一步 將資料屬性架構延伸至對於施工運維或管理規範的描述，並著重在將建物 設計與施工內容內容轉換成施工與運維管理內容的處理程序，依此建立之 BIM object 元件標準屬性架構，以及資訊處理的標準程序，讓專案所建立 的 BIM 資訊模型，結合行為分析模式，快速、準確的提供設施維護管理所 需之資訊內容，並藉由擴增實境模式以支援設施維護之動態管理，此種方 式並非大幅改變現今在實務上，關於資訊系統、繪圖方法、資料處理及資 訊傳遞的作法，而是提供一個更易接受且有效的工具。 2.建立具備視覺模擬與資訊整合能力之 VDC 施工與運維管理資訊模型 現今在實務上，施工與運維管理作業仍多以紙本圖文為主要資訊傳達 工具，然而，多數建築圖檔的繪製通常是由各專業領域的設計人員分別獨 力完成，由於圖檔的建置方式並未考慮後續維護階段的需求或資訊的延續 利用，以致往往需要耗費許多時間、人力，重複執行資料彙整與圖檔繪製 的作業，即使依據圖檔建構設施維護 3D 模型，其功能多僅作為視覺模擬 之展現工具，而無法有效提升在設施營運維護階段的應用價值。本計畫所 建構之設施維護 BIM 模型資料屬性架構，係透過建物圖形元件結合 GSA 綱 要標準格式為核心之資訊內容，在 BIM 模型建置過程中同時連結設施維護 管理之屬性資料，不僅可產生後續階段所需之圖檔或相關資訊，其 3D 參數化的建模環境亦可滿足視覺模擬之需求，並具備設施維護資訊之整合能 力。 3.提升 BIM 模型於施工與運維管理階段之應用效益 以專案生命週期的觀點而論，專案於營運、維護階段的重要性並不亞 於專案之規劃與施工，然而，以往在 BIM 模型與專案資訊整合系統的研究 中，較少提及專案完工後的應用效益，隨著工程專案規模越來越龐大且複 雜化，工程完工後所移交的圖說內容，已無法滿足業主在後續設施營運、 維護的需求。本計畫在施工與運維管理的應用發展上，將依據設施維護管 理需求分析成果為基礎，進一步解析設施維護管理作業之相關情境因子， 並建構對應之 BIM 模型，作為後續建立 BIM-based 施工與運維管理系統時， 導入視覺模擬互動模式之基礎。此外，本計畫將分析 BIM 模型與情境適應 性系統之互動機制，使 BIM 模型能夠透過系統判斷，傳遞充分且精準之 3D 可視化資訊，或是必要之參數化資訊，提供施工與運維管理人員作業上的 協助，以有效提升 BIM 模型於施工與運維階段之應用效益。
第二章 文獻回顧
由於 BIM 模型具備 3D 視覺化、模型數據運算、彙整分析與取用檢視 等特性，BIM-based 設施維護管理模式，將有助於改善以往施工與運維管 理的缺失，然而，在實務工作上的應用上，仍須考量資訊取用與資訊呈現 的方式，以期達成應用可行性與成效。第一節 國外 AR 擴增實境及 MR 混合實境之發展
在 資 訊 呈 現 技 術 上 ， 影 像 科 技 的 進 展 可 以 追 溯 至 1965 年 由 Sutherland 所提出的終極顯示 (ultimate display)，開啟了數位物件與 真實世界結合之濫觴，之後各領域開始投入此一技術的研究與應用之中 (Azuma 1997)。其後由 Milgram 與 Colquhoun 於 1999 年提出混和實境 （Mixed Reality）之概念，以一個更完整的架構將所有虛擬與現實結合 之技術，整合成一個現實到虛擬的連續光譜（圖 2-1），並且將擴增實境 （Augmented Reality）定義為，將數位生成之資訊置入使用者真實視景 中之技術；因此，擴增實境允許用戶在現實世界環境中，透過視覺接受電 腦所產生的或建置之虛擬資訊，以支援其任務(Milgram and Colquhoun 1999)。在擴增實境技術的發展上，Azuma 進一步將擴增實境分為五個組成部 分：展示媒介（media representation）、互動裝置（interaction device）、 回 饋 顯 現 （ feedback display ）、 追 蹤 器 （ trackers ）， 和 計 算 單 元 （computing unit）(Azuma 1997)。其中，展示媒介大多以文本、符號、 指示燈、2D 圖像、3D 數據、模型和動畫等媒介來呈現相關資訊；互動裝置 則大多透過 6 維（三個平移和三個旋轉）的控制技術協助；回饋顯現則是 依據相關之使用者互動，使擴增實境系統向使用者顯現支援之資訊與反應； 而為了精準地將虛擬物體定位在實際環境中，因此需要精確跟蹤使用者之 位置和方向，以及感測環境中的真實物體的位置。
圖 2-1 現實－虛擬連續光譜(Milgram and Colquhoun 1999) 另一方面，隨著混合實境技術的發展，混合實境的設備種類也日趨多 元，依據裝置的種類大致可分為手持裝置及穿戴裝置兩類。手持裝置即是 利用行動裝置的相機獲取真實環境之影像，疊加虛擬物件後呈現影像於行 動裝置上的螢幕供使用者觀看；穿戴裝置則是透過頭戴式、眼鏡等類型的 設備進行影像呈現。穿戴式設備依照成像方式可分為影像式顯示器(Video see-through)及光學式顯示器(Optical see-through)，如圖 2-2 所示。 影像式的顯示方式為透過設備相機獲取真實環境的影像，再透過影像合成 疊加虛擬物件後呈現在眼前的螢幕當中；光學式則是使用者透過透鏡直接 觀看真實環境之餘，虛擬影像透過光學投射反射至人眼中，從而獲得影像 疊加的效果。 圖 2-2 影像式(左)及光學式(右)顯示器原理(Azuma 1997) 透過混合實境裝置的呈現，立體的虛擬影像能以更寫實的狀態顯示在 環境中，比起以往的平面影像，更能表現出物體的尺寸大小、旋轉角度、
距離遠近等空間狀況並且能與空間中的實際景物進行對照，瞭解虛擬境與 現實環境相互的關係(Milgram and Colquhoun 1999)。
