4D 營 建 管 理 系 統 導 入 與 初 步 成 效 分 析 1 康 仕 仲 2 廖 源 輔 3 吳 翌 禎 摘 要 4 郭 政 翰 5 謝 尚 賢 本 研 究 主 要 說 明 一 套 名 為 Construction Director 的 4D 營 建 管 理 系 統 之 開 發 流 程 及 系 統 特 色, 並 透 過 實 際 的 應 用 導 入 案 例, 來 分 析 系 統 應 用 所 產 生 之 效 益 及 所 遭 遇 的 問 題, 除 能 更 清 楚 地 了 解 業 界 的 實 際 需 求, 並 能 根 據 所 遭 遇 的 問 題 來 擴 充 及 修 正 Construction Director, 以 求 系 統 更 趨 於 完 善 與 更 具 實 用 性 本 研 究 也 期 望 透 過 導 入 經 驗 的 分 享, 有 助 於 有 志 發 展 4D 視 覺 化 營 建 管 理 系 統 的 人 員, 能 開 發 出 更 有 效 益 之 營 建 管 理 系 統 關 鍵 字 : 4D CAD 營 建 管 理 施 工 模 擬 系 統 導 入 Case Study on Application of a 4D Construction Management System Shih-Chung Kang 1, Yuan-Fu Liao 2, I-Chen Wu 3, Cheng-Han Kuo 4 and Shang-Hsien Hsieh 5 ABSTRACT This paper describes the development and features of Construction Director, a 4D construction management tool developed at National Taiwan University, and reports the benefits as well as technical problems the authors found in applying Construction Director, to a real building project. It is hoped that the experiences learned from the case study can serve as a reference for those who are interested in development of 4D construction management systems. Keywords: 4D CAD, Construction Management, Construction Simulation, Application Implementation 一 前 言 4D 營 建 管 理 系 統 Construction Director 為 國 立 台 灣 大 學 與 中 鼎 工 程 股 份 有 限 公 司 所 共 同 研 發 之 4D 營 建 管 理 系 統, 其 主 要 特 性 是 結 合 專 案 時 程 資 料 及 3D 繪 圖 平 台 所 產 出 之 3D 建 物 模 型, 可 以 隨 著 時 間 軸 以 動 態 的 方 式 來 模 擬 工 程 中 每 一 建 築 物 件 每 一 時 段 的 施 工 進 度 透 過 這 樣 動 態 的 模 擬 方 式 來 展 現 每 個 工 期 進 度 所 必 須 完 成 的 施 工 項 目, 可 以 讓 規 劃 者 在 掌 握 時 程 安 排 上 的 精 確 度 有 極 大 的 提 升, 亦 可 以 協 助 工 程 進 度 的 控 管 而 Construction Director 除 了 可 以 應 用 在 規 劃 設 計 階 段 中 以 及 早 發 現 空 間 及 時 間 衝 突 問 題 之 外, 在 施 工 階 段 也 可 以 當 作 工 程 管 理 及 工 程 掌 控 之 輔 助 工 具, 配 合 實 際 工 程 狀 況 之 資 料 輸 入, 可 以 輔 助 工 程 管 理 者 了 解 工 程 目 前 狀 況 及 對 即 將 遭 遇 之 問 題, 提 早 因 應 目 前 國 內 4D 視 覺 化 營 建 管 理 技 術 之 發 展 與 應 用 仍 