基于BIM的毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)研制

馬智亮 劉世龍 張東東 奚龔欣

(清華大學(xué)，北京 100084)

基于BIM的毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)研制

馬智亮 劉世龍 張東東 奚龔欣

(清華大學(xué)，北京 100084)

針對(duì)某工程項(xiàng)目對(duì)毛石裝飾墻砌筑要求高導(dǎo)致砌筑工作效率低的問題，本研究基于BIM研制毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)。研制工作以Revit為平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，研制了墻體導(dǎo)入模塊、石材圖像處理模塊和顯示模塊、毛石墻虛擬砌筑模塊以及石材切割圖和墻體拼裝圖生成模塊。用戶在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，只需首先對(duì)各石材編號(hào)并拍照，并將石材照片導(dǎo)入該系統(tǒng)，系統(tǒng)即自動(dòng)生成相應(yīng)的矢量圖；然后，用戶在系統(tǒng)中基于從BIM模型中導(dǎo)入的墻信息和毛石裝飾墻的數(shù)據(jù)，只需要進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及裁剪等交互式操作，進(jìn)行毛石墻的虛擬砌筑，系統(tǒng)可自動(dòng)生成石材切割圖和墻體拼裝圖，用以指導(dǎo)施工。本系統(tǒng)的應(yīng)用，可有效地提高高要求毛石墻砌筑的效率。

毛石裝飾墻砌筑；虛擬砌筑；BIM 系統(tǒng)開發(fā)；圖像處理；Revit二次開發(fā)

1 引言

本研究所針對(duì)的某工程項(xiàng)目定位較高，建筑外墻采用毛石裝飾，要求裝飾墻自然、美觀，表面平整，且石材間的縫隙均勻且不能抹縫。這對(duì)毛石裝飾墻的砌筑提出了極高的要求。

按照現(xiàn)有的施工流程，工人首先需要從施工現(xiàn)場(chǎng)眾多的石材中挑選輪廓合適的石材，然后比照已砌筑墻體的輪廓在石材上畫線，接著進(jìn)行石材切割。石材切割完成后，工人需要檢查石材間的吻合程度，如果吻合程度不好，則需要反復(fù)在石材上畫線并切割石材，直至石材間吻合程度良好?，F(xiàn)有施工流程存在的問題如下：工人在挑選外形合適的石材進(jìn)行切割時(shí)，存在重復(fù)挑選的情況，浪費(fèi)了工人時(shí)間；由于石材上的線是根據(jù)已砌筑墻體輪廓大致畫出來的，精度不夠，所以切割出的石材大部分很難與周圍墻體吻合，這就需要工人反復(fù)畫線與切割，加重工人勞動(dòng)量；此外，由于反復(fù)切割石材和對(duì)比石材吻合程度，工人需要在石材切割地點(diǎn)和墻體之間來回搬運(yùn)石材，這也大大增加了工人的工作負(fù)擔(dān)。

該項(xiàng)目的施工方已經(jīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行毛石裝飾墻的試拼裝，利用現(xiàn)行方法，毛石裝飾墻的砌筑效率極低。由于需要砌筑的毛石裝飾墻面積很大，若不改進(jìn)砌筑方法，該項(xiàng)目將會(huì)在成本、工期等方面面臨很大風(fēng)險(xiǎn)，因此毛石裝飾墻的砌筑效率亟需提高。

虛擬施工技術(shù)為解決毛石裝飾墻砌筑效率低這一問題提供了手段。虛擬施工技術(shù)就是通過模擬和分析實(shí)際施工過程，從而達(dá)到對(duì)施工事前控制和動(dòng)態(tài)管理的目的[1]。張宏勝將虛擬施工技術(shù)應(yīng)用于上海正大商業(yè)廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程施工，解決了施工過程中節(jié)點(diǎn)復(fù)雜吊裝空間小的問題，達(dá)到縮短施工工期和提高施工質(zhì)量的目的[2]。運(yùn)用虛擬施工技術(shù)，用戶可以先在計(jì)算機(jī)上模擬毛石裝飾墻砌筑過程，然后進(jìn)行實(shí)際施工，從而減少返工，提高施工質(zhì)量和施工效率。

