我國營建業BIM發展策略之研究---子計畫五：整合先進資訊科技與BIM技術之模型建構機制與施工作業輔助模式

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

我國營建業 BIM 發展策略之研究--子計畫五：整合先進資 訊科技與 BIM 技術之模型建構機制與施工作業輔助模式

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-011-112-

執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學營建工程系

計 畫 主 持 人 ： 陳鴻銘

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：黃匍豪 碩士班研究生-兼任助理人員：陳儀珮 碩士班研究生-兼任助理人員：林宗禧 博士班研究生-兼任助理人員：侯權鍵 博士班研究生-兼任助理人員：林禹志

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 100 年 10 月 04 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫期末報告

我國營建業 BIM 發展策略之研究－子計畫五：整合先進資訊科技與 BIM 技術之模型建構 機制與施工作業輔助模式

New Computer-Aided Operation Modes for Building Model and Assisting Construction Based on the Integration of Advanced IT and BIM

計畫編號：NSC 99－2221－E－011－112 執行期間： 99 年 8 月 1 日至 100 年 7 月 31 日

主持人：陳鴻銘 國立台灣科技大學營建工程系副教授

近年來，電腦三維視覺化虛擬呈現的技術與電腦三維動畫運算能力均已大幅度 地快速提昇，以往只能由昂貴的高階繪圖工作站配合內建專用系統才能達成之視算 效果，現已能由平價的個人電腦上由標準的顯示或繪圖卡配合市售軟體所達成，隨 著 電 腦 三 維 視 覺 化 的 技 術 與 運 算 能 力 的 進 步 ， 以 及 基 於 相 關 技 術 之 動 畫 或 Computer-Aided Design (CAD)軟體的普及，對於營建工程的專案，建立虛擬的電腦 三維視覺化模型已大幅取代傳統使用縮小尺度實體模型的方式，已成為現今呈現專 案之設計與規劃概念的最佳模式與媒介，基於現有的電腦視覺化的技術，尚未實現 的專案設計與規劃已能以非常擬真實地視覺效果被虛擬地呈現，甚至與現有的實體 環境做虛擬的結合，另基於現有的電腦視算能力，所建構的虛擬場景已可讓使用者 做即時地瀏覽操作並予以多元化地檢視，通常使用者可基於某特定的操作模式控制 視點於虛擬的場景中自由地遊走而得到身歷其境的感受，並可選擇由不同的角度與 尺度來巨細靡遺地檢視場景中所呈現三維模型的整體與細節。

已有研究提出將營建專案的三維模型與數位化的設計資料之儲存與管理整合，

使設計資料成為三維模型除幾何資料外的屬性之模式，稱為 Building Information Model (BIM) 或 n-Dimensional Model，基於此模式，可達成讓不同領域的設計資料 有效地整合並傳承給後續的作業使用。BIM 是為了提昇營建產業資訊的發展，且有 效率地管理建築模型相關資訊所發展出一種描述建築模型之模式，將實際上的建築 物構件相關的資訊與 CAD 模型資訊結合。故模型資訊不只包含 2D、3D 圖形資訊，

更賦予建築物構件相關的資訊。一個 BIM 系統泛指能夠在建築物生命週期中建立、

整合及重複利用建築資訊與專業知識的系統。BIM 系統結合資訊科技技術、電腦輔 助設計方法，以及 AEC/FM 領域的專業知識，以協同設計之角度建立、整合建築資 訊模型。然而，BIM 系統涵蓋的範圍相當廣，包含建築規劃設計、結構分析模擬、

建築機電、施工排程，營運管理等。因此，目前營建產業已逐漸採用 BIM 技術於較 大型與複雜的營建專案之設計開發流程中。

由於營建產業之產品如建築、橋樑等，多具有特殊化與跨領域整合之特性，且 通常均需依據使用與環境上的需求或限制客製化地被設計與建造，故目前產業上針 對營建工程專案依各種需求所建製的專案 3D 模型，亦由於各專案多各自不同之特 性，其模型建構模式通常是於所選用 CAD 平台上，從頭由無到有地打造，通常已是 極其耗費時間與人力之工作，而 BIM 建模除了建立 3D 模型外，另需於模型上整合 跨領域的設計資訊為其屬性，故針對某營建工程專案建立其 BIM 模型需規模可觀的 建模人員團隊配合多個跨領域的設計人員團隊一起協同合作，除了在建模工作上分 工，也須協調設計上的衝突使跨領域的設計能夠整合，通常需耗費數月的時間方能 完成，目前尚沒有一個較有系統的機制並導入有效的科技來幫助減少模型建置上所 需花費的人力與時間，並輔助模型建置的過程中建模團隊成員間的協同與整合工 作。故本研究針對 BIM 模型之建構，提出整合資訊科技予以有效輔助的建模機制。

另一方面，電腦三維視覺化技術除了於被使用來對於規劃中的設計概念與細節 做視覺化的具體呈現，單獨地基於其功能性於工程的規劃設計階段被用於建構中概 念的虛擬呈現外，其實有進一步延伸其功能性的可能，被應用於工程的生命週期內 其他各種作業之相關呈現，並與各種作業所運用的技術、科技、與系統結合的可能 性，達到相輔相成的功能加值成效。近年來，已有不少此類整合電腦視覺化技術於 工程的各種作業之研究，甚至有些成果已逐漸廣為產業界所接受並使用，例如，有 研究整合了模型元件碰撞衝突偵測的技術，此讓於設計階段所建置工程之三維模型 不只讓工程之各項設計細節一目了然，更能夠快速地找出設計上之衝突再加以解 決。另有研究將三維模型與施工規劃的排程軟體整合，此類整合的系統稱為 4D CAD，表示三維的工程模型加上代表施工步驟程序之時間軸而成的四維動畫模型，

此一整合可將複雜的施工程序與工程工法之規劃以動態的三維模型基於時間的進展 依序呈現，於功能上能以三維視覺化清楚具體地呈現施工流程之規劃，提供使用者 身歷其境之感受來幫助了解，其經多年的發展與推廣後已普遍被認為可以彌補工程 規劃人員將施工順序以傳統平面圖式規劃工具於傳達表示上所缺漏的資訊。還有許 多分析模擬的研究，如施工模擬、建物震損模擬、都市洪災模擬等，均運用了三維 視覺化的技術於結果數據之後處理來呈現分析模擬的結果，以三維的模型動畫甚至 於虛擬實境的模擬呈現，取代不易被直接解讀與理解之數值模擬數據。而 BIM 的模

式包含了專案生命週期資訊的傳承與整合概念，但現有商用 BIM 系統所整合的功能 模組仍多屬於設計階段的作業輔助，故本研究進一步地針對專案生命週期之建造施 工階段，提出以 BIM 模型為基礎的作業輔助模式。

基於上述的背景分析，BIM 模型於營建工程上之應用，實有進一步深化與整合 的可能性，故本計畫研究之目的為提昇營建專案 BIM 建模之效率、專案 BIM 模型 組構與資訊整合之系統性、及專案 BIM 模型之再利用性，以及將專案 BIM 模型之 功能加值與延伸以運用於資訊化輔助建造施工階段作業的可能性，針對施工現地即 時監控作業提出以 BIM 模式為基礎之作業模式與應用技術。針對營建專案 BIM 模 型的設計與建置效率提昇之目標，本計畫整合資料庫與網路技術之有效建模機制，

