基于BIM技术的三维室内装饰工程CAD系统

第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集上海.2011PAGE基于BIM技术的三维室内装饰工程CAD系统郭轶姜立赵艳辉王彦华（中国建筑科学研究院,北京100013）【摘要】目前在进行室内装饰设计时，要完成三维建模、三维场景实时模拟、施工图绘制等不同过程，需要不同的软件；材料统计及各种图表的绘制和三维模型是没有关联的。如何在一个系统中实现上述不同过程的有效集成、实现三维模型和数据统计的有效结合，是现实设计中的一个难题。文章研究了基于BIM的三维室内装饰工程计算机辅助系统，提出了基于BIM的装修设计系统的新架构，并描述了BIM思想在系统中的具体应用和体现。系统基于BIM思想成功地将三维建模、渲染、动画及配景贴图、施工图绘制、材料统计等多项功能集成化，充分满足了设计者的需求，大大提高了装修过程中各个环节的效率。【关键字】BIM虚拟现实三维建模室内装饰1引言在过去的20年中，计算机技术的飞速发展及CAD软件的普及和推广使建筑设计师们甩掉图板，从传统的手工绘制中解脱出来，带来了工程设计领域的第一次数字革命。现在，建筑信息模型（BIM）的出现和应用将引发工程设计领域的第二次数字革命，给设计、施工、装修、维护等建筑生命周期的各个阶段带来极大的便利和收益。建筑信息模型BIM（BuildingInformationModeling），是以建筑物三维数字化为载体，以建筑物全生命周期为主线，将建筑产业链各个环节所需要的信息关联起来，而形成的建筑物信息集。它具有三维可视化、协同性和信息可提取性等特点，通过在计算机中建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术为该模型建立完整的、与实际情况一致的数据信息库。该信息库将包含全部建筑构件的几何描述、专业属性、存在状态等各类信息。 建筑物装修设计过程处于建筑生命周期的后期阶段，从建筑物整体角度讲，装修中所使用的物品体是整个建筑物（Building）的附属物品，所以装修信息模型属于整个BIM设计的一部分，也有其自身的全生命周期过程。针对上述BIM的特点和优势，结合国内装修设计现状，中国建筑科学研究院设计软件事业部研发了基于BIM的三维室内装修辅助设计软件（CASA），集三维建模、参数化设计、虚拟现实展示、材料统计、数据驱动于一体，很好地满足了广大装修设计师的需求。 2软件系统架构设计为了更好地满足设计师的需求，解决设计过程中的实际问题，软件开发前期阶段我们做了充分的市场调研工作。基于BIM技术，结合装修过程中规划、设计、施工、运营各阶段特点，中国建筑科学研究院设计软件事业部自主研发了这套室内装饰工程计算机辅助系统，在事业部原有造型设计软件的基础之上，添加了专业装修功能模块，对内部结构进行详细绘制，统计材料用量，绘制施工图表，进行碰撞情况验证。实现了建筑装修设计过程中各个环节的一体化设计，填补了国内相关领域的空白。 CASD软件具体架构如图1所示，图中充分显示出这个软件的整体特点及如下创新之处。 （1）一体化设计平台。基于BIM的思想，系统在专业装修的三维建模阶段，记录了各个装修构件的详细数据信息，用于不同阶段的数据提取。因而本系统适合各类设计、技术人员制作效果图、施工图，实现实体效果与图纸绘制的结合。设计师不必在3DMAX中出完效果图，再用CAD进行施工图的制作，而在本系统平台就可一体完成。 （2）精细化施工指导。系统完全按照国家图集、标准规范进行算法编制及程序处理，支持部分结构的验算。特有的碰撞检查功能，可以检测装修构件与设备管道、原始结构、三维家具等实体间的碰撞情况。这是目前BIM技术在建筑设计中应用最广泛的内容之一。在工程前期进行实体设计及方案验证，施工人员可以及时地预见碰撞情况的发生并对施工图纸进行及时地修订。从而在施工中有效地避免了因为各个专业交叉而导致的返工现象，为精细化施工奠定了基础。 （3）智能化计经分析。在装修BIM模型生成后自动提取所需的数据信息，统计各类材料的工程用量，并自动绘制材料统计表格。通过BIM获得准确的工程量统计可以用于前期设计过程中的成本估算、在预算范围内不同设计方案的探索或者不同设计方案装修成本的比较、以及施工开始前的工程量预算和施工完成后的工程量决算。