除了將真實世界與虛擬影像進行結合，為了在正確的時間、地點取得 正確的資訊，在資訊取用上，可進一步透過情境感知（Context-Awarenes） 的概念，針對於系統在使用者所處之情境中如何取得、解讀、應用資訊做 更深入的探討。情境感知技術最早是由 Schilit 和 Theimer 在 1994 年提 出的，其目的在於透過感應器，依據使用者所處的地點、環境、情境，提 供使用者所需的資訊(Schilit and Theimer 1994)。擴增實境與情境感知 技術整合應用為資訊取用與呈現的需求提供一個有效的模式，協助使用者 有效且快速取得可視化資訊之特性，逐漸受到建築設計與工程實務應用方 面之重視，透過情境感知技術判斷使用者之情境，將具有相關性之資訊提 供給使用者，將使現場人員在檢閱資料上更為簡便且具立即性(Wang et al. 2013)。 根據 Jens Ellenberg 等人透過情境感知技術協助住戶之生活起居研 究，將情境感知之資訊處理與傳遞技術架構如圖 2-3 所示，該架構說明了 資訊自感測器、網路或是邏輯判斷等方面取得後，透過低階資訊處理將其 形成整個資訊的歷程變化，而後透過中階資訊處理與其他資訊系統，如 BIM 等進行比對與判讀形成具有價值的語意資訊，最終透過高階資訊處理與規 則管理引擎，形成高階可判讀之資訊，最終使系統能夠對於所接受之資訊， 進行判讀並做出相對應之回應，而該架構對於設施之各類維護工作是有幫 助的，能夠使系統更加快速且準確的判斷所應提供之資訊內容(Ellenberg et al., 2011)。
物理原始資料 邏輯資料 衍生資料 原始資料 歷程化資訊 低階闡述 中階闡述 高階闡述 整體環境 信息 儲存 富含語義資料 歷程化資訊 富含語義資料 高階環境資料 規則引擎 空間服務 反應 參與者 (星期、時間) (網路氣象資料) 圖 2-3 情境因子與情境適應性系統之互動架構(Ellenberg et al., 2011) 在工程領域方面，AR 技術相較於其他視覺化技術具備了三項優勢：（a） 增強使用者與虛擬物件之間的連結並提升工程師對於工作內容的掌握程 度、（b）使工程師得以在現地作業時，同時取得現實世界與虛擬合成的資 訊 、（ c ） 透 過 與 現 實 世 界 的 結 合 大 幅 降 低 3D 建 模 工 程 （ 3D Model Engineering）的成本，且相較於時下另一項熱門的虛擬實境技術（Virtual Reality），AR 技術透過三維空間結合真實世界虛擬物件之特性，令使用者 保留了對於現實環境的感知能力，提升使用上的安全性，更適合應用於風 險較大的施工現場(Behzadan, Dong, and Kamat 2015)。
受限於硬體限制，現行大多數的 AR 應用仰賴圖像辨識技術做為其追 蹤機制，將虛擬的物件定位在特定的圖像上，導致虛擬物件僅能以靜態或 是固定動畫的方式呈現在現實環境中。在缺乏其他儀器輔助的情況下，以 圖像辨識為基礎的 AR 應用將無法正確判斷物件於空間中的位置，並以正
確的物件排列順序呈現給使用者，最後導致不合理的呈現結果，如圖 2-4 所示，右圖為正確的顯示成果，左圖乃錯誤之顯示成果，理應在鋼柱後面 的載具卻擋住了鋼柱，形成載具位於鋼柱之前並且飄浮在地上的不合理顯 像結果，不僅影響使用體驗，亦可能造成資訊傳達上的錯誤。
圖 2-4 擴增實境物件呈現問題示意(Behzadan, Dong, and Kamat 2015)
鑒於上述問題，目前已有廠商發展出較為進階的 AR 裝置，能夠透過 裝置本身的傳感器，辨識空間分佈並定位使用者於空間中的位置，使得虛 擬物件得以透過圖像辨識以外的機制定位於現實環境中，並進一步與使用 者，甚至環境互動。也因為物件定位的機制不再受限於現實環境中的特定 圖像，虛擬的物件能夠在現實環境的三維空間上以更高的自由度移動、轉 動。然而不論在開發端或是應用端，此類 AR 裝置皆尚未普及，仍有待發 展。
第二節 國外 AR 擴增實境與 MR 混合實境於施工與運維管理之應用
探索擴增實境於施工與運維管理之應用的相關研究，Palmarini 等人 透過系統性文獻回顧（Systematic Literature Review，SLR）的方式針對 AR 於維護作業的應用進行評估。SLR 共有七個步驟，包含計畫、定義範圍、搜尋文獻、評估文獻、合成、分析與撰寫。根據分析結果，在 AR 的應用 上，大多流於單向的資訊呈現，使用者往往只能接收資訊，而無法與其互 動，限制了 AR 的發展性，因此使用者與 AR 內容的互動性有待改善。此外， 如何在兼顧環境以及維護作業的程序的條件下呈現資訊，也是開發 AR 應 用需要思考的問題(Palmarini et al. 2018)。 而在工程現場的應用上，Mež a 等人所提出的 AR 系統，透過資料收集、 計算、定義、展示等四階段架構，整合了 BIM 與時程規劃之資訊，以提供 給現場工程人員，並執行小型的實驗測試其系統之效益(Mež a, Turk, and Dolenc 2014)；然而，該研究亦提到，若要在 AR 上呈現參數形式的 BIM 模 型，勢必要將 BIM 模型轉換為 3D 的物件檔，而轉檔的過程中，會遇到部 分資訊流失、模型失真等問題。
Kwon 等人於 2014 年提出以 AR 技術檢視鋼筋混凝土工程之架構，透過 圖像辨識技術做為定位機制，將 BIM 模型以 AR 呈現在 RC 牆上，藉以檢視 預留窗孔的位置是否正確（圖 2-5）(Kwon, Park, and Lim 2014)。雖然 此架構能夠確實幫助施工管理人員發現施工上的瑕疵，但在 AR 的應用上 卻仍存在著限制：在此架構中，AR 所呈現的並非 3D 的 BIM 模型，而是 BIM 模型特定視角的截圖，該截圖透過標記（Marker）進行定位後，最後以 AR 呈現，因此使用者（管理人員）僅能站在特定點檢視施工結果，並無法一 邊移動一邊觀察，降低了該機制在現地使用的便利性，這個結果亦驗證了 圖像辨識技術應用在 AR 上的限制。
圖 2-5 以圖像辨識機制呈現擴增實境內容(Kwon, Park, and Lim 2014)
設備維護方面， Koch 等人以既有物體做為辨識標籤（Natural Marker） 之 AR 系統，建立室內導航機制，藉由建築物內指標性的標示，如逃生號 誌、滅火器號誌等等，協助維護人員找到需要維護的設備，並於辨識出設 備後以文字內容呈現維護相關之內容，供維護人員參考（圖 2-6）(Koch et al. 2014)。做為擴增實境的辨識標籤，引導維護人員至設備所在地，就圖 像辨識機制而言乃富含創意之應用，不僅省去放置條碼標籤之雜務，更能 解決維護人員因不熟悉設備位置而額外花費的時間，如同現今普遍應用於 汽車的導航系統，以直觀、視覺化的方式取代以往使用的平面地圖，使駕 駛能夠更快、更輕易地到達目的地。
圖 2-6 擴增實境室內導航機制(Koch et al. 2014)
