建築資訊模型結合新技術應用之發想

前言

近年來，BIM的技術日新月異，應用範圍也日漸廣泛，在營建產業已蔚成一股不可忽視的趨勢，甚至在許多先進國家，其技術已成為競爭力的基本門檻。雖然它具有3D視覺化及完整的空間與物件資訊之優點，但也因為這些優點，使得執行軟體與瀏覽圖形時需要有高規格的軟硬體，方能有效地利用3D模型展示與整合龐大的建築物件資訊。為了降低應用門檻，許多新技術已漸漸被應用於該技術之中，例如應用雲端運算加快模型分析與模擬的速度，以及應用點雲技術將現實空間狀況整合於模型中。然而，若要拓展其應用價值以及普及化，則應用的裝置將會是重要的因素之一，諸多軟體公司已推出許多行動裝置的應用程式，讓使用者可在任何地方透過行動裝置上執行軟體操作與導覽圖形，改善了桌上型電腦的地點限制。在未來的行動裝置科技中，將不再侷限於平板電腦或手機等裝置上，Google公司將科技與穿戴配件合為一體，創造出Google Glass這項移動性方便的未來產品。若利用擴增實境之技術與其相互結合應用，將現實環境與模型進行整合，讓建築模型或資訊呈現至Google Glass上，讓其應用範圍更加廣泛，並走向輕巧與便利性。本文將依序介紹雲端運算及點雲技術在BIM的應用現況，並以Google Glass的特性發想新技術的應用。

雲端運算技術的結合

雲端運算技術近年來發展快速受到廣泛應用，其優點在於使用者無需設置高規格的電腦設備與增加日後的系統維護擴充費用，就可以享受到由雲端業者所提供的伺服器等級服務，大幅提升演算速度及縮短運算時間，此外不受使用人數與地點限制，隨時隨地皆可透過網際網路連線使用，進而達到同步化與資源共享的目標。BIM軟體提供了多元化的應用及分析功能，協助使用者在應用時能夠更擬真，更能貼近真實效果，但這些功能的限制是需要較佳的電腦設備，才夠應付分析模擬時所需的運算量。透過與雲端運算技術的結合，便可加快模型分析與模擬的速度，改善了電腦設備限制問題與分析模擬作業時間的消耗。此外為降低應用門檻，此技術可透過網路連線去取得雲端運算伺服器提供的服務，讓組織內所有的使用者共同進行模型之分析模擬，例如建築室內外之流體力學模擬（如 圖一所示）、建築結構分析（如 圖二所示）、建築環境模擬（如 圖三所示）、建築彩現模擬（如 圖四所示）等，進而研究與探討環境及設計方案，達到即時溝通資源共享的同步作為。另外亦可直接將模型上傳至雲端運算服務網站，待設定數值後網站的伺服器即可進行彩現模擬，可有效率縮短模擬細緻化的3D彩現圖時間。未來運用雲端運算技術的趨勢更加普及化，不僅能提供資訊化的服務，也直接帶動各產業資訊應用型態的變革。

圖一、機場室內空調冷卻系統之流體力學模擬 ^[1]

圖二、建築樓板應力結構分析 ^[2]

圖三、建築環境風場模擬 ^[3]

圖四、BIM雲端彩現服務

點雲與BIM結合應用

點雲(Point Cloud)是三維座標系統中的座標頂點，頂點通常用於表示物件的外部曲面^[4]。點雲資料乃是利用3D雷射掃描儀器，為一種空間三維資訊獲取工具，利用高速雷射測距原理偵測真實世界地物的幾何構造，以及物體表面之反射光譜資訊。其為主動式掃瞄儀器，以雷射光作為訊號源，以每秒數十萬點的測點速度與密度對三維環境掃描，發射脈衝後，訊號接觸目標物表面反射，此時儀器接收反射訊號，以獲得空間資訊及光譜反射等資料^[7]，點雲技術對於目標物之描述在精確度與解析度上均有良好的表現。3D雷射掃描儀器所掃描之資料以點形式記錄，每一點皆包含三維空間座標，甚至可含有色彩資訊或物體反射面強度資料，形成了龐大的點雲資料^[5]。點雲與傳統測繪技術相比，點雲的特點是更快速、更精確、更真實的還原被測物件的原貌（如 圖五所示），為進行後續環節的工作提供準確詳實的資料。

圖五、點雲還原建築物原貌 ^[6]

