王佩， 吳磊

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學院，建筑與測繪工程學院，陜西，西安 710018；2.中鐵二十局集團有限公司，陜西，西安 710000)

0 引言

隨著建筑裝修行業(yè)的快速發(fā)展，建筑裝修施工現(xiàn)場管理問題成為該行業(yè)關(guān)注的熱點。由于建筑裝修施工大多在室內(nèi)進行，且裝修工序較為復雜，對建筑裝修施工現(xiàn)場管理的難度較大，構(gòu)建建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)，借助系統(tǒng)對建筑裝修施工進行有效的三維可視化管理具有重大意義。

系統(tǒng)運行過程中，為了保證對建筑裝修施工監(jiān)測與管理的有效性，必須將可視化信息采集工作嚴格做好，并以此為基礎構(gòu)建三維模型，實現(xiàn)建筑裝修整個過程的實時三維可視化視覺重建以及信息重構(gòu)。傳統(tǒng)方法中，主要有主成分特征提取方法、視頻特征分析方法以及關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法等[1-3]，構(gòu)建建筑裝修施工三維特征的信息化管理模型，采用關(guān)聯(lián)特征提取算法對建筑裝修施工三維特征提取，但這些方法三維可視化管理的自適應性差，算法的收斂性不強。文獻[4]針對某超高層建筑存在工期緊、部分節(jié)點施工難度大、施工順序難以確定等問題,采用BIM技術(shù)制定適用于超高層建筑的施工時間安排和鋼結(jié)構(gòu)柱的吊裝順序進行了可視化設計，但該方法存在一定局限性。

針對上述存在的問題，本文提出基于建筑信息化管理模型(BIM)的建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)設計方案，并在計算機視覺圖像采集技術(shù)采集建筑裝修施工三維信息等方式的基礎上，借助建筑裝修施工三維信息提取技術(shù)，進行BIM信息庫等的建立，達到建筑裝修施工的三維可視化目的。試驗證明，本文方法在提高建筑裝修施工三維可視化管理能力方面的優(yōu)越性能。

1 系統(tǒng)硬件設計

BIM技術(shù)的日益成熟對整個建筑裝修行業(yè)的發(fā)展形成強有力的推動，減少了裝修設計與施工各環(huán)節(jié)的溝通壁壘，實現(xiàn)了對建筑裝修工程管理效率的有效提升?；跀?shù)據(jù)多方共享以及三維可視化展示等諸多優(yōu)勢，BIM平臺在我國很多裝修及其他大型建筑工程項目中得到推廣及應用[5-6]。BIM主要借助數(shù)字化的形式，直接將設施的各項特性呈現(xiàn)出來。其本身能夠在項目有效期限內(nèi)對全部信息進行采集，以在決策期間給予科學且有效的數(shù)據(jù)支持。在項目生命周期的全部環(huán)節(jié)，各參與方均能在BIM模型體系中插入、提取、更新與修改專業(yè)項目技術(shù)信息，同時，利用這些信息明確自身責任。圖1為以BIM模型技術(shù)為基礎的建筑裝飾裝修工作流程[7]。

圖1 基于BIM模型技術(shù)的建筑裝飾裝修工作流程

基于BIM的建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)，以Revit為核心，開發(fā)平臺為NET，借助Revit API執(zhí)行二次開發(fā)任務。在整體性與一致性原則的指導下，系統(tǒng)整體框架設計如圖2所示。從邏輯層面來看，系統(tǒng)包括采集層、數(shù)據(jù)層、平臺層與應用層，基于插件式架構(gòu)進行系統(tǒng)的集成開發(fā)。

圖2 基于BIM的建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)整體框架

采集層的功能在于采集現(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，主要的采集方式包括人工錄入及系統(tǒng)集成。針對一些不能在線采集的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以人工方式獲取監(jiān)測傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并將其錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進行存儲，另外，還可借助在線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)無線或有線傳輸接入到本系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)層對采集層所采集的業(yè)務與模型等結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行相應的處理。平臺層為系統(tǒng)提供信息支撐平臺，利用Revit進行二次開發(fā)，基于插件技術(shù)，能夠保證系統(tǒng)功能的高可擴展性。應用層面向系統(tǒng)用戶，提供可供操作的人機交互界面平臺。

