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[分享]BIM应用于工作空间冲突分析之研究
随着新工程技术、新信息技术、新管理方法的不断出现，营建工程计划规模不断地扩大、建筑形式也日益复杂，如何在计划执行过程中，提出合理施工计划、精确掌握施工进程、有效地运用工地资源以及迅速地进行工作区域动线布置及安排，以缩短工期、降低成本、提高质量，这些都是业者和相关工程管理人员的共同努力目标。良好的施工规划可使营建工程施工顺畅并提升其生产效率，然而国内目前营建业之工作空间规划却大多仍需依赖工程师的经验，其利用二维平面图来规划整个建地之相关工作区域配置，多着重于静态空间分配，而未考虑整体工程作业工项与相关活动资源（人员、设备、物料）互动所需之空间使用效益。
研究背景
实际上，工作空间之需求会随着工程的进行而产生变化，所以进行工作空间规划时，必须将时间因素分别纳入工程可用空间与工作空间需求的考虑，对于营建工程来说，空间是一种有限资源，不同的工班会在同一空间施作而互相冲突，物料堆置空间也常常会与工人施作空间重迭，甚至工程设备（如起重机、吊车、钻孔机具、货车）运作时，亦会影响可用空间的大小。根据Sanders et al. [1] 的研究指出，空间冲突亦是造成营建生产力损失的主要问题之一，因为工作空间造成的生产效率损失高达65％，信道阻碍使生产力损失达58％，空间冲突除了会影响施工进行与施工效率，而造成工期延宕问题之外，对于施工安全性也有重大影响。如何全面性的考虑相关工程因素，进行工作空间优化配置、动线规划及动态调整工作空间范围，此乃工作空间规划的困难处之一，也是目前缺乏有效辅助工具的主要原因之一。关于这个议题，已有许多研究学者投入心力，像是Riley 及 Sanvido [2] 将作业空间类型与作业空间的概念分类，更加以阐述在复杂的工地中空间使用行为模式之分类。而Akinci 等人 [3-5] 在2002 年则利用时空冲突的概念建立了空间冲突分析的机制与空间冲突的分类，清楚的将冲突类型分成五类，分别是设计冲突、安全上的危险、损坏冲突、拥挤、无影响，并且认为工作空间的需求随着时间而改变，同时冲突的比率不同亦造成不同程度之影响，Akinci 等人更提到冲突作业造成生产力的降低、增加无附加价值之作业、中断工作流程、延迟作业的开始时间。而关于国内相关研究部分，像是吴俊达[6] 于其研究中发展一建筑工程施工作业空间规划与冲突分析流程，运用目前营造厂普遍使用的进度排程软件Microsoft Project 与计算机辅助绘图软件Autodesk AutoCAD作为作业空间规划的平台，以进行作业空间冲突之分析与解决对策之研拟。纪宛君 [7] 建置一大型结构实验室资源管理辅助系统以虚拟现实（Virtual Reality）配合平面信息的方式呈现，管理者得以和虚拟场景沟通，达到互动的功能，除了可进行空间管理与场地配置，同时也使空间规划信息和实验排程信息衔接上，提供空间管理与冲突检测的机制。而近期研究中，许多研究皆利用空间语法（Space Syntax）进行优化的空间配置与建议。如，仲闿立 [8] 利用空间语法之概念将工程CAD 图面转换成对应之拓朴结构，再利用空间分析因子（Spatial Analysis Parameters）来评估空间属性，当空间冲突发生时，利用空间属性进行冲突分析。
为了更真实的模拟工地现况，本研究建置建筑信息模型整合了施工过程更详尽的信息，运用4D 动态仿真技术可视化呈现空间冲突分析的过程与结果，期望以更精确的空间冲突侦测与分析，来协助相关工程人员迅速解决工作空间冲突问题，降低生产力的损失。本研究利用Microsoft VB.NET 程序软件开发 — 4D 可视化空间冲突分析模块，在3D 模型环境中建立静态及动态工程对象互动环境及其工作空间冲突呈现的基本模式，改善二维平面的空间冲突分析无法呈现实际工作空间状态的缺点。此模块考虑各工程对象之相关影响因子，建置空间冲突侦测功能，透过不同颜色及警示方式来呈现不同冲突之状况，而且考虑实际工程中，人员的工作空间、设备的移动及物料搬运等位置的变换行为，并导入相对速度参数来呈现人员、机具移动速度的不同，以动态方式模拟工作空间的变化及空间冲突产生的过程。此研究亦将建筑3D 实体模型、排程数据、相关工程资源对象属性 … 等等整合于建筑信息模型中，成为空间冲突分析数据建构及信息呈现的基础。