BIM(Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱BIM)技術(shù)近年來飛速發(fā)展，并已經(jīng)開始應(yīng)用于建筑生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)。邵光華利用Revit Architecture和Revit MEP等軟件構(gòu)建綜合樓建筑BIM模型，有效解決設(shè)計(jì)過程中的管線碰撞問題，同時(shí)也為多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供平臺(tái)[3]。張建平等基于BIM和4D技術(shù)研發(fā)了建筑施工建模系統(tǒng)和施工項(xiàng)目管理系列軟件，并將研究成果應(yīng)用于國(guó)家體育場(chǎng)等項(xiàng)目，提高了施工效率和質(zhì)量[4]。胡振中等針對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)資料上機(jī)電設(shè)備運(yùn)維信息的局限性，利用BIM技術(shù)和二維碼技術(shù)開發(fā)了機(jī)電設(shè)備智能管理系統(tǒng)，為建筑運(yùn)維期的機(jī)電設(shè)備管理提供技術(shù)支持[5]。BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維期等的運(yùn)用，為建筑工程帶來了技術(shù)革新，也為企業(yè)帶來了實(shí)際效益。BIM技術(shù)的核心是信息共享[6]，即項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等之間實(shí)現(xiàn)信息共享。鑒于本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)建立了全專業(yè)的BIM模型，因此可以考慮從建筑工程的BIM模型中提取裝飾墻的幾何信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行毛石裝飾墻的虛擬砌筑。

為了提高毛石裝飾墻的砌筑效率與質(zhì)量，本研究通過對(duì)毛石裝飾墻施工現(xiàn)狀的調(diào)研和分析提出系統(tǒng)需求，并結(jié)合虛擬施工技術(shù)和BIM軟件的二次開發(fā)技術(shù)研制了基于BIM的毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)，并對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了試用[7]。

2 毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)需求

2.1 毛石裝飾墻砌筑流程優(yōu)化

通過對(duì)現(xiàn)有毛石裝飾墻砌筑流程的實(shí)地調(diào)研及分析，結(jié)合虛擬施工技術(shù)和BIM軟件的二次開發(fā)技術(shù)，本研究提出了改進(jìn)后的毛石裝飾墻砌筑流程(以下簡(jiǎn)稱“新流程”)，如圖1所示。

新流程分為三個(gè)階段，即由工人進(jìn)行的石材預(yù)處理階段、由管理人員進(jìn)行的虛擬拼裝階段和由工人進(jìn)行的實(shí)際施工階段。各階段的詳細(xì)工作內(nèi)容如下：

1)石材預(yù)處理階段。工人對(duì)石材逐一編號(hào)并在石材上標(biāo)出特征點(diǎn)以表示石材的輪廓，然后用相機(jī)對(duì)石材上標(biāo)記特征點(diǎn)的面拍照，并把石材照片拷貝給管理人員。

2)虛擬拼裝階段。管理人員首先將項(xiàng)目BIM模型中的墻體導(dǎo)入系統(tǒng)，然后將石材照片導(dǎo)入系統(tǒng)。待圖像處理完成后，管理人員依照從項(xiàng)目BIM模型導(dǎo)入的墻體，通過平移、旋轉(zhuǎn)和裁剪等交互式操作對(duì)石材進(jìn)行虛擬砌筑。此時(shí)，系統(tǒng)已自動(dòng)生成石材切割圖和墻體拼裝圖。最后將生成的切割圖和拼裝圖打印出來交給工人。

3)實(shí)際施工階段。工人根據(jù)石材切割圖切割石材，然后按照墻體拼裝圖拼裝石材。

相比于現(xiàn)有施工流程，新流程的優(yōu)點(diǎn)有：

1)注重流水化作業(yè)，分工明確。相關(guān)人員各司其職，只需承擔(dān)施工流程上的部分工作，其工作更專業(yè)化，有利于提高施工效率和施工質(zhì)量。

2)工人省去從眾多石材中挑選輪廓合適石材的麻煩。任何一塊石材都可以被編號(hào)、標(biāo)出特征點(diǎn)并拍照，然后導(dǎo)入系統(tǒng)等待虛擬拼裝，這可以節(jié)省施工人員大量的時(shí)間和精力。

3)借鑒了虛擬施工的優(yōu)點(diǎn)。管理人員可以先在計(jì)算機(jī)上虛擬砌筑石材，根據(jù)虛擬砌筑石材過程中暴露的問題改進(jìn)實(shí)際施工過程，也就是調(diào)整石材的切割輪廓和拼裝方案。這可以極大減少實(shí)際施工過程中對(duì)石材的反復(fù)畫線與切割，降低工人勞動(dòng)量，加快施工速度。

2.2 毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)的功能需求分析

根據(jù)新流程，系統(tǒng)首先需要對(duì)導(dǎo)入的石材照片進(jìn)行處理以得到石材特征點(diǎn)的幾何信息并生成石材輪廓矢量圖，然后將矢量圖顯示出來以方便用戶進(jìn)行選擇。在此基礎(chǔ)之上，管理人員需要將工程BIM模型中的對(duì)應(yīng)墻體導(dǎo)入系統(tǒng)，然后根據(jù)系統(tǒng)中石材的數(shù)據(jù)以及待拼接墻體的幾何信息，在系統(tǒng)中通過旋轉(zhuǎn)、平移、裁剪等交互式操作對(duì)石材進(jìn)行虛擬砌筑。同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成石材切割圖和墻體拼裝圖。

