Whitby Bird & Partners英國約克郡千禧橋

「創新而無風險(Being cutting-edge without the risks)」這句話，是Whitby Bird & Partners公司使用MicroStation TriForma來研究結構工程的一條捷徑。

 Martyn Day編譯

相信每個人都同意，從製圖板轉移到電腦輔助設計，是一項很正確的做法。這項做法對於產量的影響，包括了正確性的提升、簡易的編輯方式、重複性任務的自動化、以及使用智慧型幾何工具等，其價值早已超越了最初與進行中所規畫的開銷。同時，設計與建築業界在進行作業時，就已低估了這些系統的長期影響力。我認為這是因為當大多數的公司採用電腦輔助設計(簡稱CAD)時，直接把它當成了紙和筆的替代用品，然而我們都知道，電腦輔助設計工具(簡稱CAD)絕對有能力能夠完成我們所要求的工程任務，其能力遠遠地超出了傳統「紙上作業」的方式。就像那些公司所說的：我們正在使用大錘把核桃敲開，簡直是大才小用。

有些公司已經準備好、也願意改善電腦輔助設計科技的使用方式，以刪減成本、減少發展所需的時間、同時也要獲取競爭優勢。對於MicroStation的使用者來說，必要的工具早已列於編制中。通常進步的最大障礙，在於應該如何使用工程工具這類內部共識的改變，而這些公司正從「CAD是一種文件記錄的工具」的心理狀態，超越到實際使用電腦輔助設計(簡稱CAD)來進行工程設計。在英國巴茲起家、並且在倫敦擁有大型辦事處的Whitby Bird & Partners公司，就是這種型態的公司。

Whitby Bird & Partners公司成立於1984年，為建築與橋樑設計提供所有必要的工程服務。該公司擁有300名以上的員工，其工程團隊提供了結構、土木、與建築服務，另外還加上了外觀工程、建築物理、以及基礎建設的專業人員。所有的資深員工無論在工作上或設計建築專案中，皆擁有廣泛的經歷，還結合了其他擁有特殊電腦與建築設計技能的精良員工。

Whitby Bird & Partners公司曾經包辦過各式各樣的專案，其中包含了辦公室發展、學院與大學、研究大樓、住宅、工廠、橋樑、戲院、健康專案、運動設施、商店與社區大樓。首次嘗試新的建造與翻修方式。他們最近所承包專案的資本價值，範圍大約在20萬英鎊(相當於28萬2千美金)到2億5千萬英鎊(相當於3億5千2百50萬美金)以上。  

對科技的態度

為了審查Whitby Bird & Partner公司對於科技的適合度，我與CAD發展部經理Nigel Davies，以及一位Whitby Bird & Partners公司的主管Mike Hitchens，談到了關於升級到3D的益處。

Hitchens說道：「我認為3D已經成為我們生產設計的主要方式。我們試著只用3D來建立模型」。

「對我們來說，2D成為歷史了。我們目前使用3D來建立模型，除非有很好的理由叫我們不要這麼做。我這麼說吧，我們有百分之九十五到百分之九十九的鋼鐵架構設計，現在只用3D來做」。

「使用3D來建立模型讓我們得到了更好的結果，比起我們仍舊使用2D的結果，錯誤可說是少之又少。」

Davies補充道：「我們幾乎所有的工作基礎，都是MicroStation以及MicroStation TriForma。對於建立鋼鐵架模型來說，最初是使用X-Steel軟體來完成，主要是因為那是一套建造者所選擇的軟體，但是它並沒有與我們的非鋼鐵繪圖產物整合在一起，這就是問題所在了。在過去，我們用X-Steel軟體來建立3D模型，然後再匯入MicroStation TriForma軟體中，結果發生了像是這樣的問題：在每一鋼鐵元素上產生了32萬5千個表面，這根本就無法處理。我們現在使用了SDNF格式(Steel Detail Neutral Format，鋼鐵細部中立格式)，能夠逐字地把鋼鐵模型描述為起始點、結束點以及構件的尺寸。MicroStation TriForma為這些模型帶來了絶對的奇妙性，因此接下來我們擁有了智慧型的MicroStation TriForma物件，讓我們可以直接產生並使用2D圖」。

