基于AI+BIM 技術(shù)的住宅戶型方案設(shè)計(jì)探索與研究

婁天 張博涵

(上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 200941)

引言

對(duì)于住宅項(xiàng)目而言，戶型方案是項(xiàng)目設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)。優(yōu)秀的戶型有助于提升項(xiàng)目整體品質(zhì)，提高人們居住體驗(yàn)。然而在現(xiàn)實(shí)中，設(shè)計(jì)師多依賴于參考同類型項(xiàng)目或當(dāng)?shù)貢充N戶型，缺乏創(chuàng)新性；同時(shí)，受制于設(shè)計(jì)周期、戶型指標(biāo)以及項(xiàng)目預(yù)算等因素，設(shè)計(jì)師無法將工作重點(diǎn)專注于設(shè)計(jì)創(chuàng)作本身，導(dǎo)致戶型設(shè)計(jì)千篇一律缺少創(chuàng)新。長(zhǎng)此以往，不利于住宅設(shè)計(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

近年來隨著AI 技術(shù)的爆發(fā)，大家看到人工智能的無限可能。在建筑領(lǐng)域中同樣誕生了一批基于AI 技術(shù)的應(yīng)用軟件，來輔助項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等工作。BIM 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的前提下，建筑設(shè)計(jì)工作逐漸從人工+電腦輔助設(shè)計(jì)向人工智能輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變[1]。本文將介紹AI+BIM 技術(shù)在住宅項(xiàng)目戶型設(shè)計(jì)中的探索與研究，以供讀者參考借鑒。

1 AI+BIM 軟件選用

目前建筑設(shè)計(jì)主要依賴于AutoCAD 系列軟件進(jìn)行二維平面設(shè)計(jì)。有別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，本文將采用歐特克Revit2023 作為底層設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，不過也需要應(yīng)用AutoCAD 完成相關(guān)輔助工作。AI 工具則選用PlanFinder 與GetFloorPlan 共同完成設(shè)計(jì)工作。所用軟件及功能如表1 所示。

表1 戶型方案設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件匯總表

1.1 PlanFinder 介紹

PlanFinder 是一款基于AI 技術(shù)研發(fā)的AIGC 軟件，是基于深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人工智能決策和行動(dòng)的方法。通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，不斷優(yōu)化模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的技術(shù)應(yīng)用。PlanFinder 在戶型方案設(shè)計(jì)中旨在提升住宅戶型平面圖的設(shè)計(jì)速度，為設(shè)計(jì)師提供創(chuàng)意方案，發(fā)散設(shè)計(jì)思維，并能夠自動(dòng)生成BIM 模型，在節(jié)約BIM 建模時(shí)間的同時(shí)，能夠?yàn)楹罄m(xù)工作提供基礎(chǔ)模型，是AI 建筑設(shè)計(jì)工作流中必不可少的一部分。

目前，基于“Plugin+BIM 軟件平臺(tái)”二次開發(fā)模式[2]，PlanFinder 能夠?yàn)镽hino7、Grasshopper3D 和Revit2023 平臺(tái)提供插件服務(wù)，主要包含以下三種功能：

（1）“Fit”功能

該功能可以拾取現(xiàn)有的簡(jiǎn)易平面圖來批量生成戶型布置圖。在指定外墻和入戶門位置后，PlanFinder 就會(huì)在數(shù)據(jù)庫中尋找多個(gè)與輸入內(nèi)容相吻合的戶型平面圖，并生成三維模型。目前數(shù)據(jù)庫中有幾千張戶型圖可作為參考使用。

（2）“Generate”功能

利用”Generate 功能”，只需要手動(dòng)在Revit 平臺(tái)中創(chuàng)建外墻與分隔墻模型。PlanFinder 就會(huì)快速生成與模型相匹配的戶型平臺(tái)圖及家具，生成出的家具均為3D 族模型。

（3）“Furnish”功能

該功能需要手動(dòng)在Revit 平臺(tái)中創(chuàng)建至少兩個(gè)房間，PlanFinder 會(huì)根據(jù)房間功能、入戶門位置自動(dòng)為一個(gè)房間布置家具模型。

