1 引言

BIM 作為推動(dòng)建筑業(yè)數(shù)字建造的主要力量，BIM 正向設(shè)計(jì)也逐步被大家認(rèn)同，但在很多項(xiàng)目的實(shí)施過程中，遇到了很多難以解決的問題，導(dǎo)致只能在項(xiàng)目某一階段采用正向設(shè)計(jì)，全面使用BIM 正向設(shè)計(jì)在現(xiàn)階段仍然比較困難。 本文主要介紹了一種通過“逆向建?！痹俚健罢蛟O(shè)計(jì)”的方法在建筑裝飾裝修工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用， 該方法可以高效解決異形復(fù)雜的裝飾裝修工程設(shè)計(jì)難題，為同類設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供參考。

2 建筑逆向建模

建筑逆向建模主要是利用3D 激光掃描儀等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場采集得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用軟件分析解讀數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接擬合及修正優(yōu)化， 從而自動(dòng)或半自動(dòng)地建立三維建筑模型。 其中，3D 激光掃描儀設(shè)備一般是基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)[1]。

2.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，可以同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像、獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。 傾斜攝影得到的三維數(shù)據(jù)可真實(shí)地反映測量建筑物的外觀、位置、高度等屬性，借助無人機(jī)，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化三維建模，具有成本低、數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確、操作靈活方便等特點(diǎn)。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以廣泛地運(yùn)用于室外建筑物形體及結(jié)構(gòu)造型的數(shù)據(jù)采集， 通過該技術(shù)可以完成建筑外形體結(jié)構(gòu)的逆向建模， 在生成的結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行外裝飾幕墻的正向BIM 設(shè) 計(jì)[2]。

2.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是20 世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)，是繼GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測繪技術(shù)的突破，它是通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨地快速獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)、反射率、顏色（R、G、B）等信息，由這些大量、密集的點(diǎn)信息可快速復(fù)建出1∶1 的真彩色三維點(diǎn)云模型，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以快速建立建筑物的三維模型。

三維激光掃描技術(shù)可以廣泛地運(yùn)用于室內(nèi)建筑物空間造型及裝飾結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集， 通過該技術(shù)可以完成建筑內(nèi)部空間形體結(jié)構(gòu)的逆向建模， 在生成的結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行室內(nèi)裝飾裝修工程的正向BIM 設(shè)計(jì)。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維模型重建

通過無人機(jī)傾斜攝影或三維激光掃描獲取建筑物表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)后得到點(diǎn)的集合即為點(diǎn)云， 它是在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理一般包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)分割。

2.3.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于建筑物的復(fù)雜性， 通常需要從不同方位掃描多個(gè)測站才能把建筑物掃描完整， 每一測站掃描得到的數(shù)據(jù)都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)就是空間坐標(biāo)變化，它可以把不同測站的掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。

2.3.2 數(shù)據(jù)去噪

在掃描目標(biāo)時(shí)，會(huì)受到掃描設(shè)備、周圍環(huán)境、人為擾動(dòng)、目標(biāo)特性等影響，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法避免存在一些噪點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正確表達(dá)掃描對象的空間位置。 通過數(shù)據(jù)去噪，可以有效剔除點(diǎn)云中的噪聲和外點(diǎn)， 在保持幾何特征的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化。

2.3.3 數(shù)據(jù)精簡

數(shù)據(jù)精簡就是在精度允許下減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 提取有效信息。 一般分為去除冗余數(shù)據(jù)與抽稀簡化。 其中，冗余數(shù)據(jù)是指在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后， 其重復(fù)區(qū)域的數(shù)據(jù)， 這部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大，多為無用數(shù)據(jù)，對建模的速度以及質(zhì)量有很大影響，應(yīng)予以去除；抽稀簡化是指掃描的數(shù)據(jù)密度過大，數(shù)量過多，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)對于后期建模用處不大， 所以在滿足一定精度以及保持被測物體幾何特征的前提下，對該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行簡化，從而提高數(shù)據(jù)的操作運(yùn)算速度、建模效率以及模型精度。

2.3.4 數(shù)據(jù)分割

點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割是將點(diǎn)云分為多個(gè)同質(zhì)區(qū)域， 分割在同一區(qū)域中的點(diǎn)云具有相似的性質(zhì)。 對于復(fù)雜的掃描對象，直接進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模比較困難，通常需要先進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割，然后分別建模，最后再進(jìn)行組合。