「對我們來說，這是個已被證明過的功能。我們已經做了五年，而且我們知道用這種方式做會得到我們想要的結果。所以我們目前所要研究的是X-Steel軟體與MicroStation TriForma軟體之間的關聯性，如此一來我們才不需要做重複的工作」。

Davies繼續說道：「這差不多是達到創新而無風險的境界了；我們確定您可以馬上解決手邊的工作，並且為公司帶來利潤。當我們從建立模型中獲利時，我們知道我們只是在表面上搔搔癢罷了，如果我們能讓買賣承包商，在製造過程中使用我們的模型，那才真的是太棒了，不但能夠自動化，還可以降低成本與浪費」。

毫無例外地，為了能達到3D的水準，Whitby Bird & Partners公司已經持續推動MicroStation以及後來的MicroStation TriForma工程組態，以看看可能或不可能完成哪些項目。舉例來說，MicroStation/J所引進的強力參數式實體模型引擎(Parasolid engine)，能夠允許設計團隊建立極具挑戰性的幾何圖形。

約克郡的千禧橋

在1997年的九月，Whitby Bird & Partners公司贏得了一項由約克郡千禧大橋信託公司所舉辦的設計競賽，競賽目的是為了要設計一座跨越約克郡奧斯河(river Ouse)的新人行橋。Whitby Bird & Partners公司得獎設計的特色為：驚人的80米弓形物支撐主橋架，可供行人行走，並且留有自行車道的空間。大多數的橋樑建造成本420萬英鎊(相當於592萬2千美金）是來自於千禧委員會的許可，然而，最初提出這項專案願景的，卻要追溯回1994年，由一群約克郡居民合作整理的實施報告書。

這個不鏽鋼弓架，估計斷面僅有600毫米乘以200毫米，描繪出圓形的弓形部分，設定在距離水平面50度角之處。這個圓形相當於一個擁有365支輻條的輪胎，從陸地上的中心點輻射出去。這個具有創意的設計作品就像是自行車的輪胎，如同輪胎的輻條緊繃於胎環之間一樣，橋樑上的鋼索也緊繃於弓架之間。而橋面則是這個虛構輪胎的中樞，而且是用巨大的鋼鐵殼罩與細薄堅硬的板金焊接在一起，才耐得住鋼索的內部拉力。這個具有結構性的殼罩形成了行人所行走的路面；弓架與這個懸臂殼罩斷面也得以完美地平衡。至於橋面下，細長的橋墩座落在大型的柱狀混凝土地基上，其直徑幾乎長達一公尺，穿入土壤中的更堅硬的地層下。在西邊的部分，深遠的架徑從橋墩向上攀升，並且在抵達主架之前，繼續穿越過四條中間橋墩。在西岸，弓架源自於傾斜的橋墩。主架跨越河流並向上爬升，是為了船能夠在東岸傾斜的橋墩與混凝土橋座靠岸之前，完成必要的航行清關手續。

橋面是以梯形狀的鋼鐵殼罩樑所組成，前懸臂狀斷面以繩索綁缚在斜支柱上，透過不鏽鋼索以一公尺間隔的方式，來支撐其重量。相對的深遠的橋架、不依慣例建造的橋面外觀以及低主體，皆使橋樑具備了空氣動力學的性能，對風力的作用具有潛在的敏感度。Whitby Bird & Partners公司委託BMT流體力學公司(BMT Fluid Mechanics)執行一系列的風洞測試，以便評估橋樑的空氣動力學穩定性，以及橋面的風力負荷量。

使用了風洞測試的模型組合，以及進階的電腦分析，橋樑的模型即建立起來了，負荷量也應用上了。為了找出板金的彎曲壓力以及彎曲檢查，而發展出一系列的LUSAS模型，可讓所有的橋面板金分別以外觀元素來表示(LUSAS是一套英國品牌的工程分析軟體)。弓架模型的建立乃是使用槓桿元素與橋面末端所調和。以下的三個模型分別使用於建造橋樑的各個不同階段：