PlanFinder 具有以下功能特性：

（1）設(shè)計(jì)速度快

基于強(qiáng)大的AI 算法，PlanFinder 可以在幾秒鐘內(nèi)批量生成多種戶型平面圖。同時(shí)，可以根據(jù)選定的平面圖快速生成Revit 模型。

（2）激發(fā)創(chuàng)作思維

對(duì)于同一個(gè)建筑平面空間PlanFinder 可輸出多種戶型平面圖供設(shè)計(jì)師選擇，可多次生成不同的設(shè)計(jì)方案為設(shè)計(jì)師提供參考。

（3）界面簡(jiǎn)潔操作簡(jiǎn)單

PlanFinder 界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)便，對(duì)于Revit 使用新手來說也十分友好。

1.2 GetFloorPlan 介紹

GetFloorPlan 是本文中應(yīng)用的另一款A(yù)IGC 軟件，是基于人工智能渲染引擎的戶型效果圖生成工具。只需要上傳戶型平面圖，就可以在30 分鐘內(nèi)渲染生成三維全彩平面模型，可在PC 端，移動(dòng)端360 度虛擬導(dǎo)覽。生成的3D 導(dǎo)覽模型可用于項(xiàng)目匯報(bào)以及在銷售過程中對(duì)業(yè)主進(jìn)行效果呈現(xiàn)。

GetFloorPlan 具有以下產(chǎn)品特性：

（1）人工智能渲染引擎：GetFloorPlan 使用了先進(jìn)的人工智能技術(shù)，可以根據(jù)平面圖自動(dòng)生成逼真的三維模型和場(chǎng)景，包括家具、燈光、陰影等細(xì)節(jié)。用戶無需任何專業(yè)知識(shí)或軟件，就可以獲得高品質(zhì)的渲染效果；

（2）個(gè)性化定制：GetFloorPlan 允許用戶根據(jù)自己的喜好和需求，選擇不同的風(fēng)格、顏色、材質(zhì)、家具等選項(xiàng)，來定制自己的三維布局。用戶還可以上傳自己的圖片或logo，來增加品牌識(shí)別度和個(gè)性化程度；

（3）云端存儲(chǔ)和分享：GetFloorPlan 將所有生成的材料存儲(chǔ)在云端，用戶可以隨時(shí)隨地訪問和下載。用戶還可以通過鏈接或二維碼，輕松地與他人分享自己的平面圖和虛擬導(dǎo)覽，無需下載任何應(yīng)用或插件。

1.3 Revit2023 介紹

目前，PlanFinder 只開放了Rhino7、Grasshopper3D、Revit2023 平臺(tái)插件，三款軟件均為3D 建模設(shè)計(jì)軟件，Rhino7 主要用于設(shè)計(jì)階段，擅長(zhǎng)復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)，Grasshopper3D 是Rhino 環(huán)境下參數(shù)化建模插件[3]。Revit 目前在BIM 建筑正向設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用度最高，且在建設(shè)生命周期中可以做到一模多用[4]，本文將利用Revit2023 作為底層建模軟件對(duì)戶型設(shè)計(jì)進(jìn)行探索與研究。各軟件特點(diǎn)橫向比較如表2 所示。

表2 BIM 應(yīng)用軟件特點(diǎn)比較

2 AI+BIM 技術(shù)在住宅類項(xiàng)目戶型設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐

本節(jié)將介紹基于AI+BIM 技術(shù)住宅類項(xiàng)目的戶型設(shè)計(jì)應(yīng)用流程，以及基于Revit 平臺(tái)在住宅類項(xiàng)目戶型設(shè)計(jì)的實(shí)踐操作。

2.1 應(yīng)用流程

在AI+BIM 設(shè)計(jì)工作流中，主要包含四個(gè)步驟：首先在AutoCAD 平臺(tái)中進(jìn)行戶型草圖繪制，包含外墻、門窗等內(nèi)容，保存為.dwg 文件，等待使用；將草圖.dwg文件導(dǎo)入Revit 當(dāng)中進(jìn)行墻體、門窗模型創(chuàng)建，建模精度只需達(dá)到LOD200 即可，建模精度分類如表3 所示[5]；載入PlanFinder，在Revit 模型或線稿的基礎(chǔ)上快速生成戶型平面圖，從中挑選滿意的方案，導(dǎo)出模型和平面圖紙；最終利用GetFloorPlan 進(jìn)行三維渲染。