在 起 步 階 段, 尤 其 缺 乏 實 際 的 成 功 案 例 本 研 究 將 Construction Director 系 統 實 際 導 入 地 上 17 層 地 下 3 層 之 中 鼎 新 大 樓 新 建 工 程 案 例 的 營 建 管 理 中, 透 過 系 統 導 入 的 過 程, 除 了 可 以 更 確 切 的 了 解 國 內 業 界 對 於 4D 營 建 管 理 系 統 的 真 正 需 1 2 3 4 5 國 立 台 灣 大 學 土 木 工 程 學 系 助 理 教 授 中 鼎 工 程 公 司 土 木 設 計 部 助 理 總 工 程 師 國 立 台 灣 大 學 土 木 工 程 學 系 博 士 班 研 究 生 國 立 台 灣 大 學 土 木 工 程 學 系 碩 士 班 研 究 生 國 立 台 灣 大 學 土 木 工 程 學 系 教 授
求 之 外, 更 可 以 實 際 分 析 出 4D 營 建 管 理 系 統 應 用 可 帶 給 工 程 管 理 之 成 效 及 可 能 衍 生 之 相 關 議 題 本 研 究 期 望 透 過 導 入 經 驗 的 分 享, 及 分 析 系 統 導 入 後 對 於 成 本 與 時 間 管 理 之 影 響, 讓 工 程 業 界 更 清 楚 瞭 解 4D 營 建 管 理 系 統 的 效 益 與 導 入 時 所 需 注 意 的 課 題 二 Construction Director 2.1 Construction Director 的 設 計 與 實 作 Construction Director 是 建 構 於 美 國 Intergraph 公 司 的 PDS / SmartPlant Review (SPR) 的 作 業 環 境 下, 而 所 使 用 的 主 要 開 發 方 法 則 是 利 用 現 有 SPR 的 API (Application Interface) 為 基 礎, 延 伸 擴 充 出 4D 專 案 管 理 的 功 能 利 用 圖 一 可 以 說 明 Construction Director 的 設 計, 如 圖 中 所 示,Construction Director 的 架 構 主 要 分 為 KernelFacde 及 GUI 兩 個 部 分 KernelFacde 子 系 統 主 要 是 將 SPR 開 發 套 件 之 功 能 先 整 理 並 封 裝 於 KernelFacde 元 件 中, 然 後 再 透 過 KernelFacde 來 擴 充 SPR 所 不 足 之 查 詢 功 能 (Search Engine) 和 動 態 展 示 功 能 (Animation Engine) 另 外 的 GUI( 使 用 者 界 面 ) 則 包 含 展 示 專 案 時 程 之 專 案 管 理 樹 (Schedule Tree) 及 管 理 與 顯 示 3D 工 程 物 件 之 Models List 等 介 面, 可 供 使 用 者 進 行 時 程 項 目 與 3D 物 件 之 連 結 供 4D 專 案 管 理 之 功 能 其 使 用 者 介 面 如 圖 二 所 示, 工 具 列 (A:Toolbar) 提 供 存 取 檔 案 資 料 物 件 查 詢 及 動 畫 展 示 等 功 能, 而 左 方 樹 結 構 頁 面 (B:Tree View) 可 新 增 Activity Workitem 工 程 項 目, 分 別 建 立 其 時 程 資 訊, 中 間 的 子 樹 結 構 頁 面 (C:Sub Tree View) 可 針 對 特 定 的 Activity 項 目 進 行 展 開, 方 便 使 用 者 編 輯 操 作, 而 右 方 條 列 式 頁 面 (D:List View) 藉 由 查 詢 功 能, 將 SPR 中 3D 模 型 物 件 資 訊 列 出 Construction Director 並 可 以 利 用 Project XML 的 檔 案 格 式, 來 作 為 與 其 它 專 案 軟 體 的 溝 通 橋 梁 圖 二 :Construction Director 使 用 者 介 面 工 程 動 態 模 擬 使 用 者 可 透 過 動 態 動 畫 或 者 靜 態 高 對 比 色 差 的 效 果 [1], 檢 視 專 案 管 理 樹 