基于BIM理念的家居設(shè)計研究

辛林旗，王召福

（1.中山大學(xué)，廣東 廣州 510006；2.廣州智慧家庭技術(shù)標準促進中心，廣東 廣州 510006）

隨著人們生活質(zhì)量的改善，單純的功能性空間已經(jīng)逐漸滿足不了人們更高的精神追求，人們熱衷于更個性化、更舒適便捷的家居設(shè)計體驗。在現(xiàn)實生活中，一個稱心如意的家居設(shè)計少之又少，除了國內(nèi)室內(nèi)設(shè)計人員水平參差不齊、裝飾材料不盡如人意等客觀因素外，業(yè)主和設(shè)計施工人員之間的溝通交流存在障礙也是一個很重要的原因。

家居設(shè)計中一套常規(guī)的流程是這樣的：1）業(yè)主向施工單位提供任務(wù)書，闡述設(shè)計想要的風(fēng)格樣式；2）施工方收集相關(guān)資料，設(shè)計概念草圖；3）業(yè)主同意施工方的設(shè)計草圖，施工方開始施工。施工方會向業(yè)主提供設(shè)計施工圖、全局布局圖、部分特寫圖等。這樣的設(shè)計流程存在3個嚴重問題：1）設(shè)計圖需要用專業(yè)的CAD軟件設(shè)計，如Max3D、瑪雅等，費用高昂，不經(jīng)濟；2）設(shè)計圖紙是二維的，對于業(yè)主來說，對未來的設(shè)計效果也只可能有一個很模糊的概念，可展示性差；3）設(shè)計本身需要很高的專業(yè)水準，對于設(shè)計師本身來說也是個很大的挑戰(zhàn)。本文將闡述一種基于BIM理念的三維家居設(shè)計的方法。

1 BIM建筑信息模型

建筑信息模型[1-2]（Building Information Modeling，BIM）是一個包涵了對一個建筑設(shè)施的物理和功能性特點的數(shù)字化表示的生產(chǎn)和管理的過程，使用了一種標準化的采集該建筑設(shè)施整個生命周期內(nèi)所有信息的模型，擁有一整套從計劃設(shè)計到實施維護的詳細流程（NIBS 2008）。

從本質(zhì)上說，BIM是（建筑設(shè)計、建造、運營維護）的作業(yè)工具，是一種工作方法，是一種比傳統(tǒng)二維CAD更先進的設(shè)計理念。目的是讓參與工程的各方盡可能快地了解工程中與之有關(guān)的情況，并且對工程實施過程中的足夠長的時間跨度內(nèi)的各種事情能夠清晰地追溯，以便分清責(zé)任和各自所需承擔(dān)的責(zé)任。目前，BIM技術(shù)主要是靜態(tài)三維，并局限于建筑物的設(shè)計及建造階段，而未來，基于物聯(lián)網(wǎng)的BIM技術(shù)必將動態(tài)模擬建筑物投資決策、規(guī)劃、設(shè)計、施工、竣工驗收、運營維護、拆除及廢料處理等各階段的全壽命周期。基于物聯(lián)網(wǎng)的BIM技術(shù)將讓投資決策者擺脫決策無數(shù)據(jù)支撐的煩惱、讓工程造價者擺脫堆積如山的圖紙及熬夜作戰(zhàn)的痛苦、讓施工管理者擺脫繁瑣的施工方案編制及錯綜復(fù)雜的施工協(xié)調(diào)、讓運營維護者迅速查找到問題和解決之道，讓建筑參與各方實現(xiàn)信息化、精細化管理。

因此，建筑信息模型（BIM）作為一種新型的設(shè)計手段，將和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，使建筑提升到智慧建筑的新高度，開創(chuàng)智慧建筑新時代，是建筑業(yè)下一個重要發(fā)展方向；同時將使物聯(lián)網(wǎng)在樓宇智能管理、物業(yè)管理和建筑物的運行維護方面發(fā)揮更大的作用。BIM還是一種比傳統(tǒng)二維CAD更先進的設(shè)計理念，它把建筑業(yè)業(yè)務(wù)流程和表達建筑物本身的信息更好地集成起來，從而提高整個行業(yè)的效率。

