計(jì)算機(jī)技術(shù)在BIM建筑建模中的應(yīng)用研究?

朱 宸 闞 哲

（1.中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 401311）（2.浙江師范大學(xué) 金華 321004）

計(jì)算機(jī)技術(shù)在BIM建筑建模中的應(yīng)用研究?

朱 宸1闞 哲2

（1.中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 401311）（2.浙江師范大學(xué) 金華 321004）

BIM建筑建模的數(shù)據(jù)量在不斷的增大使得傳統(tǒng)BIM調(diào)度模型在功能上不再滿足細(xì)節(jié)上的要求，并且傳統(tǒng)調(diào)度模型具有訪問速度慢，參數(shù)調(diào)控效率低，操作時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。所以，論文提出基于可視化特征提取的BIM信息調(diào)度模型，將原點(diǎn)到重心的距離作為可視化特征進(jìn)行提取。對(duì)覆蓋以及重疊部分和形狀進(jìn)行分析處理，再利用全局優(yōu)化法篩選最優(yōu)節(jié)點(diǎn)來插入新的對(duì)象。通過空間聚簇劃分算法，通過獲得的可視化特征完成R樹的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而達(dá)到BIM信息調(diào)度模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，論文提出的算法模型調(diào)度性、耗時(shí)短具有很好的實(shí)用性。

BIM；可視化提??；動(dòng)態(tài)優(yōu)化；信息調(diào)度模型

1 引言

BIM建筑信息模型包含的數(shù)據(jù)的非常龐大。由于數(shù)字化建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)于BIM的要求提出了更大的挑戰(zhàn)，需要在細(xì)節(jié)功能上進(jìn)行深入研究［1-2］，但是當(dāng)前的計(jì)算配置還無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取、傳送等要求。所以，BIM信息的調(diào)度變的尤為重要。當(dāng)前，已知的BIM信息調(diào)度的技術(shù)已經(jīng)有不少，一般包括細(xì)節(jié)分層聚類算法的BIM信息調(diào)度模型［3］、混合遺傳的算法BIM信息調(diào)度模型［4］、四叉樹生成算法的BIM信息調(diào)度模型［5］、貪婪算法以及粒子群優(yōu)化算法的BIM信息調(diào)度模型［6］、依據(jù)紋理映射算法的BIM信息調(diào)度模型［7］。但是傳統(tǒng)的算法的過程很繁雜，導(dǎo)致處理過程時(shí)間長(zhǎng)，能耗高，可替換能力差，在實(shí)際操作中有很多的缺點(diǎn)。

對(duì)于傳統(tǒng)算法的缺點(diǎn)，本文提出基于可視化特征提取算法的BIM信息調(diào)度模型［8］，將圖形的原點(diǎn)到重心距離作為可視化的特征進(jìn)行提取，再利用節(jié)點(diǎn)分裂算法對(duì)模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化篩選［9］，并采用三維空間聚簇劃分算法以及 k —均值算法［10～12］，通過提取的可視化特征實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)R樹最大優(yōu)化，從而達(dá)到建筑建模的BIM信息調(diào)度。

2 BIM理論

BIM是利用三維數(shù)字模型在建筑建模上的應(yīng)用。利用參數(shù)對(duì)建筑進(jìn)行記錄。它記錄了建筑的全部信息，包括建造周期過程中每個(gè)階段的全部數(shù)據(jù)，原理是利用信息技術(shù)對(duì)建造進(jìn)行模擬全部過程。利用BIM平臺(tái)，模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目中的建筑信息進(jìn)行修改、提取、更新以及替換，可以很好地展示對(duì)建筑設(shè)計(jì)的全部預(yù)期以及更改。

BIM的標(biāo)準(zhǔn)定義是對(duì)設(shè)施建筑物的物理以及功能特性的數(shù)學(xué)表式即參數(shù)指標(biāo)［13］，BIM具有知識(shí)資源共享的特點(diǎn)，能夠?yàn)槊總€(gè)參與者提供建筑設(shè)施在動(dòng)工到結(jié)束整個(gè)生命周期例全部以及每個(gè)環(huán)節(jié)的具體數(shù)據(jù)資源，重要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)更改、替換都有詳細(xì)記錄。

