基于BIM技術(shù)的建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)

王佩， 吳磊

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，建筑與測繪工程學(xué)院，陜西，西安 710018；2.中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西，西安 710000)

0 引言

隨著建筑裝修行業(yè)的快速發(fā)展，建筑裝修施工現(xiàn)場管理問題成為該行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。由于建筑裝修施工大多在室內(nèi)進(jìn)行，且裝修工序較為復(fù)雜，對建筑裝修施工現(xiàn)場管理的難度較大，構(gòu)建建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)，借助系統(tǒng)對建筑裝修施工進(jìn)行有效的三維可視化管理具有重大意義。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了保證對建筑裝修施工監(jiān)測與管理的有效性，必須將可視化信息采集工作嚴(yán)格做好，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建三維模型，實(shí)現(xiàn)建筑裝修整個(gè)過程的實(shí)時(shí)三維可視化視覺重建以及信息重構(gòu)。傳統(tǒng)方法中，主要有主成分特征提取方法、視頻特征分析方法以及關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法等[1-3]，構(gòu)建建筑裝修施工三維特征的信息化管理模型，采用關(guān)聯(lián)特征提取算法對建筑裝修施工三維特征提取，但這些方法三維可視化管理的自適應(yīng)性差，算法的收斂性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[4]針對某超高層建筑存在工期緊、部分節(jié)點(diǎn)施工難度大、施工順序難以確定等問題,采用BIM技術(shù)制定適用于超高層建筑的施工時(shí)間安排和鋼結(jié)構(gòu)柱的吊裝順序進(jìn)行了可視化設(shè)計(jì)，但該方法存在一定局限性。

針對上述存在的問題，本文提出基于建筑信息化管理模型(BIM)的建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并在計(jì)算機(jī)視覺圖像采集技術(shù)采集建筑裝修施工三維信息等方式的基礎(chǔ)上，借助建筑裝修施工三維信息提取技術(shù)，進(jìn)行BIM信息庫等的建立，達(dá)到建筑裝修施工的三維可視化目的。試驗(yàn)證明，本文方法在提高建筑裝修施工三維可視化管理能力方面的優(yōu)越性能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)的日益成熟對整個(gè)建筑裝修行業(yè)的發(fā)展形成強(qiáng)有力的推動(dòng)，減少了裝修設(shè)計(jì)與施工各環(huán)節(jié)的溝通壁壘，實(shí)現(xiàn)了對建筑裝修工程管理效率的有效提升?；跀?shù)據(jù)多方共享以及三維可視化展示等諸多優(yōu)勢，BIM平臺在我國很多裝修及其他大型建筑工程項(xiàng)目中得到推廣及應(yīng)用[5-6]。BIM主要借助數(shù)字化的形式，直接將設(shè)施的各項(xiàng)特性呈現(xiàn)出來。其本身能夠在項(xiàng)目有效期限內(nèi)對全部信息進(jìn)行采集，以在決策期間給予科學(xué)且有效的數(shù)據(jù)支持。在項(xiàng)目生命周期的全部環(huán)節(jié)，各參與方均能在BIM模型體系中插入、提取、更新與修改專業(yè)項(xiàng)目技術(shù)信息，同時(shí)，利用這些信息明確自身責(zé)任。圖1為以BIM模型技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑裝飾裝修工作流程[7]。

圖1 基于BIM模型技術(shù)的建筑裝飾裝修工作流程

基于BIM的建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)，以Revit為核心，開發(fā)平臺為NET，借助Revit API執(zhí)行二次開發(fā)任務(wù)。在整體性與一致性原則的指導(dǎo)下，系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)如圖2所示。從邏輯層面來看，系統(tǒng)包括采集層、數(shù)據(jù)層、平臺層與應(yīng)用層，基于插件式架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的集成開發(fā)。

圖2 基于BIM的建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)整體框架

采集層的功能在于采集現(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，主要的采集方式包括人工錄入及系統(tǒng)集成。針對一些不能在線采集的動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以人工方式獲取監(jiān)測傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并將其錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲，另外，還可借助在線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)無線或有線傳輸接入到本系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)層對采集層所采集的業(yè)務(wù)與模型等結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。平臺層為系統(tǒng)提供信息支撐平臺，利用Revit進(jìn)行二次開發(fā)，基于插件技術(shù)，能夠保證系統(tǒng)功能的高可擴(kuò)展性。應(yīng)用層面向系統(tǒng)用戶，提供可供操作的人機(jī)交互界面平臺。

