建築資訊模型於半導體廠房廠務系統數量計算之應用

前言

良好的成本估算可以協助管理者做好成本管理，而數量計算則是其最耗時也容易出錯的作業，究其原因乃因傳統數量資訊多受限於2D圖說的解析度所致(Sabol, 2008)。近年來藉由BIM模型的協助，數量計算在時效與準確度方面已有明顯的改進，惟其領域多侷限於建築結構相關。興建一座高科技半導體廠房，動輒投資數百億台幣，而其中廠務系統的投資占總建造成本 (不含製程機台設備)的60%左右(Art et al., 1994)，由此可反應出廠務系統的重要性。一座半導體廠房的廠務系統，是由許多性質廻異的子系統所構成，各系統的組成元件眾多，相互間的介面複雜，並牽涉到不同專業的知識與分工，要能建置其BIM模型有相當之困難度。有鑑於此，本研究將透過案例探討的方式，以某新建半導體廠房及其部分廠務系統為實例，展開後續之探討。主要研究的問題在如何建置半導體廠房廠務系統的BIM模型以及如何應用此BIM模型進行數量計算二方面，而研究的目的將聚焦在三個部分：了解如何選擇適當的BIM軟體，做為半導體廠廠務系統模型的建置工具；探討半導體廠房的廠務系統模型建置流程，包括從建立物件資料庫開始到模型建置完成；確認BIM模型應用在數量計算上的準確度。至於本研究之流程，將分為七個步驟：首先確立研究問題、目的與方法，第二是透過文獻回顧了解目前在此相關領域中的研究現況，第三是探討BIM工具的選用，第四則說明如何建立物件資料庫，第五則介紹BIM模型建置的流程，第六以實例驗證模型數量計算之準確度，最後則是提出本研究之結論與建議。

文獻回顧

本研究將以近年來國內幾篇關於建築資訊模型(BIM)案例探討的相關論文，做為本篇文獻回顧的範圍，而主要探討的重點則落在數量計算及成本估算等二方面的應用。

王奇笙(2009)的研究以裝潢工程為範疇，利用某一棟集合住宅做為實證案例，建立裝潢工程元件的建構規則，期能充實多維度建物元件庫，擴大多維度模型(MD Model)的應用範疇。李冠文(2009)的研究在探討BIM模型於機電系統之應用。以成大醫院大樓新建第八層為案例標的，來建置模型及機電元件施工邏輯與屬性架構。陳建佑(2010)的研究在發展BIM模型關於鋼筋數量計算的流程。其建置一核檢流程，以某建築大樓地下樓層部份之鋼筋配置模型為例，實際檢核BIM案例模型，藉以了解目前BIM模型於鋼筋數量之誤差。陳景田(2011)的研究在探討以BIM模型進行鋼筋與混凝土數量的計算。以某一棟12層鋼筋混凝土大樓做為實例，由所建的BIM模型中提取工程數量，並與建設公司的專業估算進行比對，藉以探討BIM工具在工程數量輸出的相關議題。蔡承諺(2012)的研究在補強BIM模型於模板數量計算之不足。其使用Revit API開發出一個BIM-Based之自動計算模板及鋼筋混凝土數量程式，並特別制定了一套模型建置規則以補足其資訊不足的問題。郭宇芬(2012)的研究以一棟鋼筋混凝土大樓為案例，使用美國UNIFORMAT II元件分類法，將所建置的物件加以分類，並連結工料分析與營建物價資料庫(PCCES)，進行工程估價，再與專業估價所得的資料進行比對驗證。

為進一步比較本研究的論點，將上述之討論重點彙整於 表一，由其中可知在專業領域方面，目前研究多集中在土建相關領域，就應用範疇來看，物件的製作是較少討論的項目，另外在使用案例方面，幾乎皆選用一般大樓，而軟體選用上則還沒有人在討論。透過比較可顯示本研究在各方面，皆有其獨特性與必要性。

BIM工具的選用策略

BIM工具的比較

首先針對目前市面上較常見的幾種BIM工具包括Autodesk Revit、Bently OpenPlant、Tekla Structures與AVEVA PDMS等，並與本研究案例已選用的Crystal 5D做個比較，其彙整如 表二所示。

