摘要
新廠規劃部近年來面臨多個新廠用地籌設及建廠專案同步啟動，皆須預先就廠區開發面臨多面向議題提出方案研擬及因應對策。同時在大數據時代浪潮下，多維資訊整合、參數化設計需求儼然成為數位規劃之主要趨勢。隨著廠房空間標準化原則逐漸完善，為降低後續設計衝突及增進前期規劃工作執行效率， 我們採用開源數位建模軟體Rhino，輔以參數設計平台Grasshopper，透過二次開發技術及腳本建立，企圖實踐設計流程數據化及標準流程化之數位規劃願景。
The new fab planning department has taken on several site evaluation and design projects, each requiring proposals and plans to address various issues. In this era of big data, multidimensional information integration and parametric design have emerged as the primary trends in digital master planning. As building structures and facility layout principles become more standardized, our department proposes to leverage open-source 3d modeling software, Rhino, and the parametric design platform, Grasshopper, to achieve a digital planning vision based on data-driven modeling and standardized analysis procedures. Using secondary development technology and script building, we aim to minimize future design conflicts and enhance the efficiency of new site planning projects.
1. 前言
在資訊化時代下，空間資訊數據化、多維資訊整合分析等邏輯的建構，為數位資產訊息管理提供了強而有力的支援；而透過參數化建模技術，將數位建模平台做作為即時資料視覺化輸出介面、實行方案快速模擬與驗證之方式，提升先期規劃階段之資訊安全性與設計精確性，是面對建廠專案管理議題的直接性策略。
於籌設、先期規劃階段，需積極與公部門洽談協商，惟因建廠經驗資訊複雜度高，且屬於專屬資訊保護之範疇下，無法直接委外進行分析模擬，故新廠規畫部企圖藉由資料驅動建模(data-driven modeling)與參數化設計(parametric design)等技術，以數位建模平台(Rhino)為介面，結合二次開發工具(Grasshopper、Rhino.Python、C#)，進行客製化分析模擬工具建置，以利於新廠規劃設計階段將分析邏輯制定為標準化流程，以提升內部作業效率及資料分析精確性。
2. 文獻探討
2.1 參數式設計應用於建築領域
在電腦硬體效能與軟體演算法、圖形化介面的迅速演進，參數化模型(Parametric Modeling)不再只是一味的使用系統內建的設計圖塊與圖庫，而是轉變成一種可直接被設計者「客製化」的二次開發工具。使用者只須將設計所需的限制條件轉換為參數，並整合分析邏輯轉換為標準化流程動作，即可應用於各個新廠專案中。將環境參數及控制條件輸作為變數(variables)輸入預先建立的標準化分析腳本中，便可迅速分析出多種可行性結果，再接續利用另一組流程動作進行二次篩選，最後產生最符合條件需求的結論，即為參數式設計。此設計流程不但可縮短設計工作時程，亦可提升專案管理效率，是現今被廣為應用於數位設計、製造等領域的流程化設計管理模式。
而在開源式數位建模平台Rhino中，即可由外掛程式Grasshopper(圖1)通過關聯式模型（Associative Modeling)與圖形介面，輔以腳本（Script)編撰，為目前最廣被設計者應用於客製化設計工具開發平台之一。Grasshopper平台至2008年推出，發展至今已累計上百種元件，在建築領域中更是被多元應用。例如：地理空間資訊分析（Bison、Docofossor)、場域模擬（Kangaroo)、結構計算（Millipede、Karamba)、效能計算介面（Geco)、風場環境模擬分析（Butterfly)等。由於可整合大量開源程式碼，故設計者僅須理解基礎程式語言並熟悉已發布元件之參數設定邏輯，即可根據設計階段的需求使用，整合與制定客製化分析與建模流程。
圖1：Grasshopper 介面流程圖 (圖片來源)
2.2 基於三維建模平台(Rhino/Grasshopper)進行二次開發實例
DocofossorGrasshopper平台中的地形分析與設計組件
Docofossor是在Grasshopper開源平台中，具有距離函數的地形分析與設計元件集合(圖2)，以Python編撰並由MIT授權免費使用，能夠在數位地形模型(Digital Terrain Model, DTM)上，以Frep(function representation)作為具有距離函數的數字地形建模的統一工作流程(圖3)，並依照使用者輸入參數(點、路徑區域、曲面等)，重塑地形以輸出符合設計需求、環境紋理等規劃腳本(Script)的結果(圖4)。2018年Christophe Girot帶領的機器人景觀設計(Robotic Landscapes)[1]，即是以此套系統結合客製化二次開發，實際應用於艾爾河(the River Aire, England)生態修復地景設計與整地工程中(圖5)。
圖2：Docofossor元件[2](共分為Analysis、Generative、Geometry、Grid、I/O、Operation Absolute、Operation Absolute等七個群組)
圖3：工作流程建立基礎邏輯
圖4：設計地形模擬圖(由左至右：網格面(Mesh)上輸入路徑參數進行挖填模擬與整地；視覺化複雜地質(岩石、砂質)地貌的組成參數；綜合考量地質現況與路徑規劃的整地模擬結果)
圖5：艾爾河生態修復地景設計與整地工程實例[3](圖片來源：Hurkxkens, I., Girot, C., & Hutter, M. (2017). Robotic landscapes: Developing computational design tools towards autonomous terrain modeling.)