首先將電腦視覺化與資料庫技術整合，基於對營建專案 BIM 模型之普遍構成元素的 分析釐定與分門別類之歸納整理，建立一可儲存管理各類模型元件並供建模選取使 用之網路式模型元件庫，任何專案模型之建立過程中所繪製的模型元件均可透過網 路存入此模型元件庫而不斷的擴充，供未來其他專案模型建立時如需相同或類似的 模型元件時可透過網路自此模型元件庫中直接選用置入場景，不需完全重新繪製，

此一模式除了可經由提供可重複使用的模型元件有效提昇建模效率，任何已建立模 型所包含的新模型元件均可被有效地保存並再利用，而有效提昇模型之再利用性。

另使用此一平台所建立的模型為基於 BIM 模式之整合多領域設計資訊為其屬性參數 的模型，故模型元件庫所儲存提供的各種 BIM 模型元件除幾何資料外均另需包含有 與其相關的設計屬性參數，供負責的設計人員設定，各種 BIM 模型元件除須基於其 之廣泛應用分析內建有適當的預設屬性參數，各自的屬性參數另均可視各別專案的 特性由設計人員增刪調整，此一基於 BIM 模型元件建立標準化但可調整之設計屬性 之模式可有效達成跨領域模型資訊整合之系統性。另一方面，由於建立整合多領域 設計資訊之 BIM 模型需由跨領域的設計團隊合作建立，本計畫亦將此網路式 BIM 模型元件庫導入主持人已研究發展之網路即時協同之 BIM 模型同步建構暨設計整合 模式，讓此協同合作設計系統平台可透過網路存取 BIM 模型元件庫，讓使用者選用 適當的模型元件加入共同的虛擬場景內與他人所負責的部分整合，並設定場景內不 斷建構發展中之共同模型需其負責決定的屬性參數之工作模式所協力完成，此一模 式可經由即時分工合作的方式有效地提昇 BIM 模型建立的效率，並在共同的設計空 間內合作建立單一的 BIM 模型，能有效地達成跨領域設計資訊之整合並維持設計資 料之一致性。本計畫提出之整合資料庫與網路技術之建模機制的概念如圖 1 所示。

圖 1. 整合資料庫與網路技術之營建專案 BIM 建模機制

導入營建 BIM 模型元件庫之無線感測定位技術之施工現地即時監控模式

針對營建專案 BIM 模型應用廣度提昇之目標，本計畫針對 BIM 於專案建造施工 階段的應用較為不足，故以輔助建造施工階段的之施工現地即時監控為應用範圍，

提出以 BIM 模式為基礎之作業輔助模式，以期在現有的基礎上進一步提昇專案 BIM 模型之應用面向與營建工程作業之資訊化程度。而專案 BIM 模型與施工現地監測整 合是基於 BIM 模型元件庫所建立之專案及工地場景 BIM 模型與工地現場的即時感 測與定位技術結合，於工地現場可使用如 GPS 或 RFID 等感測定位技術，即時監測 工地中會出現的單元，如某人員、機具、物料等，這些受測監控的單元均可預先設 定連結至 BIM 模型元件庫中某一個模型元件做為其之呈現模型，而對於整體工地的 即時感測紀錄即可由系統平台基於各監測單元與模型元件之連結與專案的設計 BIM 模型，即時繪製出工地現況的場景模型，此即時的現地場景模型可讓管理人員可透 過基於 BIM 模式的呈現一目瞭然地掌握工地的現況，並可於虛擬的場景中遊走巡視 無死角地掌握細節以及點選場景中的模型元件予以辨識並獲得與其相關的屬性資 料，以輔助工地安全或財產的管控與工程進度的掌握。故一專案的 BIM 模型在規劃 設計階段被初始建立時，可統整跨領域的設計資訊為其之屬性參數輔助設計資訊之 整合，設計團隊可使用其內建與各種領域的分析系統整合之功能對其做各類的分析 模擬來評估其性能並調整設計予以最佳化，及動態地呈現對工程施作程序之規劃

等；之後所建立的 BIM 模型可被傳承到施工階段延續使用，施工團隊可使用其內建 與現地監測設備整合之功能對工地做即時的監控。

1 以營建 BIM 模型元件庫為基礎之專案建模模式

目前營建三維模型之建置方式尚沒有一個較有系統的機制來幫助減少模型建置 上所需花費的時間與人力，若能將已完成的模型有系統的被分解為模型元件，並以 模型元件為單位被反覆的使用於其他新的模型建置之中，就能節省很多重複建置相 同的模型元件的時間。本研究提出整合資料庫與網路技術之有效 BIM 建模機制，建 立一可儲存管理各類 BIM 模型元件之網路式 BIM 模型元件庫。將電腦視覺化與資 料庫技術作整合，對營建專案 BIM 模型之普遍構成元素與相關領域的設計屬性分門 別類地歸納整理。並規劃 BIM 模型元件之標準資料格式、BIM 模型可供拆解之模式、

及制訂標準通用之 BIM 模型元件，使其屬性參數化。可使 BIM 模型有系統地被分 解成各個種類之 BIM 模型元件，能以 BIM 模型元件為單位被反覆地使用於其他新 的 BIM 模型建置之中，可節省很多反覆建置相同的模型元件的時間。故利用資料庫 系統來儲存 BIM 模型元件以提供重複使用，並搭配相關網路之技術，進而提出一新 的網路式之 BIM 模型建置模式。

此模式首先建立一整合各種類型之 BIM 模型元件資料庫，再以使用此模型元件 資料庫為基礎，提出建置 BIM 模型之流程。此一模型建置流程主要步驟為：首先，

使用者由資料庫以條件搜尋獲得一組符合使用條件的 BIM 模型元件，再於其中選取 所欲使用的模型元件配置並至三維環境中，並對模型元件做必要的屬性調整，如此 反覆以上步驟，使各被選用的模型元件依配置上設定合而為一，成為使用者所欲建 置之完整 BIM 模型，而完成建模。以上流程如圖 2 所示。

圖 2. 以網路式營建 BIM 模型元件庫為基礎之建模流程

本研究為了提昇模型之可再利用性，其模型元件資料格式採用以 XML-based 標 準為主，並基於 BIM 建模之模式，其資料綱要的擬訂參考 International Alliance for Interoperability (IAI) 組織依據 BIM 概念所提出之 Industry Foundation Classes (IFC) / ifcXML 檔案格式的資料綱要。因此完整模型與模型元件皆使用以 XML 為基礎之開 放的標準格式，進而可使 BIM 模型更易於做其他相關之應用。

此外，為提昇營建專案 BIM 模型建置之效率，本研究進一步以網路技術、資料 庫系統與開放之 XML-based 標準資料格式三大技術相結合。透過網路的技術可讓使 用者經由網路連接至 BIM 模型元件庫方便地存取；另外任何專案 BIM 模型之建立 過程中所繪製的 BIM 模型元件均可透過網路存入此模型元件庫而不斷地擴充，供未 來其他專案 BIM 模型建立時如需相同或類似的模型元件時可透過網路從模型元件庫 中直接選用置入場景，不需完全重新繪製，發揮模型元件之重複再利用性；為了使 BIM 模型元件庫之存取管理更有效率，本研究提出 BIM 模型拆解模式，讓使用者可 依照不同的尺度（如：建築元件、建築樓層、建築單元等）根據所需來拆解 BIM 模 型，用以儲存該營建專案之模型。使得資料庫系統可將 BIM 模型元件資料有系統地、

