基于BIM技術(shù)的三維室內(nèi)裝飾工程CAD系統(tǒng)

1、第三屆工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集 上海.2011PAGE 基于BIM技術(shù)的三維室內(nèi)裝飾工程CAD系統(tǒng)郭軼 姜立 趙艷輝 王彥華 （中國建筑科學(xué)研究院,北京 100013）【摘要】目前在進(jìn)行室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)時(shí)，要完成三維建模、三維場景實(shí)時(shí)模擬、施工圖繪制等不同過程，需要不同的軟件；材料統(tǒng)計(jì)及各種圖表的繪制和三維模型是沒有關(guān)聯(lián)的。如何在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述不同過程的有效集成、實(shí)現(xiàn)三維模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效結(jié)合，是現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。文章研究了基于BIM的三維室內(nèi)裝飾工程計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，提出了基于BIM的裝修設(shè)計(jì)系統(tǒng)的新架構(gòu)，并描述了BIM思想在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用和體現(xiàn)。系統(tǒng)基于BIM思想成功地將三維

2、建模、渲染、動畫及配景貼圖、施工圖繪制、材料統(tǒng)計(jì)等多項(xiàng)功能集成化，充分滿足了設(shè)計(jì)者的需求，大大提高了裝修過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的效率?！娟P(guān)鍵字】BIM 虛擬現(xiàn)實(shí) 三維建模 室內(nèi)裝飾1引言在過去的20年中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及CAD軟件的普及和推廣使建筑設(shè)計(jì)師們甩掉圖板，從傳統(tǒng)的手工繪制中解脫出來，帶來了工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的第一次數(shù)字革命。現(xiàn)在，建筑信息模型（BIM）的出現(xiàn)和應(yīng)用將引發(fā)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的第二次數(shù)字革命，給設(shè)計(jì)、施工、裝修、維護(hù)等建筑生命周期的各個(gè)階段帶來極大的便利和收益。建筑信息模型BIM（Building Information Modeling），是以建筑物三維數(shù)字化為載體，以建筑物全生命周

3、期為主線，將建筑產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)所需要的信息關(guān)聯(lián)起來，而形成的建筑物信息集。它具有三維可視化、協(xié)同性和信息可提取性等特點(diǎn)，通過在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)為該模型建立完整的、與實(shí)際情況一致的數(shù)據(jù)信息庫。該信息庫將包含全部建筑構(gòu)件的幾何描述、專業(yè)屬性、存在狀態(tài)等各類信息。建筑物裝修設(shè)計(jì)過程處于建筑生命周期的后期階段，從建筑物整體角度講，裝修中所使用的物品體是整個(gè)建筑物（Building）的附屬物品，所以裝修信息模型屬于整個(gè)BIM設(shè)計(jì)的一部分，也有其自身的全生命周期過程。針對上述BIM的特點(diǎn)和優(yōu)勢，結(jié)合國內(nèi)裝修設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，中國建筑科學(xué)研究院設(shè)計(jì)軟件事業(yè)部研發(fā)了基于BIM的三維室

4、內(nèi)裝修輔助設(shè)計(jì)軟件（CASA），集三維建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)展示、材料統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)驅(qū)動于一體，很好地滿足了廣大裝修設(shè)計(jì)師的需求。2軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為了更好地滿足設(shè)計(jì)師的需求，解決設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際問題，軟件開發(fā)前期階段我們做了充分的市場調(diào)研工作?；贐IM技術(shù)，結(jié)合裝修過程中規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營各階段特點(diǎn)，中國建筑科學(xué)研究院設(shè)計(jì)軟件事業(yè)部自主研發(fā)了這套室內(nèi)裝飾工程計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，在事業(yè)部原有造型設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)之上，添加了專業(yè)裝修功能模塊，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)繪制，統(tǒng)計(jì)材料用量，繪制施工圖表，進(jìn)行碰撞情況驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了建筑裝修設(shè)計(jì)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計(jì)，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白。CASD軟件具