Kuo 等人於 2013 年以營建應用的角度開發一套頭戴式標籤追蹤系統 （Head marker tracking system）之 AR 應用，藉由兩支以上的固定鏡頭 （Satellite Camera），以類似 GPS 的原理定位使用者在空間中的位置， 並判斷虛擬物件與使用者的距離，計算出物件應呈現的大小與位置（圖 2-7）。透過此系統，物件的呈現不再受限於特定的標籤或是物體，而能夠以 更高的自由度在空間內放置虛擬物體，改善以圖像機制呈現虛擬物件的限
制，並提高 AR 技術在環境中的適用性(Kuo, Jeng, and Yang 2013)。然 而，使用此機制必須於現場架設數台鏡頭，且使用者必須戴上追蹤標籤以 及一個透明後背包，於在施工環境下使用略顯不便。
圖 2-7 頭戴式標籤定位機制示意(Kuo, Jeng, and Yang 2013)
另一方面，Bae 等人則是開發 Hybrid 4-Dimensional Augmented Reality (HD4AR)系統，透過現場拍攝影像結合伺服器之資訊，快速且經 濟的取得工程現場周圍之資訊以協助工程進行(Bae, Golparvar-Fard, and White 2013)；Wang 等學者則是進一步提出，應用於工程施作現場之 整合 BIM 與 AR 概念架構，將系統分成了現實（Physical）、混成（Mixed） 與數位（Digital）三大部分，並界定 BIM 與 AR 在該架構中之功能與角色， 使 BIM 之資訊能依照情境感知所判斷之需求內容，將資訊與現場實物結合， 讓現場人員得以可視化之方式使用 BIM 資訊(Wang et al. 2013)。而在擴 增實境與情境感知在設施營運維護階段的應用上，結合 BIM 模型豐富的元 件與資訊，將更能提升整體設施維護管理之作業品質(Gotze, Schumann, and Muller 2014)。
Chalhoub 等人使用 Microsoft HoloLens 裝置開發 AR（在本文獻中亦 可稱為混合實境，MR）之應用機制，以預鑄的電氣管道安裝為例，將 BIM 模型轉換為 HoloLens 設備上呈現之 3D 物件，供現場施工人員視覺化的安 裝依據（圖 2-8）。相較於傳統 2D 圖說，透過設備能使施工人員更快的識 別、辨位並安裝管道，其效益在相對沒經驗的工作人員上尤其明顯，AR（MR） 技術確實能夠有效提升工程施作的效率，並逐步取代傳統的 2D 圖紙 (Chalhoub and Ayer 2018)。
HoloLens 設備的使用，改善了前一篇文獻中的便利性問題，並保留了 同等的定位機制，透過 HoloLens，虛擬物件仍能以正確的座標系統與環境 結合並正確的顯像。因此，做為空間分析之 AR 設備，HoloLens 乃最適合 用於本研究之選擇。
圖 2-8 以 AR（MR）裝置呈現管道物件(Chalhoub and Ayer 2018)
Riexinger 等人則是提出了搭配 4D BIM 模型的混合實境系統架構（圖 2-9）(Riexinger et al. 2018)，利用混合實境的視覺呈現，讓工程人員 能夠在施工現地參照著 BIM 所提供的動態模型資訊進行施工，搭配著輔助 資訊的提示，讓工程人員更快速瞭解施工順序以降低錯誤發生（圖 2-10）。
混合實境的技術能夠讓高維度的 BIM 模型更便利於現地操作，但由於 4D BIM 模型需要花費較多的建置時間，這方面仍需要被克服，此外能夠增添 更多的控制功能，讓模型在現地能夠更方便地操作。
圖 2-9 4D BIM 模型結合流程(Riexinger et al. 2018)
圖 2-10 4D BIM 與 MR 現地使用狀況(Riexinger et al. 2018)
第三節 國內 AR 擴增實境與 MR 混合實境應用之相關研究
本研究團隊近年完成多項 AR、 MR 應用之相關研究方面，以下針對近 年完成：「應用擴增實境與無線定位技術建構消防安全設備檢測系統之研 究」、「應用擴增實境及建築資訊模型於機電設施維護作業之空間分析」、 「開發以混合實境為基礎之現地施工進度追蹤及查核系統」等研究進行說
明。 (1)應用擴增實境與無線定位技術建構消防安全設備檢測系統之研究 該項研究應用建築資訊模型(BIM)來建立消防安全設備元件，接著藉 由擴增實境(AR)系統顯示所對應的消防安全設備元件資訊，並利用無線定 位技術作為擴增實境系統的觸發工具，使消防安全設備檢測人員可以即時 讀取、記錄檢測資訊。該項研究分析建築生命週期中所需的各種檢測和維 護資訊，這些資訊包括導入擴增實境和無線定位技術後，各元件在 BIM 裡 所需新增的欄位，再利用 COBie 將這些資訊整合成 3D 參數化模型，並 將之儲存於雲端資料庫，以便利用手持行動裝置進行即時的消防安全設備 檢測和維護作業，藉由整合擴增實境和無線定位技術於 BIM-based 的消防 安全設備檢測和維護流程中，進而克服傳統紙本作業模式在消防安全設備 檢測和維護流程中的限制。 該項研究目的為開發 iOS 應用程式，提供消防安全設備檢測人員使 用。為了確定 檢測人員的位置，並可在消防安全設備檢測過程中提供正確 的資訊，該項研究採用了低功耗藍牙（BLE）的 iBeacon 技術，透過整合 iBeacon 識別碼（UUID、Major、Minor 和 Identifier）和 BIM 的空間 屬性（Floor、Space、Room），作為該項研究用來劃分實驗場地檢測區域的 依據，接著將不同的 iBeacon 設備安裝於各別的檢測區域中，當檢測人 員 進 入 某 一 檢 測 區 域 之 檢 測 位 置 後 ， 檢 測 人 員 之 行 動 裝 置 即 可 接 收 iBeacon 識別碼， 觸發檢測系統之功能，並且以 iBeacon 識別碼作為索 引值至雲端資料庫為檢測人員帶出正確的 AR 元件模型和檢測資訊。 BIM-based 結合 AR 和 iBeacon 應用於消防安全設備檢測系統之架構的 操作流程如圖 2-11 所示。該項研究之消防安全設備檢測系統的 iOS APP 藉由 XCode 平台進行軟體的開發， 並透過 Swift 程式語言撰寫程式碼。 建模的部分，則透過 Autodesk Revit 作為 BIM 之建模平台，用來建置 BIM 模型，作為建築、設備元件之資訊來源。BIM 模型建立完成後，使用