結構化儲存，有效地集中管理與保存，並可利用資料庫系統所提供之管理、搜尋等 功能擴充及重覆使用儲存於其中之模型元件。

此網路式 BIM 模型元件庫內建關於營建專案 BIM 建模常用之一些通用的標準 BIM 模型元件，並預設各領域之標準設計資料屬性與數值，使用者可因應個別之營 建專案的特性來修改設計屬性之預設值或增加其所需之必要的設計屬性之種類，將 BIM 模型元件之設計資料屬性予以參數化。對於無內建於模型元件庫之 BIM 模型元 件，可經由個別的營建專案 BIM 模型之拆解以新增於元件庫內，並預設其標準設計 屬性之參數，以提供未來其他營建專案 BIM 建模之用。

1.1 系統功能運作機制

本研究所設計與建置之 BIM 模型元件資料庫與系統，提供了網路式 BIM 模型元 件資料庫之維護管理及透過網路式模型元件資料庫來建置完整 BIM 模型等功能。並 透過整合網路、資料庫系統與模型元件，以及採用 XML-based 標準開放檔案資料格 式，提出使用網路式模型元件資料庫為基礎之 BIM 建模模式來達到縮減建模時間與 人力之目標，最終基於 BIM 模型元件建立標準化可用以調整之設計屬性之模式進而 有效地達成跨領域模型資訊整合之系統性。要實現上述之網路式 BIM 模型元件庫，

本研究提出方案滿足以下的系統需求：

1.1.1 BIM 模型元件庫

BIM 模型元件庫主要功能為保存模型元件與其相關設計資料屬性之參數與分類 資訊，對於其之建置，本研究首先將欲儲存之元件設計資料內容之種類、範圍及格 式詳細地分析與整理，再將其有系統的依資料庫理論進行概念設計規劃成對應之實 體 (Entity) 、 屬 性 (Attribute) 與 實 體 間 之 關 係 (Relationship) 等 ， 並 以 實 體 關 係 圖 (Entity-Relationship Diagram)呈現，爾後於系統開發建置階段即可將此概念設計透過 對應的 SQL 語法於電腦系統上建立實體資料庫，使資料庫系統產生符合需求之實 體，即完成模型元件庫之設計。以下各小節分別說明 BIM 模型元件之定義、標準資 料格式、拆解模式、及設計資料屬性之參數化。其 BIM 模型元件庫之實體關係規劃 如圖 3 所示。

圖 3. BIM 模型元件庫之實體關係圖

1.1.1.1 BIM

BIM 模型元件之定義為組成營建專案 BIM 模型的基本單位，本研究將 BIM 模 型元件之相關資料結構化地的儲存於資料庫中，讓資料庫可有效地管理供重複使 用。將各類型的 BIM 模型元件以相同的資料項目記錄，再將這些模型元件之資料項 目分為幾何資料、模型元件資訊與元件屬性三大部分，如圖 4 所示。幾何資料描述 了模型元件之完整外觀外貌基本元素，如方形、球形、圓錐等的拓樸與幾何關係所 構成，系統於繪製模型元件時會基於這部份資料；元件資訊為描述與說明模型元件

之相關訊息，包含了模型元件之名稱、說明、用途、作者、元件類別等，基於這些 多面向的元件描述資訊，基於這些多面向的元件描述資訊，可讓使用者能以多元的 描述組合找到所欲使用之模型元件；而元件屬性則是提供了改變模型元件外觀之彈 性，讓使用者可基於這些資料的設定對元件外貌做一定程度之調整，例如提供使用 者調整樑、柱模型元件長、寬與高等設定之彈性，此一模型元件使用上的需求是必 要的。

圖 4. BIM 模型元件組成示意圖

1.1.1.2 BIM

本研究認為系統中所儲存的 BIM 模型元件以及基於其所建置產生之整體 BIM 模 型的資料格式，應該採用開放的標準模型格式，能讓其他支援此標準格式的 BIM 軟 體與平台也可以閱覽、修改、與模型再利用，使本系統更具使用價值與意義。而 XML 資料格式可讀性佳、結構嚴謹、易於在網路上傳輸、較容易與其他平台間交換資料，

更重要的是已經有許多成熟之 XML 應用技術可用，故選擇以 XML 為基礎作為本系 統之 BIM 模型資料格式。其資料綱要之擬訂參考 IAI 組織所提出之 IFC / ifcXML 格 式。其標準資料格式內建多項建構 BIM 標準模型元件，如：柱、樑、牆等結構構件；

傾卸車、挖土機、塔吊機等施工機具；混擬土、鋼材等建物材料的種類與屬性。

1.1.1.3 BIM

本研究提出 BIM 模型拆解再利用模式，使用者除了能將營建專案之 BIM 模型整 體地儲存於模型元件庫內，也可另外再根據需求依照不同的尺度，如：建築元件、

建築樓層、建築單元等各種尺度，將整體的 BIM 模型拆解成數個之 BIM 模型元件 存入元件庫內，使得元件庫之 BIM 模型元件可不斷地擴充，以供未來其他專案 BIM 模型建立時如需相同或類似的模型元件時可透過網路從模型元件庫中直接選用置入 場景，不需完全重新繪製，發揮模型元件之重複再利用性，以提昇營建專案 BIM 模 型建置之效率。此外，也可使資料庫系統將 BIM 模型元件資料有系統地、結構化的 儲存，並有效地集中管理與保存，且可利用資料庫系統所提供之管理、搜尋等功能

擴充及重覆使用儲存於其中之 BIM 模型元件。

1.1.1.4 BIM

本 BIM 模型元件資料庫內建用於營建專案 BIM 建模之標準 BIM 模型元件，並 預設各領域之相關標準設計資料屬性參數，可讓使用者直接用於 BIM 建模，也可因 應個別之營建專案的特性來修改設計屬性之預設值或增加其所需之必要的設計屬性 之種類，將 BIM 模型元件之設計資料屬性予以參數化。當所需之 BIM 模型元件無 內建於模型元件庫時，可經由個別的營建專案 BIM 模型之拆解以新增於元件庫內，

並預設其標準設計屬性之參數，以提供未來其他營建專案 BIM 建模之用。

1.1.2 模型元件庫管理模式

為維護 BIM 模型元件資料庫所保存之模型元件的完整性與正確性，確保資料庫 能有效管理模型元件，並能不斷地擴充、加入新模型元件，系統必須提供使用者管 理與維護模型元件庫的機制。以下各小節說明本研究所提之網路式 BIM 模型元件庫 管理模式應具有之功能。

1.1.2.1

BIM

基於這些功能讓使用者有對模型元件管理控制之能力，使用者能透過使用者介 面新增模型元件，且對於模型元件庫中現有的模型元件，亦能是需要將其刪除，或 修改。

1.1.2.2

系統除了提供使用者修改模型元件之幾何資料外，還要能讓使用者對模型元件 之資訊進行例如名稱、說明、作者或類別等編修，使元件資訊可視使用與管理之需 求調整。

1.1.2.3

BIM

使用者可依其需求，增加或刪除必要之 BIM 模型元件類別。系統提供其所屬類 別與 BIM 模型元件間之相關訊息，讓使用者可依據此訊息調整此類別，例如，系統 能讓使用者觀看各類別內所包含之模型元件數，使用者觀察後發現某一個類別內是 沒有任何模型元件時，也許會做出刪除此類別之判斷；亦可讓使用者做簡單的 BIM 模型元件群組控制，例如提供刪除該類別所有模型元件之功能。