所 包 含 物 件 之 正 確 性, 或 者 模 擬 展 示 整 個 營 建 過 程, 其 展 示 成 果 如 圖 三 所 示, 而 展 示 顏 色 說 明 如 表 一 所 示 圖 一 :Construction Director 系 統 設 計 圖 2.2 Construction Director 系 統 特 色 本 研 究 所 建 置 之 4D 營 建 管 理 系 統 Construction Director[2, 3] 主 要 具 備 下 列 四 項 功 能 特 色 4D 專 案 管 理 為 了 方 便 使 用 者 管 理 專 案 時 程 並 連 結 3D 模 型 資 料,Construction Director 提 圖 三 : 工 程 動 態 模 擬
表 一 不 同 工 程 狀 態 之 顏 色 說 明 顏 色 施 工 狀 態 粉 紅 色 紅 色 黃 色 藍 色 橘 色 在 指 定 的 期 間 之 前 就 已 經 完 工 正 在 施 工 中 剛 完 工 已 完 工 尚 未 施 工 實 獲 值 管 理 實 獲 值 (Earned Value) 管 理 為 以 視 覺 化 4D 營 建 管 理 功 能 為 基 礎, 進 一 步 結 合 成 本 規 劃, 並 經 由 實 獲 值 分 析 法 [4] 來 計 算 出 整 個 專 案 的 執 行 百 分 比 實 獲 值 分 析 法 可 同 時 將 進 度 及 成 本 量 化, 提 供 管 理 者 一 種 明 確 的 績 效 評 量 指 標, 其 系 統 功 能 如 圖 四 展 示, 上 方 的 資 料 表 格 (A: Data Grid) 用 於 展 示 自 視 覺 化 4D 營 建 管 理 程 式 匯 出 之 施 工 排 程 及 成 本 XML 檔 案, 並 且 提 供 單 位 與 工 項 成 本 等 欄 位 的 編 輯 功 能, 下 方 則 分 為 兩 個 頁 籤, 分 別 展 示 工 程 進 度 與 成 本 兩 種 資 訊, 每 個 頁 籤 又 分 為 兩 部 分, 如 圖 四 所 示, 左 下 方 的 資 料 表 格 (B: Data Grid) 藉 由 查 詢 功 能, 可 將 某 個 日 期 之 實 獲 值 列 出, 另 一 個 則 是 右 下 方 的 曲 線 圖 (C: Line Chart), 可 展 示 整 個 工 期 的 實 獲 值, 進 而 瞭 解 工 程 的 施 工 狀 況, 以 及 進 行 成 本 控 管 中 模 擬 吊 車 操 作, 找 尋 無 障 礙 的 吊 車 移 動 路 徑, 並 在 模 擬 過 程 中 提 供 各 項 干 擾 因 素 ( 機 具 碰 撞 荷 重 力 ) 的 即 時 分 析 操 作 員 亦 可 以 在 軟 體 模 擬 中 全 程 錄 製 操 作 過 程, 以 供 真 實 施 工 時 之 參 考 Erection Director 之 使 用 者 介 面, 如 圖 五 所 展 示 圖 五 :Erection Director 使 用 者 介 面 三 系 統 導 入 與 成 效 分 析 為 印 證 本 研 究 開 發 之 4D 營 建 管 理 系 統 的 可 行 性, 本 研 究 將 系 統 導 入 實 際 案 例, 並 分 析 其 效 益 及 所 遭 遇 的 問 題 3.1 案 例 說 明 中 鼎 新 大 樓 的 建 地 位 於 台 北 市 中 山 北 路 六 段 與 德 行 西 路 交 環 之 區, 新 大 樓 規 劃 為 地 上 17 層 地 下 3 層 建 築 各 樓 層 高 度 為 3.9 公 尺, 建 築 物 高 度 69.05 公 尺, 計 入 屋 突 總 高 度 則 為 78 公 尺, 標 準 樓 層 樓 地 板 面 積 約 560 坪, 房 屋 總 面 積 約 10,650 坪 ㄧ 樓 大 廳 約 92 坪, 二 樓 中 間 部 分 挑 空 強 調 一 樓 大 廳 之 氣 勢, 地 下 室 開 挖 面 積 1,208 坪 (3,992 平 方 公 尺 ) 可 容 納 190 個 汽 車 位 及 400 個 機 車 位, 其 建 築 概 念 圖, 如 圖 六 所 示 圖 四 : 實 獲 值 管 理 使 用 者 介 面 吊 裝 計 畫 模 擬 Construction Director 所 使 用 的 模 型 資 料 可 匯 出 給 另 一 套 名 Erection Director[5] 的 吊 裝 模 擬 系 統 來 進 行 吊 裝 過 程 的 真 實 操 作 模 擬 Erection Director 可 讓 吊 車 操 作 員 在 特 定 時 間 點 的 虛 擬 環 境 圖 六 : 中 鼎 新 大 樓 工 程