COBie Extension 來保存、匯出 COBie 標準格式的資料，並將此消防安 全設備檢測和維護所需的資訊則儲存在雲端資料庫中，並使用 UUID、 Major、Minor 和 Identifier 為索引值將資料存儲在資料庫中，以供後 續檢測系統運算使用。另一方面， OBJ Exporter 可以將 Revit 建立之 3D 模型匯出為 OBJ 檔案，再利用 Apple SceneKit 將這些 OBJ 文件進 一步轉換為 SCN 檔案，然後藉由 Apple ARKit 產生消防安全設備 之 AR 模型，iOS 應用程式即可將此 AR 模型之 3D 內容添加到程式當中並與系 統做整合。最後，利用 JotForm 建置雲端的檢測報告系統，並且整合至 消防安全設備檢測 之 iOS APP 程式，檢測人員就可以將檢查結果即時回 傳給相關檢測人員或團隊並儲存記錄（圖 2-12）。 圖 2-11 BIM-based 結合 AR 和 iBeacon 應用之消防安全設備檢測系統架構
圖 2-12 BIM-based 結合 AR 和 iBeacon 應用之消防安全設備檢測系統操作畫面 該研究建立了 BIM 建築資訊模型，以滿足消防安全設備檢查和維護 的資訊需求。 根據 COBie 架構的方法分析生命週期中的資訊需求。該項 研究所提出之系統結合了 BIM、 AR 環境和 iBeacon 無線定位技術，進行 了一個案例研究驗證該系統的可行性， 並且發現我們的系統可以有效地 以即時和更直覺的方式為消防安全設備檢查和維護 提供資訊。該項研究 的結果如下：（a）根據案例的驗證分析，此消防安全設備檢測模式可作為 為來開發相關系統 之資訊傳遞的基礎，確保檢測系統可以提供檢測人員 所需的資訊。（b）在研究中，我們驗證了 BIM 在消防安全設備檢測系統 中使用的可行性， 達到資訊的一致性與完整性的需求。（c）研究開發的系 統可以有效地替代紙本文件在傳統消防安全設備檢查中的使用。透過 BIM 和 AR、無線藍芽技術的應用所形成的資料庫系統可用於即時提供 檢測和 維護資訊，也減少了維護操作的時間和人力成本。 （d）研究所使用的無
線藍芽傳輸之室內定位技術 iBeacon，使消防安全設備檢測和維護的模式 可以更有效率，在未來可以延伸應用至其他的頭戴式裝備使用，使檢測模 式的操作更為便利。 (2)應用擴增實境及建築資訊模型於機電設施維護作業之空間分析 機電設備定期檢修之目的在於維持其功能正常運作，以減少故障所導 致安全與經濟問題，然而實務上仍面臨資料處理負荷以及空間分析資訊不 易呈現等問題。近年來應用 BIM 模型以及 COBie 資料格式，輔助設施維護 資訊管理已具初步成果，然而，在空間分析應用上則仍有諸多瓶頸，其關 鍵問題在於資訊內容不足，以及缺乏與實際空間場域的整合性。因此，該 項研究建構結合 BIM 模型與 AR 擴增實境技術的設備維護管理與空間分析 模擬架構，並以機電設備之維護進行案例驗證，結果顯示此模式不僅可滿 足設施維護管理的資訊需求，夠有效整合虛擬模型與實際環境的空間分析。 完成以 BIM 模型進行設備維護作業之模擬後，該項研究進一步以 AR 擴增 實境技術，建構機電設施維護空間分析模式，透過 AR 技術產生符合設備 維護需求的虛擬 3D 物件，並賦予物件與環境即時互動之能力，以有效輔 助機電設備之維護管理。期望透過 AR 的技術，將虛擬的維護內容呈現在 真實的環境當中，驗證 BIM 模型的維護模擬內容，改善 BIM 模型虛擬環境 無法有效考慮施工誤差、雜物堆疊等空間分析細節。 在 AR 應用模式的開發上，該項研究首先將設備模型匯入至開發平台， 並針對設備空間分析之需求開發應用程式功能，並以模擬器及設備交互測 試開發之內容，待應用程式的開發結果滿足需求時，再移至現地進行設備 維護的空間分析，並驗證上述建立的 BIM 維護模擬內容。系統模擬應用分 別為透過 AR 於現地進行維護空間之分析，得以驗證 BIM 模型規劃的設備 維護內容，包含了變壓器導口放置的位置（圖 2-13）、變壓器旋轉的位置 （圖 2-14）、變壓器經過門口的方向（圖 2-15）等等，除此之外，藉由 AR 於現地的分析，能夠獲得更多的空間資訊細節，如維護人員搬運導口的施
作空間（圖 2-16）、設備搬運途中容易碰撞的位置（圖 2-17）、甚至於發現 現實環境與模型的不同。
圖 2-13 導口之移除與放置
圖 2-15 設備順利搬出變電室之情境
圖 2-16 確認人員施作空間
該項研究提出擴增實境技術，結合建築資訊模型應用於設備維護作業 之空間分析上，主要成果如下：（a）解析電氣設備於緊急維護作業之資訊 需求，作為發展 BIM 模型與 AR 應用的知識基礎、（b）基於現有的 BIM 維 護架構，建立 BIM 於設備維護空間的分析架構，並加入了操作機具之考量。 依據維護需求建立 BIM 模型，並透過 BIM 模型呈現的空間資訊與訪談結果 建立設備維護內容，最後以 BIM 模型模擬維護作業的施作流程、（c）以 AR 技術建立現地維護空間分析的機制，透過實地的操作，將虛擬的設備物件 與現實環境進行互動，不僅可以驗證 BIM 規劃之設備維護流程，亦能觀察 以 BIM 進行模擬時，較難分析之空間資訊。藉由 BIM 與 AR 的結合，在設 備維護階段上，可透過完整且考量到實際因素的模擬成果，事先進行維護 作業的規劃，降低故障發生時，所花費在規劃上的時間，提升設備維護作 業的效率。 對於未來之建議，該項研究提出以下幾點：（a）AR 應用的功能有限， 未來可思考如何建至其他功能以提高分析的效率，如設備自動定位、顯示 距離等等、（b）研究以配電變壓器為例，其維護的步驟相對簡單，並未牽 涉內部元件的拆解，未來可選擇較為複雜的設備作為案例，以發揮 AR 更 大的價值、（c）研究僅使用 BIM 模型當中的幾何資訊，未將其餘的設備交 付資訊納入研究架構，未來可以思考如何透過 AR 呈現 BIM 模型的其他資 訊，使 AR 的應用不僅限於維護空間的分析，而可以應用於設備維護的其 他面向，此外，對於工作安全與衛生的預測與評估已可納入考量。 (3)開發以混合實境為基礎之現地施工進度追蹤及查核系統紀 完整的施工查核記錄是專案管理成功的關鍵，隨著科技的進步，行動 裝置已廣泛應用在施工查核作業上，另一方面，建築資訊模型（Building Information Modeling, BIM）的技術也用於提供查核作業資料的整合， 不過，即便有行動裝置及建築資訊模型的協助，現地施工查核的品質還是 和查核資訊的取得有密切關聯，因此有必要發展一套能夠即時提供所需資