1.1.3 模型建置機制

以下各小節說明本研究所提之網路式 BIM 模型元件庫模型建置機制應提供之功 能。

1.1.3.1

本系統提供使用者搜尋模型元件庫的介面，其透過使用各種條件與關鍵字組合 以搜尋出一組符合條件的 BIM 模型元件，再由其中點選所欲選用之模型元件，加入 場景之中。當本系統搜尋出結果後，符合條件的模型元件會以列表的方式呈現，列 表內會列出模型元件的名稱、說明與作者，點選列表內任一模型元件，亦會跳出小 視窗顯示該模型元件之預覽圖，幫助使用者判斷選擇出欲選用的模型元件，選用的 模式則是對列表內所選擇之模型元件點兩下滑鼠左鍵，即可將其加入整體模型之場 景中。

1.1.3.2

基於 BIM 模型元件設計資料屬性之參數，例如：BIM 模型元件之長寬、顏色、

材料種類等設定之需求，本系統提供 BIM 模型元件設計資料屬性之參數設定介面，

其羅列出該模型元件所有屬性，讓使用者可對於其中之任一屬性做欲做的調整，使 其變成為符合使用者所欲使用之 BIM 模型元件外貌。此外，本系統亦提供 BIM 模 型元件複製功能，複製模型元件時，整體模型場景中會加入一個新的且具有與其完 全相同設計屬性設定之 BIM 模型元件，可讓使用者複製場景中已調整好設計屬性之 BIM 模型元件，減少使用者反覆設定相同屬性之動作。

1.1.3.3

基於本研究所提之建模模式，於整體模型建置之過程中，使用者需能將各個加 入場景中的模型元件一一擺置於場景中正確所在之位置，進而組合成為一個整體模 型，本系統把調整配置 BIM 模型元件之方式設計為使用滑鼠拖曳移動，使用者以滑 鼠左鍵點選場景中任一模型元件不放，透過滑鼠拖曳功能移動 BIM 模型元件，即可 使其移至場景中所欲擺設之位置；或者點選此模型元件後，開啟模型元件設計資料 屬性之參數設定介面，調整其位置相關屬性亦可。

1.1.3.4

營建專案 BIM 模型建置介面需提供使用者方便的三維場景控制功能，其包含了 視點的移動、BIM 模型元件點選及拖曳移動等，系統主要的操作介面鍵盤與滑鼠需 提供與其所對應之快速鍵，例如在場景視窗提供快速鍵 E、S、A、D 分別是對應至 移動視點的向前、後退、向左轉與向右轉功能，而滑鼠可直接以左鍵點選選取場景 視窗內的模型元件，並拖曳移動它。基於這些功能可使得建置 BIM 模型過程中之檢 視更為流暢。

1.1.3.5

BIM

本系統提供 BIM 模型場景之設定，如光源、背景以及地面大小等等設定功能介 面，讓使用者能對於整體模型之場景樣貌作調整。此外，系統可對於環境光源作較 為細節的設定，如光源之數目、各光源之位置、亮度與顏色等等皆可調整。

1.1.3.6 BIM

本系統提供 BIM 模型儲存之功能，將所建置的模型儲存為 XML-based 檔案格 式，或是進一步利用檔案格式轉換模組，轉換為其他模型檔案，讓其他檔案格式之 繪圖或建模軟體也可檢視及使用本系統所產生之整體 BIM 模型。此外，本系統也讓 使用者可以將建置完成之 BIM 模型整體或依據需求尺度拆解以匯入 BIM 模型元件 庫中儲存成為一個或數個可再利用的模型元件。

1.1.4 模型檔案格式轉換機制

本研究使用標準模型檔案格式 XML-based 作為建置完成之整體模型的檔案格 式，為增加本研究所提 BIM 建模模式之泛用性，進而擴展本研究與其他 CAD 軟體 之相容性，本研究提供了基於 XML 文件轉換之技術的 XML-based 檔案格式轉換模 組 。 XML 文 件 之 轉 換 技 術 稱 為 XSLT(Extensible Stylesheet Language Transformations)，其 XML 文件轉換步驟首先要為欲轉換格式設計出 XSLT 樣板，此 為一定義來源樹與結果樹之關係對列表，亦即是此 XSLT 樣板定義了 XML 來源文件 是如何變成結果文件之方法，其後使用 XML 解析器即可基於此 XSLT 樣板將 XML 來源文件轉換為目標檔案，如圖 5 所示。

圖 5. XML 轉換機制示意圖

1.2 系統展示

本章節詳細地示範本系統中所提供的各項功能之操作與使用方法，透過本系統 操作流程之說明與使用方式之介紹，以展示本系統實作之成果。

1.2.1 模型元件編輯

編輯模型元件時，首先需點選欲修改之模型元件，選取後於視窗中會出現該模 型元件之預覽以及元件資訊，點擊「編輯」按鈕後系統會開啟「元件編輯」視窗，

使用者可於此視窗之「編碼模式」頁籤修改模型元件之 XML 編碼，或至「資訊」

頁籤修改元件資訊，完成修正後點選「儲存」按鈕後完成編輯模型元件之步驟，流 程如圖 6 所示。

圖 6. 編輯模型元件 1.2.2 模型元件刪除

需刪除模型元件時，使用者首先於列表中點選欲刪除之模型元件，再點選「刪

除」按鈕，此時系統會出現確認對話窗，若使用者於按下「是」按鈕後，則此模型 元件會立即被系統由模型元件庫中刪除。此步驟流程如圖 7 所示。

圖 7. 編輯模型元件 1.2.3 元件類別新增、編輯與刪除

本節介紹元件類別之管理方式，首先是新增元件類別之步驟說明。在開啟本系 統後，點選「資料庫管理」功能表(Menu)上之「類別管理」項目，則系統會開啟「類 別管理」視窗，於此視窗中工具列上點擊「新增」按鈕，即會出現「類別編輯」視 窗，以讓使用者輸入元件類別之名稱與說明，鍵入資料後點擊「確定」按鈕，就完 成了元件類別新增之步驟。此流程如圖 8 所示。

而元件類別之編輯方式與其新增之方式相似，首先於列表中選擇欲修改之元件 類別後，點選「編輯」按鈕，則系統會開啟「類別編輯」視窗，於修改類別資料完 成後再點擊「確定」按鈕，系統就會將此次編輯儲存，完成類別編輯之步驟。元件 編輯之流程如圖 9 所示。

圖 8. 新增元件類別

圖 9. 編輯元件類別

使用者可於「類別管理」視窗中的元件類別列表上點選想刪除之類別，再點擊

「刪除」按鈕，此時系統會出現確認視窗，於確定後系統會將此類別由資料庫中刪 除，完成元件類別之刪除步驟，如圖 10 所示。

圖 10. 刪除元件類別 1.2.4 模型建置

進入系統畫面後，可先點選「場景設定」頁籤以設定場景的天空顏色、地面顏 色等等屬性，於按「確定」按鈕後系統會將場景改變為使用者所設定之樣式，並自 動切回「三維模式」頁籤，讓使用者開始建置模型。模型建置第一步驟為搜尋模型 元件，在搜尋模型元件時，使用者可選擇以「名稱」、「說明」、「作者」作為搜尋目 標，亦可三者皆是搜尋之目標，再輸入關鍵字，與選擇欲搜尋之元件類別，按「搜 尋」按鈕送出指令後，系統會於搜尋完成時，將結果呈現於列表清單上，使用者可 以對其中任一模型元件點選，觀看該模型元件之預覽圖。此流程如圖 11 所示。

圖 11. 場景設定與模型元件搜尋

找到使用者想要的模型元件後，對其點擊滑鼠左鍵兩下即可加入場景之中，並 可於「屬性」視窗中對該加入之模型元件修改適當屬性，使用者可以在右邊的列表 中觀看已加入場景中的模型元件清單，並可做簡單的管理功能，例如將其中加入錯 誤之模型元件刪除。完成後儲存為 XML 檔案即完成模型建置之步驟，其流程如圖 12 所示。