• 弓架本身的重量、主架、不含鋼索的弓架

• 主架載重量、主架、弓架與鋼索

• 行人負荷量以及入口架載重量。完成橋樑

來自於每一個模型的壓力，後來都被疊置在一起，並且被因式分解，這是為了必須提供一個跨越橋樑的總壓範圍。

根據這個專案的合作夥伴Des Mairs所說，這個設計的整體哲學觀，是能夠使用電腦來進行模擬分析。他說：「用電腦來建立模型，讓我們得以提供一個非常細長、優雅、而且符合成本效益的結構物。在之前，我們可能沒有足夠的信心來設計。除此之外，這個複雜的建築策略能夠在不同的階段被分析，以確保後來所增加的壓力不會被鎖定，也允許弓架落入它最後傾斜的位置。這樣就可以確保結構物得以良好的運作」。

藉由研究壓力的過程，這個設計得以在後來逐步調整，重複測試、並且使其盡善盡美。這座約克郡橋樑幾乎已經測試過上千回了。只有在完成那麼多模型的情況之下，以及測試出所有可能的組合性，這項建造工程才得以開始進行。

在2000年的8月，橋樑的主要建築部分就已經從河岸開始進行。縱使曾遇到嚴重的河水氾濫，這個310噸重的約克郡千禧橋已經在2001年4月開放使用了。

3D的MicroStation

根據Davies所說的：「千禧橋是我們在全面採用MicroStation TriForma之前，使用MicroStation 3D功能的典型範例。這有點像是我們的3D學習曲線圖表。由於通常橋樑都是很複雜的幾何結構，我們剛好藉此機會來使用CAD環境，而且特別值得一提的是，MicroStation的全面性3D模型建立工具，能夠分析千禧橋的進階幾何圖形，以及分析不同的結構元件如何互動。這對設計的分析與視覺化來說，無疑是一大益處」。

「對於這種型態的專案來說，3D模型是最早被建立的，而一般的2D圖檔的整理與細節部分，則是經由手動操作這個最初的模型所產生的。若要把3D的資料，轉換到能夠用在一般的2D圖組中的資料，我們會計算生成出隱藏線(Hidden Line，簡稱HLN)檔案，以便在模型之外，製造出我們所需要的平面幾何圖形」。

然而，這種3D模型與2D平面圖之間毫無關聯的使用方式，在編輯或修改橋樑的幾何圖形時，問題就產生了。因為設計圖具有非常精細且一致的結構，即使是最細微的改變，都會影響到其他的細節部分，而且需要把不少時間耗費在手動修改200張以上的設計圖。

當了解到完全使用3D模型來完成專案的益處，卻感受到在執行2D與3D轉換過程中，那種毫無關聯性的痛苦時，很快地，3D模型應該會驅動2D細部圖的自動化生成，這不是很明顯嗎！  

建築外觀設計

把執行與使用3D模型納入設計的過程後，Whitby Bird & Partners公司體認到超越傳統2D設計限制的好處。像約克郡千禧橋的這類經驗讓事情變得更明顯：分別執行3D模型與2D細部圖，有時候會導致不一致性，因為它們之間並沒有任何的關聯性。因此，Whitby Bird & Partners公司將美商賓特利系統公司的MicroStation TriForma軟體視為一套能夠大幅改善設計過程的工具，因為它可以從中心的3D模型，自動提供2D文件。Whitby Bird & Partners公司的建築外觀工程專案，是第一個使用所謂的「TriForma治療法(TriForma treatment)」的區域。

根據Hitchens說道：「我們所要嘗試的，是應用我們過去七年間所學到的鋼鐵架設計課程，而且要注意哪部分能夠立刻省錢，在此階段的主要焦點，在於能夠預覽具體的建築外觀。我們目前手邊的幾個專案，就是這種以外觀設計為基礎的」。

Hitchens解釋道：「建立鋼鐵或混凝土的架構都非常的容易，然而，當您嘗試把其他的元素放上這個架構時，此時所有的問題都會發生，大多是金屬包被、機械與電機的問題。目前我們正在建立鋼鐵架以及金屬包被，並且在CAD模型中建立所有的細部設計，與首次在現場所經歷的完全不同。依照過去的慣例，主要的設計過程是根據2D圖來建構，因此只有在現場，您才能發覺其衝突性。接著還有一個現場重建的例子，其所耗費的成本非常高，特別是用在金屬包被的部分，這是因為它造價昂貴，而且必須耗費很長的時間把元件導入。如果您曾經耗費六個月的時間來設計、描繪、以及製造建築元件，然後到了現場卻發現必須改變設計，那您最好再等一等，因為接下來的三個月您會發現另一個元件隨之出了問題，這實在是一件不便宜的差事。一開始客戶會償還這些錢，但是假如客戶能夠找到顧問來負責此事，那他們可能就不付錢了。我們想在第一線就把這些浪費給排除掉，因為當事情愈變愈糟時，大概就只有律師最能受惠吧」！