2 基于相似度特征匹配的BIM信息采集與融合

通過信息采集與融合，系統(tǒng)可以從外界收集建筑裝修施工信息，并對其進行相應的整合。構(gòu)建建筑裝修施工三維信息采集模型，又可與建筑裝修施工三維信息采集結(jié)果相結(jié)合，構(gòu)造建筑裝修施工的BIM數(shù)據(jù)庫。

設建筑裝修施工三維可視化圖像采集的像素集為Hi(x)，最大像素值為max(Hi(x))；構(gòu)建視覺采集模型，可得到視覺采樣的噪聲項η(x,y)；根據(jù)所采集到的信息的視覺分布，進行視覺特征重構(gòu)，可得到建筑裝修施工信息采樣的模糊像素值為

g(x,y)=h(x,y)×f(x,y)+η(x,y)

(1)

式中，f(x,y)為實際采集到的建筑裝修施工三維信息，h(x,y)是信息采樣的關(guān)聯(lián)規(guī)則集，符號*表示卷積，η(x,y)為干擾項。對建筑裝修施工三維可視化視覺信息進行區(qū)域分塊融合，可以實現(xiàn)對三維統(tǒng)計分析模型的構(gòu)建[8]，得到統(tǒng)計特征量：

g(x,y)=f(x,y)+η(x,y)

(2)

據(jù)此，進行建筑裝修施工三維可視化視覺特征建模，得到建筑裝修施工三維可視化信息分布的樣本特征分布集，用N維矢量x(t)表示建筑裝修施工三維特征的矢量，則：

x(t)=As(t)+n(t)

(3)

式中，

(4)

(5)

(6)

A=[a(θ1,r1),a(θ2,r2),…,a(θI,rI)]N×I

(7)

在以上基礎之上，可進一步完成建筑裝修施工三維視覺重構(gòu)BIM數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建工作。采用相似度特征匹配方法進行建筑裝修施工三維可視化信息特征配準，得到三維特征的BIM信息融合的判決統(tǒng)計量為

μ(n)=

(8)

3 基于自適應濾波模型的三維可視化視覺重建

系統(tǒng)三維可視化視覺重建建立于對數(shù)據(jù)信息的采集與融合基礎之上，在系統(tǒng)通過模型完成對三維特征BIM信息采集及融合任務之后，需經(jīng)相應的數(shù)字處理得到三維物體的形狀信息，此處通過自適應濾波模型來實現(xiàn)。建筑裝修施工三維可視化視覺特征重構(gòu)的最大似然估計值為

(9)

式中，F(xiàn)(x,y)為建筑裝修施工三維可視化視覺特征分布的向量量化集。建筑裝修施工三維可視化視覺特征分量在(x,y)點的像素值為β，ml為沿梯度方向進行建筑裝修施工三維可視化視覺重建，采用小波分析方法進行圖像特征分解，構(gòu)建母小波基函數(shù)：

(10)

式中，

(11)

通過上述函數(shù)對三維可視化視覺特征分解的過程，結(jié)合建筑裝修施工三維可視化視覺信息特征匹配方法進行視覺信息重建，構(gòu)建建筑裝修施工三維可視化視覺圖像的自適應濾波模型，提高圖像的成像能力，濾波函數(shù)為

(12)

4 基于BIM信息庫模型的三維可視化信息重構(gòu)

三維信息可視化致力于創(chuàng)建以直觀方式傳達抽象信息的手段及方法。建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)對三維信息的可視化有較高要求，需要采取合理、有效的方法，直觀、清晰而又無誤地進行抽象化的建筑裝修施工信息的傳達。對此，進一步構(gòu)建建筑裝修施工三維特征提取模型，在BIM信息模型中，構(gòu)建建筑裝修施工三維特征參量自動采集模型，得到第i個類建筑裝修施工三維特征的模糊聚類中心為

vi={vi1,vi2,…,vip}

(13)

(14)

(15)

(16)

對各類建筑裝修施工三維特征信息進行模糊聚類處理，采用模糊C均值聚類方法進行BIM信息融合聚類，對采樣的建筑裝修施工三維A={a1,…,aN}，當滿足a1

(1)V1={>a1,>a2,…,>aN-1}

(2)V2={≥a1,≥a2,…,≥aN}

(3)V3={

(4)V4={≤a1,≤a2,…,≤aN}

(5)V5={=a1,=a2,…,=aN}

輸入建筑裝修施工三維可視化視覺信息函數(shù)f(t)，建筑裝修施工三維可視化監(jiān)測的交叉分布項通過Ai∩Aj=Ω的交集得到，其中i,j=1,…,m且i≠j，由此得到建筑裝修施工三維可視化信息重構(gòu)的BIM信息庫模型為

