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研究生： 簡翊亘
Chien, Yi-Hsuan
論文名稱： 利用知識本體論建構智慧化BIM成本元件架構
An Ontology-based Framework to Develop Intelligent BIM Objects for Cost Analysis
指導教授： 馮重偉
Feng, Chung-Wei
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2016
畢業學年度： 104
語文別： 中文
論文頁數： 142
中文關鍵詞： 建築資訊模型 、知識本體論 、成本估算 、備標流程
外文關鍵詞： BIM, Ontology, Cost Estimation, Bid Preparation
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    • 營建工程多為專案導向，新建工程的投標作業常需重新分析專案現況和大量建案資料，由於備標準備時間有限，實務上，成本工程師僅能以自身工程經驗擬定投標工項種類、數量計算準則和單價制定原則，再根據標單和平面圖說計算工項數量，彙整專案資訊、歷史資料和詢價結果進行單價分析以確立單價，進而完成投標預算書。現行人為估算作業程序費時且效率低，且投標估算結果常與施工執行成本花費產生出入，導致總承包商低估施工成本，輕則壓縮利潤，嚴重時則會影響工程進行。
    營造業使用BIM工具提升作業效率的情況漸增，以成本估算為例，BIM工具數量計算的功能著實提升計算準確性和效率，為了更有效的應用BIM，相關研究透過建構BIM建模規範釐清模型資訊需求，或是利用資料庫整合BIM與預算項目並發展成本估算應用流程。然而，現行結合BIM的成本估算作業方式始終依靠人為解析參考文件規範並建置模型內容，再利用BIM工具萃取所需資訊，較少探討整合工程知識經驗與成本估算資訊以提升作業效率的相關議題。
    本研究彙整備標流程、成本工項元件相關性分析和工項語意資訊，應用知識本體論建置成本估算本體模型和SWRL規則語言，藉此整合本體模型與建築資訊模型，以本體模型呈現工項元件關聯性和成本估算資訊推論機制，並利用本體推論機制辨識工項成本資訊和應用於BIM內的相關變數，呈現以工項為基礎的模型元件智慧性，並以IDEF0解析資訊流和應用架構，清楚呈現結合本體論與建築資訊模型於成本估算作業的應用流程。本研究利用知識本體論結構化工程經驗成資料模型，整合BIM與成本估算作業資訊，作為應用BIM於成本估算作業的資訊需求規範，本體模型也能隨工程資料量增加和知識經驗變化而持續修正，進而提供符合現況的工程資訊。

    A well-prepared bid is crucial for the general contractor to win a project successfully. Contractors have to spend considerable time organizing and analyzing the building data and project information. However, due to the limited bid preparation time, cost engineers can only complete the tender by their own experiences without detailed analysis, resulting in a huge deviation between the budget and the actual cost. Therefore, BIM is employed to improve the efficiency and effectiveness of cost estimation process because of its versatile and accurate quantity take-off. Even BIM can be a good assistant to the quantity take-off, cost engineers still need to consider the construction process along with the construction specifications and regulations for better cost estimation. To utilize BIM for analyzing cost information more effectively, it is necessary to develop a new framework that can incorporate the various construction informations to replace the manual cost analysis method.
    In order to propagate a better workflow for cost estimation process, this research applies ontology to integrate BIM and cost semantic information analyzed from experiences and construction regulations. To begin with, the bid preparation process, the correlation analysis between work items and model objects, and semantic information of work items are organized. Then, ontology is used to develop the ontology model, SWRL and SPARQL. Furthermore, BIM is applied as a modeling tool. Finally, IDEF0 is used to analyze the information flow of BIM-based cost estimation process combined with ontology. Results show that this research has provided a new methodology that would improve the performance of BIM-based cost estimation process during bid preparation stage: (1) Propose a cost estimation ontology and application process to formalize construction knowledge and integrate semantic information with BIM. (2) Use an inference mechanism of ontology model to obtain cost and quantity information. (3) Identifying the variables which can be applied in BIM through the inference results represents the intelligence of objects.