所以，在現場所發現的衝突性成本的耗費可說是無法預測的，因此所有其他的交易事項，都會在金屬包被完成之後才安排，因為金屬包最可能會延遲作業。換句話說，這些公司可能必須先停止動員，另外計畫動工的日子，並且支付額外的動員費用，這些都要歸於延遲的成本。契約本身在延長完工期限時，即宣告終止，而主要的承包商必須在現場耗費更久的時間。根據Hitchens的說法，每個月的額外費用，可能會比契約成本增加一個百分比。

Davies解釋Whitby Bird & Partners公司盡量避免現場會發生的問題。他說：「這個秘訣就是要確定您的工作資訊很明確、具一致性、也很清晰，所以您得以盡其所能地縮減資訊需求(requests for informaiton，簡稱RFIs)，資訊需求愈少，就有愈多的利潤可圖，賠償的發生率也會更少」。

「當每個人都在談論使用3D來解決這類問題時，有許多人仍然只是高談闊論這個理論，卻不願實際執行。3D能夠幫助您檢查幾何圖形以及偵測衝突性，而應用這個理論的其他好處，是可以確保整個設計過程的改善。我們正在建立一個能與供給鏈相連結的資訊模型，而且我們確實開始在建築的過程中獲得了改善，比起模型自己獨自運作來得有用多了」。

Davies繼續說道：「我們正使用3D模型來測試建築元件的相容性以及建造的順序。模型讓我們得以在會議中建立各種組合元件，也讓我們在知識經驗上毫無鴻溝，如此一來就可以排除掉現場可能發生的錯誤」。

Juxon建築物

Whitby Bird & Partner公司最近承包了一項建築專案－Juxon建築物，它是「主禱文名家計畫(Paternoster Master Plan)」中的其中一棟建築物。主禱文名家計畫是一項聲名狼藉的設計作品，主要目的是要為倫敦聖保羅大教堂(St. Paul’s Cathedral，在1710年由Christopher Wrenrm爵士所建造完成)建造一個適當的環境景觀。它為原有教堂的古典景觀，設立了極具對立性的現代化景觀。當時為了解決環繞在這個知名教堂的空地，而首度出現了這個解決方案，但卻在當時導致了許多的爭論與辯駁。那些之前圍繞在聖保羅大教堂、卻不合宜建築物，是在1960年代所建造完工，現在已經破壞殆盡，因此才能分別重建六棟新的建築物。一項新的交通車流措施的實行，將允許車子直接從地面下通往每一棟建築物，如此一來，地面上的廣場就可開放給民眾與行人使用。

Juxon建築物在當地的所有建築物中最為顯著；它面對著聖保羅大教堂優雅的建築外觀。Juxon建築物將會擁有新古典主義的外觀，以當地自給自足的波蘭石混凝土建築板材來製造。正因為位於如此著名的地點上，這個建築物的外表是大綱計畫被認可的主要關鍵因素。

這個建築外觀將會從外框到每一樓層的水平，懸掛於建築嵌板上，從側面固定到鋼架上。這些嵌板在製造的過程中可能會與波蘭石緊接，也有可能在嵌板架設之後，在現場製作手工石面。若選擇使用後者，在石頭與混凝土嵌板之間，會有細縫的偏差。使用事先做好的嵌板，您也了解會有哪些優點。這個方法僅需使用少量的波蘭石，因此重量會減輕，而結構架的尺寸也會隨之縮小，如此一來，當然也就大幅降低了成本。除此之外，嵌板的組件製造將得以在建造的時程中獲得較佳的預測度，而且也鷹架的需求量也會減少。

