室內(nèi)裝飾工程計算機輔助系統(tǒng)

郭 軼 姜 立 熊志堅 王會一

(中國建筑科學研究院，北京 100013)

1 前言

計算機技術(shù)用于建筑裝修設(shè)計已有多年，但是一直缺乏用于一體化設(shè)計的專業(yè)裝修軟件可供使用。一體化設(shè)計就是系統(tǒng)的設(shè)計平臺支持三維模型的制作，適合各類設(shè)計、技術(shù)人員制作效果圖、施工圖，實現(xiàn)實體效果與圖紙繪制的結(jié)合。目前，裝修設(shè)計中方案設(shè)計過程和施工設(shè)計過程是相互脫節(jié)的，并且大都在使用通用軟件進行各個階段的設(shè)計。方案設(shè)計階段一般是選用3DMAX等通用軟件進行三維模型設(shè)計及后期的效果制作。施工設(shè)計階段是對設(shè)計方案的具體實現(xiàn)，是非常重要的環(huán)節(jié)。目前大多數(shù)裝修設(shè)計公司都在使用AutoCAD通用軟件或者在其平臺上二次開發(fā)的CAD軟件進行手工繪制和統(tǒng)計。這項工作作業(yè)量很大，費時費力，但結(jié)果往往不夠準確。

裝修行業(yè)有著非常廣泛的市場前景。城市面積不斷擴大，民用建筑方面每年都會有大量的城鎮(zhèn)住宅相繼竣工。加上目前存量住宅周期性地進入維修期，住宅裝飾裝修市場規(guī)模將繼續(xù)擴大。公共建筑方面，奧運、世博等國際性活動的如期舉辦，都推動相關(guān)城市新一輪的建設(shè)步伐。即使到了一定的時期，建筑業(yè)的規(guī)模出現(xiàn)萎縮，但是已有建筑的更新改造還會一直繼續(xù)，裝修的需求仍在持續(xù)。由此可見，裝修工程數(shù)量大、范圍廣。據(jù)了解，每逢裝修旺季，設(shè)計人員任務(wù)異常艱巨，常需要加班加點。但還是有一些中小規(guī)模的公司迫于人手限制，或是減少所接工程數(shù)量，或是將一部分工作委托給他人來完成，這都會給經(jīng)濟效益帶來一定的影響。

綜上所述，如果能夠從三維造型的設(shè)計方案中，直接形成用于設(shè)計方案實現(xiàn)的施工圖紙，自動完成統(tǒng)計和各種圖表的繪制，并對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)實體自動進行碰撞情況的反復驗證及調(diào)整，將極大地節(jié)省設(shè)計時間，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。目前，沒有類似的裝修專業(yè)一體化軟件可供設(shè)計人員使用。

2 CASD軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于上述現(xiàn)狀，結(jié)合調(diào)研過程中裝修公司的實際需求，中國建筑科學研究院設(shè)計軟件事業(yè)部自主研發(fā)了這套室內(nèi)裝飾工程計算機輔助系統(tǒng)，在事業(yè)部原有造型設(shè)計軟件的基礎(chǔ)之上，添加了專業(yè)裝修功能模塊，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行具體繪制，統(tǒng)計材料用量，繪制施工圖表，進行碰撞情況驗證。實現(xiàn)了建筑裝修設(shè)計過程中各個環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計，填補了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白。

CASD軟件具體架構(gòu)如圖1所示，圖中充分顯示出這個軟件的整體特點及如下創(chuàng)新之處。

(1)一體化設(shè)計平臺。一體化設(shè)計平臺就是系統(tǒng)的設(shè)計平臺支持三維模型的制作，適合各類設(shè)計、技術(shù)人員制作效果圖、施工圖，實現(xiàn)實體效果與圖紙繪制的結(jié)合。設(shè)計師不必在3DMAX中出完效果圖，再用CAD進行施工圖的制作，而在本系統(tǒng)平臺就可一體完成。同時，本系統(tǒng)為中國建筑科學研究院自主版權(quán)，不會像常規(guī)通用設(shè)計軟件設(shè)計到版權(quán)問題。

(2)精細化施工指導。精細化施工指導是指系統(tǒng)完全按照國家圖集、標準規(guī)范進行算法編制及程序處理，支持部分結(jié)構(gòu)的驗算。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)、三維家具等實體間的碰撞情況。在工程前期進行實體設(shè)計及方案驗證，施工人員可以及時地預見碰撞情況的發(fā)生并對施工圖紙進行及時地修訂。從而在施工中有效地避免了因為各個專業(yè)交叉而導致的返工現(xiàn)象，為精細化施工奠定了基礎(chǔ)。