表3 建模精度LOD 標(biāo)準(zhǔn)說明

2.2 技術(shù)路線

技術(shù)路線的選擇是完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵[6]，具體工作機(jī)制包含：草圖繪制、基礎(chǔ)模型創(chuàng)建、AI 戶型設(shè)計(jì)、3D 效果呈現(xiàn)。以工作機(jī)制為基礎(chǔ)，在各實(shí)施階段中采用不同的應(yīng)用軟件，形成戶型設(shè)計(jì)整體技術(shù)路線，通過此技術(shù)路線即可實(shí)現(xiàn)基于AI+BIM 戶型設(shè)計(jì)的研究探索目標(biāo)。技術(shù)路線圖如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2.2.1 草圖繪制

首先，根據(jù)項(xiàng)目戶型設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)利用AutoCAD進(jìn)行草圖繪制，例如圖2 為套內(nèi)建筑面積50 ㎡戶型，只需要對(duì)戶型墻體、入戶門做基本繪制表達(dá)，將圖紙導(dǎo)出為.dwg 格式文件進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖2 Generate 功能下戶型生成方案

2.2.2 基礎(chǔ)模型創(chuàng)建

在Revit 平臺(tái)中先建立平面視圖，將.dwg 格式草圖鏈接進(jìn)入創(chuàng)建好的Revit 平面視圖中，基于草圖進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，僅需要?jiǎng)?chuàng)建墻體及入戶門。

使用Revit 平臺(tái)時(shí)需要注意軟件版本應(yīng)為2023 英文版，由于PlanFinder 目前只提供2023 版的插件，所以低版本的Revit 將無法加載PlanFinder 插件。如果Revit 為中文版，需要將語言本版進(jìn)行切換，因?yàn)槟壳癙lanFinder 底層語言模型是基于英文進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，在中文版Revit 環(huán)境下無法使用。中文版到英文版的切換右鍵點(diǎn)擊Revit2023 圖標(biāo)，在屬性-快捷方式一欄中，將目標(biāo)文件”D:Revit 2023Revit 2023Revit.exe” /language ENU“中的ENU 改寫為CHS，點(diǎn)擊確定，即可正常使用PlanFinder。

2.2.3 AI 戶型設(shè)計(jì)

利用“Generate”功能拾取創(chuàng)建好的Revit 模型墻體，墻體模型需要形成一個(gè)合圍空間，不能留有空隙，這樣AI 會(huì)將合圍的空間識(shí)別為將要進(jìn)行戶型設(shè)計(jì)的大空間，AI 會(huì)基于識(shí)別的空間利用自身底層模型自動(dòng)進(jìn)行戶型設(shè)計(jì)。在拾取完墻體后，點(diǎn)擊“Finish”按鍵PlanFinder 開始運(yùn)行工作，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)入戶型設(shè)計(jì)界面。

通常來講，每次PlanFinder 會(huì)為設(shè)計(jì)師生成最多12 張每組的戶型設(shè)計(jì)圖（根據(jù)購(gòu)買的產(chǎn)品版本），通過點(diǎn)擊左右方向按鍵可以查看不同的戶型設(shè)計(jì)。如果對(duì)本組戶型設(shè)計(jì)圖不滿意，通過點(diǎn)擊Generate 按鍵可以多次生成全新戶型圖，PlanFinder 通過草圖自動(dòng)生成的戶型方案設(shè)計(jì)圖如圖2（a）～（b）所示。

在戶型設(shè)計(jì)界面中，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)戶型設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行選擇，包含：國(guó)家地區(qū)、臥室數(shù)量、衛(wèi)生間數(shù)量、儲(chǔ)藏間、獨(dú)立廚房和衣帽間等內(nèi)容。同時(shí)在設(shè)置中也可以選擇墻體類型、門開啟方向等內(nèi)容。當(dāng)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊Generate 按鍵可根據(jù)預(yù)設(shè)的條件重新生成戶型設(shè)計(jì)圖。

設(shè)計(jì)師如果對(duì)于家具的擺放不滿意，可以鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊房間區(qū)域，AI 會(huì)自動(dòng)對(duì)家具進(jìn)行位置、樣式的修改。如果對(duì)房間的功能設(shè)置不滿意，設(shè)計(jì)師也可以在選定的房間區(qū)域點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵更改房間功能，有多種房間功能可供切換使用，包括：客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間及儲(chǔ)藏間等。