在轉移到建造現場之前，Whitby Bird & Partners公司特別強調早期的建築、鋼架與建築外觀的協調部份，以及使用3D模型來矯正結構架與混凝土嵌板。設計團隊與Techrete公司（事先製造石面混凝土嵌板的轉承包商）之間的協調，可確保外觀設計與建造的影響，早已納入鋼架規劃內的考量，而鋼架規劃中包含了在鋼架與建築外觀之間的定點以及支撐設備。而且這個新的建造過程可以排除掉潛在的衝突性，如此一來就可以在後來的階段降低設計變更的風險。

MicroStation TriForma

Whitby Bird & Partners公司在這個專案中採用了MicroStation TriForma，以便建立起建築外觀與固定裝置的模型。改用MicroStation TriForma的工程組態是直接由Davies所下的決定。「現在我們忘卻了資料的技術細節，但我們卻發現，跟以前僅使用MicroStation所提供的3D功能比較起來，MicroStation TriForma的工具組讓我們的CAD技術員得以更快速地從2D轉換到3D。我們大多數的CAD技術員對於MicroStation TriForma已經很熟悉了，它們寧可使用TriForma來建立所有的3D模型，就算在執行跟TriForma無關的專案也是一樣的」。

「MicroStation TriForma最棒的一些優點，是能夠帶給我們超越一般MicroStation或其他產品的功能，它不但為我們的2D設計過程與目前的資料交換程序提供了完整的整合性，更重要的是，它也讓平面繪圖在3D設計的過程中，變成了次要的副產品。還有，MicroStation TriForma模型會提供給整個設計團隊（無論是內部或外部）非常明確的資訊－使用簡單的詢問（query）功能可以告訴您那是什麼、它位在何處、以及精準的材質規格」。

這些特定的功能所提供給這個模型的，包括了核心的SmartSolid以及「TriForma Place Forms」，以便快速地建立幾何圖形。充分的使用零件（parts）、族系（families）與元件（Components），可讓材質定義與非圖片式的資料增加到模型之中。如此一來就能夠自動取得其數量與成本，以及體積和重量，這就是使用智慧型3D模型的即時利益。

一但完成了模型的建立，設計團隊即使用MicroStation TriForma的自動斷面生成功能，提供必要的連結，以便計算產生2D圖與細節的輸出影像。這代表所有的變更都可以很快地反應到細部圖上，不再需要經歷冗長的修改階段，如同約克郡千禧橋（York Millennium Bridge）那個案例一樣。

科技計畫

隨著MicroStation V8的推出，這似乎是個最好的時機，來詢問Nigel Davies有關公司內MicroStation V8與其他新科技的部署計畫。他早就想要在公司內部署MicroStation V8，但我懷疑MicroStation V8的新功能還能如何改變或協助Whitby Bird & Partners公司目前的工作狀況？Davies回答說：「有個問題困擾我們很久了，我們想要確保資料能夠轉譯成DWG檔以及從DWG檔轉譯過來，並且盡量維持其正確性，正確到能夠製造出我們想要的輸出品。如果MicroStation V8可以實現它的承諾，那麼我們馬上就不用再思考這些問題了。賓特利在MicroStation V8內，建立了一個AutoCAD畫筆設定（pen settings）的直接轉譯功能，這表示它應該能夠打開或者參照DWG檔，也可以精確的出圖，完全不需要重新設定畫筆表、或是花三天的時間用電話追蹤詢問正確的畫筆顏色」。

「對於不是使用MicroStation的員工來說，也有一項很大的益處，就是將能擁有跨越作業平台的能力，這是由於在MicroStation操作上做了必要基礎改變和圖形化的使用者介面，以及我們與合作夥伴一同規劃的CAD訓練方案」。

「Adrem-DCX設計團隊再也不必擔心在徵人時必須考慮其是否具備相關的CAD作業平台技巧，生產力停工期也應該會顯著地減少」。

「VBA功能將會在MicroStation與其他MicroSoft Office的相關系統之間做相當程度的整合。雖然MicroStation BASIC已經足夠使用了，但是卻愈來愈難應付各種語言版本、以及多種不同的自訂化應用程式。AutoCAD同樣擁有VBA功能，這表示我們可以在這兩種使用相同語言版本的CAD系統中，完成相同的自訂化。我們已經在我們的辦公室繪圖註冊軟體與CAD環境之間，進行更密切的整合研究。我們雖然受限於具有MDL使用經驗的可用員工數量，卻透過VBA功能讓事情變得簡單多了，因為可以開拓更多的替代方法」。