選用BIM工具的考量

要決定使用哪種工具，先要確定三件事：即建模的標的、誰是使用者與使用的目的。就本案來說，建模的標的是一座半導體晶圓廠房，使用者為興建廠房的業主即半導體公司所屬之建廠團隊，而其目的初期是支援建廠設計、工程發包及施工管理等工作，而後期也希望能將此模型的應用延續到營運階段。在此假設以業主的觀點列出選擇時主要的考量點，並分別簡述如下：

具有半導體廠的應用案例。半導體廠房具有其特殊性與專業性，若該工具有相關案例，當是具體指標，因以Revit、OpenPlant以及Crystal應是適合的。

較低的使用門檻。本案業主並非專業的工程公司，因此以能較簡易入手的為優先考量。參考業主主觀判斷，Crystal、Revit以及OpenPlant是較好的選擇。

物件資料庫的建置與維護。需要考量的是程序越簡單越好，限制越少越好，程式相容性越高越好。就此來看，判斷Revit及OpenPlant會是較佳的選擇。

設計整合的時效性。設計半導體廠房，需要整合許多種不同系統。若能即時反應其他相關系統的設計，將可節省等待與重工的作業。Crystal強調即時更新的功能，在此或是較佳的選擇。

廠房生命週期的應用。模型若能繼續應用到營運階段當是更有價值。對本研究案例而言，營運階段包括機台裝機、設施維護及人員訓練等工作，以3D裝機設計為基礎開始發展並擁有互動訓練模組的Crystal當是較佳之選擇。

依據上述考量觀點給予各種工具適當的分數，得到的結果如 表三所示。綜合而言，Revit、OpenPlant及Crystal 5D皆是較適合本研究案例的工具，但若從細項評分來看，Crystal 5D除在第3項是最低分外，其餘各項皆為最高得分，由此可驗證，當初本案業主選擇 Crystal 5D做為建置模型的工具是最佳的決定。

模型建置與數量計算案例探討

工程案例背景

本研究選取某新建之半導體廠房及其中酸鹼性廢氣排放系統做為案例探討標的，此廠房為地下一層地上四層之鋼構與鋼筋混凝土建築，總面積約為120,000平方公尺。本研究將以此廠房之酸鹼性廢氣排放系統做為數量計算之實例，其系統分佈從廠房地下室、1樓、2樓及3樓生產潔淨室，而後連接至屋頂處理設備。

確認物件清單

首先要確認哪些5D物件需要建立，因此從工作分解結構(Work Breakdown Structure，簡稱WBS)切入。 表四是一份簡化的酸鹼性廢氣排放系統WBS，主要將系統劃分為設備、風管工程、風門、加藥系統、電力工程與相關配合工程等6大部分(本研究整理)。

由於風管部分幾已內建在Crystal 5D軟體內，另外加藥系統及電力工程與相關配合工程等在5D模型內皆不易呈現，經本案業主內部討論後決定不建物件及模型，未來在做成本估算時會以比例加乘。

物件資料庫建立

根據業主的經驗，建置一個完整的新建廠房專案的BIM模型，至少需要用到4,000~5,000種物件。由於物件數量龐大，要如何妥善安排與管理物件的製作，便是一件重要且需要仔細思考的事情，但在過往卻很少被提出來討論。

通常業主自行製作是成本可能會最低，但其效率及效益並不一定好。而若委外製作則會有一定比例的費用加乘，但對整體而言卻不一定差。因此要能回答此問題，需要從“有誰可以做”以及“決定誰來做”二方面來進行分析。針對“有誰可以做”部分我們先要列出可以做的人選，其包括：

業主

對本案而言即是出資興建半導體廠的公司，其所屬的建廠專案人員或是其所聘僱的技術人員。業主最了解建模的需求，由其自行製作是最直接的。

系統廠商

即是承包系統的廠商，其對自身系統及相關設備最了解。然不同廠商的繪圖團隊能力有高有低，因此各廠商所製作之物件品質較難控制。

專業工程公司

這類公司對系統及相關設備有一定程度的了解，並熟悉各類BIM工具的使用，且或多或少擁有一批訓練優良的繪圖人員，足以應付所需。

Crystal原廠

為推廣5D軟體，原廠訓練了一批專門製作物件的專業團隊，其最熟悉BIM工具的特性，故委由原廠製作物件也是個可能的選項。

在列出人選後，接著是“決定由誰來做”。以業主的角度來看，這方面主要有5點評估項目，分別敘述如下：

系統專業度

對於系統專業的熟悉程度是首要考量。由於半導體廠房廠務系統組成複雜，其各有不同的專業特性，因此各系統廠商在此項目最具有優勢，其次則是工程顧問公司，而後是業主、Crystal 5D原廠則排在最後。