在確定好戶型設(shè)計(jì)圖后點(diǎn)擊“OK”按鍵PlanFinder 會(huì)自動(dòng)生成Revit 模型，在模型生成過程中，Plan-Finder 會(huì)自動(dòng)加載相關(guān)族模型，例如門窗、家具、器具等，可直接保存為.rvt 格式文件。戶型設(shè)計(jì)三維模型如圖3所示。

圖3 戶型三維BIM 模型

相較于“Generate”功能，F(xiàn)it 功能會(huì)根據(jù)現(xiàn)有草圖輪廓進(jìn)行快速戶型設(shè)計(jì)，在識(shí)別草圖模型后，Plan-Finder 會(huì)調(diào)用底層數(shù)據(jù)庫找到與草圖輪廓相匹配的設(shè)計(jì)方案，不過調(diào)用的數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計(jì)方案不會(huì)完全與草圖輪廓相一致，會(huì)有一定程度的偏差。如圖4 所示，其中藍(lán)色線為草圖輪廓線，底層為數(shù)據(jù)庫中調(diào)用的戶型設(shè)計(jì)圖。

圖4 Fit 功能基于草圖生成的戶型方案

點(diǎn)擊Fit 命令后，在墻模型內(nèi)側(cè)任意選擇一點(diǎn)，接下來選擇入戶門位置，會(huì)自動(dòng)跳出戶型設(shè)計(jì)界面，F(xiàn)it提供的戶型設(shè)計(jì)方案會(huì)更多，一組會(huì)提供10 組左右的設(shè)計(jì)方案，對(duì)生成的方案可以進(jìn)行臥室、衛(wèi)生間數(shù)量的修改，還可以對(duì)國(guó)家進(jìn)行修改來適配項(xiàng)目實(shí)際情況。同樣在設(shè)計(jì)確定后可以自動(dòng)生成墻體、房間和家具等三維模型。

由于Fit 功能是調(diào)用數(shù)據(jù)庫戶型圖，與草圖不會(huì)完整匹配，所以會(huì)出現(xiàn)模型布置錯(cuò)誤的情況，例如家具、器具位置偏移等問題，廚房器具布置在住戶墻外，如圖5 所示。

圖5 Fit 功能基于草圖生成的戶型方案

Furnish 功能是根據(jù)戶型方案中的房間進(jìn)行家具自動(dòng)布置。在布置界面中，可以選擇各個(gè)房間的門開啟方向、墻尺寸修改、門類型修改、床尺寸修改、房間功能修改等，與Generate、Fit 功能一樣在點(diǎn)擊OK 按鍵后可以自動(dòng)生成三維模型。

2.2.4 3D 效果呈現(xiàn)

完成戶型設(shè)計(jì)后，在Revit 中將戶型平面圖布置圖導(dǎo)出，由于GetFloorPlan 目前只能識(shí)別圖片文件，所以需要將導(dǎo)出的戶型平面圖進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為圖片格式文件進(jìn)行上傳，二維平面圖上傳后，通過云端算力將二維圖紙生成為三維可視化渲染模型[7]，AI 會(huì)為房間、家具等模型自動(dòng)添加材質(zhì)生成裝修效果模型。整個(gè)過程會(huì)在30 分鐘內(nèi)完成，極大程度提高工作效率，相比傳統(tǒng)二維渲染圖，3D 模型可實(shí)時(shí)漫游、預(yù)覽查看裝修后效果。

GetFloorPlan 支持客戶端、移動(dòng)端的3D 導(dǎo)覽應(yīng)用，作為項(xiàng)目成果匯報(bào)、銷售樣板展示，均有很好的效果。戶型設(shè)計(jì)圖如圖6（a）所示，導(dǎo)入軟件后AI 自動(dòng)渲染生成效果圖如圖6（b）所示。

圖6 GetFloorPlan 戶型裝飾裝修渲染效果

目前，隨著VR 技術(shù)逐漸成熟，當(dāng)有了3D 渲染模型，可以將模型與VR 系統(tǒng)相結(jié)合，為用戶創(chuàng)造沉浸式仿真交互體驗(yàn)[8]。