圖1 改進(jìn)后的毛石裝飾墻砌筑流程

圖2 系統(tǒng)界面

3 毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)的功能需求分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包含以下功能模塊：墻體導(dǎo)入模塊、石材圖像處理模塊、石材圖像顯示模塊、毛石裝飾墻虛擬砌筑模塊、石材切割圖和墻體拼裝圖自動(dòng)生成模塊。各個(gè)功能模塊的作用如下：

1)墻體導(dǎo)入模塊。該模塊支持用戶將項(xiàng)目BIM模型中的對(duì)應(yīng)墻體導(dǎo)入本系統(tǒng)。

2)石材圖像處理模塊。該模塊自動(dòng)將用戶導(dǎo)入的石材圖像進(jìn)行處理，即識(shí)別石材上的特征點(diǎn)，形成石材輪廓，得到石材矢量圖。

3)石材圖像顯示模塊。該模塊將石材圖像處理模塊得到的石材矢量圖在系統(tǒng)中顯示出來，用戶可以從顯示的石材圖像中選擇將要擺放的石材。

4)毛石裝飾墻虛擬砌筑模塊。支持用戶對(duì)石材圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、裁剪等操作，即對(duì)石材進(jìn)行虛擬砌筑。

5)切割圖和拼裝圖自動(dòng)生成模塊。該模塊根據(jù)用戶對(duì)石材圖形的操作生成和更新切割圖和拼裝圖。這種更新是自動(dòng)的，即只要用戶對(duì)石材圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移或裁剪操作，系統(tǒng)即自動(dòng)更新對(duì)應(yīng)石材的切割圖和墻體的拼裝圖。

4 系統(tǒng)開發(fā)

4.1 圖形平臺(tái)選擇

在建筑工程中常用的提供圖形平臺(tái)功能的軟件有Autodesk公司的Revit系列軟件和AutoCAD軟件。作為一款強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，AutoCAD及其二次開發(fā)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、測(cè)繪和城鎮(zhèn)規(guī)劃等方面。但AutoCAD并不是BIM軟件，其基本圖元是點(diǎn)、線和面。AutoCAD中設(shè)計(jì)的拼裝石材方案，由于石材是由點(diǎn)、線和面等圖元組成，計(jì)算機(jī)不能自動(dòng)解析其含義，需要人工讀圖識(shí)圖，阻礙后續(xù)施工應(yīng)用。

圖3 石材切割圖

圖4 墻體拼裝圖

作為一款BIM軟件，Revit已經(jīng)應(yīng)用于多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)等方面。Revit的基本圖元是參數(shù)化的構(gòu)件，石材在Revit中通過參數(shù)化構(gòu)件表示，可在BIM模型中進(jìn)行共享。另外，Revit具有及時(shí)動(dòng)態(tài)更新的能力，根據(jù)模型的修改可以及時(shí)更新相應(yīng)的視圖[8]，而本系統(tǒng)的研制要求切割圖和拼裝圖能夠自動(dòng)生成和更新，因此系統(tǒng)開發(fā)圖形平臺(tái)選擇Revit。

4.2 圖像處理技術(shù)選擇

OpenCV是一個(gè)免費(fèi)開源的計(jì)算機(jī)視覺庫，是當(dāng)前主流的圖像處理工具，它具有運(yùn)行速度快等特點(diǎn)[9]。通過調(diào)用OpenCV中的函數(shù)可以方便地處理圖像。EmguCV是OpenCV圖像處理庫的跨平臺(tái).NET封裝，可以使OpenCV中的函數(shù)在.NET語言中被調(diào)用[10]。利用EmguCV圖像處理庫可以實(shí)現(xiàn)圖像濾波、邊緣提取、相似度計(jì)算等功能。Matlab具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，也擅長(zhǎng)圖像處理。目前，C#與Matlab混合編程技術(shù)比較成熟且已經(jīng)應(yīng)用于氣象、測(cè)繪等領(lǐng)域。鑒于本系統(tǒng)所要處理的圖像比較簡(jiǎn)單，Matlab的運(yùn)行效率能滿足本系統(tǒng)的要求，且相比于OpenCV和EmguCV，C#與Matlab混合編程技術(shù)更成熟，編程更方便，因此本研究采用Matlab作為圖像處理的工具。

4.3 系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)工具選擇Microsoft Visual Studio 2010，使用的編程語言是C。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，利用Revit二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了Revit模塊，即“毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)”，其中調(diào)用了石材圖像處理模塊，該模塊是利用Matlab開發(fā)而成的。