3. 建立數位規劃流程策略
3.1 先期規劃空間資訊需求分析
公司於建築師發包前，於先期規劃階段，需就用地進行可行性評估，並配合於都市計畫審議、環境影響評估、水土保持計畫審核等行政審查程序階段(圖6)，提出因應對策與具體數據，因此建立可供快速分析與即時模擬的數位規劃模型，儼然成為目前面對先期規劃專案管理的直接且必要性策略。
新廠規劃部現階段從數位地形模型建立、空間涵構分析，至設計方案視覺化模擬與審查數據研擬等，皆採用單一平台 Rhino with Grasshopper 進行整合，減低跨平台資料交換的時間成本，進而提高作業效率。同時，考量山坡地建築開發，基地周界條件相對複雜，須於初期設計階段導入三維規劃(圖7)，跳脫傳統平面配置思維，直接以立體模型結合模型環境參數分析，進行多層面的評估，以利面對廠區水保設施用地規劃、擋土結構分析、廠區高程設計、坡度檢討等議題，先行研擬因應對策。
面對山坡地開發，需以減少環境擾動、降低土方運棄量為目標，同時建築及開整地皆符合山坡地建築開發相關規範，主要限制條件彙整如下：
- 水保技術規範第170條「開發建築用地之開挖整地，以挖填平衡為原則，挖方總量不得超過其申請總面積乘以每公頃一萬五千立方公尺」。
- 建築技術規則施工編263條「臨建築線或基地內通路邊第一進之擋土設施各點至路面高度不得大於道路或基地內通路中心線至擋土設施邊之距離，且其高度不得大於六公尺」。
- 邊坡穩定設施考量安全性，於初期水保設施規劃階段，挖方區域採1:1(垂直:水平)修坡坡比，填方區域採為1:2(垂直:水平)修坡坡比，且無論挖方或填方區，於每5M高差，皆須設置一2M寬平台。故由此推得：若為挖方區，則需預留邊坡擋土設施之水平距離(腹地)需求為：L=△H*1+[(△H/5)+1]*2；若為填方區，則需預留邊坡擋土設施之水平距離(腹地)需求為：L=△H*2+[(△H/5)+1]*2。
- 若無法符合上述項目，則須採用建築外牆擋土消彌高差，但增加的下部結構體勢必會直接反應於造價成本。
因此我們認為將上述分析流程建立為標準化腳本，透過輸入不同基地的環境參數，模擬不同高程的挖填土方量及擋土設施腹地需求，應是提高先期規劃專案管理效率的必要工作。
圖6：先期規劃流程圖
圖7：NFP先期規劃流程演變
3.2 客製化元件(Component)及腳本(Scripts)建立
在廠房設計趨向標準化，為達到廠區配置同時滿足場地融合性與空間功能性，及符合上述規範限制，反覆調整配置方案雖為必經之路，但透過將現地初始條件轉換為參數輸入Grasshopper中，以邏輯建構的參數化分析腳本與元件，完成數值地形模型快速建模；並使虛擬模型在受初始條件控制的前提下，可被動態調整同時直接視覺化呈現，既可克服傳統建模流程的耗時問題，亦可利用即時視覺化分析結果，使團隊溝通流暢性提升。
目前依據新廠規劃需求，已完成參數化的議題如下：
❶建立數值地形模型：
於Grasshopper參數設計平台利用預先編撰好的統一腳本，藉由輸入不同基地的現地高程參數，以Delaunay Mesh三角剖分演算法建立地形表面網格(圖8)，即可將分析流程標準化，提升分析效率[4]。
圖8：Grasshopper 建立數值地形模型的參數化流程
❷環評土方及水保土方計算：
因環評對於環境擾動與土方平衡的重視，及水土保持計畫對於施工期間土方暫置區面積規劃，與挖填方法定上限規範等，皆須於先期規劃階段完成廠區高程設定，並提供挖填方數據與土方暫置區面積需求等資訊，以利應對開工前的相關行政審查作業與未來施工進行初步規劃。因此繼承自動生程地形表面網格結果，我們進一步應用坵塊法的演算邏輯，於同一平台Rhino/Grasshopper建立標準化分析流程(圖9)，省去繁瑣的計算公式，直接建立所有從方格網單元面至現地地形與設計地形的柱狀體，透過布林運算後取得差集結果後，求得挖填方體積之總和(圖10)。同時考量水保技術規範第170條「開發建築用地之開挖整地，以挖填平衡為原則，挖方總量不得超過其申請總面積乘以每公頃一萬五千立方公尺」，延伸出水保土方(扣除建築投影面積)之計算元件(圖11)，加速後續方案模擬及分析效率。