訊，並能夠快速與現場施作狀況進行比對的系統，以協助查核作業進行。 該項研究將發展一套結合建築資訊模型及混合實境（Mixed Reality, MR）技術的施工查核系統，透過此系統，工程師能夠藉由頭戴式混合實境 裝置－HoloLens 在執行現地查核作業的過程中查看與現實環境相同比例 的 BIM 模型及查核資訊，由混合實境裝置所提供的環境掃描功能，更能進 一步對現地的工程項目進行量測並比較出設計與施作上的不同，最終，透 過混合實境裝置所記錄的查核資訊能夠自動上傳並儲存於雲端資料庫（圖 2-18）。在混合實境查核系統的輔助下，將能夠提升查核效率及工程管理的 品質。 圖 2-18 執行 MR 現地施工查核情況 該項研究透過 MR 裝置的呈現以及資料庫的連結，BIM 模型會以等比例 的方式與現地環境結合，工程師能夠輕易地比對出設計與實際施作上的差 別，依據位置資訊的提供，能協助篩選所需要的資訊，達到資訊輕量化、 提升系統存取速度，施工查核所需要的參考資料以及相關表格，也能夠及 時地以影像的方式在現地呈現，改善紙本資料查閱上的不便性。此外，藉 由研究所開發之 MR 查驗工具的輔助，讓查驗結果能夠快速地輸入到表單 當中，提升查核工作的便利性，透過編碼系統自動連結的查核資訊與查核 結果的自動輸出，能夠節省事前準備及查核後的資料處理時間，更能減少 錯誤的發生，由此系統記錄下高完整性的日報紀錄將有助於提升專案管理 的品質。
MR 技術在工程領域還有許多的發展性研究所提出之系統架構主要為 輔助工程師執行查核作業，但在影像捕捉及圖像辨識技術的提升之下，未 來將可發展出不需人員參與的自動化查核模式，此技術將能提生專案管理 的效率。此外，近年來室內定位技術的提升，也將提供不一樣的定位基準， 透過無線訊號的輔助，現地不需要額外設立標記點，也能夠精確定位模型， 消除初始位置定位的限制。在硬體設備及軟體應用不斷開發之下，MR 裝置 將能普及應用在工程領域當中。 綜上所述，可以歸納出以下重點，做為本研究「擴增實境（AR）結合 虛擬施工及設計（VDC）於營建施工應用」後續使用方法與架構建立之參考： 結合擴增實境與情境感知技術，為工程現場資訊取用與呈現的一個可 行方法，進一步以 BIM 模型為資訊核心，將能提升 BIM-based 設施維護管 理之應用效益。然而，以往的研究著重於幾何資訊的可視化與原型系統之 開發，對於整體設施維護之資訊需求、資訊傳遞等較欠缺完整的解析。此 外，根據文獻回顧，AR 技術可透過不同形式的裝置所呈現，而適當的裝置 類型能夠應用於工程管理的領域中，在不影響安全的前提之下，在現地即 時提供資訊予管理人員或是作業人員，提升作業之效率並減少失誤。在施 工及運維作業的空間分析上，AR 技術可以提供合乎實際比例的設備虛擬物 件，使 AR 的使用者得以在實際環境中移動虛擬的物件，進而觀察代替設 備的虛擬物件是否會在搬運路線上與環境發生衝突，找出實際作業時可能 會發生的問題並加以改進。 因此，本研究期望以施工及運維管理的資訊需求與應用模式進行解析 與描述，並進一步透過擴增實境(AR)、混合實境(MR)的整合應用，達到資 訊取用的完整性、行動性與有效性，以及資訊呈現的立即性、可見性與便 利性，在現有 BIM 的發展架構下進一步去擴充與延伸在營建施工之可行架 構及維運應用之雛型系統。將 BIM 模型相關資訊提供給使用者，達到資訊 取用的完整性、行動性與有效性，並結合虛擬影像技術，使 BIM 模型能依
照情境感知所判斷之需求內容，將資訊與現場實物結合，使整體架構更符 合施工及運維管理之需求。
第三章 研究方法與過程
第一節 研究採用之方法
1. 資訊需求分析工具 建築專案施工與維運作業涉及相當大量的資訊，因此本研究將透過 專家訪談取得維修相關的資訊，並透過特性要因圖與 IDEF0 歸納、解析 施工與運維事件、事故成因以及作業的流程及資訊流動。 （1）專家訪談 訪談是獲取專業知識與經驗的方法之一，可分為個體訪談 (Interview)與群體訪談(Group Interview)。訪談前，須先整理欲了解 的內容，並設一內容設定問題，問題依性質分為開放式問題(Open-ended Question)與封閉式問題(Close-ended Question)。其中，開放式問題並 沒有提供受訪者既定的答案選項，受訪者依照自身所學與經驗提供答 案，有助於訪問者得到訪談前未考慮到之資訊；相反的，封閉式問題提 供受訪者既定的選項，可增加受訪者回答的速度，提升訪談之效率。 （2）特性要因圖（CED）特性要因圖(Cause & Effect Diagram)，為透過圖像化的方式，展 示某事件之各種成因之工具。在特性要因圖中，問題的成因會依照關聯 性整理，形成層次分明、結構化之圖形，看起來如魚的骨頭，因此又稱 為魚骨圖(Fishbone Diagram)（圖 3-1）。本研究將透過特性要因圖，歸 納出如：設備的故障事件及其成因。
圖 3-1 特性要因圖範例
（3）BPMN 資訊流分析 a.BPMN Level 1 總覽
透過 BPMN 解析 BIM 備標作業的流程應用展示 Level 1 的導入 BIM 備 標作業總覽圖，其說明估計數量、分析單價、成本估算及製作備標文件 等四個流程與 BIM 建置和資訊交換；在估計數量運作上，BIM 團隊將產生 具有量體資訊的建築、結構與 MEP 的 BIM 模型，配合估計數量的工項數 量資訊和分析單價的工項單價資訊，共同協助成本估算作業產出標案預 算書。 b.BPMN Level 2 估計數量解析 BPMN 在 Level 2 導入 BIM 備標作業的估計數量作業層次裡，再細分 為分析工項、分析建模需求、建構 BIM 模型及工項數量估計等程序，且 Level 2 已發展為具流程、參考資訊以及資訊交換等者清楚說明每一流程 的參考資訊與資訊交換內容的關係；分析工項程序中，參與者為備標與 BIM 團隊依據招標文件與資料庫資訊內容，首先粗估與 BIM 相關之工項， 進入到分析建模需求與建構 BIM 模型程序時，配合其備標需求、得出建 模需求及依循建模規範的資訊，建置一個具有量體資訊以供工項數量運