3 AI+BIM 戶型設(shè)計(jì)應(yīng)用效果分析

針對(duì)設(shè)計(jì)師繪制的戶型設(shè)計(jì)草圖模型，PlanFinder基于AI 技術(shù)對(duì)草圖模型進(jìn)行空間識(shí)別，通過AIGC 技術(shù)與設(shè)定的基本參數(shù)來生成戶型平面方案。整個(gè)過程設(shè)計(jì)師只需要做簡(jiǎn)單操作即可完成，對(duì)于新手設(shè)計(jì)師，也能夠快速使用。在工作效率提升方面，首先，Plan-Finder 可以為設(shè)計(jì)師在極短時(shí)間內(nèi)提供數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)師提供創(chuàng)作靈感，同時(shí)設(shè)計(jì)師也可根據(jù)提供的方案進(jìn)行二次創(chuàng)作設(shè)計(jì)；其次，PlanFinder 生成的模型能夠包含方案設(shè)計(jì)圖中所需的基本信息，例如，墻體、門窗、房間名稱、尺寸面積和家具等，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)師繪圖時(shí)間，在有限的工作周期中可以大幅提高工作效率，增加創(chuàng)作時(shí)間，將重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)創(chuàng)作上面。戶型設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員及項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可隨時(shí)通過Revit 三維協(xié)同平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行查看和溝通[9]；最后，PlanFinder 自動(dòng)生成Revit 模型，為后續(xù)BIM 工作提供應(yīng)用模型，可以幫助BIM 工作流程提高效率。

然而，目前AI 輔助戶型設(shè)計(jì)仍存在自身局限性。軟件層面上，F(xiàn)it 功能給出的參考戶型設(shè)計(jì)數(shù)量有限，目前官方表示PlanFinder 能夠提供的戶型設(shè)計(jì)參考方案不到一千種，且多數(shù)為歐洲國(guó)家戶型設(shè)計(jì)，并不能很好地適應(yīng)國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)。Generate、Fit、Furnish在功能上有一定程度的重復(fù)，例如，Generate、Fit 都可以自動(dòng)生成家具模型，這樣Furnish 功能模塊就略顯雞肋，且三個(gè)功能模塊只支持方正的戶型結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)規(guī)范方面，雖然PlanFinder 給出了設(shè)計(jì)地域的選項(xiàng)，但是軟件是否集成了各地的設(shè)計(jì)規(guī)范無從考證，需要設(shè)計(jì)師結(jié)合項(xiàng)目當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行分析檢查；在費(fèi)用方面，PlanFinder 的試用期為30 天，超過試用期的軟件訂閱費(fèi)用為10 歐元/月；GetFloorPlan 則是按次收費(fèi)28~35 美元/張，對(duì)于需要頻繁進(jìn)行方案匯報(bào)的項(xiàng)目，成本也將會(huì)是企業(yè)重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一。

4 總結(jié)與展望

本文介紹了在住宅項(xiàng)目戶型設(shè)計(jì)上應(yīng)用的AI 工具及其關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了基于Revit2023 平臺(tái)AI 工具在住宅戶型設(shè)計(jì)上的實(shí)踐應(yīng)用。實(shí)踐表明，在方案設(shè)計(jì)階段中，AI 技術(shù)能夠有效地輔助設(shè)計(jì)師完成住宅項(xiàng)目戶型方案設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)師發(fā)散設(shè)計(jì)思維，提供設(shè)計(jì)靈感?；趯?shí)踐應(yīng)用，本文同時(shí)提出AI 戶型設(shè)計(jì)應(yīng)用效果分析，在闡述AI 能夠?yàn)閼粜驮O(shè)計(jì)帶來的高效率的同時(shí)，AI 軟件自身也需要不斷優(yōu)化并與當(dāng)?shù)亟ㄖ?guī)范緊密相連。

此外，AI 技術(shù)的發(fā)展要依賴于三個(gè)方面：AI 理論、算法和模型。AIGC 工具同樣需要基于海量數(shù)據(jù)不斷完善算法、不斷更新模型和不斷提升算力[10]，才能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師提供更多更好的戶型設(shè)計(jì)參考。在未來，各國(guó)對(duì)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的學(xué)習(xí)也十分重要，只有在滿足規(guī)范的前提下，AI 生成的優(yōu)秀戶型圖才能真正落地使用，進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。