將數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件， 經(jīng)過算法優(yōu)化與曲面重建，可以得到建筑物的實(shí)體模型，從而實(shí)現(xiàn)了建筑逆向建模[3]。 如圖1 所示。

圖1 建筑逆向建模

3 基于逆向建模的BI M正向設(shè)計(jì)

3.1 BI M正向設(shè)計(jì)的基本概念

BIM 正向設(shè)計(jì)是以BIM 信息為主導(dǎo)，貫穿建筑的全生命周期，以BIM 的思維進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，所有的信息通過BIM 模型進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案推敲審核、投標(biāo)應(yīng)用、深化設(shè)計(jì)、出圖下料以及施工指導(dǎo)、運(yùn)維應(yīng)用等一系列的BIM 應(yīng)用。

BIM 正向設(shè)計(jì)是對以往建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程的再造， 建筑設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目開展前就集中在BIM 技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，BIM 技術(shù)平臺(tái)可以做到信息共享、 環(huán)境共享、有效協(xié)同、數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)模型干到底，一個(gè)模型管到底”的BIM 理念。

3.2 基于逆向建模的BI M正向設(shè)計(jì)方法

通過無人機(jī)傾斜攝影或三維激光掃描， 進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及模型重建后得到了建筑物的實(shí)際結(jié)構(gòu)模型， 在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間裝飾裝修建模設(shè)計(jì)，一方面利用BIM 的可視化及協(xié)調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了設(shè)計(jì)及溝通效率，將設(shè)計(jì)方案直觀地在模型上表達(dá)出來，能高度還原設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖；另一方面利用BIM 的優(yōu)化性及可出圖性等特點(diǎn)，減輕了設(shè)計(jì)制圖的工作量，通過模型直接導(dǎo)出施工圖，避免了傳統(tǒng)二維圖繪制的人為錯(cuò)誤，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。 從逆向建模到正向設(shè)計(jì)的流程簡圖如圖2 所示。

圖2 從逆向建模到正向設(shè)計(jì)的流程簡圖

基于此設(shè)計(jì)流程中的正向設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包含參數(shù)化建模、裝飾曲面優(yōu)化、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、BIM 算量以及施工指導(dǎo)。

3.2.1 參數(shù)化建模

運(yùn)用Rhino 軟件結(jié)合Grasshopper 參數(shù)化工具，在逆向建模得到的結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行空間裝飾曲面的建模工作。 基于此方法的參數(shù)化建模有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： 一是可以高精度還原施工現(xiàn)場的實(shí)際模型，該模型將貫穿項(xiàng)目的全生命周期，所有材料的生產(chǎn)下料加工及施工都基于此模型； 二是利用參數(shù)化設(shè)計(jì)具有的關(guān)聯(lián)性特點(diǎn)， 通過不同參數(shù)的輸入能實(shí)時(shí)得到多種外裝飾面形體， 對它們分析優(yōu)化得到最優(yōu)的曲面造型解決方案。

3.2.2 裝飾曲面優(yōu)化

裝飾曲面優(yōu)化是指運(yùn)用算法程序在保證外裝飾面效果的前提下將雙曲面優(yōu)化成單曲面，將單曲面優(yōu)化成平板。 優(yōu)化形式一般可以分為整體曲面優(yōu)化和單個(gè)板塊優(yōu)化兩種形式。 整體優(yōu)化是對初始大曲面進(jìn)行曲率分析后對其進(jìn)行曲面重建，然后在新的裝飾曲面上進(jìn)行深化設(shè)計(jì)； 單個(gè)板塊優(yōu)化是指先對初始曲面進(jìn)行分割劃分， 然后對每一個(gè)板塊單獨(dú)進(jìn)行曲率分析及板塊翹曲值分析， 再通過遺傳學(xué)算法或者模擬退火算法對曲面進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