圖 12. 整體模型建置 1.2.5 場景環境設定

於場景設定中，使用者不只可以設定天空顏色或地面顏色，還可以設定場景之 光源，於「場景設定」頁籤中，點選光源設定項目上的「變更」按鈕，就會出現「光 源」視窗讓使用者調整光源，設定完畢後，可返回模型場景觀看，即可發現場景中 的光源就會有相對應之改變，此流程如圖 13 所示。

圖 13. 場景光源設定 1.2.6 場景操作

於模型建置時，本系統提供簡單的場景視點操作功能，讓使用者可透過下方工 具列提供之按鈕，切換不同之視點觀看以模型，如自由視點、前視點、側視點等，

使用者亦可透過滑鼠或鍵盤控制來移動視點位置，如圖 14 所示。

圖 14. 視點類型 1.2.7 模型檔案匯出

完成模型建置後，使用者可以有將模型儲存為 XML 檔案格式以外之選擇，系統 於「匯出」選單提供「VRML」與「圖片」兩種匯出方式，讓使用者可將模型存為 VRML 檔案，會是直接儲存為圖片，其步驟如圖 15 所示。

圖 15. 模型檔案轉換

2 導入營建 BIM 模型元件庫之網路即時協同之 BIM 模型同步建構暨設計整合模式 由於跨領域團隊合作所完成的營建專案 BIM 模型建模，不同領域的設計所需維 護與處理的設計參數並不完全相同，雖某些設計參數可由某團隊依其專業決定，但 許多參數需要一個以上的團隊協調訂定之。由於不同領域的設計團隊通常於不同的 地點工作，故協同的方式多半是各團隊分頭進行各自的設計再嘗試予以整合，此設 計整合的模式不但同時需統整的設計參數繁多，且同時尚需對於具有衝突之設計參 數作協調與修改，但許多設計參數具有設計上的相依性，實為難以有效率且完善處 理的工作。因此，針對營建專案的跨領域團隊之 BIM 模型設計協同作業，主持人已 針對營建專案 BIM 模型跨領域團隊協同合作設計方面，研究發展出一套網路即時協 同之 BIM 模型同步建構暨設計整合模式，並研擬出混合主從式架構與同儕式網路架 構及建立一個整合各領域設計資訊的營建專案設計系統。在此網路即時合作的 BIM 模型建模模式下，是基於跨領域團隊共同建立單一的 BIM 模型之協同合作設計模式 之概念，讓跨領域團隊於虛擬的空間中，各自均基於其專業分工所負責之設計建模 工作，使得此模型之元件包含各領域相關之設計參數。而本研究將營建 BIM 模型元 件庫導入此同步建構暨設計整合模式，其概念如圖 16 所示。協同合作設計系統透過

網路連接網路式 BIM 模型元件庫，BIM 模型皆由網路式 BIM 模型元件庫所提供之 元件所構成，使得此模型之元件模組化及元件已預設包含各領域相關之設計參數，

也可依照該專案之特性，針對其設計參數之必要性作增刪之處理。而跨領域團隊則 是透過網路連線達到同步即時的三維場景呈現視窗，讓跨領域的設計團隊成員能透 過使用其而虛擬地同時連線於一共同的設計空間，並在此共同的虛擬設計空間中以 即時分工並整合的合作方式，於其中建構發展出所欲完成的專案之 BIM 模型與相關 場景，以共同完成單一個 BIM 模型的方式達到設計參數的整合與一致，此 BIM 模 型基本上是以 3D 電腦視覺化方式呈現，其構成資訊或參數是依其相關性整合儲存 於單一專案資料庫中，可進一步依需求以各種不同領域的表現方式視覺化呈現，不 同領域的設計者可於此系統平台上有效率地整合設計資訊，並透過系統介面之輔助 合作協調溝通以共同完成此 BIM 模型的模式達成設計整合，最終調整出一個能完全 代表或模擬實際設計物的 BIM 模型。

BIM

&

Internet

BIM

圖 16. 跨領域團隊透過網路共同建構單一的 BIM 模型之協同合作模式

此一網路即時合作的 BIM 模型建模模式下，是基於跨領域團隊共同建立單一的 BIM 模型之協同合作設計模式之概念，是讓跨領域團隊於虛擬的空間中，各自均基 於其專業分工所負責的設計建模工作，並透過網路存取模型元件庫選用適當的 BIM 模型元件加入共同的虛擬場景內與其他領域團隊所負責的部分整合，彼此分工、合 作與協調，於設定場景內不斷建構發展中之 BIM 模型需其負責決定的屬性參數之工 作模式所協力完成，最終調整出一個最後能完全代表或模擬實際設計物的 BIM 模 型，設計上如有任何的衝突或不合，可由系統偵測並於 BIM 模型上呈現，並經協調 後排除，此一協同設計的過程有如於虛擬的空間中模擬完成設計物的建造，由於設

計上的衝突均以於此虛擬建造的過程中被發現並排除，未來的施工即是單純地將此 虛擬的 BIM 模型實現。

本平台之系統運作將基於「線上即時」的同步協同建模模式，即在所有連線於 此平台的工作主機上，均提供一個同步即時之 3D 的視窗介面，呈現共享之虛擬設 計工作空間，所有連線的使用者可共同的於此視窗中的虛擬空間進行設計工作，並 即時的看見所有連線成員工作的進展，透過此系統所提供的線上即時通訊工具，可 用以溝通協調整合出所共同建立之 BIM 模型，使用者可於任意選擇的視點，從不同 的角度與距離檢視 BIM 模型之發展與更新，使用者如欲對使用連線的工作主機對共 同的 BIM 模型做操作修改，則須將由 BIM 模型元件使用權限管理機制來控制。至 於基於同儕式的網路架構所彼此連線的同領域團隊成員，則基於同儕式架構的原 則，彼此間並沒有主從之分，所有同領域團隊成員同時均具有相同的權限，以同步 即時分工合作之方式，平行化的同時工作，對共同建立的 BIM 模型新增設計物件或 屬性資料，並基於對物件上鎖解鎖(lock-based)的工作機制下，對於具有權限的物件 或屬性，進行修改或審核其他團隊成員的修改請求。

2.1 系統功能運作機制

要實現上述之網路即時合作的 BIM 模型協同合作建模平台，本研究提出方案滿 足以下的系統需求：

2.1.1 子模型(Sub-model)

營建工程專案之 BIM 模型通常由一些基礎建築構件所組合而成，如：柱、樑、

牆、版，其屬於兩層式架構。本研究為了提升營建工程基於網路式跨領域協同合作 設計 BIM 模型之建構流程的效率與資料傳輸的速度，在元件與 BIM 模型之間加入 子模型階層，因此本研究之 BIM 模型架構為三層式架構，第一層為元件，第二層為 子模型，第三層為模型，如圖 17 所示。第一層之元件為一般的建築構件，例如：柱、