大大减少了繁琐的人工操作和潜在的错误，有效地降低了成本，同时提高了装修各个阶段的工作效率。面层排版图面层排版图道具实体布置结构施工图加工图纸、材料表效果图构件表、工期信息导入导入二维数据信息DWG文件3DS文件自动结构实体检验部位选择手动调节否标准数据选择碰撞检验面层排版是平台设计三维实体图1系统架构图3CASD软件实现及功能介绍3.1系统整体功能框架室内装饰工程计算机辅助系统，采用面向对象的思想进行设计和开发，涵盖装修设计过程中的方案设计和施工设计两个阶段，能够从方案设计的三维模型中提取所需数据，直接绘制施工阶段所需的各种施工图表、自动统计各种材料用量、绘制各种材料统计表格，并进行碰撞情况的准确验证。本系统大致可分为通用建模、专业建模、专业装修设计、专业施工图、虚拟现实、碰撞检查等几大模块，系统的整体功能框架如图2所示。室内装饰工程计算机辅助系统室内装饰工程计算机辅助系统地面设计吊顶设计隔墙设计块排版图专业建模施工图及统计块加工图装修构件虚拟现实动画材料统计表工程量统计资源库节点详图库家具库渲染通用建模专业装修块定尺单快速建模建筑设计DWG转图建筑造型模型绘制铺砌龙骨排版图支架排版图龙骨、挂插件、踢脚线……碰撞检查创建管道实体、碰撞检查、显示碰撞位置……三维建模图2系统框架图1）三维建模模块：该模块的主要功能是搭建三维建筑模型，为装修设计做好准备。该模块分为通用建模和专业建模两个部分。 通用建模部分提供了丰富的二维、三维绘图功能及编辑手段，包括基本的点、圆弧折线、球体、锥体、台体等绘图功能及旋转曲面、线转杆、弧边体、放样、布尔运算、点域成面、面片整合等编辑手段，能够创建出各种复杂的三维实体模型。但是这样创建出的模型并不包含任何建筑信息，只是简单的点、线、面，体对象，在后面的装修专业设计中需要我们赋予必要的专业属性。 专业建模部分是按照建筑绘图的方式绘制轴线网格，以参数化的方式绘制墙体、门、窗、阳台、梁、柱等元素，从而快速搭建起建筑实体模型，为下一步的装修设计做好准备。2）专业装修设计模块：该模块可实现对任意面的铺砌，及对各种形式的地面、隔墙、顶面内部龙骨三维模型的自动创建，实现材料的自动统计及各种施工图、表的自动绘制，实现各种装修构件的绘制。该模块是整个软件的核心部分，每一个对象都具有自己的几何属性及其它信息属性。在三维模型中点取任何一个构件比如龙骨，都可以及时得到这根龙骨的详细信息：比如它的截面形状、尺寸，它的长度、位置，它所属的基面，它的型号、价格等等数据信息。所有的构件都有类似的信息记录，从而可以快速地自动绘制出各种是施工图表及材料统计表格。这是对BIM技术最有价值的应用之一。3）虚拟现实模块：该模块是本系统的仿真设计模块，通过材质纹理贴图、光源相机设置、配景布置等手段，绘制真实的三维场景，制作出三维仿真效果图，并且通过设置动画路径等手段录制成虚拟漫游的可反复播放动画片。4）碰撞检查模块：利用BIM技术，搭建装修专业的BIM模型，对各种装修构件及设备管道、吊筋龙骨、原始结构、三维家具等实体间进行碰撞检查的验证。这不仅能及时排除项目施工环节中可能遇到的碰撞冲突，显著减少由此产生的方案调整及返工情况的发生，更大大提高了施工现场的生产效率，降低了由于施工协调造成的成本增长和工期延误。这是目前BIM技术在建筑设计中最广泛的应用之一。3.2专业装修 CASD软件专业装修模块的开发，从每一个装修构件到地面、吊顶、隔墙的整体创建，都采用参数化的设计方法，并对每一个构件在装修设计全生命周期中的各种数据信息进行了详细的记录。通过提取三维模型中的数据信息直接统计材料用量，绘制出施工阶段所需的各种施工图表，从而很好地实现了方案设计与施工设计的统一。这一专业功能的开发，填补了国内相关软件的空白，有着重要的应用价值。3.2.1地面、吊顶、隔墙内部三维模型的绘制 CASD软件可以实现装修过程中地面、吊顶、隔墙等部位不同造型三维模型的绘制。具体步骤流程如图3所示。并且，软件可以实现图4所示的装修设计中的各个部位三维模型的绘制。搭建三维建筑模型搭建三维建筑模型定义装修基面选择装修基面输入控制参数指定铺砌基点和铺砌方向自动绘制地、顶、墙内部龙骨结构三维模型图3内部三维模型绘制步骤异型顶异型顶平顶吊顶地面墙面装修实体模型架空地面...石膏板吊顶矿棉板吊顶格栅吊顶垂片吊顶金属挂片吊顶跌级吊顶...石膏板隔墙成品隔墙干挂石材墙面壁纸...