物件完整度，即建置物件的完善程度。建置團隊要能了解Crystal 5D的特性。由此看來，Crystal 5D原廠在此項目最佔優勢，工程顧問公司以其專業能力應排在第二位，再來是各系統廠商其多擁有專業繪圖團隊，而最後才是業主。

物件檔案大小

製作精巧的3D物件僅佔少數記憶體的空間，反之，製作粗糙的物件可能是十倍甚至是百倍。就此來說，Crystal 5D原廠應是首選，工程顧問公司與各系統廠商則分別排在二、三位，而業主依舊是最後的選擇。

製作時間，它包括委外製作的議價發包、資料收集、判讀與輸入、物件製作以及驗證的時間。整體而言，若由業主自行製作，可省去委外的議價發包時間，因此稍佔優勢，而其餘三者皆需耗時的發包作業，故排在較後的順位。

建置費用

費用的總額應是涵蓋整個製作物件流程所花費的人工小時成本，流程越單純、花費時間越短則成本較低。依經驗來看業主在此項目仍稍佔優勢。其次為系統廠商，原廠與工程顧問公司則排在較後的順位。

在進行評估前，因各評估項目的重要度不同，本研究考量案例業主自身的需求與狀況，決定給予不同的權重比例，其中1、2、3項給予25%，第4項為15%，第5項為10%。對本案例業主來說，製作完善的物件所帶來的效益應遠大於所花的費用，至於時間則能以提早開始來克服。

確認權重後即依各項目之討論進行評分，評估的結果如 表五所示，其中原值部分為原始評分，以10分為最高1分為最低，而權值部分為加權後之分數。從原始分數來看，Crystal原廠和系統廠商不相上下，但加權後原廠略高一籌。對照本案例實際狀況，業主是透過系統廠商委由原廠製作，以評分結果來看，這是ㄧ合理的決定，相信業主是希望透過系統廠商來彌補原廠於專業度的不足。

決定製作團隊後即根據確認之清單由各系統廠商負責提供資料，而後交由Crystal原廠依序建置3D Max檔案並轉成5D物件，最後再交回由系統廠商確認無誤後即放入業主之5D物件資料庫中。完成後即可開始建置模型。

BIM模型建置

本案例模型建置流程如 圖一所示，第一步先從廠房模型開始。在建築師完成廠房設計後，將相關建築及結構圖說交由Crystal原廠建立廠房土木及結構相關物件並建構廠房，在完成模型後則交付業主與建築師查核，找出差異並經修正後即完成作業。接下來則要建置廠務系統模型。在開始前，業主會訂出相關空間規範及模型建置準則，而後各系統廠商人員則依照2D設計圖說進行作業，其間業主會定期召開整合會議，審核作業進度並排解相關衝突。

系統數量計算

計算的第一步是藉由已完成之模型來產出材料清單(Bill Of Material, BOM)以計算構成系統的物件數量。BOM是軟體內建的功能，在進入系統後，由於各元件在模型建置便會預先定義其系統從屬關係，因此能很快產出其所屬之BOM，如 圖二所示。

接下來將BIM所算數量進行準確度比較。比較基準是承包廠商所提報的數量。本系統主要的構件為設備與風管，風管可分為主管路(直徑1,150mm以上)與支管路(直徑1,100mm以下)二類，主管路貫穿各樓層而後銜接至屋頂之風車，支管路則從各樓層之主管分出，分佈至廠房各角落。管徑大小乃依照所需風量而定，距離風車越近越大，反之則越小，且廠商常會根據其經驗做部份微調。此外廠商在估算時，會多報約5%之料損，亦會對部份數量進行微調以達一定總價。

在將廠商數量放入後得到的比較結果如 表六所示。由表中可看出在主設備部分，因為種類很單純，故二種估算結果皆相同。另外，加藥系統與電力工程(Electrical work)以及相關配合工程等三部份，在BIM模型開始建置時即決定不畫，故數量為零。至於風管工程與風門二類，則在後續做進一步探討。

先看風門(Damper)部份， 表六中BIM之風門數量為110組，但廠商之數量為1，這應是廠商以1式報價未再將細項列出。而在驅動器部份，BIM之數量為零，推斷這是繪圖員省略未畫。