樑、牆、版；第二階層之子模型為由元件所建構出的建築單元空間，例如：房間、

樓層等；第三階層為全部子模型之集合而所建構形成的整體 BIM 模型。

圖 17. BIM 模型之子模型(sub-model)架構

營建工程之專案主要屬於跨領域團隊協同合作設計的工作，故會有不同領域的 專業人員參與專案之整體及細部的設計。在整個規劃設計流程中，跨領域的專業人 員依據專案之設計的要求與規範，憑藉所屬領域的專業知識來協同設計及建構所代 表的 BIM 模型，故專案之 BIM 模型彙集各個領域之專業的設計屬性與參數。在網 路式營建工程跨領域協同合作設計的流程中，跨領域團隊之間會頻繁地相互交換 BIM 模型資料，而 BIM 模型能詳實地記載許多大量之各領域的設計資訊，因此一個 營建專案的 BIM 模型之資料量為非常龐大，如果以整體模型為基礎作為網路傳輸的 單位時，會因大量的資料而造成網路傳輸較重之負擔以導致資料同步的遲緩；再者，

各領域團隊於營建專案設計時，一般會花費較多的時間琢磨於整體模型中之某個建 築單元的設計上。因此，本研究提出位於元件與整體模型之間的子模型階層，將 BIM 模型切割成數個子模型，可減低 BIM 模型於設計流程之資料交換量；而某個領域團 隊所欲設計之 BIM 模型不用一定需等到位於上階段團隊完成全部所屬之設計後才能 交付，如上個階段團隊已經完成某些子模型之設計時，可將這些子模型先行交付給 下個階段的團隊來設計，以提升網路式營建工程跨領域協同合作設計的效率。

本研究所提出之網路式營建工程跨領域協同合作設計的模式與原型系統的 BIM 模型建構模式是基於此三層式架構，可由系統介面選取欲建構的元件，進而將這些 元件組合成為子模型，數個子模型集合而成為整體 BIM 模型，未處於正在編輯之子 模型會以透明色表示。當各領域團隊間需做大量模型資料之網路傳輸是以子模型為 單位透過各領域之代表伺服器與中央伺服器相互交換，作為傳遞之媒介。此外，本 研究規劃 BIM 模型三層式架構之控制規則如下：

(1) 建築元件同一時間必須只能隸屬某一個子模型。

(2) 建築元件可依據各領域團隊的任一台工作主機之需求轉變該團隊擁有權限之任 一所屬的子模型。

(3) 各領域團隊的任一台工作主機可依據需求將所指定的建築元件定義歸納成為新 的子模型。

(4) 各領域團隊的任一台工作主機於編輯模型時，必須先選擇欲編修且擁有權限的 子模型。

(5) 各領域團隊之代表工作主機做 BIM 模型之權限轉移時，可選擇以子模型為單位 做轉移。

(6) 系統介面會以實體顏色顯示正在編修的子模型，而處於未編修狀態的子模型會

以透明顏色顯示。

2.1.2 上線機制

在跨領域團隊之主從式網路架構下，建構 BIM 模型需仰賴多個領域的團隊來參 與，各個團隊於使用本設計系統前，當團隊內無代表工作主機時，第一台上線之電 腦則為團隊之代表工作主機，其必須先憑藉所屬團隊的帳號與密碼透過中央資料伺 服器的驗證來登入，以識別為何種團隊上線操控使用系統來參與設計與建模，並接 受中央資料伺服器所傳遞之相關所屬專案的 BIM 模型資料，且可讓中央資料伺服器 規範該團隊是否可修改目前的 BIM 模型元件，以保持使用操控 BIM 模型元件的唯 一性及確保 BIM 模型於各團隊之間的一致性。在同領域團隊之同儕式網路架構下，

各個團隊均有屬於代表之工作主機，該工作主機為團隊內使用者間連線之根部 (Root)，因此各個使用者之間相互連線建構出同儕式網路架構，而於此架構之精神 下，任一使用者均需能隨時加入或退出團隊，各個使用者如欲上線加入團隊參與設 計工作，除了直接輸入網路位址與通訊埠指定連線對象外，系統還能夠以適用於區 域網路之 IP 群播方式搜尋並提供目前連線團隊中所有有開啟伺服端功能之節點清 單，使用者可任選其一，並連線於其下，使得與其他使用者連線方式變得更加方便。

其團隊代表工作主機與團隊內使用者登入連線機制，如圖 18 所示。當 A 團隊之代 表工作主機登入中央資料伺服器並完成團隊身份認證後，隨即接收到中央資料伺服 器所傳遞之 BIM 模型資料，如 A 團隊為目前負責設計階段之團隊，BIM 模型之表 現會均以所屬的顏色顯示；而 A 團隊內有其他工作主機欲加入協同設計，因已有代 表工作主機之存在，故此新加入之工作主機便可依循著同儕式架構與該代表工作主 機連線，以獲得 BIM 模型資料。如 B 團隊之代表工作主機同時間地登入中央資料伺 服器，因目前的設計階段非該團隊所負責，則 BIM 模型會以灰色且透明的方式來表 示，以識別該團隊之成員是否擁有編輯修改 BIM 模型之權限。

圖 18. 使用者上線機制 2.1.3 資料同步機制

網路合作式設計主要是針對大型的設計問題，故需儲存與管理由各領域團隊間 或同領域團隊內各個使用者間所產生的 BIM 模型設計與溝通資料，針對此一需求，

需研擬於分散式的架構下有效的資料儲存管理模式。在資料管理方面，跨領域團隊 協同設計主要分為團隊間與團隊內使用者間兩個部份，對於團隊間採用主從式網路 架構，主要由中央資料伺服器提供各領域團隊一個可透過網際網路存取的資料交換 與管理中心，以掌控各領域團隊所設計產生的 BIM 模型資料，對於團隊內使用者間 採用同儕式網路架構，其中並無中央資料庫伺服器，設計資料是經網路交換而分存 於各節點上，然而設計模型資料卻必須一致，故另需研擬維持各連線節點資料一致 性之機制。

在資料儲存形式方面，設計資料皆以字串之方式傳輸及存取，除了方便系統之 管理外，各種型態之資料也能夠與字串做轉換，惟字串所佔容量較大，使傳輸效率 降低。使用者與合作設計之模型構成元件，均含有獨立之編號(ID)以判斷其身分，

模型元件之編號方式為建立模型之使用者編號加上流水號，此一設計將所產生模型 元件編號不會與其他使用者所產生的模型元件編號相同。

在資料一致性方面，各個模型元件資料之使用權限同一時間均只屬於單一團隊 所擁有，其餘團隊無法對該元件編輯或修改其相關屬性與多領域設計參數，藉此以 保持模型元件資料於團隊之間的一致性。團隊內的代表工作主機可集中管理設計資 料，將最新的設計資料傳送至所需之各個使用者節點，以便於群組成員相互討論。

而團隊內使用者對於模型元件資料的交換，因所有連線之節點需要儲存相同的設計

模型以看見相同之設計模型，因此使用者在設計模型時，必須不斷傳遞其所新增及 修改之模型元件資料給其他節點，以維持資料之一致性，如圖 19(a)所示。使用穩定 之 TCP 傳輸方式可避免傳輸資料錯誤或遺失，任何連線出問題之節點需退出團隊再 重新加入。新加入節點與其他節點在連線前，會預先清除其所有資料以防止有私有 設計資料而造成與其他節點資料不一致；新節點連線後隨即由其所連線上之節點接 收所有現有線上設計資料，使之與其他節點資料一致。 在跨領域團隊間，當擁有權 限團隊所負責設計的 BIM 模型資料更新時，其所屬之代表工作主機會把此最新的 BIM 模型資料上傳更新至中央資料伺服器，使得其他團隊之代表工作主機可即時地 獲得最新的 BIM 模型設計資料，如圖 19(b)所示。

(a)

(b)