算的 BIM 模型。因此，BPMN 方法協助瞭解 BIM 與工項的關係、建模資訊 需求和規範等條件，詳實說明備標作業導入 BIM 所應具備的量體資訊程 度，作為分析工項數量的參考。 c.BPMN Level 2 分析單價解析 備標作業的分析單價流程可再細劃為分析資料庫單價、分析市場單 價及評估單價等程序作業，備標團隊與 BIM 團隊在分析資料庫單價流程 中，根據成本資料庫的資訊內容產出一資料庫單價資訊，同時備標團隊 與成本工程師在分析市場單價流程裡，經市場趨勢的相關資訊之參考得 出市場單價資訊，最後備標與 BIM 團隊透過前述解析的資訊及備標特性 的榮工公司需求項目，能夠彙整運算標案之工項單價資訊。 圖 3-2 導入 BIM 備標作業之 BPMN Leve1 總覽
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圖 3-3 BPMN Leve2 估計數量流程解析
圖 3-4 BPMN Leve2 分析單價流程解析 （3）IDEF0 流程圖
IDEF(Integrated Computer-Aided Manufacturing Definition Languages)，為美國空軍於七零年代發明之專案分析工具，該分析法是 透過模式化的方式來描述生產過程之資訊、功能及流程，並經過不斷的
改善，當前 IDEF 已有十六種方法，包含了 IDEF0-IDEF14、 IDEF1X(Director 1993)。 其中，IDEF0 透過圖形化與分層結構化的方式，說明資訊傳遞的形 式，常用以建構一個組織或是系統當中的決策、行動以及活動，其組成 包含框架（Frame）、圖表（Diagrams）、作業方塊（Activity Boxes） 與箭頭（Arrow），並輔以文字解釋圖表中資訊所代表的意義，以及說明 各作業間傳遞資訊時的各種原因和問題。 在 IDEF0 的圖形中，資訊的功能或是活動內容以方塊來表示，不同 的方塊之間以箭頭符號進行連結，同時代表資訊的傳遞方向，而每個作 業方塊有以下四個基本物件必須存在，如圖 3-5 所示。其中，四個物件 的箭號方向不可隨意更換，但是在作業方塊中可以有不同種類的用途， 藉此更能詳細檢視資訊傳遞的內容。 ⚫ 輸入（Input）：活動方塊左側箭號，表示作業所使用的來源。 ⚫ 控制（Control）：活動方塊上側箭號，表示完成該作業成果時之限 制條件。 ⚫ 機制（Mechanism）：活動方塊下側箭號，表示完成作業所需參與者 或支援。 ⚫ 輸出（Output）：活動方塊右側箭號，表示作業所產出的結果。 處理程序名稱 (Manufacturing Function) 控制 (Control) 輸入 (Input) 機制 (Mechanism) 輸出 (Output) 圖 3-5 IDEF0 標記法(Director 1993)
當 IDEF0 流程圖中的資訊流過於龐大時，可以透過階層化的分解方 式（Decomposition）來解析複雜的作業內容，額外透過其他 IDEF0 流程圖 輔助解釋資訊內容，而普遍的作業數量最多為六個。以圖 3-6 為例：先以 單一的 A0 作業做為整體資訊的處理過程，接著將 A0 作業分解成 A1 至 A4 總共 4 個作業方塊來說明更細部的內容，同時在第三階層便以上層之命名 方式來建置如 A41 至 A43，而子階層的輸入與輸出必須和來源作業方塊相 同，以符合一致性原則。 圖 3-6 IDEF0 之分解結構示意圖 表 1 施工階段 BIM 元件資訊需求 元件分類 資訊需求 機械 Revit ID、族群、類型、動力負載、口徑、流量、施作日 期、施作人員、數量、編號、製造商 設備 Revit ID、族群、類型、規格、施作日期、施作人員、數 量、編號、製造商 管 Revit ID、族群、類型、外徑、內徑、材質、長度、施作日 期、高度、施作人員 管配件 Revit ID、族群、類型、管徑、材質、施作日期、施作人
員、數量、編號 閥 Revit ID、族群、類型、直徑、材質、規格、施作日期、施 作人員、數量編號 混凝土柱 Revit ID、族群、類型、柱高度、斷面積、斷面周長、階段 設定 隔間牆 Revit ID、族群、類型、牆高度、寬度 鋁窗 Revit ID、族群、類型、窗戶周長、施作人員、製造商、施 作日期 表 2 維運階段 BIM 元件資訊需求 元件分類 資訊需求 機械 Revit ID、族群、類型、動力負載、口徑、流量、施作日 期、施作人員、數量、編號、製造商、維護人員、維護廠 商、維護日期、維護內容 設備 Revit ID、族群、類型、規格、施作日期、施作人員、數 量、編號、製造商、維護人員、維護廠商、維護日期、維護 內容 管 Revit ID、族群、類型、外徑、內徑、材質、長度、施作日 期、高度、施作人員、維護人員、維護廠商、維護日期、維 護內容 管配件 Revit ID、族群、類型、管徑、材質、施作日期、施作人 員、數量、編號、維護人員、維護廠商、維護日期、維護內 容 閥 Revit ID、族群、類型、直徑、材質、規格、施作日期、施 作人員、數量編號、維護人員、維護廠商、維護日期、維護 內容 混凝土柱 Revit ID、族群、類型、柱高度、斷面積、斷面周長、維護 人員、維護廠商、維護日期、維護內容 隔間牆 Revit ID、族群、類型、牆高度、寬度、維護人員、維護廠 商、維護日期、維護內容 鋁窗 Revit ID、族群、類型、窗戶周長、施作人員、製造商、施 作日期、維護人員、維護廠商、維護日期、維護內容
表3 施工工項需求資訊 工項名稱 階段 計量單位 對應元件 相關性 需求資訊 泥作工程 施工 M2 柱、梁、牆 直接相關 材質、施作面積、高 度、空間 油漆工程 施工 M2 柱、梁、牆 直接相關 材質、施作面積、高 度、空間、施作長度 石材工程 施工 M2 柱、梁、牆 直接相關 材質、施作面積、高 度、空間 防水工程 施工 M2 柱、牆 直接相關 材質、施作面積、高 度、空間 壁紙工程 施工 M2 柱、牆 直接相關 材質、施作面積、高 度、空間 輕鋼架工程 施工 M2 隔間牆 直接相關 材質、施作面積、高 度 磚造隔間工程 施工 M2 隔間牆 直接相關 材質、施作面積、高 度 木作隔間工程 施工 M2 隔間牆 直接相關 材質、施作面積、高 度 柱鋼筋工項 施工 根 鋼筋 直接相關 性質、斷面大小、主 筋配筋、主筋排列、 箍筋配筋、箍筋排列 (4) 本體論(Ontology)