(3)智能化計經(jīng)分析。智能化計經(jīng)分析則是在模型生成后自動統(tǒng)計各類材料的工程用量，并自動繪制材料統(tǒng)計表格。非模數(shù)的材料自動折合為整模數(shù)的材料計入統(tǒng)計，有效提高統(tǒng)計精度。同時可以按照不同企業(yè)的需求設(shè)置接口，鏈接企業(yè)自身定額庫，計劃人員只需點擊按鈕便可查詢匯總各類數(shù)據(jù)，為管理者提供詳盡、確切的成本分析報告。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 CASD軟件整體功能介紹

3．1 系統(tǒng)整體功能框架

室內(nèi)裝飾工程計算機輔助系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M行設(shè)計和開發(fā)，充分考慮現(xiàn)今流行軟件AutoCAD、3dMax等的操作及使用風格，使得熟悉這些軟件的設(shè)計者可以輕松介入。同時，該軟件充分考慮了裝修設(shè)計過程中的兩個階段，能夠從方案設(shè)計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)計各種材料用量、繪制各種材料統(tǒng)計表格，并進行碰撞情況的準確驗證。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、虛擬現(xiàn)實、碰撞檢查等幾大模塊，系統(tǒng)的整體功能框架如圖2所示。

(1)通用建模模塊:該模塊提供了豐富的二維、三維繪圖功能及編輯手段，包括基本的點、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、布爾運算、點域成面、面片整合等編輯手段，能夠創(chuàng)建出各種復雜的三維實體模型。

(2)專業(yè)建模模塊:該模塊是按照建筑繪圖的方式繪制軸線，在此基礎(chǔ)上布置墻體、梁、柱、門、窗、陽臺等，從而快速搭建起建筑實體模型，為下一步的裝修設(shè)計做好準備。

(3)專業(yè)裝修設(shè)計模塊:該模塊實現(xiàn)面的鋪砌，地面、隔墻、吊頂內(nèi)部龍骨三維模型的自動創(chuàng)建，實現(xiàn)材料的自動統(tǒng)計及各種施工圖、表的自動繪制，實現(xiàn)各種裝修構(gòu)件的繪制。

(4)虛擬現(xiàn)實模塊:該模塊是本系統(tǒng)的仿真設(shè)計模塊，通過材質(zhì)紋理貼圖、光源相機設(shè)置、配景布置等手段，繪制真實的三維場景，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播放動畫片。

(5)碰撞檢查模塊:對各種裝修構(gòu)件及設(shè)備管道、吊筋龍骨、原始結(jié)構(gòu)、三維家具等實體間進行碰撞檢查的驗證。發(fā)現(xiàn)碰撞的存在，及時對施工方案進行調(diào)整，有效地避免施工過程中返工情況的發(fā)生。

3．2 多種建模手段

室內(nèi)裝飾工程計算機輔助系統(tǒng)提供了多種建模手段，設(shè)計人員可以根據(jù)各自的需求方便、快捷地搭建起三維建筑模型。

(1)利用平臺功能直接建模

CASD軟件是在中國建筑科學研究院設(shè)計軟件事業(yè)部自主研發(fā)的純中文三維圖形平臺上進行開發(fā)的。平臺提供了豐富的繪圖及強大的編輯功能。直接使用放樣、布爾運算、旋轉(zhuǎn)曲面、線轉(zhuǎn)桿、推拉、錯切等擴展編輯功能就可以搭建起各種復雜的三位實體模型。如圖3所示。

(2)參數(shù)化快速建模

CASD軟件可以按照建筑設(shè)計方式繪制軸線網(wǎng)，以參數(shù)化的方式繪制墻體、門、窗、陽臺、梁、柱等元素，從而快速搭建起裝修所需的原始建筑模型。如圖4所示。

(3)DWG格式文件轉(zhuǎn)圖建模

CASD軟件中連入結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)圖模塊，可對已有的DWG圖形進行處理，定義墻、門、窗、梁、柱等信息，之后直接轉(zhuǎn)換成本系統(tǒng)中的三維建筑實體模型。如圖5所示。