BIM平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)包括以下幾點(diǎn)，首先它有具體的數(shù)學(xué)形式，數(shù)據(jù)變得具體標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)具有一致性，很強(qiáng)的操作性，計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行自行處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。另外建筑的數(shù)據(jù)信息具有共享性，能夠滿足互用的需求。最后，它的形式標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

在實(shí)際建筑設(shè)施應(yīng)用中，BIM的具體應(yīng)用價(jià)值包括：當(dāng)BIM應(yīng)用于設(shè)施時(shí)，BIM表示對(duì)建筑數(shù)據(jù)的管理與儲(chǔ)存，使得數(shù)據(jù)資源被建筑參與者有效利用，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及及時(shí)性。從建筑者而言，BIM是每個(gè)參與者進(jìn)行高效交流的數(shù)據(jù)平臺(tái)，在平臺(tái)的基礎(chǔ)上，使得項(xiàng)目參與者能事項(xiàng)。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)者，BIM是集成化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，有利于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)者提供更多思路和數(shù)據(jù)顯示，提高建筑設(shè)計(jì)的合理性和創(chuàng)新性。

圖1是傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)引入了BIM平臺(tái)之后的變革，傳統(tǒng)的建筑活動(dòng)中，每個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行互相交流，復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，利用BIM服務(wù)器的集成化處理，使得數(shù)據(jù)信息集成。利用裝載在BIM服務(wù)器端的中央數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，參與者可以BIM服務(wù)器獲得想要的有關(guān)數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)的共享更加便利，參數(shù)也相對(duì)穩(wěn)定可靠。

3 BIM可視化調(diào)度模型

3.1 可視化特征提取

在BIM調(diào)度數(shù)字模型中，多元數(shù)據(jù)圖是經(jīng)典的的數(shù)據(jù)可視化方法［14］，本文采用雷達(dá)數(shù)據(jù)圖表示多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，多元數(shù)據(jù)圖可以進(jìn)行可視化特征提取，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 BIM服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換方式

圖2 可以看出，從圖像分割來看，多元數(shù)據(jù)圖中的每個(gè)三角形都存在一個(gè)重心，分割出某個(gè)三角形，找出它的重心G，如圖3所示。

圖2 雷達(dá)圖表示示意

圖3 中，OG表示的是原點(diǎn)O到重心G之間的距離。令G點(diǎn)的特征為多元數(shù)據(jù)圖的可視化特征，即原點(diǎn)O與G點(diǎn)之間的距離為其特征，BIM建筑數(shù)據(jù)庫(kù)中，即有d維特征的集合可構(gòu)成為d維重心特征的集合，集合元素的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖3 雷達(dá)圖中可視化重心特征示意

由式（1）得，Gi的大小主要由 ri、 ri+1以及角度ωi來決定，而且ωi=2π/d代表與d相關(guān)的確定值。若ri、 ri+1l之間交換位置，則Gi的大小不變，可 得 到 f(ri， ri+1)=f(ri+1， ri) 。 若 i=d ，則i+1=d+1代表d+1維。重心的特征代表數(shù)據(jù)圖的可視化特征，求出重心特征并將其提取即獲得了可視化特征的提取。另外，特征提取的方法是種非線性方法，因此提取的結(jié)果很穩(wěn)定。

3.2 模型節(jié)點(diǎn)分裂算法

模型優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)選擇是BIM調(diào)度模型構(gòu)建的基礎(chǔ)［15］，為了達(dá)到選擇的節(jié)點(diǎn)使得在對(duì)路徑上每層節(jié)點(diǎn)的的相關(guān)系數(shù)最小，本文利用全局優(yōu)化法篩選路徑上的節(jié)點(diǎn)。全局優(yōu)化法考慮了結(jié)構(gòu)圖覆蓋大小、重疊大小以及自身形狀等因素，覆蓋大小和重疊大小的長(zhǎng)度單位的三次方表示為體積，通過柯西定理求得的三維柯西值代表形狀的評(píng)估要素。

三維柯西值代表的是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在立體坐標(biāo)軸每個(gè)坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度X、Y、Z的平均值?？挛鞫ɡ淼拿枋鰹?/p>

若BIM調(diào)度模型中的節(jié)點(diǎn)邊長(zhǎng)為X、Y、Z，則式（3）中的Overlap可表示需訪問的對(duì)象插入節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)與路徑上節(jié)點(diǎn)的重疊體積增加的大?。籓verlay表示插入待訪問對(duì)象后節(jié)點(diǎn)自身體積增加的大??；而Shape表示插入待訪問對(duì)象后其三維柯