    目錄 摘要 I Abstract II 致謝 VI 目錄 VII 圖目錄 IX 表目錄 XII 第1章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 3 1.3 研究範圍 4 1.4 研究流程 5 1.5 論文內容與架構 7 第2章 研究問題陳述與文獻回顧 8 2.1 研究問題陳述 8 2.2 工程專案成本管理 10 2.2.1 成本估算生命週期 10 2.2.2 備標估算流程與影響因子 12 2.2.3 工程編碼&PCCES 16 2.3 建築資訊模型 Building Information Modeling(BIM) 18 2.3.1 BIM發展現況 19 2.3.2 BIM導入營建產業專案 20 2.3.3 應用BIM於成本估算 22 2.4 本體論 23 2.4.1 本體論概念 24 2.4.2 應用本體論於成本估算 28 2.4.3 結合本體論與BIM 29 2.5 小結 31 第3章 研究方法 33 3.1 BIM建模工具 33 3.2 IDEF0分析法/BPH分析法 34 3.3 本體論/OWL/Protégé/推理器 37 3.4 SWRL/SPARQL 44 3.5 小結 48 第4章 以工項為基礎的本體知識成本分析架構 49 4.1 解析工項語意資訊 52 4.1.1 估算影響因子 52 4.1.2 工項語意資訊 54 4.2 資訊需求分析 61 4.2.1 成本資訊需求分析 61 4.2.2 建築模型項目資訊需求分析 67 4.3 建構成本估算本體知識模型架構 74 4.3.1 類別建立 78 4.3.2 屬性建立 82 4.3.3 實例建立 84 4.4 建構推理邏輯與查詢規則 86 4.4.1 SWRL語言 86 4.4.2 SPARQL語言 95 4.5 建構施工資訊回饋模式 98 4.5.1 建構本體推論資訊應用流程 99 4.5.2 建構模型資訊與推論工項資訊連結性 105 第5章 案例驗證 111 5.1 案例介紹 111 5.1.1 案例背景 111 5.1.2 案例BIM模型 112 5.2 以工項為基礎的成本估算分析架構 113 5.2.1 以5D元件庫建構建築資訊模型 114 5.2.2 連結建築模型資訊與成本工項 117 5.2.3 根據預算工項推論成本資訊 123 5.2.4 結合本體論與BIM的成本估算 129 5.3 小結 134 第6章 結論與建議 135 6.1 結論 135 6.2 未來研究方向與建議 137 參考文獻 139 圖目錄 圖 1.1研究流程圖 6 圖 2.1生命週期各階段成本估價詳細程度圖(楊秉蒼, 2009) 11 圖 2.2工程專案招標發包階段之成本估價作業流程(林秉毅, 2004) 11 圖 2.3 投標流程圖(鄭正光,1996) 13 圖 2.4預算編列概念 14 圖 2.5單價分析概念 15 圖 2.6 備標因子與作業流程圖(林純民2005) 15 圖 2.7 公共工程細目碼編碼架構 17 圖 2.8麥格希爾營建調查報告BIM效益統計表(MCGRAWHILLCONSTRUCTION, 2014) 19 圖 2.9以工項成本編碼連結資源項目及施工規範示意圖(陳怡兆,2009) 20 圖 2.10 BIM專案實施規劃程序 20 圖 3.1 IDEF0定義(FIP，1993) 34 圖 3.2 IDEF0結構性展開分解圖(FIP，1993) 35 圖 3.3 BPH示意圖(HEGAZY, 2011) 37 圖 3.4 本體模型概念圖 38 圖 3.5 OWL2 的架構圖(W3C, 2012) 39 圖 3.6 PROTÉGÉ軟體介面 41 圖 3.7 推理器分析比較表 44 圖 3.8 SWRL規則範例圖 45 圖 3.9 SWRL語言物件圖 46 圖 3.10 SPARQL查詢介面範例圖 47 圖 4.1成本估算本體論魚骨圖 49 圖 4.2 本體論分析流程圖 51 圖 4.3 備標影響因子 53 圖 4.4建築工程工作分解結構圖 63 圖 4.5營造廠投標預算圖 63 圖 4.6預算總表 64 圖 4.7詳細價目表 65 圖 4.8單價分析表 66 圖 4.9 BPH解析標單工項 67 圖 4.10 UNIFORMATⅡ編碼示意圖 68 圖 4.11成本項目與建築元件關聯性示意圖 70 圖 4.12本體論建置流程圖 74 圖 4.13 ONTOGRAF產出類別關係圖 75 圖 4.14類別關係圖 