圖 19. 資料同步機制 2.1.4 資料存取管理

在跨領域團隊協同即時線上合作設計的環境下，因資料一致性之需求，應避免

多個團隊或多位使用者同時針對同一模型元件進行編輯，故需建立各模型元件之相 關使用權限規則以管理模型元件。而其模型元件的使用權限管理分為兩部份，分別 是跨領域團隊與團隊間權限管理與同領域團隊內使用者間權限管理。於跨領域團隊 間，BIM 模型之子模型的使用權限由中央資料伺服器作管理與控制，其 BIM 模型所 包含各類子模型之使用權限於同時只能被某一團隊所擁有，只有該團隊內成員才能 編輯與修改此子模型及其內所包含之元件，其餘非擁有該子模型使用權限的團隊成 員皆無法編輯與修改，只能觀看，如圖 20(a)所示。

而同領域團隊內使用者之間，各種模型元件之使用權限的管理，則依據模型元 件上鎖解鎖(lock-based)的工作機制下，對於具有權限的模型元件或屬性，進行修改。

當使用者欲使用某模型元件時，取得模型元件使用權之方式如圖 20(b)所示，當 Peer1 欲取得模型元件 A 之使用權，系統先檢查模型元件 A 之使用權是否已被其他使用者 所擁有，若無其他使用者使用則將其使用權擁有者設為自己(Peer1)，接者沿樹狀連 線路徑傳送取得使用權訊息給其他節點，而其他節點接收訊息後即設定該模型元件 之擁有者為 Peer1。當某模型元件之擁有者非使用者時介面上標示為不可選取，即使 點選亦無法取得該模型元件之使用權，直到其使用權被擁有者釋放，例如 Peer2 在 模型元件 A 之使用權被 Peer1 取得後即無法取得模型元件 A 之使用權。

當某模型元件尚未完成其使用權歸屬，而有多位使用者同時欲取得其使用權並 傳送模型元件使用權給其他節點時，其他節點會先後收到欲取得使用權之節點們的 取得模型元件使用權訊息而發生使用權歸屬不明的問題，本系統對於此問題之處理 機制為使用者於取得某模型元件使用權後，若有收到其他使用者對此模型元件之取 得使用權訊息，即表示同時要求使用權的情形發生，此時系統會在本機上將此模型 元件之使用權釋放並送出釋放使用權訊息給其他節點，接者出現警示對話框以告知 使用者欲取得此模型元件使用權時與其他使用者相衝突；若使用者於取得模型元件 使用權並已修改其狀態後才收到其他使用者對此模型元件之取得使用權訊息時，則 在釋放使用權時維持其變更後之狀態，但不要求其他節點改變其模型元件的狀態 。 此種作法可使欲取得使用權之節點們在使用權衝突後可經彼此討論後決定要使用何 者之模型元件更改結果，而由其取得使用權，即由欲對其變更之使用者共同決定對 其做一致性的變更。

對於使用者在取得模型元件之使用權後，因中斷連線而造成其他使用者無法解 除該模型元件使用權之問題，在團隊內組成設計群組之最上層根部使用者(root)可於

本系統之命令列中輸入“no owner＂指令以解除所有使用者對所有模型元件之使用 權。

(a)

(b)

圖 20. 資料存取管理機制

2.1.5 資料傳遞與溝通協定

跨領域與同領域之間的網路式即時協同合作設計的環境，團隊和團隊之間或團 隊內使用者之間需頻繁地透過網路交換 BIM 模型設計資料，因此不論是中央資料伺 服器、各團隊之代表工作主機或團隊內之各個使用者節點會在同一時間接收並處理 不同來源之資料。因此，本研究所提之系統對於不同來源資料之接收與處理方式採 用多執行緒(multithread)的方式處理，中央資料伺服器、各團隊之代表工作主機與各 個使用者節點之間可同時接收不同來源之資料並分別處理，且不同的處理程序並不 會被彼此影響。Java 程式語言包含了多執行緒之能力，可建立同時運行的多重執行 緒且每個執行緒與其他另一個連線節點有一連結以提供資料之傳輸與溝通，其傳遞 機制如圖 21 所示。在跨領域團隊間，各模型元件資料的傳遞皆由中央資料伺服器統 一管理，各領域團隊內皆有一台隨時保持上線之代表工作主機，負責傳送即時的模 型資料給予中央資料伺服器與接受中央資料伺服器所傳遞之最新的模型資料。在同 領域團隊內依據同儕式之連線架構，各節點透過網路與其他使用者連線的方式，是 使用應用層群播網路(Application Level Multicast, ALM)之技術。在應用層群播網路 中，資料是透過位於同一群播群組中，各個節點與節點之間的單播連線所形成之樹 狀結構的疊加網路來傳送，用以提升溝通傳遞之效率。

圖 21. 資料傳遞機制

2.1.6 版本管理

本研究所提出 BIM 模型版本管理之功能與機制，可有效地管理跨領域團隊協同 設計之 BIM 的設計資料，並提升跨領域團隊間設計資料之協調與溝通的效率及建立 資料的可回復性。使得每個領域的團隊當完成所負責之部份或全部的設計工作後，

在交付給下一階段的設計團隊時，中央伺服器會自動儲存保留一份所交付之子模型 的檔案，因此，會有多個分屬不同設計階段之各個領域的子模型設計檔案備份於中 央伺服器中，以供日後子模型版本回復之需求。而在設計流程中，當現階段負責設 計的團隊針對目前所設計的子模型做設計上的修改，而此修改卻與上層階段之領域 團隊所設計的參數或資訊相衝突，此時該團隊可選擇上層階段之團隊於中央伺服器 內所備份之任一相對應的子模型檔案予以回復，以便於跨領域團隊對此設計參數或 資訊之相衝突處做一協調與溝通，提升協同設計之效率。

2.1.7 網路連線機制

在混合主從與同儕式網路架構之下，中央資料伺服器會於一定的時間隨時與各 領域團隊代表之工作主機溝通連線，將工作主機內的設計檔案資料更新至最新版 本。代表工作主機也會於固定的時間會將 BIM 模型資料上傳至中央資料伺服器以更 新專案設計資料，隨後中央資料伺服器將此 BIM 模型資料廣播傳送給其他團隊之代 表工作主機。因此各個領域團隊內需時常保持一台隨時上線(always on-line)代表工作 主機，來負責與中央資料伺服器溝通、接受與傳送模型資料，如現階段所負責設計 之領域的代表工作主機突然離線時，其所屬領域團隊內需有其他工作主機隨時頂替 成為代表工作主機，如圖 22(a)所示。至於同領域團隊內某上線節點者欲離線時，連 線於其下節點修復連線之機制，如圖 22(b)所示，本系統採用先改向欲離線節點目前 所連線之上層節點連線，若無上層節點時，則由使用名單中排列順序較前之同層節 點成為新連線根部節點，改向其連線的模式，當遇到完全無法修復連線之情況時，

此節點則是以單機的模式運作，模型資料並不會遺失。

(a)

(b)

圖 22. 連線回復機制 2.2 系統實作

本計畫所提出之系統平台主要整合了 CAD、網路通訊與 Web 連接三個主要程式 的功能，而系統架構為四階層架構，如圖 23 所示。主要第一層為登入驗證團隊身份 之 LoginWebCADSystem；第二層為可切換系統介面風格之 WebCadSystem；第三層 為掌管全系統之檔案輸入輸出及網路連線權力之 CadSystem；第四層為負責三維繪 圖視窗之 CadFrame、會議視窗之 CommunicateFrame、及網路連線狀態與資料傳輸 之 WebSystem 模組。而 CadFrame 所包含的 CADJPanel 物件與各項子模型與建築元 件的物件，為三維繪圖系統環境之核心，其掌握所有三維模型輸入及輸出之權力，