隨著建築資訊模型(building information modeling, BIM)技術在 AEC 產業的普及與發展，對於專案資訊的獲取與儲存，提供了可靠且有效 率的方法(Eastman et al., 2011)。在相關的應用中，雖然，有不少研 究發展以 BIM 為基礎的估算模式，以及應用 BIM 進行專案排程規劃，對 專案成本估算與排程方法的改善帶來新的契機，然而，由於難以建立排 程、估算軟體與 BIM 模型間的互動模式，且仍無法有效解決成本與時程 整合的問題(Feng et al., 2010; Shen and Issa, 2010; Eastman et al., 2011)。
因此，BIM 所具備的優勢與益處，在專案成本與時程整合方面仍未 有效地加以應用，相較於各領域的應用與發展，BIM 於專案時程與成本整 合的應用與自動化的發展，以及關於工程知識經驗的整合則仍顯不足。 另一方面，為了因應專案生命週期不同階段的資訊需求，針對模型資訊 發展內容的完整性所定義的 LOD (Level of Development)，讓 BIM 模型 的導入具備基本規範。然而，仰賴 LOD 定義的元件資訊並不能滿足營建 工作流程的資訊需求，因此應用知識本體論（Ontology）解析專案管理 的資料屬性與關聯性，並藉以建立符合專案整合管理模式資訊需求之 BIM 模型建構規則，以提升 BIM 模型之應用效益。 圖 3-7 專案資訊解析流程示意圖 藉由彙整工項語意資訊的方式確立專案知識領域範圍，工項語意主 要分成通用工項語意和專案工項語意兩類，通用工項語意指的是廣泛並 可適用於各專案的語意資訊，此類型的語意資訊分別為契約、施工規 範、成本估算書籍和訪談資訊等；而專案工項語意指的主要適用該工程 專案的語意資訊，此類型的語意資訊會隨著執行方式、設計內容和專案 類型的不同而有很大的差異，通常可以分成下列兩種，設計圖說和施工 計畫，建築物的外型、構造、設計與施工細節取決於設計圖說的內容， 承攬廠商透過分析設計圖說獲得該工程的結構、高度、樓層、面積、主 要工作項目和主要建材等基本資料，作為作業方法和時間的決策參考， 專案資訊解析
施工計畫則是工項具體執行策略，承攬廠商透過研擬施工計畫，釐清投 標工程的工項執行方法、執行範圍與使用資源，藉此了解工項執行方 式、工序、施工位置與資訊使用。 圖 3-8 專案資訊解析結構示意圖 表 4 專案資訊解析內容 應用位置 語意知識種類 語意知識內容 本 體 論 架 構 工程知識 施工程序內容包含執行構件任務、作業項目、工作順序和資源 執行構件任務由作業項目組成，作業項目由工作順序組成 執行每個工作順序需要資源 資源包含人工、機具和材料 工作執行會在建築物的不同位置，位置包含樓層、空間和區域 分包商執行工作使用資源項目 成本知識 預算工項包含假設工程和結構工程 假設工程內包含鷹架工項和放樣工項 結構工程內包含混凝土工項、模板工項、鋼筋工項、續接器工項、鋼承 鈑工項和鋼構工項 成本資訊包含資源使用內容、工作內容與分包方式
工項有工項編號 建築模型知識 模型元件內容包含建築元件和結構元件 結構元件內容包含柱、樑、牆、版和樓梯。 元件有元件編號、量體資訊、元件辨識碼 表 5 工項元件關聯表 裝修項目 OmniClass 類型 關聯元件 需求資訊 室內隔間 21-03 10 10 輕隔間 隔間牆 材質、施作面積、高度 磚牆 室內窗戶 21-03 10 20 落地式 窗 長、寬、玻璃面積、數量、材質、 樓層、類型 非落地式 室內門 21-03 10 30 門 門 材質、面積、長、寬、數量、樓層 室內格柵 21-03 10 40 格柵 牆、天花板 面積、間距、材質 高架地坪 21-03 10 60 地坪 地坪裝修 面積、材質、高度、位置 懸吊式天花板 21-03 10 70 懸吊式 天花板 天花板高度、面積、位置 牆面裝修 21-03 20 10 粉刷 牆面裝修、天花 板、牆壁 裝修材質、牆壁材質、面積、預留 高度、位置 磁磚 地坪裝修 21-03 20 30 磁磚 地坪裝修 裝修材質、面積、位置
表 6 資訊需求解析 工項 成本需求 時程需求 裝修工 程 分包作業項目 物料及工需求 施工生產率 輕隔間 工程 輕鋼架隔間 輕鋼架、板材(M2 ) 45 M2 /天 磚造隔間 水泥(包)、砂(M3 )、紅磚(塊) 45 M2 /天 泥作工 程 打底粉刷 室內 水泥(包)、砂(M3 ) 300 M2 /天 室外 200 鋪貼磁磚 (工料分離) 室內 牆面磁磚施作 水泥(包)、砂(M3 )、磁磚(片) 貼磚工資(M2 ) 70 地坪磁磚施作 120 室外 外牆磁磚施作 250 石材工 程 鋪貼石材 (工料分離) 室內 牆面石材施作 水泥(包)、砂(M3 )、石材(KG) 貼石材工資(M2 ) 70 M2 /天 地坪石材施作 80 室外 外牆石材施作 54 防水工 程 防水層塗佈 防水層(M 2 ) 90 M2 /天 天花板 工程 明架天花 輕鋼架、板材(M2 ) 210 M2 /天 暗架天花 200 木材工 程 木作天花 輕鋼架(M2 )、板材、角材 100 M2 /天 木作輕隔間 木材、合板(M2 ) 45 木作地板 板材、角材(M2 ) 20 油漆工 程 油漆批土 室內 牆面油漆施作 油漆、石膏粉、石灰(M2 ) 240 M2 /天 坪頂油漆施作 240 室外 外牆塗裝施作 80 門窗工 程 矽利康作業 水泥、砂、矽利康(M2 ) 100 樘/天 立門窗框 門框、窗框(樘) 20
2. BIM 建模工具
