BIM/BEM整合


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BIM是甚麼? 維基百科的介紹很簡潔: Building information models (BIMs) are files (often but not always in proprietary formats and containing proprietary data) which can be extracted, exchanged or networked to support decision-making regarding a building or other built asset. 簡單翻譯:BIM就是數位資料檔,可以存取、交換、網路傳遞,用來協助建築相關決策。

依維基百科的定義,建築能源模擬分析模型(Building Energy Models, BEMs)也是屬於BIM的一支。不過市場上現有的BIM產生與管理工具絕大多數是由建築CAD軟體公司所開發,主要應用於建築設計與施工。目前談到BIM,除非特別說明,一般的認知就是建築詳細的3D幾何模型(加上其他資訊)。也因此才會產生BIMBEM整合的議題。從比較廣義BIM的角度,其實是BIM內部「建築設計」與「能源模擬」的整合。


為何要先強調BEM也是BIM的一支? 因為BIMBEM整合這樣的議題容易讓人陷入BIM是主BEM是從的迷思,就是萬事皆應以BIM(建築3D幾何模型)為出發點,必須先有BIM才能以此為基礎產生BEM(建築能源模擬分析模型)。這就如同「機器人必須先長的像人」一樣的誤導。由於一些建築設計軟體,例如Revit,開發了BIM自動轉換成BEM的功能,因此幫助了不少建築師開始做建築能源模擬分析。這是好事。但是:

  • BEM的幾何部位與BIM有相當大的差異。BEM中的屋頂、牆、地板、隔間等(為配合能源模擬分析軟體)必須以2D平面(無厚度)物件組成,而且每個內部空間必須完全密合,不能有任何間隙(俗稱破洞)。因此要從BIM3D幾何自動轉換到BEM2.5D是有代價的: 需要投入額外時間/人力來檢查、修補BIM。既使如此,還是會有失敗或產生錯誤的風險。而且BIM越複雜,發生問題的風險也越高,時間/人力成本、進度也更難掌控。
  • BEM可以(也應該)BIM簡化很多。建築物的幾何細節並不太會影響能耗。由BIM轉成的BEM通常會不必要的過於複雜。這不只會大幅增加模擬分析的運算時間,過去的經驗也顯示BEM越複雜,各種錯誤越容易發生,也越難被發現。
  • BIMBEM的實質效益有限。目前實務上大多數的建築事務所是完成2D平面圖後再交給專業做BIMBIM需要花錢花時間。當BIM完成時,建築物的外型與外殼設計已大致底定。這時候才開始做能源模擬分析可變更的設計已經有限,而且還需要反覆修改BIM。以建築物的方位為例,既使可以很方便把BEM旋轉各種角度模擬其能耗影響,但實際上它與建築物的量體配置,基地形狀,周邊環境等等都習習相關。一個小調整可能就會觸發一連串的設計變更。


應先BEMBIM


美國建築師協會(AIA)的建築能源模擬指導手冊「Architect's Guide to Integrating Energy Modeling in the Design Process(https://www.aia.org/resources/8056-architects-guide-to-integrating-energy-modeli)中提到三個重點:
  • 建築能源模擬是現代建築師必備的重要技能;
  • 建築師應該主導建築能源模擬的進行;
  • 建築能源模擬應該越早做越好,甚至在提案階段或之前就要開始做
所以比較理想的工作流程應該是:先做BEM後建BIM。以繪畫作比喻,若BIM是後面產出的作品,那BEM就像是前端所做的各種素描。若有先在初步設計階段建BEM做能源模擬分析,到建BIM時就不會為了能耗因素需要在建築方位、外型、或外殼做重大設計變更。

初步設計階段建BEM可以很簡單。提供三個路徑供參考:

  1. 用建築設計(CAD)軟體建2.5D的幾何外型,然後再轉至BEM軟體。例如:Revit至Insight360, SketchUp至Sefaira, 或是SketchUp至OpenStudio. 其中Insight360, Sefaira和OpenStudio都有內建EnergyPlus,可一條龍完成能源模擬分析。採用這條路徑的優點是 (a) 可沿用已熟習的CAD軟體。 (b) 沒有BIM(3D)轉BEM(2.5D)的失敗風險; (c) 可提前做能源模擬分析,也不用修補BIM。缺點是 (a) 剛開始時需花一點時間掌握建BEM (2.5D)的要點(這應該是值得的), (b) 需要在CAD與BEM間切換,在BEM中若要改變幾何形狀,須回到CAD做變更。
  2. 有些BEM軟體,例如 OpenStudio(V2.3起),本身就內建了幾何功能,可直接建BEM以及做能源模擬分析。採用這個路徑的優點是 (a) 不須做BIM(3D)至BEM(2.5D)的轉換,也不須在CAD軟體與BEM軟體間切換; (b)如果是OpenStudio,一個軟體就可以涵蓋建築生命週期中幾乎所有的能源模擬分析需求。但是缺點是 (a)需要人為判斷的選項多,設定介面比較複雜,會有一段學習曲線, (b)建幾何外型的功能較為陽春,不適合外型複雜的大型特殊建築。
  3. 上面第二路徑的雲端化(網路化),例如RBESP,同樣是用OpenStudio建BEM以及用EnergyPlus做能源模擬運算,但把他們移到雲端,改以智慧化互動式網頁做操作介面。此路徑繼承了第二路徑所有的優點 (a) 不須做BIM(3D)至BEM(2.5D)的轉換,不用在CAD與BEM軟體間切換,(b) 具觀念設計與方案設計階段所有重要能源模擬分析功能,而且(c)操作非常簡單快速,只需輸入幾個參數就能自動建立2.5D幾何外型。不過受到目前網路繪圖技術的限制,RBESP建幾何外型的功能仍然較為陽春,不適用外型複雜的大型特殊建築。

BEMBIM


市面上尚未出現能夠自動把BEM(2.5D幾何)轉換成BIM(3D幾何)的軟體。目前實務上比較常見的做法是在BEM軟體中把2.5D幾何物件以gbXML格式輸出,再以人工方式在BIM軟體中修改成3D幾何。很多BEM軟體,包括OpenStudioRBESP,都有gbXML的輸出功能。大多數的建築CADBIM軟體,包括RevitSketchUp 等等也都具有gbXML的輸入功能。
  

BIM至BEM


回到BIM至BEM。若到了細部設計階段需要做建築能源模擬分析,已經建了BIM但尚無BEM,可選擇 
  1. 如果有Revit/Insight360,先嘗試使用其BIM to BEM的自動轉換功能。若轉換成功而且只需做基本的能源模擬分析,可直接在Insight360中執行。若需要做較複雜的能源模擬,可把BEM以gbXML格式輸出,然後讀入OpenStudio做模擬分析。Insight360與 OpenStudio都是採用EnergyPlus作為運算核心,不過OpenStudio只會讀入gbXML中的幾何相關物件。其他物件會被忽略需重新在OpenStudio中設定。
  2. 若沒有BIM至BEM的自動轉換功能,或是BIM至BEM的自動轉換不順利,可嘗試以BIM做底,在上面重建一個BEM(2.5D幾何)。很多CAD軟體有分層(layer)的功能。可增開一層來單獨儲存新產生的BEM(2.5D幾何)物件,再把這一層的物件以gbXML格式輸出。接下來與上一個路徑雷同:可在CAD附屬的BEM軟體中做能源模擬,或是轉到第三方BEM軟體,例如OpenStudio,做較複雜的模擬分析。
上述第二個方法基本上就是重建一個BEM。不過有BIM做底,效率可提高很多,犯錯的機會也比較低。



BIM+BEM


綜合以上:
  • 在建案初始(提案/觀念設計/方案設計)階段適合用「一站式」能源模擬分析軟體,例如RBESP,先快速對各種設計組合做綜合能效評估,類似繪畫的前端素描作業。
  • 勝出組合方案(1個或超過1)可透過gbXML輸入建築CAD軟體,例如Revit SketchUp,進行細部設計,同時開始建立BIM
  • 細部設計階段的能源模擬可 (a)3D幾何轉換(或重建)2.5D,或(b)修改原始BEM的方式進行。
  • BIM 3D幾何做底重建BEM 2.5D幾何,再以gbXML格式輸入OpenStudio進行能源模擬分析是個人較推薦的SOP 
下面是建議的系統示意圖,提供參考:
 

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