1 引言

BIM 作為推動建筑業(yè)數(shù)字建造的主要力量，BIM 正向設(shè)計也逐步被大家認同，但在很多項目的實施過程中，遇到了很多難以解決的問題，導(dǎo)致只能在項目某一階段采用正向設(shè)計，全面使用BIM 正向設(shè)計在現(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”的方法在建筑裝飾裝修工程設(shè)計中的應(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)計難題，為同類設(shè)計項目提供參考。

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)備進行現(xiàn)場采集得到點云數(shù)據(jù)，再利用軟件分析解讀數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行拼接擬合及修正優(yōu)化， 從而自動或半自動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傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)[1]。

2.1 無人機傾斜攝影技術(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)展起來的一項高新技術(shù)，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，可以同時從垂直、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)可真實地反映測量建筑物的外觀、位置、高度等屬性，借助無人機，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動化三維建模，具有成本低、數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確、操作靈活方便等特點。

無人機傾斜攝影技術(shù)可以廣泛地運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)模型上進行外裝飾幕墻的正向BIM 設(shè) 計[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)的一項技術(shù)，是繼GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(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點的（x，y，z）坐標(biāo)、反射率、顏色（R、G、B）等信息，由這些大量、密集的點信息可快速復(fù)建出1∶1 的真彩色三維點云模型，通過對點云數(shù)據(jù)進行處理，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)模型上進行室內(nèi)裝飾裝修工程的正向BIM 設(shè)計。

2.3 點云數(shù)據(jù)處理及三維模型重建

通過無人機傾斜攝影或三維激光掃描獲取建筑物表面每個采樣點的空間坐標(biāo)后得到點的集合即為點云， 它是在同一空間參考系下表達目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點集。 點云數(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，會受到掃描設(shè)備、周圍環(huán)境、人為擾動、目標(biāo)特性等影響，使得點云數(shù)據(jù)無法避免存在一些噪點，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正確表達掃描對象的空間位置。 通過數(shù)據(jù)去噪，可以有效剔除點云中的噪聲和外點， 在保持幾何特征的基礎(chǔ)上實現(xiàn)點云數(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)進行簡化，從而提高數(shù)據(jù)的操作運算速度、建模效率以及模型精度。

2.3.4 數(shù)據(jù)分割

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

將數(shù)據(jù)處理后的點云數(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體模型，從而實現(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

3.1 BI M正向設(shè)計的基本概念

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

BIM 正向設(shè)計是對以往建筑項目設(shè)計流程的再造， 建筑設(shè)計師團隊在項目開展前就集中在BIM 技術(shù)平臺進行建筑項目的設(shè)計工作，BIM 技術(shù)平臺可以做到信息共享、 環(huán)境共享、有效協(xié)同、數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)了“一個模型干到底，一個模型管到底”的BIM 理念。

3.2 基于逆向建模的BI M正向設(shè)計方法

通過無人機傾斜攝影或三維激光掃描， 進行點云數(shù)據(jù)處理及模型重建后得到了建筑物的實際結(jié)構(gòu)模型， 在此模型的基礎(chǔ)上進行空間裝飾裝修建模設(shè)計，一方面利用BIM 的可視化及協(xié)調(diào)性等優(yōu)點，極大地提高了設(shè)計及溝通效率，將設(shè)計方案直觀地在模型上表達出來，能高度還原設(shè)計師的設(shè)計意圖；另一方面利用BIM 的優(yōu)化性及可出圖性等特點，減輕了設(shè)計制圖的工作量，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誤，提高了設(shè)計質(zhì)量。 從逆向建模到正向設(shè)計的流程簡圖如圖2 所示。

圖2 從逆向建模到正向設(shè)計的流程簡圖

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

3.2.1 參數(shù)化建模

運用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)化建模有兩個主要優(yōu)點： 一是可以高精度還原施工現(xiàn)場的實際模型，該模型將貫穿項目的全生命周期，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)計具有的關(guān)聯(lián)性特點， 通過不同參數(shù)的輸入能實時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)化和單個板塊優(yōu)化兩種形式。 整體優(yōu)化是對初始大曲面進行曲率分析后對其進行曲面重建，然后在新的裝飾曲面上進行深化設(shè)計； 單個板塊優(yōu)化是指先對初始曲面進行分割劃分， 然后對每一個板塊單獨進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行優(yōu)化。

3.2.3 節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

對于復(fù)雜空間裝飾造型連接節(jié)點通常需要進行三維構(gòu)造設(shè)計，通過建模來驗證該節(jié)點構(gòu)造是否具有可行性，通過三維模擬施工來判斷節(jié)點預(yù)留的空間尺寸是否滿足現(xiàn)場施工的要求。 待節(jié)點構(gòu)造做法都確認無誤后，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

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

3.2.5 BIM 算量

BIM 算量是以正向設(shè)計為基礎(chǔ)，從BIM 模型中直接提取模型數(shù)據(jù)并自動計算生成工程量清單。 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，而且它具有隨時性、同步性， 即在設(shè)計過程中可以隨時根據(jù)模型動態(tài)地得到工程造價，通過對模型精細化設(shè)計及調(diào)整可以控制設(shè)計限額，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)出每個控制點位的數(shù)據(jù)坐標(biāo)， 然后依據(jù)這些坐標(biāo)可以快速對各個構(gòu)件進行空間定位。

4 實踐應(yīng)用

4.1 基于逆向建模的幕墻正向設(shè)計應(yīng)用

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

幕墻設(shè)計前先采用三維掃描儀掃描施工現(xiàn)場主體鋼結(jié)構(gòu)，對掃描的點云數(shù)據(jù)進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)模型進行幕墻BIM 設(shè)計。 通過參數(shù)化技術(shù)對外裝飾面進行不斷優(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

4.2 基于逆向建模的室內(nèi)裝飾正向設(shè)計應(yīng)用

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

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

5 結(jié)語