2 基于相似度特征匹配的BIM信息采集與融合

通過信息采集與融合，系統(tǒng)可以從外界收集建筑裝修施工信息，并對其進(jìn)行相應(yīng)的整合。構(gòu)建建筑裝修施工三維信息采集模型，又可與建筑裝修施工三維信息采集結(jié)果相結(jié)合，構(gòu)造建筑裝修施工的BIM數(shù)據(jù)庫。

設(shè)建筑裝修施工三維可視化圖像采集的像素集為Hi(x)，最大像素值為max(Hi(x))；構(gòu)建視覺采集模型，可得到視覺采樣的噪聲項(xiàng)η(x,y)；根據(jù)所采集到的信息的視覺分布，進(jìn)行視覺特征重構(gòu)，可得到建筑裝修施工信息采樣的模糊像素值為

g(x,y)=h(x,y)×f(x,y)+η(x,y)

(1)

式中，f(x,y)為實(shí)際采集到的建筑裝修施工三維信息，h(x,y)是信息采樣的關(guān)聯(lián)規(guī)則集，符號*表示卷積，η(x,y)為干擾項(xiàng)。對建筑裝修施工三維可視化視覺信息進(jìn)行區(qū)域分塊融合，可以實(shí)現(xiàn)對三維統(tǒng)計(jì)分析模型的構(gòu)建[8]，得到統(tǒng)計(jì)特征量：

g(x,y)=f(x,y)+η(x,y)

(2)

據(jù)此，進(jìn)行建筑裝修施工三維可視化視覺特征建模，得到建筑裝修施工三維可視化信息分布的樣本特征分布集，用N維矢量x(t)表示建筑裝修施工三維特征的矢量，則：

x(t)=As(t)+n(t)

(3)

式中，

(4)

(5)

(6)

A=[a(θ1,r1),a(θ2,r2),…,a(θI,rI)]N×I

(7)

在以上基礎(chǔ)之上，可進(jìn)一步完成建筑裝修施工三維視覺重構(gòu)BIM數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建工作。采用相似度特征匹配方法進(jìn)行建筑裝修施工三維可視化信息特征配準(zhǔn)，得到三維特征的BIM信息融合的判決統(tǒng)計(jì)量為

μ(n)=

(8)

3 基于自適應(yīng)濾波模型的三維可視化視覺重建

系統(tǒng)三維可視化視覺重建建立于對數(shù)據(jù)信息的采集與融合基礎(chǔ)之上，在系統(tǒng)通過模型完成對三維特征BIM信息采集及融合任務(wù)之后，需經(jīng)相應(yīng)的數(shù)字處理得到三維物體的形狀信息，此處通過自適應(yīng)濾波模型來實(shí)現(xiàn)。建筑裝修施工三維可視化視覺特征重構(gòu)的最大似然估計(jì)值為

(9)

式中，F(xiàn)(x,y)為建筑裝修施工三維可視化視覺特征分布的向量量化集。建筑裝修施工三維可視化視覺特征分量在(x,y)點(diǎn)的像素值為β，ml為沿梯度方向進(jìn)行建筑裝修施工三維可視化視覺重建，采用小波分析方法進(jìn)行圖像特征分解，構(gòu)建母小波基函數(shù)：

(10)

式中，

(11)

通過上述函數(shù)對三維可視化視覺特征分解的過程，結(jié)合建筑裝修施工三維可視化視覺信息特征匹配方法進(jìn)行視覺信息重建，構(gòu)建建筑裝修施工三維可視化視覺圖像的自適應(yīng)濾波模型，提高圖像的成像能力，濾波函數(shù)為

(12)

4 基于BIM信息庫模型的三維可視化信息重構(gòu)

三維信息可視化致力于創(chuàng)建以直觀方式傳達(dá)抽象信息的手段及方法。建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)對三維信息的可視化有較高要求，需要采取合理、有效的方法，直觀、清晰而又無誤地進(jìn)行抽象化的建筑裝修施工信息的傳達(dá)。對此，進(jìn)一步構(gòu)建建筑裝修施工三維特征提取模型，在BIM信息模型中，構(gòu)建建筑裝修施工三維特征參量自動(dòng)采集模型，得到第i個(gè)類建筑裝修施工三維特征的模糊聚類中心為

vi={vi1,vi2,…,vip}

(13)

(14)

(15)

(16)

對各類建筑裝修施工三維特征信息進(jìn)行模糊聚類處理，采用模糊C均值聚類方法進(jìn)行BIM信息融合聚類，對采樣的建筑裝修施工三維A={a1,…,aN}，當(dāng)滿足a1