讓訓練成為優先考量

在高科技的公司裡，想要雇用具有優良的電腦與設計技巧的員工是個難題。應徵者不只要熟悉最新的設計軟體，還必須具有進階的技術特色以及深度的認知。Whitby Bird & Partners公司謹記著這一點，而且對於訓練其員工使用MicroStation抱持著非常主動積極的態度。

Davies說：「去年度的營業額增加了百分之三十，但是員工的水準只增加了百分之一而已。」他把一部分的效率轉移到全面性的3D發展與CAD訓練計畫。

這種培訓技能的健全態度並不是只有針對Whitby Bird & Partner公司的員工而已。由於體認到社區與學生教育也是極為重要的一部分，因此這家公司承諾要為在學的學生改善3D的教育課程，也為「休學生」（高中的中輟生或是沒有繼續升學的畢業生）擴展了技術相關課程。但是這也引發了一些討論，這家公司察覺到，在倫敦有許多種授與建築工程課程的學校，非常缺乏現今設計與科技的課程內容，在英國，年輕的休學生進入建築行業的人數已經已經大幅地減少了，學徒方案也不再有用了，而那些加入建築業界的人，也缺乏工程或3D系統的實作知識。對Whitby Bird & Partners公司來說，這似乎是與學校進一步洽談的最佳時機，讓學生能夠獲取「實作」的經驗。這家公司希望能夠為有興趣、有能力的休學生規劃學習路線，以便直接學習符合該公司需求的技術。他們目前正主動地規劃工作經驗技術，以及為目前的設計與科技課程撰寫教學內容，而且已經得到進修部(Department of Further Education)以及具影響力的政府教育諮詢會的正面回應。

投資於民眾與科技

顯而易見地，Whitby Bird & Partners公司目前正轉型到完全以3D模型為中心的工作方法。然而Nigel Davies坦承有某部分無法做到，他告訴我說：「我們仍然試圖想辦法解決目前科技上的限制，才能製造出所有我們需要的工程資料。現在想要建立一個有效模型的關鍵，在於建立模型之前，必須先了解後端使用者的需求。我們目前建立模型的細部程度，是相當於1:50或是1:100，可製造出比使用擷取幾何圖形放入平面圖、以及在傳統方式中增加細部圖的方式還要更大的模型。我們正試圖從基礎模型與3D細部檔案之中，直接找出便於連結非細部元素的方式」。

「業界依賴傳統的繪圖習慣仍是有待克服的議題。對於A/E/C產業來說，想要發展並且達成生產力與製造過程的目標，必須找出改善整體效率的方法。我們必須根除這種不得不在現場技術繪圖所產生的不確定性」。

「從我所看到的Whitby Bird & Partners公司，努力地在其投資的科技中獲取最大的利益。該公司了解到，3D模型具有競爭優勢，這是因為3D模型可以提供更佳的預測性、更高品質的產品。Whitby Bird & Partners公司已經展現出『敢做就是贏家』的風範」。

Whitby Bird & Partners公司除了在科技上的顯著投資之外，它也致力於投資在民眾的身上－也就是公司的員工以及下一世代的專業建築人士。這個非常先進的遠見在整個公司內似乎很具有說服力，而且可以鼓舞那些正陷入於傳統CAD『平面樂園』的公司。這些公司未能投資它們自己的未來，更不用說要投資在潛在員工的技術上了。Whitby Bird & Partners公司非常了解轉變到以模型為中心的生產優勢，而且也將在科技與訓練上，維持的長期性的願景，看來他們將可持續獲利。

從2D轉換到3D當然會有一些風險。我相信Nigel Davies會是第一位同意這句話的人。話雖如此，這些風險卻是足以應付的。有很多嘗試過3D而且失敗的人，一開始會回頭想想如何使用他們的2D系統，特別是牽涉到執行專案的標準時。最重要的是，檢視CAD系統有其必要性，因為輔助設計並非只是數位化的紙張。