工作空间冲突分析
工作空间定义
本研究从相关文献与工程实务中可以归纳出营建工程施工过程中可能影响空间配置及动线规划之工程对象，包含建地、建物、人员、设备、物料等五大项，其说明及范例，如表1 所述。
上述之五大工程对象，在施工过程中皆需要有自己所属之工作空间来确保工项执行顺利与安全。本研究所定义之工作空间计算方式，如式(1)，工程对象所属之工作空间应包含工程对象本身的空间、工程对象操作空间及安全空间之总和。
工作空间聚合
工项执行必须要结合与动用到不同种类的工程物件资源才能够完成，所以工程对象不可能单独出现在工项执行过程中。在系统进行工作空间冲突侦测与分析时，考虑工作空间的聚合是必须的。本研究将工作空间聚合分为两种型式：一是工作空间直接聚合，如人员跟人员、设备跟设备或是人员跟设备 … 等等，聚合对象与对象之间仍需保留操作空间及安全空间以供操作及活动，所以将其工作空间直接聚合即可，如图1 所示。另一种是工程对象聚合后再产生新的工作空间，譬如说物料跟物料、建物跟建物这些工程对象聚合时，对象中间不需多余的空间，因此必须先将对象聚合然后再产生新的工作空间，如图2 所示。
空间冲突的种类
本研究参考Akinci et al. [3-5] 的论文将空间冲突类型分为四类，分别是设计冲突、安全上危险、损坏冲突、拥挤，并且考虑工作空间需求会随着时间的改变而变化，且在同时间也会有不同的空间冲突产生，形成冲突的比率不同亦会造成不同程度的影响。这四类的空间冲突种类定义如下：
设计冲突：工程中之分项工程通常分属不同设计部门，在各自发展设计图说的状况下，复杂的建筑、结构、水电、环控、消防等设施，在空间配置上常会发生接口冲突。例如，机电设备设计空间不足安装空间紧靠结构体、管线交迭造成天花板高度不足等。
安全上冲突：工区中具有动能或活动中的机具设备与人员的工作空间发生冲突因而产生危险。例如，工程车辆行驶动在线与其他机具冲突、起重机吊装作业范围内与其他作业人员空间重迭、挖土机的工作范围中有其他工项进行等。
损坏冲突：为执行某工程项目必须损坏已完成工项，造成重工的情况。例如，设备搬运动在线的通道或门无法让设备通过必须拆除。
拥挤：工作需求空间不足或重迭。例如，物料储存空间太小造成物料堆置重迭、预计放置物料的地点被占用等、室内装修工程材料堆置影响人员通行及物料搬运、施工便道同时有多辆工程车辆进出等。
4D 可视化空间冲突分析模块
本研究主要目的即是应用建筑信息模型建置－4D 可视化空间冲突分析模块来侦测及分析空间冲突问题。系统架构如图3 所示，最底层为建筑信息模型，本研究希望结合工程相关信息来协助更精确地进行空间冲突侦测与分析，其包含3D 对象模型、排程之时程数据、工程对象属性、资源指派数据及本研究所制订的工作空间数据模型。第二层为 Bentley MicroStation为主要可视化展示平台。第三层为本研究所开发之视觉化空间冲突分析模块，可进行设计冲突、安全上危险、损坏冲突及拥挤等冲突状况侦测与分析。
工作空间数据模型
本研究制订一工作空间数据模型，主要用来储存工作空间相关信息以供空间冲突侦测与分析之用，如图4 所示。工作空间数据模型包含建物、建地、人员、物料、设备及路径等主要六个类别，而每个主要类别皆包含自己本身类别属性及子类别。如“人员”类别，它拥有人员对象名称、对象ID、对象本身的长宽高、对象原点、状态（移动或是静止）、操作空间范围及动作路径等属性及子类别。当我们指派人员至工地时，系统就会依据此资料模型自动产生相关数据对象以供4D 可视化空间冲突分析模块使用。
空间冲突分析颜色表