5、體架構(gòu)如圖1所示，圖中充分顯示出這個(gè)軟件的整體特點(diǎn)及如下創(chuàng)新之處。（1）一體化設(shè)計(jì)平臺。基于BIM的思想，系統(tǒng)在專業(yè)裝修的三維建模階段，記錄了各個(gè)裝修構(gòu)件的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，用于不同階段的數(shù)據(jù)提取。因而本系統(tǒng)適合各類設(shè)計(jì)、技術(shù)人員制作效果圖、施工圖，實(shí)現(xiàn)實(shí)體效果與圖紙繪制的結(jié)合。設(shè)計(jì)師不必在3DMAX中出完效果圖，再用CAD進(jìn)行施工圖的制作，而在本系統(tǒng)平臺就可一體完成。（2）精細(xì)化施工指導(dǎo)。系統(tǒng)完全按照國家圖集、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行算法編制及程序處理，支持部分結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算。特有的碰撞檢查功能，可以檢測裝修構(gòu)件與設(shè)備管道、原始結(jié)構(gòu)、三維家具等實(shí)體間的碰撞情況。這是目前BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的內(nèi)容之一

6、。在工程前期進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)及方案驗(yàn)證，施工人員可以及時(shí)地預(yù)見碰撞情況的發(fā)生并對施工圖紙進(jìn)行及時(shí)地修訂。從而在施工中有效地避免了因?yàn)楦鱾€(gè)專業(yè)交叉而導(dǎo)致的返工現(xiàn)象，為精細(xì)化施工奠定了基礎(chǔ)。（3）智能化計(jì)經(jīng)分析。在裝修BIM模型生成后自動提取所需的數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計(jì)各類材料的工程用量，并自動繪制材料統(tǒng)計(jì)表格。通過BIM獲得準(zhǔn)確的工程量統(tǒng)計(jì)可以用于前期設(shè)計(jì)過程中的成本估算、在預(yù)算范圍內(nèi)不同設(shè)計(jì)方案的探索或者不同設(shè)計(jì)方案裝修成本的比較、以及施工開始前的工程量預(yù)算和施工完成后的工程量決算。大大減少了繁瑣的人工操作和潛在的錯誤，有效地降低了成本，同時(shí)提高了裝修各個(gè)階段的工作效率。面層排版圖道具實(shí)體布置結(jié)構(gòu)施工圖加

7、工圖紙、材料表效果圖構(gòu)件表、工期信息導(dǎo)入導(dǎo)入二維數(shù)據(jù)信息DWG文件3DS文件自動結(jié)構(gòu)實(shí)體檢驗(yàn)部位選擇手動調(diào)節(jié)否標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)選擇碰撞檢驗(yàn)面層排版是平臺設(shè)計(jì)三維實(shí)體圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖3 CASD軟件實(shí)現(xiàn)及功能介紹3.1系統(tǒng)整體功能框架室內(nèi)裝飾工程計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，涵蓋裝修設(shè)計(jì)過程中的方案設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，能夠從方案設(shè)計(jì)的三維模型中提取所需數(shù)據(jù)，直接繪制施工階段所需的各種施工圖表、自動統(tǒng)計(jì)各種材料用量、繪制各種材料統(tǒng)計(jì)表格，并進(jìn)行碰撞情況的準(zhǔn)確驗(yàn)證。本系統(tǒng)大致可分為通用建模、專業(yè)建模、專業(yè)裝修設(shè)計(jì)、專業(yè)施工圖、虛擬現(xiàn)實(shí)、碰撞檢查等幾大模塊，系統(tǒng)的整體功能框架如圖2所示。

