TEKLA Structures 於建築材料數量計算的新應用

前言

過往在與廠商進行發包前的數量澄清作業是透過大量的紙本計算進行檢核，既耗時且沒有標準，往往因計算的方法或基準的不同，造成數量差距。

為了提升數量澄清的效率及精準度，嚐試導入BIM〈Building Information Modeling, 建築資訊模型）技術，建立3D虛擬實境平台，自動產生材料數量清單，用以替代以往的人工紙本計算，解決此耗時繁雜的作業流程。

目前新廠專案的3D繪圖軟體是採用Crystal 5D系統^（註一），目前並沒有應用軟體可以直接架構在5D系統用來計算建築材料數量，所以必需再找尋替代方案。目前業界對於建築BIM的應用，主要使用的軟體為 Revit Structure及TEKLA Structures兩大陣營。透過業界經驗分享及主要軟體比較後，TEKLA Structures (以下簡稱TEKLA)具備下列優勢，故雀屏中選。

• 鋼構資料庫發展完善，在業界有大量應用實績。
• 鋼筋的建立較容易，亦可依照實際尺寸、大小、位置建置，自行制定不同鋼筋標準資料，可符合規範需求。
• 檔案格式小(約為REVIT STRUCTURE檔案之1/10）易操作。依過往經驗，設計作業所需模型大小，FAB最少約150萬~200萬根鋼筋規模，TEKLA是目前市場上唯一可負荷並搭配個人電腦作業之軟體。
• 具備API（Application Programming Interface，應用程式介面)，也就是TEKLA內部所有核心功能都可特過自訂程式指令對應，提供使用者按自身需要客製化介面處理程式研究開發，大幅提高作業效率。
• 可與現有結構分析軟體STAAD PRO、ETABS、SAP2000結合，充分發揮3D鋼筋及鋼構繪圖優勢。
• 多人多工協同作業，提升工作效率及作業精確性。

開始於十二廠七期新廠建築專案導入TEKLA，目標為能由系統自動產出的鋼筋、模板、混凝土、鋼結構四種主要大宗材料的數量清單，用此作為與廠商進行投標前數量澄清之驗證。本文將著重於本次十二廠七期專案TEKLA執行的作業流程、準則訂定、執行成果進行作業檢討、最後提出對未來執行TEKLA的建議事項。

作業流程

建立TEKLA模型是龐大且複雜的工作。即使是同一套圖說，不同人建置模型仍舊會有所差異。為減少差異且增加執行效率與精度，必須先訂定標準的作業流程。作業流程如圖一所示，其中關鍵在於作業準則訂定、模型建置、成果驗證這三大步驟的持續調整。

作業準則訂定

作業準則訂定所花費的時間是整體流程中最少的一環，但卻會直接影響後續建立模型的效率與正確性，也是協同作業成功必要的項目。本次BIM專案的主要作業準則說明如下：

模型架構

作業前，預估模型內的構件數將超過百萬個，為避免系統效能低落及增加建模效率，除了RC結構及鋼結構的構件特性差異性大，作業模型須分開個別處理外，將系統切分成下列幾個小模型，以便分工及獨立處理：

RC結構模型可分成下列五個模型

• FAB棟LB2基礎版 ~ L10樓板
• FAB棟L10柱牆 ~ L30樓板
• FAB棟L30柱牆 ~ LRF樓板
• FAB棟L30 及L10 WAFFLE及CHEESE樓板
• CUP棟則為單一模型

鋼結構模型則分作

• FAB棟
• CUP棟(含管橋)

構件分類及編碼原則

TEKLA採多工作業方式開啟，可多人同時建模。因此必需事先定義構件分類及編碼原則，讓作業人員按特性分類分工建置，避免互相干涉。同時編碼的方式將直接影響數量計算數量驗證的成果，因此必須先與建築師及廠商溝通比對數量的基準與細緻度，以避免後續增加重新編碼與計算時間。本次建構項目有:

RC構件其建置項目包含

柱、大樑、小樑、樓板/鋼承板、牆、洞洞板(WAFFLE)、二次澆置樓板(TOPPING)、設備基座、基礎板。

鋼構構件其建置項目包含

柱、樑、斜撐及細部(含消能斜撐)、抗風樑柱、椼架(TRUSS)、樓電梯、阻尼器、接合細部。

此外，為有效建立構件資料庫，以方便建模使用，構件的編碼需有統一標準。分類包含：

• 棟別（用戶欄位1）：如FAB、CUP
• 樓層（用戶欄位3）：如LB2, L10
• 構件型式代碼（用戶欄位4）：如 表一
  表一、構件型式代碼

  名稱	代碼	名稱	代碼
  RC柱	RCCOL	鋼柱	SSCOL
  RC大樑	RCGR	鋼大樑	SSGR
  小梁	RCBM	鋼小樑	SSBM
  混凝土樓板	RCSLAB	水平斜撐	HBR
  鋼承樓板	DECK	垂直斜撐	VBR
  隔間牆	PWALL	格柵	GRAT
  擋土牆	RWALL	抗風樑	WGIRT
  剪力牆	SWALL	抗風柱	WPOST
  二次澆置樓板	TPG	桁條	PURLIN
  設備基座	PAD	側向支撐	TICKER
  塊狀基礎	FDN	桁架上弦桿	TOP-CHORD
  版基礎	MAT	桁架下弦桿	BOT-CHORD
  鋪底PC	PC	桁架直桿	VERT-BAR
  		桁架斜桿	DIAG-BAR
  		加勁板	STIFF-PL

另外，包含每一規格的尺寸、材質及單位重量皆須先至系統資料庫建立，如 圖二。在後續建模的成果報表才可顯示其總重量或面積等統計資訊。

構件建置原則

除了構件分類及編碼須統一，建置必須依下列原則辦理：

• 採80/20原則：以影響數量比重較大者優先建置。
• 主架構建置：以AutoCAD DWG檔案為底圖確保位置、尺寸正確。
• 除重大缺漏圖外，圖面有疑義時，依工程專業判斷後執行建模。
• 除上述各項準則外，各項構件建模方式需依照「由左而右，由上到下之原則」及「右手定則」之原則，以減少重複或漏項建置的可能。

模型建置方式

TEKLA模型的建構除了直接手繪方式外，亦可由資料庫找尋適合的物件使用。因此更有利於建置構件重複性高的科技廠房模型建立。TEKLA除了已內建許多常用的建築構件外，亦可讓使用者自行擴增資料庫內容，透過資料庫的累積，可以提升後續專案模型建立的效率與時間。

由於鋼構件的型態多屬桿件，比較容易模組化、制式化，因而TEKLA的鋼構內建接頭功能比RC內建接頭功能相對成熟而完整，如 圖三。TEKLA目前在RC的功能以梁柱構架的應用為主且接頭型式較少，其內建功能以及效率仍不符合需求，因此必須透過應用程式介面處理（Application Programming Interface，以下簡稱API）作為模型建構的橋樑。

TEKLA可相容結構技師所常用的ETABS、SAP 2000、MIDAS結構分析模型，以IFC^（註二）格式透過API的處理，自動化匯入TEKLA軟體中3D視覺模型，進而延伸原結構設計工作之後端作業，以使結構分析及設計作業得以在3D視覺下檢核設計成果，並完成數量計算與設計圖面繪製，提高設計品質及減少人為錯誤，並大幅縮短建模的時間，如 圖四。

以柱與樑的構件為例，標準化建置模型較為容易，採用API 二次開發元件。如 圖五柱鋼筋配置介面及 圖六樑鋼筋配置介面，API提供需要定義的各項參數欄位並可透過IFC交換格式，直接將結構分析模型的參數轉入使用，可以大幅增加建模效率及維持資料一致性，減少人為的錯誤。

另外如基礎及格子版部分，因配筋數量及複雜度高且具重複性，則採用部分TEKLA內建的元件再經由使用者重新定義建立標準元件，如 圖七。而未來在元件使用成熟度高時，亦可開發API輔助建模。

由上述可知，TEKLA建模的方式有使用內建元件、使用者自訂、手動繪製及API匯入。 表二為構件建置的方式比較，1到4為最佳至最差的排序。由此表格可看出內建元件的適用性最差，手動元件的自由度最高，而自定義元件居中。而API 元件自由度高、品質佳、檢核容易，但前期需投資開發API的人員成本及時間，故須於資料累積至一定程度後，始可縮短建模時間。

成果驗證

本次TEKLA數量計算的成果是針對鋼筋、模板、混凝土、鋼結構四種主要材料與廠商及建築師與工程顧問的手算結果進行比較，以驗證系統的準確性。

經過各構件數量加總後，如 表三，TEKLA的計算結果與廠商及建築師提出的數量進行比較，其在鋼結構部分差異約1~3%，而在混凝土方面差距異也控制在2%以內，因此鋼結構與混凝土方面，各家認定的數量較為一致。此與模型構件數量的多寡亦有正相關，而在鋼筋及模板方面，在檢討計算公式、材料耗損及經驗值等差異，其差距依舊維持在約4~5%，此部份仍必須持續研究，找出正確數量計算方法。

而驗證的結果只能代表對於數量認知的差距，須待有實際材料用量的資訊回饋後，才可判定何者才是正確。然而本次作業中，發現TEKLA與傳統方式數量的比較差異，最常發生計算基準不一致。其包含了重疊區域體積是否扣除、細部構件是否建模、模型細緻程度或圖面版次不一致、構件是採淨長或全長計算等問題。因此呼應前述提到在執行TEKLA建模前，訂定統一作業準則及計算基準是最重要的。