在进行工作空间冲突分析时，工程对象可被区分为静态对象与动态对象两大类，如表2 所示。静态对象如建物、建地、定置的机具设备、堆置的物料、停放的车辆、限定工作范围内的人员等，系统会根据此对象状态产生静态工作空间，即是固定于某位置点的静态对象之工作空间，而且在进行冲突分析时该空间不会变动，如建筑物、邻房、施工架占用空间、堆置的钢筋空间、堆置的模板空间、定置机具的运转空间、停放的车辆空间、限定范围内的人员工作空间等等，其工作范围以蓝色方体表示。动态对象如走动的人员、操作中的机具设备、搬运中的物料、行驶的车辆等。系统会根据此对象状态产生动态工作空间，即是指工区中动态对象之工作空间，系统必须随时间及空间变动来进行冲突侦测与分析，如搭设中施工架空间、搬运物料通行空间、活动式机具运转空间、行驶中车辆的安全空间、走动人员的工作空间等等，其工作范围以橘色方体表示。
另外，本研究以不同颜色来显示空间冲突的种类，主要是为了让使用者更清楚了解各工程对象冲突状况，如表3 所示。
工作空间冲突模式
本研究探讨上述静态工作空间与动态工作空间的交互冲突状态，并将空间冲突状况归类为三种基本模式加以说明，如下所述。
静态工作空间与静态工作空间冲突模式
静态工作空间与静态工作空间可能发生空间冲突的状况有设计冲突（例如，机电设备设计空间不足安装空间紧靠结构体、管线交迭造成天花板高度不足等）、拥挤（例如，物料储存空间太小造成物料堆置重迭、预计放置物料的地点被占用等）。图5(a) 呈现的是设计冲突，以紫色显示在2 个蓝色静态工作空间发生冲突的部份；图5(b) 以拥挤为例，工作空间冲突的部份以绿色显示。
动态工作空间与静态工作空间冲突模式
动态工作空间与静态工作空间可能发生空间冲突的状况有损坏冲突（例如，设备搬运动在线的通道或门无法让设备通过必须拆除等）、拥挤（例如，室内装修工程材料堆置影响人员通行或物料搬运等）。图6 以损坏冲突为例，橘色代表设备工作空间、蓝色代表建物工作空间，设备往建物方向移动，如果设备移动方向路径不变，在移动过程中可能会撞上建物，产生损坏冲突，其损坏区域以黄色显示。
动态工作空间与动态工作空间冲突模式
动态工作空间与动态工作空间可能发生空间冲突的状况有安全上冲突（例如，起重机吊装作业范围内有其他机具的穿越、挖土机的回旋范围中有其他工项进行等）、拥挤（例如，施工便道同时有多辆工程车辆进出等）。图7 以安全上冲突为例，橘色方体代表2 个动态工作空间如人员与设备，设定其以1：2 的相对速度进行移动，两方移动过程中，在红色区域会产生安全上的危险。
系统展示
本研究以一工程案例来仿真展示工作空间互相冲突的情形，工区背景是一正在兴建中的钢骨钢筋混凝土大楼，模拟的情境是当移动式吊车以15km 时速欲进入工区吊装位置时，正好有人员在附近进行物料搬移，移动速度为时速5km。首先设定吊车及人员的位置点、工作空间大小、移动相对速度及目的坐标后进行空间冲突侦测及运算，并将程序执行结果在3D 绘图模型中以动态方式呈现。图8 为工区基本配置图，左下角橘色方体代表吊车工作空间，中央位置橘色方体代表人员工作空间；图9(a) 显示人员工作空间移动至可能与吊车动线产生安全冲突的位置；图9(b) 显示2 个动态工作空间移动后开始产生冲突之位置；图9(c)显示2 个工作空间持续移动，冲突的空间逐渐扩大；图9(d) 显示仿真完成，红色方体呈现工作空间冲突发生的位置、大小、形状及冲突型态。
工作空间冲突• 不利生产效率
工作空间是一种有限资源，在工程建造过程中同一个空间无法同时提供多个工程对象同时使用，为了提升营建工程生产效率，最有效的方法就是避免工作空间冲突的发生。本研究之成果已在3D 模型环境中建立工作空间动态移动及产生冲突的基本呈现模式，并分析各工程对象之相关影响因子，开发出4D 可视化空间冲突分析模块，并于程序中建置空间冲突侦测功能，能够透过不同颜色的警示方式来呈现不同冲突之状况。从仿真成果中可以发现，在3D 模型环境中呈现空间冲突的位置、大小、形状及状态具有较为真实的效果，利用可视化的展示可让工程人员能够迅速了解可能发生的状况，并提供决策上的帮助。
本研究期望将此模块与优化数值模型整合，导入优化理论产生空间配置及动线规划之建议方案，提供优化空间配置及动线规划建议等研究之基础；并进一步与建筑信息模型及相关活动资源对象的信息整合，以建筑信息模型作为空间冲突分析数据建构及信息呈现的平台，提供后续优化数值模型分析及4D动态仿真的应用，协助工程人员解决空间配置及动线规划相关问题。
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