與團隊間使用各項模型元件之權限控管機制。

圖 23. 系統主要類別與使用者介面圖

3 導入營建 BIM 模型元件庫之無線感測定位技術之施工現地即時監控模式

工程在施工階段管理者需即時掌握工程進度與現場安全，一般工地即時監控管 理的方式多是由巡檢人員項寫檢核表單之人為記錄方式，此監控模式之結果呈現偏

向報表數據化，且對於管理者而言即時處理的效果較不具體直觀，另有模式是使用 攝影機做即時影像監控，但攝影影像受限於固定拍攝角度且影像與管理者之互動性 較不足，無法提供數據之回饋。近年來無線感測定位技術於工程上之應用與研究與 日俱增，例如 RFID 技術於施工管理上已被應用於工地門禁管理與現地材料的管控，

其具有無線傳輸能力與標籤獨立性，配合資料庫可資訊化即時管控工地現況，而 GPS 定位技術已可即時反應機具於現地的動態行為。此外無線感測定位技術雖能即時反 應工程現地的感測數據資料給管理者，但資料的呈現多採報表式或平面地圖式等的 數據陳列方式，資料具體視覺化的程度較不足，管理者較不易基於數據直觀地理解 並掌握現地的即時情境與狀況。因此，主持人已針對營建工程專案在施工階段管理 者需即時掌握工程進度與現場安全，研究發展出一套整合營建專案 BIM 模型與感測 定位技術之施工現地即時監控模式，將即時感測的工地現況以 BIM 模型建置之虛擬 實境呈現，此一模式即可讓管理者能具體直觀地了解與同時掌握工地的即時影像和 數據，以及實際施工歷程，管理者亦可透過對即時虛擬場景的監控對工地之現況做 直觀的了解而能於管理決策上做快速的反應而提高即時監控之效益。

故為了擴充 BIM 系統功能，本研究將營建 BIM 模型元件庫與現地感測定位資料 庫結合，以網路式 BIM 模型元件庫為基礎，於工程施工階段加入無線感測定位技術，

即時感測工地資訊，將利用設計階段建置好的元件，如機具、物料等，配合現場實 際的資訊與位置，讓管理者能動態且精確的在施工過程中，即時查詢與管控現場資 訊，並在 BIM 模型的環境中更能達到身歷其境與視覺化之效果。然而，近年來 E 化 系統已普遍使用在工程專案上，但與管理者的互動性較不足，有鑑於此，若能將數 位化系統與管理者的互動性提昇，配合現地感測技術可了解工程施工現況與進度。

本研究將現有資訊技術整合，應用現地感測 RFID 與 GPS 兩種定位技術，擴充網路 式 BIM 模型元件庫之功能，利用模型元件庫達成三維感測場景之實現，二者結合的 方式是將工地中各項配置有感測標籤之元件，於現地感測到時基於其標籤 ID 自模型 元件庫中選用與其預先關連好的 BIM 模型，再基於其所感應定位的位置將其 BIM 模型顯示於虛擬的現地場景中，使用者即可利用系統進行監控，使現地資料與 BIM 模型結合。讓管理者在高互動性與視覺化的系統介面環境下猶如身歷其境之方式，

即時動態管控工程施工階段的進度與安全，以不同角度觀看工地，也能自由的遊走 在虛擬場景中，並依資料庫的特性，場景中可點選模型元件查詢所代表對應現地元 件的資訊，利用 RFID 辨識及定位的功能，掌握工地人員的安全性，若是在危險區

域系統會出現警示訊息以達到施工安全維護，並利用加入時間軸之方式，轉變為 4D 的模式呈現施工過程即時動態訊息與工地現況，管理者可對時間軸做進度控制查 詢，配合施工過程感測定位的控制，可將現地進度與專案規劃設計之 BIM 模型建物 做比對，達到即時管控進度並管理人員、物料、機具等財產設備，使管理者能同時 掌握視覺化、即時進度與安全的管控。本研究整合元件庫與無線感測定位技術之整 體概念如圖 24 所示。

BIM

RFID Reader

RFID Tag GPS

BIM ifcXML

圖 24. 整合營建 BIM 模型元件庫與現地感測定位技術之施工即時監控模式 本研究所提出之整合模式是以網路式 BIM 模型元件庫為基礎，配合現地感測所 提供的 RFID 標籤與 GPS 接收器，作為各元件在現地的定位與虛擬場景三維視覺化 的實現，系統最後需能達到進度與安全管控之目的，首先必須將現地的元件與元件 資料庫模型作連結，如此才可模擬現地元件的定位位置，而對於整體工地的即時感 測紀錄即可由系統平台基於各監測單元與模型元件之連結與專案的設計 BIM 模型，

即時繪製出工地現況的場景模型。且無線感測裝置也是模擬管控重要的部分，因此 對於無線感測設備亦需提供管理的介面，在各個專案工程下均能夠新增、修改或刪 除無線感測裝置，且必須依照感測設備之不同，各自對應其所屬的感測資料、定位 模式與設定方法。對於無線感測定位的資料，系統必須即時且正確讀取，無論感測 裝置為何，資料均能夠以對應的定位方式表現出來，且將感測資料對應元件庫之模 型載入顯示於系統，並依使用者需求將感測資料保存於資料庫中。為了提供使用者 即時管控的環境，系統須有良好的管控介面，讓使用者能完全利用模型元件得知現

地資訊，模型元件應能在不同角度與視點下點選，並顯示其相關資料，且對應即時 感測資料，顯示元件於現地之定位，針對不同安全管制觸發條件，依安全疑慮危險 程度，設定不同等級警示訊號，達到危險告知之目的。在建物方面必須能依現場施 工進度即時模擬，依使用者需求可於不同時間點儲存即時監控狀況，並可將進度與 專案規劃設計之 BIM 模型做比對，達到進度管控之目的。

3.1 系統功能運作機制

要實現上述之整合營建專案 BIM 模型與感測定位技術之施工現地即時監控模 式，本研究提出方案滿足以下的系統需求：

3.1.1 現地無線感測定位技術與模式

系統對應現地監測方面必須選擇感測定位技術與定義感測模式，現地感測定位 資訊可提供受測物件於工程現地中實際之定位座標與相對位置，將結果呈現於三維 視覺化模擬時更能真實反應現場之空間資訊。本研究選擇整合 RFID 與 GPS 技術做 為現地感測定位資料的來源，並以統一的感測座標格式定義三維視覺化的虛擬工地 場景，以下各小節進一步說明監測時所需的感測定位資訊、監測設備技術之定位機 制與系統所需之感測定位運作模式。

3.1.1.1 RFID

本系統在 RFID 定位為基於「區域式」的感測模式，讀取器可於其讀取範圍內以 區域定位的方式讀取感測標籤，其所建置之 RFID 天線裝置框架是由 RFID 讀取器和 四個圓形極化天線所組成，每一面向最遠讀取距離約為 4 至 5 公尺，以讀取器為中 心讀取範圍，本研究將其理想化近似為圓形，故本研究所採之「區域式」RFID 定位 不預計太精確的定位結果而只求得知標籤所在的區域範圍，故本系統採被動式的感 測方式且將 Reader 讀取區近似模擬成方型區域，並依天線框架所在位置為基準中心 將感測到之標籤物件定位在區塊範圍內，此一定位模擬如圖 25 所示。

圖 25. RFID Reader 天線框架讀取範圍模擬