3.2 Construction Director 之 應 用 本 研 究 將 Construction Director 實 際 應 用 於 中 鼎 新 大 樓 工 程 之 案 例, 以 下 說 明 應 用 此 系 統 基 本 上 所 需 要 的 四 個 步 驟 : 步 驟 一 : 建 置 Activity Tree 使 用 者 可 以 手 動 或 是 直 接 匯 入 專 業 排 程 軟 體 的 排 程 資 料 檔 案, 如 先 利 用 P3 或 MS project 來 建 置 一 個 Activity Tree 然 後 匯 入 系 統 中 來 檢 視 或 修 改 ( 如 圖 七 所 示 ) 圖 九 : 狀 態 一 建 置 基 樁 圖 七 : 建 置 Activity Tree 之 介 面 步 驟 二 : 建 置 4D Model 使 用 者 必 須 使 用 Construction Director 所 提 供 之 多 項 輔 助 工 具, 將 工 程 專 案 時 程 資 料 與 3D 物 件 相 連 結, 以 產 生 4D Model ( 如 圖 八 所 示 ) 圖 十 : 狀 態 二 建 置 地 下 連 續 壁 圖 八 : 建 置 4D Model 步 驟 三 : 工 程 進 行 前 的 模 擬 當 4D 模 型 完 成 後, 我 們 可 以 使 用 Construction Director 來 預 先 模 擬 工 程 進 度 狀 況 ( 如 圖 九 到 圖 十 二 所 示 ) 圖 十 一 : 狀 態 三 鋼 結 構 工 程
圖 十 二 : 狀 態 四 工 程 完 成 步 驟 四 : 展 示 工 程 施 工 進 度 狀 況 當 使 用 者 輸 入 指 定 的 工 程 日 期, Construction Director 可 以 用 不 同 的 顏 色 展 示 計 畫 進 度 狀 況 與 實 際 進 度 狀 況 中 不 同 之 處 ( 如 圖 十 三 所 示 ) 圖 十 三 : 計 畫 與 實 際 工 程 狀 況 比 較 表 二 工 程 進 度 狀 況 比 較 之 顏 色 說 明 顏 色 計 畫 與 實 際 進 度 狀 況 比 較 之 結 果 黃 色 已 完 工 紅 色 施 工 中 藍 色 尚 未 開 工 綠 色 延 遲 開 工 紫 色 延 遲 完 工 3.3 初 步 成 效 分 析 本 研 究 針 對 導 入 Construction Director 進 行 成 效 分 析, 結 果 發 現 在 工 程 專 案 中 使 用 4D 管 理 工 具 可 產 生 許 多 效 益, 其 分 析 結 果 整 理 如 下 : Construction Director 讓 工 程 規 劃 者 能 在 早 期 施 工 規 劃 階 段 中, 及 早 了 解 計 畫 的 可 行 性 與 可 施 工 性 Construction Director 對 施 工 團 隊 而 言 是 一 個 有 效 的 溝 通 工 具 Construction Director 幫 助 工 程 管 理 者 可 以 更 精 確 地 規 劃 工 作 Construction Director 讓 工 程 師 可 以 依 據 3D 模 型 和 專 案 時 程 資 料 做 更 精 確 的 成 本 評 估 Construction Director 可 協 助 預 先 發 現 空 間 及 時 間 衝 突 問 題, 以 利 事 先 改 善 Construction Director 可 記 錄 實 際 施 工 過 程, 供 日 後 它 案 之 參 考 改 進 及 訓 練 使 用 3.4 遭 遇 問 題 在 另 一 方 面, 在 建 置 所 謂 4D 模 型 的 過 程 中, 發 現 到 一 些 技 術 方 面 的 問 題 它 們 包 括 : 很 難 製 作 出 精 細 的 3D 物 件 ( 例 如 鋼 