图4装修模块实体汇总3.2.2材料的自动统计及装修图表的自动绘制上述图3绘制结果创建出装修过程各个部位内部三维实体模型。这个模型由装修基面、板材、各种龙骨及各种配件组合而成，基于BIM的理念，模型中每一个构件都记录了其几何、位置、厂家型号等不同用途的数据信息。软件可以快速地从三维模型中提取施工设计阶段所需的详细数据，从而自动提取尺寸、统计用量并绘制如图5所示的各种施工图表。块加工图和定尺单块加工图块加工图和定尺单块加工图块定尺单龙骨排版图材料统计表块定尺单3.3虚拟现实和仿真设计 三维建模完成了建筑实体及内部龙骨结构的造型设计，但是这时的物体并不真实，我们只看到了它的轮廓，视觉效果中只有‘型’，而颜色、质感、纹理、环境等等还体会不到。这就需要对三维模型做进一步的修饰，构造虚拟环境，达到仿真的效果。 室内装饰工程计算机辅助系统提供了完善的OpenGL虚拟现实技术及渲染和动画仿真功能。完成创建对象后，设计者需要为场景布置光源、调整视点、设置相机，给对象赋材质和纹理等，并且对整个设计过程即时显示。为了达到更进一步的仿真效果，本系统可以对上述操作结果进一步操作，选择当前视图或者相机视图进行三维渲染，制作出精美逼真的效果图。还可以任意设置动画路径，及时预览动画效果或者录制生成可反复播放的动画片，这样我们就仿佛置身在一个虚拟的三维世界之中，对建筑物本身及内部装饰龙骨结构进行全方位动态浏览。3.4碰撞检查装修特别是大面积工装过程中遇到的一个比较棘手的问题就是装修构件与水、暖、消防等管道之间的碰撞检查问题。目前装修设计人员在具体工程项目的设计中大都还处于二维状态，且建筑、结构、设备及装修等设计和施工过程是分别进行的，这种各专业独立操作及离散式的设计与施工方式所不能避免的一个状况就是：将二维的设计内容放样到三维物理空间中去时，各个构件之间的占位冲突是必然存在的。不管是新建项目，还是改扩建或者维护项目，碰撞问题都是非常突出的。多专业错综复杂的二维图纸中很难全面辨别出碰撞问题的存在。如何预先判知碰撞情况的发生，自动获知碰撞发生的位置及控制其引起的后果，成为目前装修工程设计中的一个急待解决的难点。CASD装修设计系统很好地解决了上述问题。前期创建的装修设计三维模型，很好地记录了各装业构件的各种数据信息。之后利用系统的碰撞检查模块来进行最接近物理实际的碰撞情况检测，并产生相应的检查结果报表，使设计人员在模型建完之后第一时间发现碰撞情况的存在，及时对设计方案进行调整。避免了以往操作模式下，在施工现场发现碰撞问题后，由于设计变更和施工变更对工期造成的延误，及由此带来的一系列不良后果。系统中各个专业的三维实体模型建成后，选择需要检验的碰撞实体，软件自动进行碰撞情况计算。对发生碰撞的部位进行高亮显示，并以列表的形式记录碰撞位置。在大场景并且多碰撞点的情况下，点取列表中相应的位置后，软件自动选择模型中对应碰撞部位，并放大显示，并于下一步的调整操作。如图6所示。图6碰撞结果显示4总结及进一步完善基于BIM的三维室内装饰工程计算机辅助系统全面集成了参数化三维建模、三维场景实时模拟及渲染图和仿真动画等虚拟现实功能，便于对设计方案的实时浏览。系统还充分记录装修过程全生命周期的各项数据，快速对各种构件进行统计分析，出具各种施工图表，大大减少了烦琐的人工操作和潜在错误，非常容易实现工程量信息与设计方案的完全统一。并且根据统计结果可以很好地掌握后期材料用量，对控制成本具有重要的现实意义。 装修过程是建筑全生命周期中的一个环节，本系统目前仅是对于建筑装修过程的实现，对于装修设计、施工和运营具有重要价值。但该系统的数据信息目前是独立的，如果将装修过程的数据信息与整个建筑BIM的数据关联起来，那么该系统的使用价值将会进一步提高。参考文献[1].过俊。BIM在国内建筑全生命周期的典型应用[J]。建筑技艺，2011.01-02。[2].郭轶，陈岱林，姜立，张雷。基于虚拟现实的三维建筑造型和装修设计系统[J]。计算机仿真，2008-11。[3]孙立镌。计算机图形学[M]。哈尔滨工业大学出版社，2000-5。[4][美]RicheardS.Wright，Jr.BenjaminLipchak著，徐波译。OpenGL超级宝典（第三版）[M]，北京北京人民邮电出版社，2005-9第一版。[5]郭轶，姜立，熊志坚，王会一。室内装饰工程计算机辅助系统[J]。土木建筑工程信息技术，2011-03。郭轶，女，197