3．3 專業(yè)裝修

CASD軟件專業(yè)裝修模塊的開發(fā)實現(xiàn)了方案設(shè)計與施工設(shè)計的統(tǒng)一。從繪制的三維實體模型中直接選取所需的各個裝修面，以參數(shù)化建模的方式，快速搭建地面、頂面、墻面內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)模型。并通過提取模型中的數(shù)據(jù)，直接統(tǒng)計材料用量，繪制出施工階段所需的各種施工圖表。這一專業(yè)功能的開發(fā)，填補了國內(nèi)相關(guān)軟件的空白，有著重要的應(yīng)用價值。

3．3．1 地面、吊頂、隔墻內(nèi)部三維模型的繪制［1-4］

CASD軟件可以實現(xiàn)如下圖所示的裝修設(shè)計中 各個部位三維模型的繪制。

4 系統(tǒng)中重要的技術(shù)手段

4．1 裝修基面的引入

CASD軟件中引入了創(chuàng)新性的“裝修基面”的概念［5］。根據(jù)裝修設(shè)計中的地、墻、頂設(shè)計都是在指定面上操作的特點，軟件引入了裝修基面的概念。用裝修基面來記錄裝修屬性，如空間位置、形狀、尺寸、裝修內(nèi)容等。并通過對裝修基面的分類管理，可有效控制復雜場景下的顯示內(nèi)容，使設(shè)計師可以專注于某一裝修部位而不受周圍場景的影響。同時也方便了裝修材料的分類統(tǒng)計。

4．1．1 裝修基面概述

要做裝修，首先要有裝修的目標區(qū)域。實際的裝修區(qū)域可能是一個輪廓的圍合區(qū)域，也可能是帶洞口的復雜區(qū)域，為方便裝修操作的進行，我們用特定的面來表示裝修的目標區(qū)域，并將之稱為裝修基面。

裝修基面，也即裝修操作的基準面，它表征裝修的位置、區(qū)域范圍。在裝修操作過程中，它是操作的承接對象，同時作為裝修內(nèi)容的實際載體，裝修內(nèi)容不直接掛在墻上、地上或屋頂上，而是掛在代表墻上相應(yīng)裝修區(qū)域的裝修基面上。概括的說，各類裝修的各種操作都直接針對裝修基面進行。如圖8所示，為針對裝修基面進行的地、墻、頂三維實體的繪制。

裝修基面中記錄了在它上面的各種裝修信息，包括:形狀尺寸、空間位置、裝修內(nèi)容等，這些特征也就使它具備了作為裝修管理結(jié)點的基本條件。

4．1．2 裝修基面的制作

CASD軟件中裝修面的制作有三種方式:(1)取用現(xiàn)有建筑模型上的已有的面;(2)以現(xiàn)有建筑模型上的面為參考基準面，在其上用三維平臺功能畫裝修面;(3)脫離建筑主體，在任意平面上畫裝修面。

前兩種的好處是面的制作有三維模型參照，且裝修坐標可在三維模型上得到，裝修效果可顯示三維的真實效果。第三種則沒有了裝修面三維特性。

4．1．3 裝修基面的顯示控制

裝修布置是在三維顯示狀態(tài)下逐步完成的過程，一般情況下應(yīng)該對已有的裝修內(nèi)容關(guān)閉顯示。因為裝修內(nèi)容的圖素過多，使圖形平臺負擔加重，這將影響操作效率，而且已有的裝修內(nèi)容常會干擾后續(xù)的裝修布置操作。因此軟件隱含把布置內(nèi)容關(guān)閉顯示，已布置的內(nèi)容只在管理表格中體現(xiàn)。CASD軟件是通過對話框中樹型結(jié)構(gòu)、表格對裝修內(nèi)容來管理。當需要顯示裝修內(nèi)容的三維效果時，可通過管理表格與管理樹型結(jié)構(gòu)選擇顯示指定的裝修內(nèi)容。另外，裝修施工圖與裝修統(tǒng)計工作不再以三維建筑模型以及裝修內(nèi)容為操作對象，而是直接針對裝修基面來進行。在裝修施工圖設(shè)計與裝修統(tǒng)計時，選擇目標裝修基面，程序自動搜索依附于其上的裝修內(nèi)容進行施工圖設(shè)計與統(tǒng)計工作。

圖8 裝修基面

通過對裝修基面的分類管理，可有效控制復雜場景下的顯示內(nèi)容，使設(shè)計師可以專注于某一裝修部位而不受周圍場景的影響。同時也方便了裝修材料的分類統(tǒng)計。