當(dāng) X=Y=Z時(shí)，式（2）成立。令 X×Y×Z的大小為定值，此時(shí) X=Y=Z時(shí)，X、Y、Z的平均值的三次方最小，可以理解為BIM建筑數(shù)據(jù)信息的三維節(jié)點(diǎn)體積為定值時(shí)，，則三維柯西值此時(shí)最小，即當(dāng)三維柯西值作為每個(gè)節(jié)點(diǎn)形狀的評(píng)估因子，能夠很好的控制節(jié)點(diǎn)的形狀，若三維柯西值越小，則節(jié)點(diǎn)形狀可近似于立方體。

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)若預(yù)設(shè)3個(gè)因素相等的權(quán)重值，形成的模型架構(gòu)最為合理形。利用上式中的3個(gè)因素，得到評(píng)估權(quán)重為西值增加的大小。

經(jīng)過節(jié)點(diǎn)選擇算法之后，節(jié)點(diǎn)之后的樹狀分裂后得到的節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)分裂算法，三維空間節(jié)點(diǎn)分裂算法結(jié)合了k-均值算法，利用式（2）獲得的的可視化特征，并通過目標(biāo)的i維空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的分裂過程。與節(jié)點(diǎn)形狀覆蓋大小、重疊大小和自身形狀這三個(gè)因素同樣作為衡量因素，則算法如下：

算法的入口，BIM調(diào)度模型的因素集合為S={P1，P2，…，Pn}。

算法的出口，因素集合S可看作多個(gè)小目標(biāo)集合 Si，i=1，2，…，k 。

1）通過S集合中篩選出k個(gè)元素并賦值k個(gè)Si小集合，這些k個(gè)小集合可表示為篩選出來的種子目標(biāo)，并依次獲得可視化特征Gi；利用篩選標(biāo)準(zhǔn)，令k個(gè)目標(biāo)的中心作為者k個(gè)小集合的中心；

2）利用k—均值法，提取的可視化特征Gi替換到子集合中，對(duì)節(jié)點(diǎn)所在的集合，進(jìn)行中心更替；

3）循環(huán)步驟2），將每個(gè)目標(biāo)劃分到這k個(gè)集合中，劃分后即完成了三維空間的節(jié)點(diǎn)分裂過程。

3.3 動(dòng)態(tài)R樹生成算法

經(jīng)過節(jié)點(diǎn)分裂后，分裂樹就得以實(shí)現(xiàn)，再結(jié)合動(dòng)態(tài)R樹生成算法可達(dá)到可視化的目的，利用節(jié)點(diǎn)分裂算法后獲得有效的樹杈節(jié)點(diǎn)以及訪問目標(biāo)對(duì)象，利用R樹生成算法后達(dá)到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)樹的的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。算法過程如下：

1）通過節(jié)點(diǎn)選擇規(guī)則獲得引入的葉子節(jié)點(diǎn)；

2）引入數(shù)字化城市BIM中的待訪問目標(biāo)后，若出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)過多時(shí)，則利用節(jié)點(diǎn)分裂算法實(shí)現(xiàn)空間聚簇劃分；

3）若在運(yùn)行過程中使得葉子節(jié)點(diǎn)超出規(guī)定范圍，則將引入元組的葉節(jié)點(diǎn)記作N1，將它的父節(jié)點(diǎn)記作F；

4）查詢F父節(jié)點(diǎn)中和N1葉節(jié)點(diǎn)中的重合面積最多的節(jié)點(diǎn)記作N2，通過空間聚簇劃分達(dá)到對(duì)N1和N2中子目標(biāo)的優(yōu)化劃分；

5）若N1、N2的初始劃分已經(jīng)最優(yōu)，則結(jié)束算法；若兩者的子目標(biāo)未達(dá)到最優(yōu)，則設(shè)節(jié)點(diǎn)F替換N1，節(jié)點(diǎn)F的父節(jié)點(diǎn)替換原始節(jié)點(diǎn)F，反復(fù)迭代步驟4），直到劃分最優(yōu)。