8、室內(nèi)裝飾工程計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)地面設(shè)計(jì)吊頂設(shè)計(jì)隔墻設(shè)計(jì)塊排版圖專業(yè)建模施工圖及統(tǒng)計(jì)塊加工圖裝修構(gòu)件虛擬現(xiàn)實(shí)動畫材料統(tǒng)計(jì)表工程量統(tǒng)計(jì)資源庫節(jié)點(diǎn)詳圖庫家具庫渲染通用建模專業(yè)裝修塊定尺單快速建模建筑設(shè)計(jì)DWG轉(zhuǎn)圖建筑造型模型繪制鋪砌龍骨排版圖支架排版圖龍骨、掛插件、踢腳線碰撞檢查創(chuàng)建管道實(shí)體、碰撞檢查、顯示碰撞位置三維建模圖2系統(tǒng)框架圖1）三維建模模塊：該模塊的主要功能是搭建三維建筑模型，為裝修設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。該模塊分為通用建模和專業(yè)建模兩個(gè)部分。通用建模部分提供了豐富的二維、三維繪圖功能及編輯手段，包括基本的點(diǎn)、圓弧折線、球體、錐體、臺體等繪圖功能及旋轉(zhuǎn)曲面、線轉(zhuǎn)桿、弧邊體、放樣、布爾運(yùn)算、點(diǎn)域成面、面

9、片整合等編輯手段，能夠創(chuàng)建出各種復(fù)雜的三維實(shí)體模型。但是這樣創(chuàng)建出的模型并不包含任何建筑信息，只是簡單的點(diǎn)、線、面，體對象，在后面的裝修專業(yè)設(shè)計(jì)中需要我們賦予必要的專業(yè)屬性。專業(yè)建模部分是按照建筑繪圖的方式繪制軸線網(wǎng)格，以參數(shù)化的方式繪制墻體、門、窗、陽臺、梁、柱等元素，從而快速搭建起建筑實(shí)體模型，為下一步的裝修設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。2）專業(yè)裝修設(shè)計(jì)模塊：該模塊可實(shí)現(xiàn)對任意面的鋪砌，及對各種形式的地面、隔墻、頂面內(nèi)部龍骨三維模型的自動創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)材料的自動統(tǒng)計(jì)及各種施工圖、表的自動繪制，實(shí)現(xiàn)各種裝修構(gòu)件的繪制。該模塊是整個(gè)軟件的核心部分，每一個(gè)對象都具有自己的幾何屬性及其它信息屬性。在三維模型中點(diǎn)取任何

10、一個(gè)構(gòu)件比如龍骨，都可以及時(shí)得到這根龍骨的詳細(xì)信息：比如它的截面形狀、尺寸，它的長度、位置，它所屬的基面，它的型號、價(jià)格等等數(shù)據(jù)信息。所有的構(gòu)件都有類似的信息記錄，從而可以快速地自動繪制出各種是施工圖表及材料統(tǒng)計(jì)表格。這是對BIM技術(shù)最有價(jià)值的應(yīng)用之一。3）虛擬現(xiàn)實(shí)模塊：該模塊是本系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)模塊，通過材質(zhì)紋理貼圖、光源相機(jī)設(shè)置、配景布置等手段，繪制真實(shí)的三維場景，制作出三維仿真效果圖，并且通過設(shè)置動畫路徑等手段錄制成虛擬漫游的可反復(fù)播放動畫片。4）碰撞檢查模塊：利用BIM技術(shù)，搭建裝修專業(yè)的BIM模型，對各種裝修構(gòu)件及設(shè)備管道、吊筋龍骨、原始結(jié)構(gòu)、三維家具等實(shí)體間進(jìn)行碰撞檢查的驗(yàn)證。這不僅

11、能及時(shí)排除項(xiàng)目施工環(huán)節(jié)中可能遇到的碰撞沖突，顯著減少由此產(chǎn)生的方案調(diào)整及返工情況的發(fā)生，更大大提高了施工現(xiàn)場的生產(chǎn)效率，降低了由于施工協(xié)調(diào)造成的成本增長和工期延誤。這是目前BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中最廣泛的應(yīng)用之一。3.2專業(yè)裝修CASD軟件專業(yè)裝修模塊的開發(fā)，從每一個(gè)裝修構(gòu)件到地面、吊頂、隔墻的整體創(chuàng)建，都采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，并對每一個(gè)構(gòu)件在裝修設(shè)計(jì)全生命周期中的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。通過提取三維模型中的數(shù)據(jù)信息直接統(tǒng)計(jì)材料用量，繪制出施工階段所需的各種施工圖表，從而很好地實(shí)現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)與施工設(shè)計(jì)的統(tǒng)一。這一專業(yè)功能的開發(fā)，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)軟件的空白，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。3.2.1地面、