4．2 鋪砌功能的實現(xiàn)

每個裝修項目中都會遇到的一項工作就是指定區(qū)域內(nèi)塊的排布問題。合理準確的排塊設(shè)計及用量統(tǒng)計是控制購買成本的必要前提。同時也成為非整塊加工圖及定尺單的繪制依據(jù)。其具體實現(xiàn)如下所述:

4．2．1 設(shè)定局部坐標系

排塊操作首先要做的是設(shè)定鋪砌基點和鋪砌方向，也就是排塊工作從區(qū)域內(nèi)哪一點并沿著哪個方向開始進行［6］。我們以基點startPt為原點，以基線方向向量(endP－startPt)為X軸建立局部坐標系，如圖9所示，其中Z軸與整體系保持一致，Y軸則由右手法則獲得。設(shè)X軸、Y軸、Z軸的法向量分別為ax、ay、az，則矩陣的當前工作坐標系設(shè)置為:tm．SetCoordSystem(startPt，ax，ay，az)。

圖9 設(shè)定鋪砌局部坐標系

4．2．2 排塊區(qū)域坐標變換

將排塊區(qū)域的邊界坐標通過坐標平移、旋轉(zhuǎn)等矩陣操作轉(zhuǎn)換到用戶坐標系下。PKPM3D圖形平臺提供了相應(yīng)的操作函數(shù)。

4．2．3 在X1O1Y平面內(nèi)獲得塊的數(shù)據(jù)信息

首先計算排塊區(qū)域矩形包圍盒的尺寸，得到包圍盒角點坐標 Pt1(bxmin，bymin)，Pt2(bxmax，bymax)。然后根據(jù)塊的尺寸和縫的尺寸，計算出X1O1Y1平面內(nèi)四個軸向上排塊的數(shù)量。設(shè)xnum1為X軸正向上的數(shù)量，ynum1為 Y軸正向上的數(shù)量，ynum1 =為X軸負向上的數(shù)量，xnum2為Y軸負向上的數(shù)量，設(shè) zchang、zkuan、shuif、chuif分別代表塊的長度、塊的寬度、水平縫的寬度、垂直縫的寬度。則具體的方格數(shù)據(jù)如下面的代碼所示，經(jīng)過循環(huán)計算獲得。

4．2．4 區(qū)域裁剪

由于上述獲得的是排塊區(qū)域包圍盒范圍內(nèi)的塊的數(shù)據(jù)，它是一個大致上的范圍。接下來要用區(qū)域邊界對這些方格進行切割，切掉區(qū)域外環(huán)以外的部分以及區(qū)域內(nèi)環(huán)，這樣處理后的方格才是我們所要的結(jié)果，如圖10所示。

4．2．5 返回世界坐標系

對上述裁剪后的方格數(shù)據(jù)，進行矩陣變換。由用戶坐標系狀態(tài)返回到世界坐標系下，賦以厚度并進行繪制。這樣就完成了一個區(qū)域的鋪砌功能。

圖10 鋪砌過程中裁剪前后的塊顯示

整個工程中地、墻、頂按照實際需要被分成多個區(qū)域，每個區(qū)域按照各自的模數(shù)進行排版，最終實現(xiàn)整體排版目標，如圖11所示一個實體的整體面層排版顯示。

鋪砌工作是裝修中的重要一部分，CASD裝修設(shè)計系統(tǒng)中地面、墻面、吊頂每個專業(yè)模塊的設(shè)計都含有鋪砌功能。以軟件方式實現(xiàn)塊的鋪砌，快速、精確。是切實解決實際問題的一項重要功能。

4．3 碰撞檢查功能的實現(xiàn)

現(xiàn)在裝修設(shè)計人員在具體工程項目的設(shè)計中大都使用的是AutoCAD軟件或者在此平臺上二次開發(fā)的CAD軟件。對裝修項目的設(shè)計還處于二維狀態(tài)，裝修龍骨、水暖管道等構(gòu)件離散的設(shè)計與施工方式所不能避免的一個狀況是:將二維的設(shè)計內(nèi)容放樣到三維物理空間中去時，各個構(gòu)件之間的占位沖突是必然存在的。不管是新建項目，還是改擴建或者維護項目，碰撞問題都是非常突出的。傳統(tǒng)的設(shè)計流程中，一個項目的各專業(yè)二維施工圖紙紛繁復雜，提供的是大量的、復雜的、且局限在兩個維度中的工程信息。在管線綜合階段，即使一些明顯的碰撞錯誤也可能因為圖面的錯綜混淆而不能被發(fā)現(xiàn)。如何盡量預先判知碰撞的發(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)計中的一個難點。