利用BIM軟體進行建模工作時間冗長且耗費人力，若是建築物在設計前期規劃階段就已經導入，從開始到完工的持續性建模工作一定能夠順利完成，反觀對於既有建築物產生導入建模需求時，因年代久遠會發生許多建築物的2D圖資遺失或是圖資取得不易的情形，因此建模工作將會更加繁瑣困難，必須重新繪製正確的2D圖資方能利用軟體開始建模，這種情形將會更加耗費時間、人力及成本，對於未來既有建築物推動BIM而言將會是一種阻力，但若能有效整合點雲技術加快建模速度，即可節省許多成本與人力，亦可省去建構原有建物或元件的模型步驟，可供使用者做更多的後續分析及應用，例如干涉碰撞分析功能（如 圖六所示），得以增加使用者在多種物件之間產生干擾時的信心^[7]。其做法乃藉由3D雷射掃描建築物的點雲資料作為參考底模，經過點雲逆向工程，對點雲的網格化處理與建立多面體化表面後，進而再生成複雜曲面形體，把需要表達的東西予以組合成為BIM模型。3D雷射掃描系統為建築物重建增添了新觀念，利用雷射掃描獲取空間中之地物相對關係，而高密度的點雲資料可清楚描繪結構特徵，對於建物數位典藏(Digital Archives)、虛擬實境(Virtual Reality)重建，甚至真實空間重建等具有相當參考價值^[8]。

圖六、點雲技術應用於碰撞分析 ^[7]

BIM與Google Glass的應用構思

Google Glass是Google公司的研發項目之一，其開發出用於擴增實境(Augmented Reality, AR)的頭戴式顯示器，夾帶著僅需用聲控方式就可以操控螢幕，並允許使用自然語言與網際網路進行互動，以及輕盈方便攜帶的迷人特性，對於人們從事走行與駕駛活動時將會更加便利，這項產品的上市無疑是希望取代智慧型手機與平板電腦需要用雙手操控螢幕的不方便性。這項科技產品未來勢必造成行動裝置的變革，預計也會改變世人使用行動裝置的習慣[9]。其基本架構是透過裝配半透明稜鏡的微型投影器，將圖像直接投射在配戴者眼前的透明角椎體上，可透過Wi-Fi上網及GPS衛星定位，資訊連結皆藉由Android平台的應用程式(Application, APP)進行應用與溝通，整體結構與原理如 圖七所示^[10]。

圖七、Google Glass運作原理 ^[10]

運用Google Glass結合BIM模型進行雲端應用，使用者可透過眼鏡中AR的特性加以應用。當使用者開啟眼鏡程式中與BIM相關APP後，系統會計算實際攝影鏡頭的位置與角度並進行定位，搭配內部的陀螺儀，可有重力感測的效果，最後再加上相應圖像的技術，由投影器投射出，可將虛擬的建築模型與現實空間相互套疊呈現於眼前，讓使用者從鏡片上清楚看到建築物模型、設施元件與預埋管線位置（如 圖八所示），再加上本身具有導航之功能，只需打開APP進行定位後便可清楚知道目前在建築物中相對位置進而從事建築物導覽。這項概念將有助於使用者在建築工地巡檢，在現場與資料庫模型套疊，即可看出完工時的情形，或是在牆壁中與道路下的複雜管線走向或鋼筋排列方式，在未來有可能成為Google Glass與BIM軟體的功能之一，期望在未來可以相互搭配，激發出更多的火花。

圖八、Google Glass與BIM結合情境圖 ^[11]

結語

數量眾多的模型元件建構出一個完整的BIM模型，而每個元件之中又夾帶著許多的資訊，所累積出的資料庫十分可觀，每當使用軟體進行3D模型瀏覽就會發現有延遲現象，這是因為資料處理量大造成個人電腦運算速度下降所致，而透過上述探討發現，藉由雲端運算技術是最佳解決方案，可充分利用諸多軟體開發商的雲端資源，無須再耗費高額成本進行電腦設備的添購，使用者僅需把要處理的模型資料上傳至雲端運算服務網站之伺服器並加以儲存，日後即可不受時間地點的限制，多人同步運用雲端運算進行各種應用。而透過點雲技術的結合應用，可協助使用者將既有建物與相關設施以3D雷射掃描取得精密點陣的方式建立模型，可省去建構原有建物或元件的模型步驟，大幅縮短建模時間與人力成本，亦可作為電子化數位檔案、虛擬實境與其它的延伸應用。與行動裝置的合作亦是不可或缺的重要工具，但受限於智慧型手機等平板裝置需要使用雙手操作，突顯出方便性與輕巧性不足的問題，而目前已推出的Google Glass這種將智慧行動裝置與眼鏡成功結合巧妙構思，充分利用其輕巧與行動方便的特點，不需使用雙手便能利用聲控模式操作軟體，若是未來能夠透過APP程式開發將雲端運算與BIM三者相互結合達到真正行動化，進而讓瀏覽建築物模型應用更加方便，試想當走行在一座陌生的建築物之中，它可以成為導覽的工具讓您通行無阻，亦可成為設施修繕查修預埋管線與查詢損壞元件相關資訊的利器，這將會非常完美的組合。未來BIM將不斷地隨著技術進步，亦持續發展與創新，透過不斷地修正磨合，發展出最佳之應用模式，方能使它的價值發揮出其最大效益。