筋 ) 和 假 設 工 程 ( 例 如 塔 吊 和 鷹 架 ) 部 分 重 要 里 程 碑 工 項, 例 如 申 請 工 程 建 造 許 可 這 類 跟 3D 模 型 沒 有 直 接 關 係 的 作 業 項 目, 雖 為 重 要 工 作 時 程 項 目, 卻 很 難 去 表 現 出 來 雖 然 Construction Director 提 供 數 種 批 次 建 置 連 結 3D 模 型 物 件 和 專 案 時 程 資 料 的 方 法, 但 還 是 需 要 花 費 時 間 在 連 結 的 工 作 上 在 Construction Director 的 建 築 資 訊 模 型 裡, 有 些 元 素 ( 例 如 梁 柱 接 頭 ) 並 無 法 反 映 出 現 實 工 地 的 情 況 四 結 論 使 用 Construction Director 對 營 造 業 具 有 潛 在 的 效 益,Construction Director 除 了 應 用 在 規 劃 設 計 階 段 中 可 以 及 早 發 現 問 題 之 外, 在 施 工 階 段 也 可 以 當 作 工 程 管 理 及 工 程 掌 控 之 輔 助 工 具, 配 合 實 際 工 程 狀 況 之 資 料 輸 入, 可 以 輔 助 工 程 管 理 者 了 解 工 程 目 前 狀 況 及 即 將 遭 遇 之 問 題, 提 早 因 應 並 做 決 策 另 外, 本 研 究
將 Construction Director 導 入 實 際 的 工 程 案 例 中 進 行 應 用 案 例 研 究, 並 在 使 用 與 操 作 過 程 中, 將 其 管 理 程 式 修 改 擴 充 以 符 合 國 內 工 程 業 界 的 需 求, 使 其 更 趨 於 完 善 與 具 實 用 性 此 外, 也 藉 由 實 際 的 國 內 工 程 應 用 導 入 經 驗 分 享, 提 供 未 來 相 關 4D 營 建 管 理 系 統 發 展 者 的 參 考 依 據 最 後, 期 望 能 藉 由 本 研 究 的 成 果, 將 新 的 管 理 方 法 推 廣 到 國 內 的 工 程 業 界 誌 謝 感 謝 財 團 法 人 中 技 社 在 研 究 經 費 上 之 支 持 並 感 謝 劉 永 吉 助 理 總 工 程 師 周 書 平 資 深 工 程 師 及 廖 南 華 工 程 師 於 實 際 導 入 工 作 的 協 助 參 考 文 獻 1. 張 涵 碩, 色 彩 配 置 與 4D 建 物 模 型 之 使 用 性 研 究, 碩 士 論 文, 土 木 工 程 研 究 所, 國 立 台 灣 大 學, 民 國 九 十 六 年 2. Hsieh, S.H., Chen, C.S., Liao, Y.F., Yang, C. T., and Wu, I.C., Experiences on Development of a 4D PLANT Construction Simulation System, Proceedings of the 11th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering, June 14-16th, 2006, Montreal, Canada. 3. Hsieh, S.H., Chen, C.S., Liao, Y.F., Yang, C. T., and Wu, I.C., Construction Director: 4D Simulation System for Plant Construction, Proceedings of the 10th East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction, August 3-5th, 2006, Bangkok, Thailand. 4. PMBOK Guide, A Guide to the Project Management Body of Knowledge, Third Edition, PMI, 2004. 5. 紀 宏 霖, 工 程 吊 裝 之 物 理 行 為 模 擬, 碩 士 論 文, 土 木 工 程 研 究 所, 國 立 台 灣 大 學, 民 國 九 十 六 年