營建模擬技術的運用

前言

營建流程(construction processes)是由施工工作(tasks)、資源(人機料)以及彼此間的互動關係等所構成，此流程是存在於許多不確定性(uncertainties)的環境中，故而分析營建流程是十分複雜的。可是工地現場有許多的決策，包括工班的大小、機具的種類、施工工作執行的邏輯順序以及工法的選擇等，若不透過適當的分析，便只能憑過去的經驗或直覺。

早在1963年，美國Stanford大學Teicholz教授就建議利用模擬技術來協助營建機具的選擇決策(Teicholz, 1963)。後來，Purdue大學Halpin教授在1973年發展出一套營建模擬系統CYCLONE (CYCLic Operation Network)，它的優點是能以簡單的符號與邏輯，模擬一般的營建流程，於是之後，許多類似或以CYCLONE模型元件為基礎的系統，便陸續被提出(Martinez, 1996)。

本文所謂營建模擬的「模擬」，有點像「模仿」(imitation) 真實營建流程之運作，進而預估該運作情況之執行成效，由於此時一般數學模式或最佳化理論比較不適用，而模擬相對上操作較容易(且不必真正的進行實驗)，便被視為一種可考量的解決方法(Halpin and Riggs, 1992)。然須特別澄清的是，目前常聽的建築資訊模型(BIM)4D模擬，乃是指隨時間的進展，以3D視覺化(visulization)的方式，展現工程的進度，進而評估其施工順序是否適當，這種4D模擬與本文的營建模擬並不相同(雖然都稱為模擬或simulation)。

在美國營建模擬技術的發展過程中，國內亦有多位學者趕上潮流。例如，中央大學黃榮堯教授於1994年發展了DISCO系統，改善了CYCLONE的輸入與輸出介面(Huang and Halpin, 1994)；朝陽大學鄭道明教授於2000年，透過CYCLONE建立了一套營建模工具，稱為COST；元智大學任恒毅教授應是Halpin教授的關門弟子，他在2005年將CYCLONE網路版化，稱為WebCYCLONE。這些學者後來也指導了一些碩博士生，持續進行營建模擬技術的開發。目前營建模擬技術在世界各國之發展，主要還是以美國與加拿大居多，而且幾都以CYCLONE的觀念為基礎而延伸。

所以營建模擬其實並不是一個新技術，但國內業界可能對此領域比較陌生。由於筆者亦曾透過類似的營建模擬系統(稱為STROBOSCOPE)(Martinez, 1996)，解決進度作業間之時間關聯性問題(correlation effect on duration)(Wang, 1996)，並且亦曾實際運用至預測專案成本(Wang, 2002)以及評估工地現場趕工重點，概知此技術的可發展性，故藉本文介紹CYCLONE與STROBOSCOPE之基本概念，以利業界先進參考。

CYCLONE與STROBOSCOPE

Martinez教授在1996年所發展出STROBOSCOPE (STate and ResOurce Based Simulation of COnstruction ProcEsses)。CYCLONE與STROBOSCOPE皆以網圖模型為基準，並以箭線式符號來表示資源流動方向。兩者之網圖基本元件性質及使用方式大致相同，但表達方式及控制過程有極大差別。 表一、表二分別為一般營建模擬系統各種符號之說明及CYCLONE與STROBOSCOPE之主要差異比較(Martinez, 1996；王維志等人，2000)。

表一、STROBOSCOPE 之基本元件

圖形	名稱	中文名稱	功能	備註
	Queue	資源等待結點	資源等待處	同CYCLONE
	Normal	正常性施作項目	當前項作業完成時，所代表的工作可立即開始	同CYCLONE
	Combi	限制性施作項目	當設定條件均滿足時，所代表的工作才會開始進行	同CYCLONE
	Link	連結線	連接網圖上元件之結點，並表示資源流動的種類和流動方向	與CYCLONE之ARC類似
	Assembler	組合器	將2種以上的資源合併成複合性資源(如水泥+水+骨材→混凝土)
	AssemblerLink	組合器連結線	表示有其他種資源依附在該資源上
	Disassembler	分解器	將複合性資源分解(如載鋼骨卡車鋼骨+卡車)
	DisassemblerLink	分解器連結線	表示有其他資源由該種複合性資源分解出
	Fork	資源分支點	由機率決定其後續作業為何，一次只選定一個作為其後續作業
	Dynafork	機率性資源分支點	由機率決定其後續作業為何，一次可選數種作業作為其後續作業
	Consolidator	資源累積計數器	當資源累積至一定數量之後，資源才會一次流過	CYCLONE使用FUNCTION
	DualbaseLink	組合分解之連結線	同時具有Assembler和Disassembler的功用
資料來源：Martinez, 1996；王維志等人，2000