12、吊頂、隔墻內(nèi)部三維模型的繪制CASD軟件可以實(shí)現(xiàn)裝修過程中地面、吊頂、隔墻等部位不同造型三維模型的繪制。具體步驟流程如圖3所示。并且，軟件可以實(shí)現(xiàn)圖4所示的裝修設(shè)計(jì)中的各個(gè)部位三維模型的繪制。搭建三維建筑模型定義裝修基面選擇裝修基面輸入控制參數(shù)指定鋪砌基點(diǎn)和鋪砌方向自動繪制地、頂、墻內(nèi)部龍骨結(jié)構(gòu)三維模型圖3內(nèi)部三維模型繪制步驟 異型頂 平頂?shù)蹴數(shù)孛鎵γ嫜b修實(shí)體模型架空地面.石膏板吊頂?shù)V棉板吊頂格柵吊頂垂片吊頂金屬掛片吊頂?shù)壍蹴?石膏板隔墻成品隔墻干掛石材墻面壁紙.圖4裝修模塊實(shí)體匯總3.2.2材料的自動統(tǒng)計(jì)及裝修圖表的自動繪制上述圖3繪制結(jié)果創(chuàng)建出裝修過程各個(gè)部位內(nèi)部三維實(shí)體模型。這個(gè)模型由

13、裝修基面、板材、各種龍骨及各種配件組合而成，基于BIM的理念，模型中每一個(gè)構(gòu)件都記錄了其幾何、位置、廠家型號等不同用途的數(shù)據(jù)信息。軟件可以快速地從三維模型中提取施工設(shè)計(jì)階段所需的詳細(xì)數(shù)據(jù)，從而自動提取尺寸、統(tǒng)計(jì)用量并繪制如圖5所示的各種施工圖表。 塊加工圖和定尺單塊加工圖塊定尺單龍骨排版圖材料統(tǒng)計(jì)表塊定尺單圖5各種施工圖表3.3虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真設(shè)計(jì)三維建模完成了建筑實(shí)體及內(nèi)部龍骨結(jié)構(gòu)的造型設(shè)計(jì)，但是這時(shí)的物體并不真實(shí)，我們只看到了它的輪廓，視覺效果中只有型，而顏色、質(zhì)感、紋理、環(huán)境等等還體會不到。這就需要對三維模型做進(jìn)一步的修飾，構(gòu)造虛擬環(huán)境，達(dá)到仿真的效果。室內(nèi)裝飾工程計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)提供了完善

14、的OpenGL虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及渲染和動畫仿真功能。完成創(chuàng)建對象后，設(shè)計(jì)者需要為場景布置光源、調(diào)整視點(diǎn)、設(shè)置相機(jī)，給對象賦材質(zhì)和紋理等，并且對整個(gè)設(shè)計(jì)過程即時(shí)顯示。為了達(dá)到更進(jìn)一步的仿真效果，本系統(tǒng)可以對上述操作結(jié)果進(jìn)一步操作，選擇當(dāng)前視圖或者相機(jī)視圖進(jìn)行三維渲染，制作出精美逼真的效果圖。還可以任意設(shè)置動畫路徑，及時(shí)預(yù)覽動畫效果或者錄制生成可反復(fù)播放的動畫片，這樣我們就仿佛置身在一個(gè)虛擬的三維世界之中，對建筑物本身及內(nèi)部裝飾龍骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位動態(tài)瀏覽。3.4碰撞檢查裝修特別是大面積工裝過程中遇到的一個(gè)比較棘手的問題就是裝修構(gòu)件與水、暖、消防等管道之間的碰撞檢查問題。目前裝修設(shè)計(jì)人員在具體工程項(xiàng)目的