圖9：環評土方計算元件及流程說明圖
圖10：挖填土方計算過程及挖填區位圖繪製結果
圖11：水保土方計算元件及流程說明圖
4.成果分析
4.1 階段性結果驗證-以中科擴建二期為例
中科擴建二期基地整體地勢為西高東低，高程差約110m，基地南側緊鄰山溝排水設施，基地周界空間侷促，故面對環評審查、水保規範、建築技術規則等法令限制、同時須確保運轉效率、動線流暢性、評估結構成本、施工難易度等層面，故須於先期規劃階段即結合數位規劃技術於專案管理，主要流程如下：
❶ 基地調查與三維規劃
因一個生產廠房建築面積高達5公頃、建築高度約為36公尺，空間尺度極大，若於規劃階段立即展開數位模擬作業，可先將空間涵構整合於虛擬模型中(圖12)，同時以不同視角進行設計檢核(圖13)。
圖12：Rhino平台中三維規劃方案模擬成果
圖13：設計方案檢核流程
❷ 整地高程與邊坡擋土設施設計
在完成數位地形模型建立之後，需先釐清廠區周界設計高程與現況高程關係，擬定評估基地周界擋土措施方案(圖14)，進而完成整地方案就動線、運轉效率、結構成本、擋土設施成本等層面的方案評估及綜合比較(圖15)，最後提供相對合理的廠區挖填方量供環評及水保審查。
圖14：結構及擋土設計分析
圖15：整地方案比較表
❸ 透視模擬及效果圖渲染輸出
在面對跨組織溝通與外部會議時，亦須仰賴較直觀的效果圖來表達規劃設計意圖。因此將在Rhino/Grasshopper平台中經評估分析進而產出的階段性設計結果，結合Lumion引擎渲染出圖(圖16)，即可產生於規劃階段的初步廠區配置模擬圖，輔以決策。
圖16：初步規劃效果圖渲染輸出結果
4.2 未來方向
目前數位規劃結合參數設計流程，主要應用於較大尺度的空間資訊彙整及分析模擬，未來亦可延伸作為細部設計階段之檢核工具。例如：廠區槽車轉彎半徑檢討、廠區道路坡度檢核、建築外牆熱輻射分析、景觀植栽分布規劃等面向。亦可藉由Rhino.Inside.Revit 技術，將 Rhino 嵌入Revit 中，提供BIM LOD(Level of Development)0~200更完善的整合。
5. 結論
在工業 4.0 下，開源程式碼（Open Source）與二次開發技術的成熟趨勢下，以Rhino/Grasshopper平台為主，建立流程化分析架構，統合數位資訊，實踐數位轉型、提供即時決策制定，強化規劃階段的靈活性與敏捷性，已成為目前學界與業界的潮流。因此將標準化廠房設計中的典型規劃邏輯，預先整合於腳本文件中，再經由不同基地的環境參數匯入元件，即可簡化繁瑣分析程序、快速反饋結果，進而提高專案執行效率及精確性，應是我們需持續努力的方向。
參考文獻
- Hurkxkens, I., Girot, C., & Hutter, M.(2017). Robotic landscapes:Developing computational design tools towards autonomous terrain modeling.
- Maltsev, E., Popov, D., Chugunov, S., Pasko, A., & Akhatov, I.(2021). An Accelerated Slicing Algorithm for Frep Models. Applied Sciences, 11(15), 6767.
- Hurkxkens, I., & Bernhard, M.(2019). Computational terrain modeling with distance functions for large scale landscape design. Journal of Digital Landscape Architecture, 2019(4), 222-230.
- 包瑞清,(2015)。面向設計師的編程設計知識系統PADKS:編程景觀。江蘇科學技術出版社。
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