動(dòng)態(tài)R樹生成算法可以有效地調(diào)控引入路徑中所有的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，使得不合理節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為合理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)樹葉到樹根的群全部節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，獲得的結(jié)果即為最優(yōu)BIM調(diào)度結(jié)果。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際施工操作中，可依據(jù)施工進(jìn)度和BIM可視化調(diào)度模型對(duì)實(shí)際施工的過程采取查詢、調(diào)控等功能，達(dá)到對(duì)實(shí)際施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，及時(shí)作出修改和監(jiān)督。

4.1 調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)對(duì)比

圖4是簡(jiǎn)單的原始數(shù)字化城市模型，利用節(jié)點(diǎn)分裂算法獲得的調(diào)度模型為圖5。

圖4 原始數(shù)字化城市模型

圖5 本文方法調(diào)度結(jié)果

利用本文算法后得到的調(diào)度結(jié)果和原始模型相似度很高，可以很好地還原數(shù)字化城市的一些基本信息。所以本文的方法在數(shù)字化城市調(diào)度模型中具有很高的實(shí)用性。

4.2 BIM施工進(jìn)度可視化

運(yùn)行BIM技術(shù)可視化進(jìn)度動(dòng)態(tài)操作時(shí)，可以依據(jù)實(shí)際施工設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)前的進(jìn)度實(shí)行修改和控制，對(duì)具體的建造設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，監(jiān)督施工過程中存在的缺陷、問題以及不足，提前對(duì)施工方進(jìn)行協(xié)調(diào)解。

本文以某學(xué)校的教學(xué)樓建設(shè)為背景，進(jìn)行BIM的3D可視化監(jiān)控，圖6虛擬為施工的第二個(gè)進(jìn)度的動(dòng)態(tài)展示，第一個(gè)進(jìn)度為地基建設(shè)，通過可視化模型可以看出建筑物的基本構(gòu)造，通過上方的功能區(qū)版塊對(duì)施工進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化。

圖6 進(jìn)度動(dòng)態(tài)展示

圖7 調(diào)控的進(jìn)度動(dòng)態(tài)展示，可以看出對(duì)于墻體的外圍細(xì)節(jié)也可以進(jìn)行，圖中的模型淺色代表施工方將要進(jìn)行的工作區(qū)域，而深色部分代表之后施工計(jì)劃的工程區(qū)域。

圖7 進(jìn)度動(dòng)態(tài)展示

圖8 為最后建筑完成的可視化模型，可以清楚看出建筑的全部構(gòu)造。

圖8 進(jìn)度動(dòng)態(tài)展示

圖9 可以看出，本文模型的啟動(dòng)延遲較低，延遲越低，則BIM信息調(diào)度的效率越高，同時(shí)也證明了本文模型的查詢耗時(shí)少，可以實(shí)時(shí)讀取、顯示。

圖9 啟動(dòng)延遲時(shí)間

5 結(jié)語

本文基于建筑設(shè)施進(jìn)度可視化特征提取的BIM信息調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了施工工作中對(duì)進(jìn)度的動(dòng)態(tài)調(diào)控。仿真實(shí)驗(yàn)表明，模型可以很好地反映施工進(jìn)度，并對(duì)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，而且本文模型耗時(shí)少、內(nèi)存小、調(diào)度性能號(hào)，具有實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)。

［1］李德超，張瑞芝.BIM技術(shù)在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用研究［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2012（1）：47-51.LI Dechao，ZHANG Ruizhi.Application of BIM Technology in 3D Modeling of Digital City［J］.Civil Engineering Information Technology，2012（1）：47-51.

［2］胡章杰，張藝.BIM在三維數(shù)字城市中的集成與應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2015，125（s1）：21-25.HU Zhangjie，ZHANG Yi.Study on the Integration and Application of BIM in 3D Digital City［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2015，125（s1）：21-25.

［3］李欣蘭，黃瑋征.建筑工程BIM應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［J］.建筑經(jīng)濟(jì)，2016，37（4）：105-110.LI Xinlan，HUANG Weizheng.Study on BIM Value Evaluation Index System for Construction Engineering［J］.Construction Economy，2016，37（4）：105-110.

［4］王育偉.BIM技術(shù)在住宅建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.城市建筑，2014，14（35）：50.WANG Yuwei.Application of BIM Technology in Residential Building Design［J］.Urban Architecture，2014，14（35）：50.