作業檢討

人力配置與作業時程

本次TEKLA專案是委託顧問公司進行，其約有9人共費時約3.5個月完成。其實際人員配置如下：

• 計劃管理及介面整合：1位（工程師）
• BIM建模：6位（工程師4位、繪圖員2位）
• 技術支援（API程式開發、自定義元件開發、報表樣板及數量整理、圖面導讀…等）：2位（工程師）

此次選定顧問公司是第一次合作，雖有TEKLA的實績，但對於建築圖面熟悉度不足，花費了許多學習時間，若能將TEKLA的執行提早納入專案執行，則執行效率與成果會更有價值。

因此將此流程提早導入至設計單位作業中成為一個未來執行TEKLA的選項。在結構技師提出結構分析模型時，即由建築師團隊開始BIM作業，主要構件皆可由結構模型自動產出，且不需要重新識別圖面，可大幅加快BIM的作業時間。 圖八為作業時程建議，於發包圖面確認後即同步展開BIM作業，預估可提前1~1.5個月，即可提出數量計算進行數量驗證。

模型的細緻程度 Level of Development, LOD

依據美國建築師協會(American Institute of Architects，簡稱AIA)的定義，本次模型的細緻程度為LOD 400^（註三），以達施工(Construction)圖標準。然而由 表四鋼結構構件數量統計可知，鋼構工程主要構件佔88%，加上抗風樑柱、樓梯及電梯環樑約佔92%。依據本次專案執行經驗，其只佔整體作業約一半的時間，剩餘時間則花在較為耗時的細部構件，其佔比例只有8%。若於作業時程極短的狀況下，此部分改採按固定比例推算，將可大幅降低作業時間及人力需求。

另外，在RC結構體部分，則建議在柱、樑、版、隔間牆、剪力牆、基礎、格子樑版等容易標準化的構件採用TEKLA建模，其餘如擋土牆、混凝土樓梯、二次澆置樓板、設備基座、鋪底PC、雜項等，變化較大且數量佔整體比例微小的部份，可依時程需求，部分採用手算搭配。

結論

傳統方式能夠系統化計算的只有柱與樑，其餘構件仍需仰賴計算，龐大的報表與算式出錯的機會高，也無法配合修改快速進行調整；導入TEKLA模型進行數量的計算及檢驗，除了能強化設計的細緻度外，更有效加速材料數量的檢討與修正，除了加速數量澄清作業，且同時有助於加強廠商對施作範疇的理解。

TEKLA模型除了應用在發包階段，可精準計算發包數量，進而在估算發包成本時，更能精確掌握材料成本、人力施工成本、耗損成本，精準估算工程費用，並藉由TEKLA模型計算的數量作為基礎，增加與廠商議價能力，降低發包成本；未來亦可應用在驗收階段，審查承攬商提出的材料數量是否合理，若施工過程中有進行變更，亦可即時進行模型修正，進行數量與成本反應；而在結算階段，也可藉由竣工圖面修正TEKLA模型，重新匯出數量，進行發包前與實際施作的數量比對，釐清數量差異原因，可回饋給予各個參與者設計內容更改或追加減內容，以建立歷史數量資料庫，供未來規劃設計與成本控管的參考。

由本次執行TEKLA BIM專案可知，不管在精度或效率上，都有機會取代傳統手動計算方式。然而TEKLA學習門檻高，人員訓練也需要較長時間培養，提早讓BIM團隊進入專案，在設計開始即採用BIM方式作業，以有效確保資訊傳遞的一致性、減少圖面判讀與計算基準的誤差，是TEKLA能否成功的關鍵。

附註

• 註一 部分建立機台設備元件時，會先運用到Autodesk 3D Max繪製，再轉匯入至Crystal 5D。另外在建築外觀的討論，規劃部門會與建築師則利用SketchUp進行討論。
• 註二 IFC (Industry Foundation Classes)是IAI (Industry Alliance for Intero-perability)這個機構所提出的一套建築整合標準。一套標準程式將所有資料整合在一起，以便讓各外掛軟體之間可以互相相容與分享。也就是說IFC是一種由ArchiCAD可以自動載入的另一外掛軟體，IFC (工業基礎類)是專門使用在建築工業中的國際標準化物件定義，它是一種共同語言，用來在建築生命週期中不同角色間共用智慧物件。
• 註三 LOD 100乃相當於概念設計(Conceptual Design)圖；LOD 200則相當於初步設計(Preliminary Design)圖；LOD 300可對應到細部設計(Detailed Design)圖；LOD 400則相當於施工(Construction)圖；而LOD 500則相當於竣工(As-built)圖。