在工程技術和材料力學的日益進步,以及BIM技術運用逐漸廣泛下,建築師與設計師猶如發現了新天地,似乎再也没有蓋不出來的建築物了; 自由造型表現不只在國內的幾個著名公共案建築案可見,事實上在私有的建商開發案也方興未艾,形成現在建築外觀設計的主流。

 

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衛武營藝術文化中心

 

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台中歌劇院
資料來源: 台中市政府

 

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台北藝術中心
資料來源: OMA

 

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北部流行音樂中心
資料來源: ArchDaily

 

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海洋文化及流行音樂中心
資料來源: ArchDaily

 

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基隆港西岸客運專區港務大樓
資料來源: ArchDaily

 

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高雄港埠旅運中心
資料來源: ArchDaily

 

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砳建築
資料來源: 砳建築

 

最具表現力的建築表皮,成為設計概念的關鍵

除了由內到外的空間使用觀念改變以外,拜現代電腦運算能力增速所賜,結構計算能力亦隨之大增,各種工業、航太材料和技術的亦被廣泛引用至建築,其中最具表現力的建築表皮,成為設計概念呈現的關鍵設計手法。除了頂表皮屋頂造型之外,立面表皮外牆是重中之重,而立面造型之中,各類帷幕牆作法又是最常被運用的作法。

從近來的帷幕牆設計來分析歸納,有一些改變是值得大家注意與應對的

  • 結合節能設計議題下朝向複層外牆發展趨勢
  • 強調綠色環保建築形象的設計意象
  • 更多樣材料的運用整合
  • 自由曲線或有機造型
  • 非規格化的尺寸
這些新的趨勢或改變,勢必對帷幕牆設計、施工產生了新的挑戰。首先是超乎以往的幾何關係,複雜的幾何尺寸問題尤其在帷幕牆設計之細部發展產生,未來將需繪製更多的細部圖和大比例的詳圖,有很多時候則需補充3D圖面,相對的工廠製造圖也會倍增,施工中安裝尺寸也不再是規格內的幾個尺寸,經常是幾百個甚至是上萬個安裝尺寸;而這些複雜、非規格化的尺寸,仍需想辦法在材料力學所可達成的範圍內,以參數化設計技術將尺寸規格作出合理化的規劃,並且儘量將尺寸規格減少至技術和費用可被接受的一定程度內。

 

ABC Museum
資料來源: ArchDaily

 

University of Aberdeen New Library
資料來源: ArchDaily

 

Estar Móveis
資料來源: ArchDaily

 

Dior Ginza
資料來源: Office of Kumiko Inui

 

Dear Ginza
資料來源: ArchDaily

 

VM Houses
資料來源: ArchDaily

 

 

BIM技術在台灣、大陸帷幕業界的運用趨勢

運用建築資訊模型(Building Information Modeling;BIM)技術在建立模型時,可在模型中的所有元件賦予建築資訊屬性(如構件的材料、尺寸、配筋、鋼號,設備的型號、廠家、生產資訊等)。BIM技術的高度視覺化、協同作業效率高、參數化及對專案全生命週期的運用,獲得了建築行業市場的認可,在歐美國家的發展和應用已達很高的使用比率,亞洲比較有名的BIM帷幕牆運用是大陸的上海環球金融中心大廈雙層帷幕牆設計,BIM在其施工過程中扮演了重要的輔助角色,在其帷幕牆細部設計發展、解決現場施工碰撞方案、施工協調、施工預算等方面出色的表現已展示出了它的潛質。
雖然BIM技術在台灣建築帷幕牆的應用仍處於起步階段,僅在幾個帷幕牆專案中進行探索和嘗試。台灣的業界先進必須密切關注的是公部門推動BIM技術的趨勢,目前公共工程委員會正推動並擬定相關BIM技術在一定金額以上之公共工程的執行相關細節,也正研擬設計單位運用BIM技術作業的設計費調整,並且在第72期的公共工程電子報之中,說明「公共工程金質獎頒發作業要點」評審標準,新增了公共工程運用建築資訊建模新技術運用項次,配合政府政策推動,將BIM技術協助營建生命週期之各項管理,以及工程作業之新技術、新方法與新概念運用納入於評審標準項目中,也就是說一定金額以上的公共工程,未來將把BIM技術的執行納入要求,而一定金額以上公共工程大部份都有帷幕工程,帷幕牆產業中參與公共工程的業者,無論是設計或施工將無法置身於這波建築技術革新之外。
而有大陸帷幕設計、施工業務的同業更需留意,大陸住建部編制的建築業“十二五”計劃,明確規劃提出要推進BIM協同工作等技術應用,普及視覺化、參數化、三維模型設計,以提高設計水準,降低工程投資,實現從設計、採購、建造、投產到運行的全過程集成運用。因為將BIM技術納入“十二五”計劃,政策將引領建築業資訊技術走向更高層次,而未來BIM的全面應用將大大提高建築工程的資訊化程度,這對帷幕牆產業的發展帶來良好的機遇,而同時也是巨大的挑戰。首先必須能夠讀取全案其它結構、建築、機電,以及其它工程專案的BIM相關資料,並完成帷幕牆的深化設計,使設計乃至整個工程的品質管制和整合效率顯著提高,並希望藉此整合降低工程成本,這是對帷幕牆行業的挑戰;其次,帷幕牆行業將完善後的設計回饋給設計單位或總包商的BIM執行單位,進而完成協同設計,提升建築整體設計水準和工程品質。