2 智能家居控制

在傳統(tǒng)的智能家居設(shè)備中，界面元素大部分都是二維的，如一個按鈕組來控制燈的開和關(guān)。通過將智能控制信息與BIM模型中的組件進行綁定，理論上可以實現(xiàn)在三維場景中用更加接近現(xiàn)實的組件實現(xiàn)智能家居控制，并且能夠?qū)⑿Ч皶r展現(xiàn)在BIM場景模型中。

本文接下來介紹一套新型的智能控制解決方案，該方案通過一個可自定義的控制器，將具有強大計算能力的云平臺和便捷的移動終端巧妙地組合在了一起，如圖1所示。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)框架示意圖

該方案的流程是這樣的：用戶可以進入家居設(shè)計子系統(tǒng)，在云平臺強大的組件庫支持下，結(jié)合現(xiàn)實場景設(shè)計出逼真的三維家居環(huán)境；設(shè)計完成后，工程師可以通過智能控制系統(tǒng)對該家居環(huán)境中的可控組件（如燈、窗簾等）進行命令綁定，完成綁定的家居配置文件將下發(fā)到用戶家庭的控制器中；最后，用戶就可以下載給定的App對家里的設(shè)備進行智能控制。

基于Web的家居設(shè)計應(yīng)用，是本控制系統(tǒng)框架中實現(xiàn)良好用戶體驗的重要組成部分。該應(yīng)用的主要功能是將一個便于設(shè)計的二維視圖的家具設(shè)計圖渲染成便于展示的三維家具設(shè)計視圖，如圖2、圖3所示。因此，需要建立一張二維視圖和三維視圖的對應(yīng)關(guān)系表以及一個BIM信息庫來保存家居組件的BIM信息，如該組件的紋理信息、位置信息、尺寸大小信息等。

在家居設(shè)計領(lǐng)域，已經(jīng)有很多很優(yōu)秀的應(yīng)用軟件如SweetHome[3]的存在，但是其中不少的應(yīng)用都有很大的局限性，譬如SweetHome需要有Java的運行環(huán)境，并且沒有與智能家居控制系統(tǒng)有很好的對接。而采用基于HTML5的Web技術(shù)將很好地克服這一困難。相對于傳統(tǒng)的PC軟件，基于瀏覽器的Web應(yīng)用的優(yōu)勢有：用戶可以在不安裝任何輔助軟件包的情況下使用這個應(yīng)用；軟件開發(fā)迭代更加敏捷，可以實現(xiàn)持續(xù)的更新；同一個Web應(yīng)用可以在Linux、Windows、iOS等操作系統(tǒng)下跨平臺運行，因此開發(fā)成本比傳統(tǒng)的PC軟件要低。當(dāng)然，基于瀏覽器的Web應(yīng)用也存在一些不足，其中一個很致命的缺陷，就是系統(tǒng)的訪問需要有正常的網(wǎng)絡(luò)連接。但是隨著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善的當(dāng)代社會，這個缺陷基本可以不用考慮，而且賦予了基于Web的家居設(shè)計一個很好的特性：使當(dāng)前設(shè)計的實時共享成為可能，并成為一個設(shè)計師和最終客戶之間進行良好溝通的平臺。

圖2 二維視圖的家居設(shè)計圖示意圖

圖3 基于BIM理念的三維家居設(shè)計示意圖

3 BIM與家居設(shè)計

在上述智能控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，采用了基于BIM理念的設(shè)計思路。人們認識、感知這個世界，是三維的甚至更高維度的。二維的視角和三維的視角所能攜帶的信息量是有一個巨大的鴻溝的。基于這一點，將BIM應(yīng)用到日常的家居設(shè)計，將會帶來一些革命性的變化，這些變化具體可以體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）信息元的改變

二維CAD的數(shù)據(jù)只能是一些幾何圖形元素，如線條、曲線和圓等。而BIM模型能夠具有智能的上下文語義，其對象是根據(jù)建筑本身的元素和系統(tǒng)諸如空間、墻、房梁和柱子等定義的（CRC Construction Innovation 2007）它們所構(gòu)建室內(nèi)產(chǎn)品更加貼近現(xiàn)實。一個BIM模型擁有相關(guān)建筑的所有信息，包括它的物理和功能特征，項目的生命周期信息等。