該系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為Revit和Matlab，即必須在計(jì)算機(jī)上安裝這兩個(gè)軟件，然后在Revit中加載該系統(tǒng)即可使用。

5 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

基于BIM的毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)的用戶界面如圖2所示。

運(yùn)用本系統(tǒng)時(shí)，用戶首先需要通過“加載圖像”命令選擇石材圖片存放的文件夾，然后系統(tǒng)開始自動(dòng)處理該文件夾下的圖像，即識(shí)別特征點(diǎn)，形成石材輪廓，得到石材輪廓矢量圖。石材輪廓矢量圖會(huì)在“石材區(qū)”中顯示。接著，用戶通過“繪制墻輪廓”命令從項(xiàng)目的BIM模型中導(dǎo)入墻體的幾何信息，然后在“石材區(qū)”選擇石材并將其“擺放”到Revit繪圖區(qū)。在Revit繪圖區(qū)，用戶通過“移動(dòng)”、“旋轉(zhuǎn)”、“一邊對(duì)齊擺放”等命令操作石材圖形，實(shí)現(xiàn)石材虛擬砌筑。石材切割圖和墻體拼裝圖在系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)生成。用戶可以通過“選擇視圖”命令在“項(xiàng)目瀏覽器”中選擇相應(yīng)的切割圖和拼裝圖進(jìn)行查看。系統(tǒng)生成的石材切割圖如圖3所示，墻體拼裝圖如圖4所示。

6 結(jié)語

針對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)毛石裝飾墻的拼裝需求以及現(xiàn)有拼裝流程中存在的問題，本研究建立了毛石裝飾墻施工新流程。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Revit二次開發(fā)技術(shù)和圖像處理技術(shù)，研制了基于BIM的毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)，經(jīng)對(duì)系統(tǒng)試用得知，該系統(tǒng)可以有效地提高現(xiàn)場(chǎng)毛石裝飾墻砌筑的效率和質(zhì)量。

[1]張利, 石毅, 張希黔. 虛擬施工技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐和研究開發(fā)展望[J]. 工業(yè)建筑, 2004, 33(11): 49-51.

[2]張宏勝. 虛擬建造在鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的研究與應(yīng)用[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2004.

[3]邵光華. BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]. 青島: 青島理工大學(xué), 2014.

[4]張建平, 李丁, 林佳瑞等. BIM 在工程施工中的應(yīng)用[J]. 施工技術(shù): 下半月, 2012, 41(8): 10-17.

[5]胡振中, 陳祥祥, 王亮等. 基于 BIM 的機(jī)電設(shè)備智能管理系統(tǒng)[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2013, 5(1):17-21.

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[7]馬智亮, 劉世龍, 張東東等. 基于 BIM 的毛石裝飾墻虛擬砌筑系統(tǒng)研制[C]. 第十七屆全國(guó)工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用大會(huì)論文集, 北京, 2014.

[8]靳銘宇. 淺析Autodesk Revit在中國(guó)的發(fā)展及局限性[J]. 華中建筑, 2008, 26(1):83-84.

[9]秦小文, 溫志芳, 喬維維. 基于OpenCV的圖像處理[J]. 電子測(cè)試, 2011(7):39-41.

[10]EmguCV. Main Page[EB/OL][2015-04-23]. http://www.emgu.com/wiki/index.php/Main_Page.

BIM-based Virtual Building System Development for Rubble Walls

Ma Zhiliang, Liu Shilong, Zhang Dongdong, Xi Yanxin

(TsinghuaUniversity,Beijing100084，China)

A BIM-based virtual building system is developed by customizing Autodesk Revit to increase the efficiency of building rubble walls which is of high demand. The system consists of four modules for importing walls, processing and displaying stone images, virtual construction, and generating cutting diagrams and assembly diagrams respectively. In practical use, firstly, users should label numbers on stones, take photos of them and then import the photos into the system, and the system will generate the vector diagrams of each stone automatically. Secondly, based on the information of walls imported from BIM model and the vector diagrams, users construct walls virtually by means of interactive operations, such as movement, rotation and cutting, and the system will generate cutting diagrams of stones and assembly diagrams of walls at the same time which can be used to guide the construction. It is verified that the system could improve the efficiency of constructing rubble walls of high demand.

Rubble Walls; Virtual Construction; BIM System Development; Image processing; Customization

本項(xiàng)目系與中信建設(shè)有限責(zé)任公司的合作項(xiàng)目

馬智亮(1963-)，男，教授。長(zhǎng)期從事信息技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用研究。

TU56+4·2；TP391·99

A

1674-7461(2015)02-0009-05