15、設(shè)計(jì)中大都還處于二維狀態(tài)，且建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備及裝修等設(shè)計(jì)和施工過程是分別進(jìn)行的，這種各專業(yè)獨(dú)立操作及離散式的設(shè)計(jì)與施工方式所不能避免的一個(gè)狀況就是：將二維的設(shè)計(jì)內(nèi)容放樣到三維物理空間中去時(shí)，各個(gè)構(gòu)件之間的占位沖突是必然存在的。不管是新建項(xiàng)目，還是改擴(kuò)建或者維護(hù)項(xiàng)目，碰撞問題都是非常突出的。多專業(yè)錯綜復(fù)雜的二維圖紙中很難全面辨別出碰撞問題的存在。如何預(yù)先判知碰撞情況的發(fā)生，自動獲知碰撞發(fā)生的位置及控制其引起的后果，成為目前裝修工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)急待解決的難點(diǎn)。CASD裝修設(shè)計(jì)系統(tǒng)很好地解決了上述問題。前期創(chuàng)建的裝修設(shè)計(jì)三維模型，很好地記錄了各裝業(yè)構(gòu)件的各種數(shù)據(jù)信息。之后利用系統(tǒng)的碰撞檢查模塊來進(jìn)行

16、最接近物理實(shí)際的碰撞情況檢測，并產(chǎn)生相應(yīng)的檢查結(jié)果報(bào)表，使設(shè)計(jì)人員在模型建完之后第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)碰撞情況的存在，及時(shí)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。避免了以往操作模式下，在施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)碰撞問題后，由于設(shè)計(jì)變更和施工變更對工期造成的延誤，及由此帶來的一系列不良后果。系統(tǒng)中各個(gè)專業(yè)的三維實(shí)體模型建成后，選擇需要檢驗(yàn)的碰撞實(shí)體，軟件自動進(jìn)行碰撞情況計(jì)算。對發(fā)生碰撞的部位進(jìn)行高亮顯示，并以列表的形式記錄碰撞位置。在大場景并且多碰撞點(diǎn)的情況下，點(diǎn)取列表中相應(yīng)的位置后，軟件自動選擇模型中對應(yīng)碰撞部位，并放大顯示，并于下一步的調(diào)整操作。如圖6所示。圖6碰撞結(jié)果顯示4總結(jié)及進(jìn)一步完善基于BIM的三維室內(nèi)裝飾工程計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)

17、全面集成了參數(shù)化三維建模、三維場景實(shí)時(shí)模擬及渲染圖和仿真動畫等虛擬現(xiàn)實(shí)功能，便于對設(shè)計(jì)方案的實(shí)時(shí)瀏覽。系統(tǒng)還充分記錄裝修過程全生命周期的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，快速對各種構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，出具各種施工圖表，大大減少了煩瑣的人工操作和潛在錯誤，非常容易實(shí)現(xiàn)工程量信息與設(shè)計(jì)方案的完全統(tǒng)一。并且根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以很好地掌握后期材料用量，對控制成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。裝修過程是建筑全生命周期中的一個(gè)環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)目前僅是對于建筑裝修過程的實(shí)現(xiàn)，對于裝修設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營具有重要價(jià)值。但該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息目前是獨(dú)立的，如果將裝修過程的數(shù)據(jù)信息與整個(gè)建筑BIM的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，那么該系統(tǒng)的使用價(jià)值將會進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)1.過俊。BIM在國內(nèi)建筑全生命周期的典型應(yīng)用 J。建筑技藝，2011.01-02。2.郭軼，陳岱林，姜立，張雷。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建筑造型和裝修設(shè)計(jì)系統(tǒng)J。計(jì)算機(jī)仿真，2008-11。3孫立鐫。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)M。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000-5。4美Richeard S. Wright，Jr.Benjamin Lipchak 著，徐波 譯。OpenGL 超級寶典（第三版）M，北京北京人民郵電出版社，2005-9第一版。5郭軼，姜立，熊志堅(jiān)，王會一。室內(nèi)裝飾工程計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)J。土木建筑工程信息技術(shù)，2011-03。郭軼，女，