建築資訊模型(Building Information Modeling, BIM)為一種協助工 程專案進行與管理，並連貫整個生命週期的 3D 建模工具，包含建築、結 構、機電等範疇。不同於傳統的電腦輔助設計(Computer Aided Design, CAD)，BIM 採用物件導向的建構模式，以參數畫設計的概念描述元件的性 質，包含材質、尺寸、顏色等等，將工程專案中所需的各式資訊整合於同 一個建築模型中。此外，BIM 可藉由協同作業的方式，供專案中不同的角 色編輯、取用，不僅能夠提升建模效率，更可以在建模的過程中，檢視不 同介面間的衝突，並及時提出問題、修正。以下介紹本研究所採用之 BIM 模型建置工具 Autodesk Revit 及資料提取工具 Autodesk Dynamo，並說明 以 Autodesk Navisworks 做為設備維護的模擬工具。 （1）Autodesk Revit Revit 是現行主流 BIM 建模軟體之一，其利用元件導向和參數化概 念的建模方式，允許使用者依需求為元件定義新參數，修改參數後元件族 群亦可連動進行更改，增進了建模的效率。Revit 除了能建置基本的尺寸 資訊、三維空間資訊、材質、外觀樣式，更能對於建築物件的結構性質加 以定義，如：保護層厚度、鋼筋配置、接頭型式等，這些數值的輸入能提 供施工查核作業時能更快速找到所需要的資訊。另外，Revit 能對於樓層、 房間等空間區域進行切割及定義，透過這些空間資訊的篩選，能夠提供模 型資訊分類的基準，有助於於後續資料輕量化的處裡。 （2）Autodesk Dynamo Dynamo 是一項提供視覺化的程式開發環境，可以輔助 Revit 建置 較複雜模型樣式或清單輸出等功能，並能將常用的功能開發成專用的工 具，目前已內建於 Revit 2018 以上之版本當中供操作者使用。 所謂的視覺化設計(Visual Program)即是讓使用者透過圖形化的方 式表達程式的說明(Instructions)與關係(Relationships)，以代替程式
碼的編寫。Dynamo 將程式內建於節點(Nodes)中，再透過節線(Wires)連 結在一起，如圖 3-9 所示，使用者欲繪製一個以原點為圓心，向量 (5.6,11.5)為半徑的圓，上部是以文字程式(Textual Program)撰寫之結 果，下半部分則是視覺化程式設計(Visual Program)的表現方式： 圖 3-9 文字及視覺程式撰寫方式之比較 Dynamo 與 Revit 有直接的關聯性，能夠將程式建置的參數轉換成模 型，也能夠針對所選擇之模型元件提取資訊，BIM 模型在建置完之後需經 由模型通用格式轉換到其他軟體上進行後續的應用，但在轉換的過程中往 往會失去部分元件資訊，故本研究將模型匯出至 Unity 進行後續混合實境 開發。
3. AR/MR 開發工具
隨著擴增實境（AR）混合實境（MR）技術的發展，市面上有許多相關 的設備及開發工具，頭戴式混合實境設備以 Microsoft 所開發之 HoloLens 為較著名且功能較完善之裝置，此外，為了讓混合實境有更好的開發環境， 許多公司提供了免費的開發工具套件，促進混合實境開發的大眾化，其中 較著名的有 Mixed Reality Toolkit 及 Vuforia，本節將對使用到的設備 及開發工具進行介紹。
（1）Microsoft HoloLens
HoloLens 為微軟於 2016 年推出的混合實境裝置，裝置上配有記憶 體、CPU、光學投影系統及獨立電源，能夠在 HoloLens 上運行 Windows 10 作業系統，可視為一台頭戴式的個人電腦（圖 3-10）。此外，HoloLens 亦 搭載多種感測元件以達到混合實境之功能，包含：慣性測量單元、環境光 感應器、環境感知鏡頭、深度感知鏡頭、200 萬畫素相機、內建麥克風， 及解析動作和視線並捕捉周遭環境影像的全息影像處理器(Holographic Processing Unit, HPU)。這些單元讓 HoloLens 具備了移動偵測、空間認 知、語音識別、手勢辨識等功能，能隨時記錄及建立所處空間的模型，擴 增的虛擬物件更能以全息影像的方式疊加在實境上，讓使用者在直接觀察 現實環境的同時能操作虛擬物件並使其與環境互動。這些特性讓 HoloLens 與其他混合實境裝置相比更具操作上的便利性及實用性。 在這些功能當中，HoloLens 與其他混合實境裝置相比最為突出的能 力為空間認知(Environment Understanding)技術，該功能是透過同步定 位與地圖構建(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)技術達 到的，此功能是透過鏡頭擷取 3D 影像中的特徵點資訊，並進行 3D 物件追 蹤特徵點，再根據自身的定位偵測建構模型來達到定位的目的。這項技術 可為移動中的裝置傳達準確的空間資訊，配合混合實境應用可達到讓虛擬 物件與環境互動的功能。
圖 3-10 HoloLens 外觀及內建感測器 在施作現場若要使用混合實境設備輔助作業，裝置則須有能獨立運 作而不用連接外接設備、允許使用者直接看到現地情況並空出雙手進行作 業、運作時間長、操作直觀便利等優點才能符合現地的使用需求，否則會 有安全上及使用性上的疑慮。與其他混合實境設備相比，HoloLens 因具 備獨立運作無須連接其他設備、能紀錄空間資訊及感測使用者動作、允許 直接觀察實體環境、可連接網路等優勢，故選擇 HoloLens 作為本研究之 混合實境裝置。
（2）Mixed Reality Toolkit (MRTK)
由於 HoloLens 內建許多感測器以執行其空間認知、位移偵測等複雜 的功能，相關功能的開發難度高，因此 Microsoft 將混合實境常用功能的 程式碼、物件、腳本等資源整合成開發工具包 Mixed Reality Toolkit 並 發布於開源碼社群 GitHub 上供開發者自由使用、修改及擴充，以降低混 合實境的學習門檻及促進 HoloLens 應用程式的開發速度（圖 3-11）。 GitHub 上亦提供許多常見應用程式功能的範本及教學供開發者作為開發 基礎，進而發展更多元的混合實境應用。基於提供之工具及教學資源豐富， 本研究採用 MRTK 作為混合實境開發的輔助工具。
圖 3-11 MRTK 包含之功能列表
（3）Vuforia
Vuforia 目前為美國 PTC(Parametric Technology Corporation)公 司所經營的一款混合實境開發平台，他提供免費的混合實境開發套件以 協助在各項行動裝置上的混合實境功能開發，其中最具特色的功能為目 標物(Target)偵測系統，這項系統支援平面及立體物件的偵測，透過混 合實境裝置的鏡頭捕捉實地的影像，再與事先建立的資料庫進行影像比 對，當辨識出目標物時，就能透過這個影像所在的位置作為基準點，呈 現出虛擬的環境影像，如圖 3-12 所示，圖中的立體方塊就是以平面目標 圖片作為定位基準點所呈現的虛擬影像，方塊會隨著目標圖片的遠近、 角度進行變換。本研究為使虛擬模型能在現地真實環境快速定位，因此 也套用這項功能來協助環境的定位。