 

現有BIM技術在帷幕牆產業運用的優勢及不足

優勢方面,基本上BIM的技術特點都能在帷幕牆產業運用呈現

  • 視覺化及參數化設計
  • BIM技術提供了非常方便的視覺化功能,對以往以2D線條表現的構件改採用3D視覺進行展示;跟效果圖所不同的是,這些3D圖是通過構件的資訊庫自動生成的,能夠反應出構件之間的互動性和關連性。所以在BIM之中,整個過程都是視覺化的,不僅能夠展示立體效果,產出各類報表,更重要的是專案設計、建造、運營和維護過程中的溝通、討論、決策都在視覺化的狀態下進行。

  • 協調性及構件關聯性設計
  • 建築工程全生命週期是一個複雜的過程,一旦專案的實施過程中出現了問題,參建各方就需要開協調會議查找問題原因,提出解決辦法,進而出具變更。施工中常會遇到的碰撞問題,通過BIM的衝突檢討就可在設計階段處理碰撞報告,做成衝突檢討資料,供參與的各方進行討論協調。

  • 進行各種模擬檢討
  • 通過BIM可提取建築物模型資料,進行類比計算、模擬演習等。在設計階段中,BIM可以對建築模型進行類比計算和實驗,例如:節能模擬、日照模擬、熱能傳導模擬和緊急疏散模擬等;在招投標和施工階段可以進行4D類比,也就是根據施工組織設計類比實際施工,優化施工方案來指導施工;還可以加上造價成本做5D模擬,從而實現成本控制;後期運營階段則可模擬與外牆有關的日常緊急動線的模擬,例如地震人員逃生模擬及消防人員疏散模擬等。

  • 協同作業設計
  • 隨著建築工程複雜性的增加,跨專業的合作成為建築設計的趨勢。BIM為傳統建築工程提供了良好的技術協作平臺,提供了建築物的統一完整資訊,包括幾何資訊、物理資訊、規則資訊,還提供了建築物變更後資訊的連動性。例如,結構工程師改變柱子的尺寸時,建築模型中的柱子也會立即更新。BIM還為不同的設計單位、施工單位提供了一個良好的協作平臺,例如施工單位可以在建築資訊模型基礎上添加時間參數進行施工4D虛擬,控制施工進度等等。BIM技術不僅僅改變了設計單位、施工單位傳統的工作協調模式,而且還使業主、政府部門、材料製造商和施工單都可以基於同一個BIM模型協同工作。

  • 介面整合及工序檢查
  • 首先可依營建管理專業,將帷幕牆工程與其它工項或機電系統,需要釐清的介面關係找出來,作為建模及應用的介面,再把碰撞衝突找出來加以檢討管理,後續再將帷幕牆工程總體工程進度完全依照實際現場工程規劃區分為系統及分區,製作成與施工計畫較為一致,含有施工動線的帷幕牆工項4D工序,做為總體進度中與其它工項協調的溝通工具。

缺點方面,現有的BIM軟體有以下不足

  • 帷幕牆的建模應用功能還不夠強大
  • 現有的BIM軟體基本在門窗系統工具中皆有帷幕牆的建模功能,在帷幕牆的3D建模方面都非常方便,一般標準型規格化之建模工具皆具備,非垂直角度或曲面的帷幕牆也能輕易建置3D模型。但對帷幕牆設計界,繪製更專業的帷幕牆詳圖及製造圖功能就付之厥如。

  • 無法用一套軟體完成全生命週期工作
  • 無法如鋼構工程可以用一套BIM軟體,自設計方案選擇、3D建模、細部設計發展、施工圖、工廠製造圖、直接上機台製造。結構力學計算方面仍需轉到其它結構計算程式做計算,再回來修改模型。

  • 尺寸規格合理化功能尚不足
  • 目前BIM軟體各有其強項,但大部份尺寸規格合理化功能尚不足,需要其它輔助軟體來補強曲面分析到尺寸規格合理化相關功能,再回來修改模型;然而,提取複雜造型之帷幕牆高程、放樣尺寸及施工尺寸資料功能亦有不足,也需要其它輔助軟體來補強。

 

期待BIM技術的發展能助帷幕牆產業升級

  • 對帷幕牆業界先進的建議
  • 從2013年北美建築產業的BIM使用調查結果來看,超過50%的設計案、70%的營造案的使用比率,由此大膽推斷,BIM技術在建築業的廣泛運用是不可逆的趨勢,帷幕牆產業如何能藉BIM技術的發展能助帷幕牆產業升級一把?為了能共用整個建築案BIM模型,業界必須去了解BIM技術發展動態,提升自已BIM的應用水準,若公司規模、人才充分,可將原來設計規劃人才經教育訓練及BIM導入,建立自已的BIM技術應用能力;人才不足的公司則可透過專業結合方式,委託BIM顧問公司,結合帷幕專業及BIM專業形成異業結合,以完整的產業鏈因應未來多變複雜的帷幕工程需求。

  • 對帷幕牆產業界的建議
  • 由產業界共同成立帷幕牆產業研發團隊,進而建立帷幕牆BIM技術運用流程,實現設計(包括方案設計、結構計算、熱工計算、日照計算等等)、加工製作、安裝施工和運行維護的各個階段的運用軟體使用整合,進一步撰寫BIM技術在帷幕牆系統的自動化程式,增進產業競爭能力。