CASD裝修設(shè)計系統(tǒng)既可以在已有的二維施工圖紙的基礎(chǔ)上，提取裝修管道的數(shù)據(jù)，以交互方式建立起管道三維模型，也能夠直接創(chuàng)建三維管道實體。之后利用系統(tǒng)的碰撞檢查模塊來進行最接近物理實際的碰撞檢查，并產(chǎn)生相應(yīng)的檢查結(jié)果報表，盡可能早地反饋給設(shè)計人員或者施工人員，為實際解決方案的決策提供信息參考。避免了以往操作模式下由于發(fā)生碰撞問題后，由于設(shè)計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)中各個專業(yè)的三維實體模型建成后，選擇需要檢驗的碰撞實體，軟件自動進行碰撞情況計算。對發(fā)生碰撞的部位進行高亮顯示，并以列表的形式記錄碰撞位置。在大場景并且多碰撞點的情況下，點取列表中相應(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12所示。

5 成果分析與實例

該系統(tǒng)針對裝修行業(yè)特點開發(fā)設(shè)計，全面集成了三維建模、平面圖錄入、室內(nèi)裝修、施工圖、統(tǒng)計算量、三維虛擬現(xiàn)實等多個模塊，實現(xiàn)了裝修過程中各個階段的一體化設(shè)計，具有重要的應(yīng)用價值。同時，經(jīng)過全方面反復測試顯示，證明系統(tǒng)在布爾運算、三維模型的精確定位、大容量三維圖形的動態(tài)顯示、真實感圖形的實時瀏覽、渲染圖及仿真動畫制作、專業(yè)裝修設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)上都有新的突破，從而該系統(tǒng)達到了相關(guān)實用要求:圖形容量滿足任意單體建筑物的精細描述和大型工裝模型的繪制及材料用量的準確統(tǒng)計;圖形顯示速度達到一百萬三角面1/15s;一般規(guī)模的圖形減法運算無頓感，動態(tài)過程達到1/15s。且本系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)商品化，能夠很好地滿足設(shè)計者的需求。以下圖13、圖14為使用該系統(tǒng)軟件創(chuàng)建的建筑和裝修造型實例展示。

6 結(jié)束語

文章論述了建筑裝修行業(yè)軟件應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了CASD軟件的架構(gòu)設(shè)計、整體功能與重要的技術(shù)細節(jié)。依托自主研發(fā)的三維圖形平臺，在比較完備的造型設(shè)計的基礎(chǔ)之上，結(jié)合裝修行業(yè)特點完成了裝修專業(yè)設(shè)計模塊，其間對地面、頂面、墻面的三維內(nèi)部龍骨結(jié)構(gòu)模型的繪制、鋪砌算法及碰撞驗證等技術(shù)和功能進行了深入研發(fā)，實現(xiàn)了裝修設(shè)計過程中各個方面的一體化設(shè)計。

［1］中國建筑設(shè)計研究院環(huán)境藝術(shù)設(shè)計研究院主編．國家建筑標準設(shè)計圖集:內(nèi)裝修——輕鋼龍骨內(nèi)(隔)墻裝修及隔斷(J502－1)．北京:中國計劃出版社，2003．

［2］中國建筑設(shè)計研究院環(huán)境藝術(shù)設(shè)計研究院主編．國家建筑標準設(shè)計圖集:內(nèi)裝修——室內(nèi)吊頂(J502－2．北京:中國計劃出版社，2003．

［3］中國建筑設(shè)計研究院環(huán)境藝術(shù)設(shè)計研究院主編．國家建筑標準設(shè)計圖集:內(nèi)裝修——室內(nèi)(樓)地面及其它裝修構(gòu)造(J502－3．北京:中國計劃出版社，2003．

［4］中國建筑標準設(shè)計研究院主編．國家建筑標準設(shè)計圖集:輕鋼龍骨石膏板隔墻、吊頂(07CJ03－1)．北京:中國建筑標準設(shè)計研究院發(fā)行，2007．

［5］陳岱林，周密．土木工程設(shè)計中的圖形平臺技術(shù)探索［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(1):7-12．

［6］孫立鐫．計算機圖形學［M］．哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000-5．