(17)

在BIM信息庫中進行建筑裝修施工三維信息重建和特征融合聚類，以此實現(xiàn)三維可視化信息重構(gòu)，可以讓施工人員(系統(tǒng)用戶)對建筑裝修施工過程中的三維信息進行直接的觀察，對于提高建筑裝修施工三維可視化信息管理能力十分有利。

5 仿真實驗與結(jié)果分析

為驗證本文建筑裝修施工三維可視化管理系統(tǒng)的應用性能，進行了實驗分析。實驗采用物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和ZigBee協(xié)議進行系統(tǒng)的網(wǎng)絡組網(wǎng)設計，在ROM中實現(xiàn)建筑裝修施工三維可視化管理的視覺信息采樣，采用132 Mibit/s的遠程控制總線進行建筑裝修施工三維可視化管理的遠程調(diào)度和傳輸控制，對建筑裝修施工三維特征采樣頻率最低為12 kHz，最大采樣頻率為24 kHz，設定施工現(xiàn)場視覺信息采樣像素尺寸為2 000×2 000像素，匹配特征分量為1.6，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設定，進行建筑裝修施工三維可視化管理。

5.1 BIM模型構(gòu)建

基于建筑裝修施工現(xiàn)場的場景數(shù)據(jù)，利用Civil3D軟件構(gòu)建施工現(xiàn)場場景模型；基于現(xiàn)場典型剖面圖及立視圖，采用Revit構(gòu)建相應族塊，不同族塊采用對應的典型剖面來構(gòu)建，之后，結(jié)合實際材料分區(qū)與屬性，設置西部材料；形成基本的施工現(xiàn)場框架之后，執(zhí)行對模型的細部構(gòu)造繪制任務，形成整體裝飾裝修施工現(xiàn)場三維BIM模型。Revit中有渲染插件Fuzor，可執(zhí)行對BIM模型的渲染與漫游操作[10]。圖3所示為基于BIM的施工現(xiàn)場三維可視化管理人機交互界面。

圖3 基于BIM的裝修施工現(xiàn)場三維可視化管理人機交互界面

分析圖3可知，采用本文設計系統(tǒng)進行建筑裝修施工現(xiàn)場三維可視化管理的人機交互性較好，能夠清楚地顯示施工現(xiàn)場大致信息及其相關(guān)的細節(jié)內(nèi)容。

5.2 信息召回率測試

一個系統(tǒng)的性能較好，其曲線應當盡可能地向上突出，曲線與坐標軸之間的面積亦會越大。在相同的條件下對本文方法、基于支持向量機的管理方法以及基于PID的管理方法的信息召回率進行測試，得到對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 信息召回性能測試

分析圖4得知，當召回率R達到1時，本文選取方法與傳統(tǒng)方法進行對比，本文所選取的方法曲線明顯更向上突出，曲線與坐標軸之間的面積更大，以此類推。故本文設計的方法，在召回率試驗中，與標準參考值趨于吻合并且穩(wěn)定，而基于支持向量機的方法以及基于PID的方法參照點與標準值之間存在一定的差距，無法趨于吻合且不穩(wěn)定，故說明傳統(tǒng)方法不具備本文方法的有效性。綜上所述，本文設計的系統(tǒng)進行建筑裝修施工三維可視化管理的信息召回性能較好，具有較好的現(xiàn)場信息調(diào)度和管理能力。

6 總結(jié)

基于建筑信息化管理模型的建筑裝修施工三維可視化技術(shù)采用相似度特征匹配方法，進行建筑裝修施工三維可視化信息特征配準，得到建筑裝修施工三維特征的BIM信息融合判決統(tǒng)計量等方法，以此為基礎完成技術(shù)的具體實現(xiàn)。實驗證明，基于本文三維可視化技術(shù)的建筑裝修三維可視化管理系統(tǒng)的實時性較好、系統(tǒng)穩(wěn)定性較好、信息召回率較高、人機交互能力較強，對該領(lǐng)域的開發(fā)與應用具有現(xiàn)實意義。