風管工程(Duct work)的主要項目是風管，從總長度來看，BIM所算和廠商之數量僅有約2.5%的差距。若將其細項展開(如 表七所示)來看，廠商在各種管徑的風管數量估算與BIM之數量皆不同，但這應是廠商根據其經驗所做的調整，就總長度而言，支管路與主管路的差異只分別為1.9%與4.7%，落在可接受的範圍內，不過若考慮廠商數量可能已隱含了5%的管損，則實際差距將放大為7%以及10%。此外，在風管配件部份，廠商的數量為零，猜測廠商應是將此部份價錢合併到風管中，故未將數量列出。

在完成初步比對後，針對其中主要差異項目，經洽詢本案例業主並與相關負責人澄清後，結果說明如下：

• 廠商在各種管徑的風管數量估算與BIM之數量皆不同，這是廠商根據其經驗所做的調整，只要總長度相近，對整體價格影響不大，故不再討論。
• 本案例廠商為達一定總價並維持一定單價，在風管估算時並未再加入管損，故差異不需要放大。
• 在風管配件部份，確定廠商已將價錢合併到風管中。然此部份數量眾多，為避免後續可能爭議，未來還是應讓廠商對此部份提報數量，若如此則此差異應有顯著改善，假使以10%數量差異推算，金額計算之差異可縮減為1.3%。
• 在風門(Damper)部份，廠商確實為方便以1式報價，故此項目BIM之數量無法與之比較。倘若廠商未來能以確實數量報價，因其數量和主管與支管之數量搭配，不致有太大變異，則此部份差異應可大幅縮小甚至是完全排除。
• 風門驅動器部份因不影響空間規劃，確實是省略未畫，但因其數量與主設備搭配，若在建模時能將其畫入，則此部份差異應可完全排除。

完成各項差異的比對後，我們來看看總差異為何，如 表八所示，將各項目及其差異以其所佔金額比例來表示，可知本研究案例BIM有畫的部份約佔總金額的90%，而其中與廠商數量之總差異(以絕對值計)約為15.5%。不過，若未來能再把上述風管配件、風門及風門驅動器討論的排除原因加以考量，則誤差可縮小至3.0%。

結論與建議

本研究主要在討論如何建置半導體廠房廠務系統的BIM模型，包括如何選擇適當的BIM工具及以某半導體廠房之酸鹼性廢氣排系統為例，探討其BIM模型建置的流程，並比較模型數量計算的準確度。歸納本研究的結論有以下三點：

• 現今BIM工具多已具備完善的功能，惟各軟體仍有專長領域，當應用於較特殊的廠房建模時，應依照使用者的需求與狀況，選擇適當的工具，以提升建模過程與模型本身應用的效率與效益。透過本研究的評估，也驗證當初本案業主選擇 Crystal 5D做為建置模型的工具是最佳的決定。
• 和建置一般建築物BIM模型建置的流程相較，本案例最大的不同是在物件資料庫的建立。建置半導體廠務系統模型所需的物件，不僅數量龐大，且各有其複雜度與專業性，從決定物件清單開始，到由誰來製作與製作後的確認等，都是需要費心討論的。為能選擇適當的團隊來建置物件，本研究在此也提出一套評估模式以協助評估，其結果與本案業主實際的決定是ㄧ致的。
• 運用BIM模型來提取數量以協助業主進行成本估算與發包數量澄清，其功效取決於模型的精確度，只要模型內沒畫，即無法計入數量。因此在建置模型之初，就應以後續應用的目的，做為模型建置精細度的依據。此外，廠商的報價方式亦是重要因素，針對此點，事先的溝通以確定相關細節如損耗比例與數量呈現的方式，將能有效提升模型估算數量的準確度。
• 本研究僅針對半導體廠房部分廠務系統的應用進行探討，在相關領域中仍有許多值得繼續深入研究的地方，分別概述如下：
• 當物件數量眾多且複雜時，經由BIM工具所產生的物件清單，尚需耗費不少人力整理後方能進行比較，大大影響使用的效率。若能在3D物件建立時，將最後比對格式中的相對應項目的編碼放入物件屬性中，建立相互間的連結關係，當能有效改善此作業效率，進而達到自動產生數量與比對的功能。
• 本研究所探討的數量計算多應用在設計與發包階段，然BIM在廠房生命週期中的應用，是廣泛且多元的。未來研究應可嘗試探討在其他階段的應用，包括在施工管理階段、營運階段之人員訓練以及營運階段之設施管理等方面。