(1)V1={>a1,>a2,…,>aN-1}

(2)V2={≥a1,≥a2,…,≥aN}

(3)V3={

(4)V4={≤a1,≤a2,…,≤aN}

(5)V5={=a1,=a2,…,=aN}

輸入建筑裝修施工三維可視化視覺信息函數(shù)f(t)，建筑裝修施工三維可視化監(jiān)測的交叉分布項(xiàng)通過Ai∩Aj=Ω的交集得到，其中i,j=1,…,m且i≠j，由此得到建筑裝修施工三維可視化信息重構(gòu)的BIM信息庫模型為

(17)

在BIM信息庫中進(jìn)行建筑裝修施工三維信息重建和特征融合聚類，以此實(shí)現(xiàn)三維可視化信息重構(gòu)，可以讓施工人員(系統(tǒng)用戶)對建筑裝修施工過程中的三維信息進(jìn)行直接的觀察，對于提高建筑裝修施工三維可視化信息管理能力十分有利。

5 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)采用物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和ZigBee協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，在ROM中實(shí)現(xiàn)建筑裝修施工三維可視化管理的視覺信息采樣，采用132 Mibit/s的遠(yuǎn)程控制總線進(jìn)行建筑裝修施工三維可視化管理的遠(yuǎn)程調(diào)度和傳輸控制，對建筑裝修施工三維特征采樣頻率最低為12 kHz，最大采樣頻率為24 kHz，設(shè)定施工現(xiàn)場視覺信息采樣像素尺寸為2 000×2 000像素，匹配特征分量為1.6，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行建筑裝修施工三維可視化管理。

5.1 BIM模型構(gòu)建

基于建筑裝修施工現(xiàn)場的場景數(shù)據(jù)，利用Civil3D軟件構(gòu)建施工現(xiàn)場場景模型；基于現(xiàn)場典型剖面圖及立視圖，采用Revit構(gòu)建相應(yīng)族塊，不同族塊采用對應(yīng)的典型剖面來構(gòu)建，之后，結(jié)合實(shí)際材料分區(qū)與屬性，設(shè)置西部材料；形成基本的施工現(xiàn)場框架之后，執(zhí)行對模型的細(xì)部構(gòu)造繪制任務(wù)，形成整體裝飾裝修施工現(xiàn)場三維BIM模型。Revit中有渲染插件Fuzor，可執(zhí)行對BIM模型的渲染與漫游操作[10]。圖3所示為基于BIM的施工現(xiàn)場三維可視化管理人機(jī)交互界面。

圖3 基于BIM的裝修施工現(xiàn)場三維可視化管理人機(jī)交互界面

分析圖3可知，采用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行建筑裝修施工現(xiàn)場三維可視化管理的人機(jī)交互性較好，能夠清楚地顯示施工現(xiàn)場大致信息及其相關(guān)的細(xì)節(jié)內(nèi)容。

5.2 信息召回率測試

一個(gè)系統(tǒng)的性能較好，其曲線應(yīng)當(dāng)盡可能地向上突出，曲線與坐標(biāo)軸之間的面積亦會越大。在相同的條件下對本文方法、基于支持向量機(jī)的管理方法以及基于PID的管理方法的信息召回率進(jìn)行測試，得到對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 信息召回性能測試

分析圖4得知，當(dāng)召回率R達(dá)到1時(shí)，本文選取方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，本文所選取的方法曲線明顯更向上突出，曲線與坐標(biāo)軸之間的面積更大，以此類推。故本文設(shè)計(jì)的方法，在召回率試驗(yàn)中，與標(biāo)準(zhǔn)參考值趨于吻合并且穩(wěn)定，而基于支持向量機(jī)的方法以及基于PID的方法參照點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)值之間存在一定的差距，無法趨于吻合且不穩(wěn)定，故說明傳統(tǒng)方法不具備本文方法的有效性。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行建筑裝修施工三維可視化管理的信息召回性能較好，具有較好的現(xiàn)場信息調(diào)度和管理能力。

6 總結(jié)

基于建筑信息化管理模型的建筑裝修施工三維可視化技術(shù)采用相似度特征匹配方法，進(jìn)行建筑裝修施工三維可視化信息特征配準(zhǔn)，得到建筑裝修施工三維特征的BIM信息融合判決統(tǒng)計(jì)量等方法，以此為基礎(chǔ)完成技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，基于本文三維可視化技術(shù)的建筑裝修三維可視化管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較好、系統(tǒng)穩(wěn)定性較好、信息召回率較高、人機(jī)交互能力較強(qiáng)，對該領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。