2）可視化展示

二維CAD僅僅提供了對一棟建筑的二維視圖描述，如建筑的平面圖、截面圖以及立面圖等。而BIM設(shè)計建立起來的模型就是設(shè)計師設(shè)計的成果，各種視角的平面圖、截面圖、立面圖，以及三維效果圖、三維動畫都可以根據(jù)需要隨意生成[4]。如果業(yè)主對家居設(shè)計中的某一塊不滿意，設(shè)計師可以及時修正三維模型的材料材質(zhì)、紋理顏色、燈光布置等，并把最新的成果展示給業(yè)主。這為設(shè)計的可視化提供了極大的便利，保障了最終設(shè)計的質(zhì)量，并將大大提高業(yè)主的滿意度。

3）實現(xiàn)在線信息的共享

正如本文開始提到的，在家居設(shè)計過程中，一般都只是簡單的業(yè)主提出設(shè)計需求，然后設(shè)計師推敲需求，進行設(shè)計，然后把最終的設(shè)計圖反饋給業(yè)主。這個流程最大的缺陷就是業(yè)主和設(shè)計師之間缺乏溝通交流，導(dǎo)致業(yè)主可能對最后的設(shè)計成果不滿意?；贐IM的家居設(shè)計可以很好地解決這個問題：在BIM中，一些常用的基本構(gòu)件的模型數(shù)據(jù)都會存放在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，可以以BIM為核心搭建一個基于Web的信息共享平臺，使業(yè)主和設(shè)計師可以通過網(wǎng)絡(luò)進行及時的溝通交流，保證整個設(shè)計過程順利、流暢的進行。

4）信息熵的改變

在傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計中，一張設(shè)計圖紙能傳達的信息很少，如簡單的顏色搭配情況、各個組件的大概擺放位置信息等。BIM模型攜帶了建筑本身詳盡的信息，這就為建筑的施工帶來很多的便利。例如可以根據(jù)BIM模型生成家居設(shè)計中要用到的材料表、門窗表、墻體的面積、家具的數(shù)量、價格等信息，從而可以對此次家居設(shè)計進行粗略的預(yù)算估計，控制實際生產(chǎn)過程中的開支，并且能夠大大提高所購材料尺寸和數(shù)量的準確性；也可以通過IBM模型了解室內(nèi)光、熱環(huán)境的設(shè)計。

5）更直觀地進行智能控制效果展示

智能家居[5]是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺，安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。以住宅為平臺，利用有線和無線網(wǎng)絡(luò)平臺通信技術(shù)，包括綜合布線系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、背景樂/廣播系統(tǒng)、燈光窗簾控制系統(tǒng)、空調(diào)VRV控制系統(tǒng)，以及家庭影院控制系統(tǒng)。

4 小結(jié)與展望

針對現(xiàn)有家居設(shè)計過程中存在的一些問題，本文提出了基于IBM理念的三維家居設(shè)計方法，通過該方法，能夠?qū)⒃O(shè)計師、業(yè)主、施工單位等多個實體緊密地聯(lián)系在一起，保障了整個家居設(shè)計及施工的質(zhì)量，具有很好的積極意義。在家居設(shè)計階段，使用BIM的3D技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)計整體的可視化，在業(yè)主和設(shè)計師之間建立了一條良好的溝通渠道，不至于出現(xiàn)“雞同鴨講”的尷尬局面；在施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)，可以有效降低信息傳送過程中可能出現(xiàn)的理解錯誤。

在智能家居大行其道的當(dāng)代社會，如何將BIM和智能控制聯(lián)系在一起，實現(xiàn)現(xiàn)實控制和虛擬場景的真正融合，進而搭建一個智能家居設(shè)計和控制一體化的綜合性平臺，是一個很有意思的話題。

[1]EASTMAN C，TEICHOLZ P，SACKS R，et al.BIM handbook:a guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors[M].[S.l.]：Wiley，2011.

[2]AZHAR S，MICHAEL H，BLAKE S.Building information modeling （BIM）:benefits，risks and challenges[EB/OL].http://www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-090711-090955/unrestricted/mwang.pdf.

[3] SweetHome3D，a free and open-source interior design application[EB/OL].http://www.sweethome3d.com.

[4] 王廷魁，杜長亮，張巍，等.基于BIM的全裝修房個性化設(shè)計研究[J].工程設(shè)計學(xué)報，2013（1）：44-48.

[5]智能家居[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/37089.htm.2013-5-28.