圖一為一典型土方運載流程(earth-moving operations)，此流程代表工地有一些土方等待要被運離工地(Soil To Move)，之後，裝載機(Loaders Wait)將土方載入(Load)卡車(Haulers Wait)，卡車便將土方運送(Haul)至棄土地點(Moved Soil)，然後卸下土方(Dump)，之後，卡車便回程(Return)至工地等候下一輪的重覆工作。

圖一、土方運載流程

而 圖一流程各工作(Load、Haul、Dump)的每一次執行時間是不確定的(propbabilistic duration)，例如，在運送(Haul)過程中可能因車子拋錨(可透過設定變數去模擬beakdown)而無法準時。每輛卡車與裝載機的等待時間也是不一定的，例如，若有多台裝載機，則卡車等待時間便可能比較短，但此時多餘的裝載機便須等待是否有卡車。

透過這樣的「模仿」真實營建流程之運作，當所有土方被運送至棄土場後，便可得知這個工地的土方運載需要多少時間。假設所求得的工期太長，便可再嘗試不同的方案(scenarios)，例如增加裝載機或卡車的數量，看看哪一個方案是可接受的，這便是所謂的營建模擬。

STROBOSCOPE與CYCLONE最大的不同，乃是STROBOSCOPE是以程式語言(programming language)表達欲模擬之問題，而非單靠圖形模式元件(王維志等人，2000)。例如，以上述土方運載流程為例，STROBOSCOPE可進一步針對裝載機特性（如機具型號、重量、馬力、單價等）加以考量，亦可在動態模擬過程中截取相關資料，如卡車等待時間、各作業發生次數、作業最後一次開始時間等。

STROBOSCOPE的程式語法由三部分組成：⑴元件之定義(Element Definition)─定義模擬問題之元件，如作業、連結線、資源種類等；⑵元件屬性之定義(Element Attribute)─定義元件在執行模擬中如何運作；以及⑶控制元件之定義(Control Element)─控制模擬之進行，如開始模擬等(Martinez, 1996；王維志等人，2000)。 圖二及 圖三分別為一案例工程之部分模擬程式碼及模擬結果電腦畫面。

圖二、STROBOSCOPE 部分模擬程式碼畫面

圖三、電腦模擬結果之畫面

由於STROBOSCOPE可於動態模擬過程中截取比較多的資訊，故可較為真實的模仿複雜之營建流程，但由於必須透過程式語言的撰寫，業界擬使用的進入門檻會較高。

與BIM結合應用

除了單獨使用以外，STROBOSCOPE可以進一步與BIM系統結合應用。 圖四為一個結合STROBOSCOPE與BIM數量計算，以評估進度的案例(Wang et al., 2014)，此案例在模擬結構體工程工期之過程中，所需鋼筋、模板與混凝土之數量，是來自BIM的計算結果。亦即該研究將BIM數量計算結果匯入以工地階層為分析基礎的STROBOSCOPE電腦模擬中，而透過該研所建立的界面模組(Duration estimation interface module)改變不同決策參數，例如模板套數、工人數與是否加班等(考慮資源間之競爭性)，以及考量施工工作時間之不確定性(以統計分布表示)之後，經模擬求得專案工程所需之完成時間，再轉出以施工作業層次(activity-level)展現之工程進度表（桿狀圖或網圖），最後亦可與BIM的3D構件結合，形成4D視覺化的產出（陳正宜等人，2012）。

圖四、結合營建模擬與BIM 之案例

總結

營建模擬因為可以處理工作間複雜的互動(inter-relations)與不確定性，主要可運用至工地階層(site level)的營建流程分析，但也可運用至計畫階層(project level)的進度與成本評估，甚至因為可處理機率問題，故亦可運用至風險分析等領域。

以工地營建流程分析之運用為例，因為分析對象已經到工作(task)階層（例如，土方之裝載、運送與卸載等），而非作業(activity)階層（例如， 圖一土方運載流程可僅以一個「開挖/棄土作業」代表），故若要一次分析整體工程，便會太複雜（較難模仿真實的運作），亦即營建模擬比較適合僅針對一個或數個流程進行分析。另，營建模擬對於處理具重複性之流程更能彰顯其優點，例如土方運載的裝載、運送與卸載，是重複經過多個循環(cycles)，才能將整個土方運載完成，因此，土方運載、鋼筋模板混凝土施作、鋼構運載與吊裝，帷幕牆、基樁、橋樑、隧道等重覆性較高的施工流程，皆是營建模擬技術常見的運用對象。

圖一、土方運載流程

至於模擬系統的比較，雖然STROBOSCOPE在操作上較為複雜（須具程式撰寫的能力），但因其仍建立在CYCLONE基本觀念上，故只要熟悉其程式語法，應仍有上手的機會。

總結而言，業界若要嘗試運用營建模擬技術，建議以經常性且類似之工程為對象，並以某些特別關注的要徑作業(critical activities)為範圍，透過STROBOSCOPE或CYCLONE建立擬分析作業之流程模組，這樣該模組便可運用至其他不同的工程上（或許仍須些許修正），以提高使用營建模擬的效益。