76 圖 4.15資料屬性 78 圖 4.16類別階層架構 78 圖 4.17 物件屬性 78 圖 4.18執行工項相關構件任務與作業項目(部分內容擷取) 97 圖 4.19工項元件關係(部分內容擷取) 97 圖 4.20 本體模型系統架構圖 98 圖 4.21 結合本體論與建築資訊塑模的成本估算流程要素 99 圖 4.22 現行備標流程圖(IDEF0)_A0 100 圖 4.23 現行備標流程圖(IDEF0)(續)_A0 100 圖 4.24 結合本體論的投標預算編制流程(IDEF0)_A0 101 圖 4.25結合本體論的投標預算編制流程(IDEF0)(續)_A0 102 圖 4.26分析建築工項相關性(IDEF0)_A2 103 圖 4.27 分析建築元件類型_A1 103 圖 4.28 應用成本估算模型 104 圖 4.29 5D DATA PACK示意圖 105 圖 4.30推論資訊結合5D資料包示意圖 106 圖 5.1行政大樓新建工程BIM模型 111 圖 5.2根據選取範圍的BIM模型截圖 112 圖 5.3成本估算本體論應用流程圖 113 圖 5.4單一工項對應多種元件 114 圖 5.5單一元件對應多種工項 115 圖 5.6建築資訊模型_筏基地樑 116 圖 5.7建築資訊模型_筏基基版 116 圖 5.8建築資訊模型_地樑柱 116 圖5.9地下一樓任務 118 圖5.10一樓任務 118 圖 5.11一樓任務(續) 118 圖 5.12本體論架構圖 119 圖 5.13辨識模型工項查詢語法 120 圖 5.14抗壓強度280KG/CM2混凝土查詢語法 121 圖 5.15抗壓強度315KG/CM2混凝土查詢語法 122 圖 5.16鋼筋工項的資源使用推論 124 圖 5.17鋼筋的工序內容推論 124 圖 5.18鋼筋工項的分包方式 124 圖 5.19混凝土工項的資源使用 125 圖 5.20混凝土工項的工序內容 125 圖 5.21 混凝土工項的分包方式 125 圖 5.22模板工項的資源使用推論 126 圖 5.23模板工項的工序內容 126 圖5.24 模板工項分包方式 126 圖 5.25後續工項內容會影響模板使用材料 127 圖 5.26施工方法導致工項數量增加 127 圖 5.27工序相關工項影響成本 128 圖 5.28構件不同工項內容亦不同 128 圖 5.29 構件幾何關係會影響成本項目內容_施工架 128 圖 5.30 BIM模型元件圖 129 圖 5.31 利用明細表進行數量計算 130 圖 5.32 辨識BIM模型變數示意圖 131 表目錄 表 4.1 估價影響因子彙整表 54 表 4.2本體論架構語意表 56 表 4.3模板工項語意表 59 表 4.4備標階段與施工階段間的資訊需求 62 表 4.5成本估算資訊需求列表 66 表 4.6 UNIFORMATⅡ編碼 68 表 4.7 建築元件表 69 表 4.8 工項元件關聯表 72 表 4.9工項元件關聯表(續) 73 表 4.10 類別表 79 表 4.11類別表(續) 80 表 4.12 類別表(續) 81 表 4.13 物件屬性表 83 表 4.14 資料屬性表 83 表 4.15 實例表 84 表 4.16 實例表(續) 85 表 4.17工項元件的連結性判斷表 87 表 4.18工項元件的連結性判斷表(續) 88 表 4.19續接器工項成本資訊推論 89 表 4.20鋼筋工項成本資訊推論 90 表 4.21 混凝土工項成本資訊推論 91 表 4.22 模板工項成本資訊推論 92 表 4.23 模板進階成本資訊推論 93 表 4.24模板工項進階推論(續) 94 表 4.25 SPARQL範例語法表 95 表 4.26元件庫(5D WAREHOUSE)表 107 表 4.27 普通模板工項元件表 109 表 4.28 普通模板成本資訊表 110 表 5.1元件庫_筏式基礎 115 表 5.2輸出模型涵蓋工項內容 120 表 5.3 抗壓強度280KG/CM2混凝土的元件資訊 121 表 5.4 抗壓強度315KG/CM2混凝土的元件資訊 122 表 5.5人為解析與本體推論工項差異 131 表 5.6 模板工項單價 132 表 5.7 考量施工排架的模板工項單價 133 表 5.8 考量可調式鋼管支撐的模板單價 133

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