對于復(fù)雜空間裝飾造型連接節(jié)點(diǎn)通常需要進(jìn)行三維構(gòu)造設(shè)計(jì)，通過建模來驗(yàn)證該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是否具有可行性，通過三維模擬施工來判斷節(jié)點(diǎn)預(yù)留的空間尺寸是否滿足現(xiàn)場施工的要求。 待節(jié)點(diǎn)構(gòu)造做法都確認(rèn)無誤后，將相關(guān)連接件從模型中導(dǎo)出對應(yīng)的生產(chǎn)加工圖用于材料的生產(chǎn)制造。

3.2.4 施工圖設(shè)計(jì)

基于逆向建模的BIM 正向設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作是在前期的BIM 模型設(shè)計(jì)階段，它將傳統(tǒng)的施工圖設(shè)計(jì)工作植入了BIM 模型設(shè)計(jì)過程中。 完成模型設(shè)計(jì)工作后，施工圖繪圖是通過軟件導(dǎo)出的， 不再需要單獨(dú)進(jìn)行二維施工圖設(shè)計(jì)繪圖工作，實(shí)現(xiàn)了模型和圖紙的高度統(tǒng)一，避免了手工繪圖的錯(cuò)漏碰問題。

3.2.5 BIM 算量

BIM 算量是以正向設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從BIM 模型中直接提取模型數(shù)據(jù)并自動(dòng)計(jì)算生成工程量清單。 相比傳統(tǒng)工程算量而言，它不僅具有精度高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，而且它具有隨時(shí)性、同步性， 即在設(shè)計(jì)過程中可以隨時(shí)根據(jù)模型動(dòng)態(tài)地得到工程造價(jià)，通過對模型精細(xì)化設(shè)計(jì)及調(diào)整可以控制設(shè)計(jì)限額，降低建造成本。

3.2.6 施工指導(dǎo)

在復(fù)雜裝飾裝修工程中， 對于異形復(fù)雜的曲面板塊和龍骨施工存在安裝定位困難的問題，通過BIM 模型導(dǎo)出每個(gè)控制點(diǎn)位的數(shù)據(jù)坐標(biāo)， 然后依據(jù)這些坐標(biāo)可以快速對各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行空間定位。

4 實(shí)踐應(yīng)用

4.1 基于逆向建模的幕墻正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

某項(xiàng)目為異形金屬屋蓋設(shè)計(jì)， 該項(xiàng)目屋面幕墻設(shè)計(jì)是在主體結(jié)構(gòu)已施工完成后才進(jìn)行， 由于主體結(jié)構(gòu)施工存在較大偏差，幕墻設(shè)計(jì)缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)圖紙及模型數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)擬采用逆向建模+正向設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行。

幕墻設(shè)計(jì)前先采用三維掃描儀掃描施工現(xiàn)場主體鋼結(jié)構(gòu)，對掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模得到主體鋼結(jié)構(gòu)模型，然后根據(jù)此結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行幕墻BIM 設(shè)計(jì)。 通過參數(shù)化技術(shù)對外裝飾面進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整，得到外立面BIM 模型，最后從模型導(dǎo)出幕墻施工圖以及施工定位控制點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)[4]。 如圖3所示。

圖3 基于逆向建模的正向BI M設(shè)計(jì)

4.2 基于逆向建模的室內(nèi)裝飾正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

某著名文物建筑，擁有百年歷史，現(xiàn)需要對其室內(nèi)外裝修進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)， 鑒于該項(xiàng)目歷史悠久， 很多設(shè)計(jì)資料已經(jīng)遺失，裝飾設(shè)計(jì)擬采用“逆向+正向”的方法進(jìn)行。

裝修設(shè)計(jì)前先采用無人機(jī)傾斜攝影及三維激光掃描技術(shù)得到古建筑的逆向點(diǎn)云模型，在此模型上進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：外裝飾面效果圖模擬、重點(diǎn)保護(hù)部位模擬、建筑構(gòu)件修復(fù)、結(jié)構(gòu)加固校核、機(jī)電管線綜合、室內(nèi)空間漫游等。通過在既有建筑模型上進(jìn)行設(shè)計(jì)， 能最大程度上保護(hù)歷史建筑的風(fēng)貌， 同時(shí)根據(jù)建筑的價(jià)值評估對建筑空間和構(gòu)件進(jìn)行分類保護(hù)，有針對性地進(jìn)行功能置換，使歷史建筑得到合理有序的可持續(xù)利用。

5 結(jié)語