［5］龐彬.BIM技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究［J］.城市建筑，2015（11）：107.PENG Bin.Application of BIM Technology in Building Construction［J］.Urban Architecture，2015（11）：107.

［6］燕華.BIM技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究淺析［J］.科研，2016（12）：124.YAN Hua.Study on the Application of BIM Technology in Construction［J］.Scientific Research，2016（12）：124.

［7］葛靖，洪源.BIM技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探［J］.中國(guó)科技博覽，2015（26）：293-293.GE Jing，HONG Yuan.Application of BIM Technology in Computer Aided Architectural Design［J］.China Science and Technology Expo，2015（26）：293-293.

［8］王冉然.BIM技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用初探［J］.城市建筑，2014（15）：373-373.WANG Ranran.Application of BIM Technology in Computer Assisted Architecture Design Teaching［J］.Urban Architecture，2014（15）：373-373.

［9］劉曉光.BIM技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究［J］.消費(fèi)電子，2014（2）：165-166.LIU Xiaoguang.Application of BIM Technology in Building Construction［J］.Consumer Electronics，2014（2）：165-166.

［10］蔡靜，陳茸.BIM技術(shù)在室內(nèi)裝修中的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代裝飾：理論，2013（8）：29-31.CAI Jing，CHEN Rong.Application of BIM Technology in Interior Decoration［J］.Modern Decoration：Theory，2013（8）：29-31.

［11］張杰，王剛.BIM可視化在機(jī)電施工項(xiàng)目中的應(yīng)用［J］.安裝，2016（2）：59-61.ZHANG Jie，WANG Gang.Application of BIM Visualization in Electromechanical Construction Project［J］.Installation，2016（2）：59-61.

［12］孫中梁，馬海賢，胡偉.基于BIM可視化技術(shù)的施工進(jìn)度管理［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2016（3）：27-30.SUN Zhongliang，MA Haixian，HU Wei.Patch management of construction based on BIM visualization technology［J］.Journal of Railway Technology Innovation，2016（3）：27-30.

［13］蘇駿，葉紅華.基于BIM的設(shè)計(jì)可視化技術(shù)在世博會(huì)德國(guó)館中的應(yīng)用［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1（1）：87-91.SU Jun，YE Honghua.Application of BIM-based design visualization technology in German Pavilion in World Expo［J］.Civil Engineering Information Technology，2009，1（1）：87-91.

［14］魏英洪.BIM技術(shù)中建筑工程可視化應(yīng)用方法及價(jià)值探討［J］.鐵道勘察，2014（1）：17-19.WEI Yinghong.Application of Visualization Method and Value of Construction Engineering in BIM Technology［J］.Railway Investigation，2014（1）：17-19.

［15］何波.BIM建筑性能分析應(yīng)用價(jià)值探討［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2011（3）：63-71.HE Bo.Application Value of BIM Building Performance Analysis［J］.Civil Engineering Information Technology，2011（3）：63-71.

Research on the Application of Computer Technology in BIM Building Modeling

ZHU Chen1KAN Zhe2
（1.Logistic Engineering University of PLA，Chongqing 401311）（2.Zhejiang Normal University，Jinhua 321004）

BIM building modeling data in the continuous increase makes the traditional BIM scheduling model in the function no longer meet the details of the requirements，and the traditional scheduling model access speed is slow，low efficiency parameter control，long operation time and other shortcomings.Therefore，this paper proposes a BIM information scheduling model based on visual feature extraction，and extracts the distance from the origin to the center of gravity as a visual feature.The overlay and overlapping parts and shapes are analyzed and processed，and the global optimization method is used to filter the optimal nodes to insert new objects.Through the spatial clustering algorithm，the dynamic optimization of R tree is completed by the visualization feature，so as to achieve the BIM information scheduling model.The experimental results show that the algorithm proposed in this paper has a very good practicality.

BIM，visual extraction，dynamic optimization，information scheduling model

TU17

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.042

Class Number TU17

2017年5月9日，

2017年6月29日

青年科學(xué)基金項(xiàng)目“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)下耦合MP2P文件共享網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)實(shí)效與修復(fù)策略研究”（編號(hào)：61602418）資助。

朱宸，男，碩士研究生，研究方向：營(yíng)區(qū)規(guī)劃與設(shè)計(jì)。