【探索30-4】建築業的數位與綠色轉型

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「建築」是個很神奇的東西,從最遠古的疊草架屋,儘管依我們現代的眼光來看是如此簡陋,但對當時的人們而言,它就是構築起來的一方天地,帶來安定的力量,生活也圍繞在其周圍。既然建築物本身是帶給人們安定力量的泉源,那麼在構築的過程中的各個細節自然馬虎不得。而且隨著時代的改變,大眾對於建築的功能有了更多的期待與需求,因此建築技術自然也更精益求精。如今的建築,不僅是構建安定空間的水泥叢林,更是智慧生活、節能減碳的各項技術匯聚而成的心血結晶。本場探索基礎科學系列講座,就讓臺大土木工程學系謝尚賢教授,帶大家走進水泥叢林中的綠色智慧天地吧!

講者、審定|臺灣大學土木工程學系 謝尚賢 教授

彙整、撰稿|周書瑋

 

談到人類史上最早的建築,大家第一個聯想到的可能是古埃及的金字塔,金字塔究竟如何建成,至今仍舊是個謎,當時沒有現代科技,沉重的大石頭究竟怎麼被運到建造地?當時的建築工人又是如何精確丈量並設計結構,建造出千年來仍屹立不搖的奇景?隨著科技演進,越來越多先進技術加入建築業,電腦繪圖和立體建模軟體漸趨成熟,房屋建造不再只能像過去仰賴大量平面圖紙來溝通,而是能透過電腦模型詳細呈現各個管路系統,還能模擬室內溫度和舒適度。在重視永續發展的時代,建築的能源消耗比例相對高,如何透過綠色轉型打造低碳建築,以及減少人類在建築物內活動的碳排放,是重要的研究議題,因此今天的探索講座邀請到臺灣大學土木工程學系謝尚賢教授,為我們講解建築業的數位轉型和綠色轉型。

 

建築製圖的演進
來源:臺大科學教育發展中心

建築和土木工程中有門雖然傳統但非常重要的學問——定位、放樣和測量,建造過程中,施工者必須持續監控相關參數,確定建築是否蓋在正確的位置上、是否滿足原本設計圖要求,也要確定有沒有蓋歪。電腦問世前,土木建築學科學生都需學習使用平板測量儀,這些測量工具仰賴紙筆記錄,且需要人力協助架設和操作,電腦出現後,電子化現代測量儀器則多能自行偵測目標、準確的量測。建築土木業運用了許多製造業的先進技術,像是各項電子化的測量設備、建築裝潢材料等,因此建築業和製造業有著密不可分的互利關係。

一項建案的成功,仰賴的是各領域專家和工人的合作,因此建築師、設計工程師、營建工程師和現場工人必須有效的溝通,瞭解彼此需求,才能順利建造出安全宜居的房屋,而這樣的跨領域溝通,從古至今全仰賴建築圖。早期的建築圖大多是手繪,且需畫非常多張才能完整呈現各樓層、各系統的配置,由於繪製人力和時間成本高昂,因此早期建築設計以簡單方便施工為主,和強調曲線和複雜幾何圖形的現代建築大不相同。〈營造法式〉中詳細記載東方早期的建築手法,像是使用榫接而不使用釘子,作法相當環保,耐震效果也很好。電腦問世後,以點、線、面構圖的CAD (Computer-aided design) 讓設計工程師得以用電腦繪製建築設計圖。電腦製圖的一大好處是能快速複製相同的建物單元,還可以套上不同顏色來區隔,如此就不需要重複繪製相同的梁或柱,節省大量的時間和心力。臺灣最早在九零年代導入電腦繪圖,當時臺北捷運局局長要求參與招標的建商,必須導入電腦繪圖才有機會拿下標案,電腦繪圖從此被引入臺灣建築業,帶來建築業革命。

 

建築資訊塑模 (BIM, Building Information Modeling)
來源:臺大科學教育發展中心

2000年後,美國開始推動建築資訊塑模,後來慢慢影響整個歐洲,臺灣則在2010年左右開始陸續導入營建產業。不同於CAD模型由點、線、面組成,BIM技術使用虛擬工程,建模時和實體一對一對應,類似參數化的堆積木,簡而言之,電腦模型和設計師間有「小共識」,電腦模型知道建築物應有的基本結構,像是屋頂、梁、柱等,及它們之間的關係,因此能根據設計圖調整各結構單元的位置,設計師也能輸入參數來調整梁柱或其他單元的尺寸與位置,而相關的單元也會自動地連動調整。舉例來說,如果設計師決定移動設計圖中的一面牆,牆上的門窗也會跟著移動,但如果是用CAD技術,移動牆面之後,牆上的門窗仍會待在原地。

BIM技術對多系統整合也非常有幫助。舉例來說,空調系統、電力系統、給水系統分屬於不同專業,過去各系統大多獨立由領域專家透過CAD技術在平面設計圖上呈現各管線在該平面(樓)層上的運行路徑,管線應從何處開始至何處結束,在平面圖上看似一目瞭然且相當容易,但其實因沒有高程資訊,施工現場可能會出現空調管線和給水管線相撞的情形,但給水管線承包商可能已施工完成離開了,這時候空調承包商就會面臨是否拆除給水管線的難題。但現在有了BIM技術,能避免空間和時間衝突,避免錯誤的重複施工,也減少能源浪費和廢棄物生成,確保施工安全並提升效率。

此外,BIM讓設計師可以在模型中模擬室內溫度、舒適度、通風,甚至模擬使用者行為,不過目前只能進行相對性模擬,像是A方案和B方案有什麼差異,尚不能確定A方案和B方案各自有多準確,因為必須對比實際情形來驗證。但未來如果可以達到絕對性模擬,就能用來模擬室內逃生路線,將為消防安全帶來重大效益。BIM技術透過對建築物全生命週期的資訊管理,確保建築物能持續發揮最大價值,並能累積知識、持續改善。

Q&A環節|來源:臺大科學教育發展中心

臺灣在2050年前預計達成淨零轉型,臺灣建築中心持續推動智慧建築標章評估體系,包括基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適和智慧創新六大指標,各指標下又細分為數個子項,希冀推動節能、減碳、減災、宜居且安全的建築。BIM技術能在設計階段協助能效分析模擬、碳足跡分析模擬、循環度分析模擬、環境健康分析模擬,在施工前進行施工安全風險分析,在施工中進行重要情境模擬,幫助團隊更有效地協調溝通和跨專業整合,也提升施工效率和品質。在重視節能減碳的時代,建築業者也致力於導入各種先進科技,透過技術提升,盡可能減少施工前中後所產生的碳排和廢棄物,共同為永續發展盡一份心力。

 


圖左為主持人東海大學通識中心 李承宗 助理教授、中間為講師謝尚賢教授、圖右為臺大科學教育發展中心 黃偉邦 主任|來源:臺大科學教育發展中心

 

延伸閱讀:【人物專訪】建築業的當代挑戰:數位轉型與綠色轉型——專訪謝尚賢教授》、《【人物專訪】是神經學老師也是表演藝術家,追尋興趣的人生「玩」家——專訪李承宗老師


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