基于BIM的毛石装饰墙虚拟砌筑系统研制

马智亮 刘世龙 张东东 奚龚欣

(清华大学，北京 100084)

基于BIM的毛石装饰墙虚拟砌筑系统研制

马智亮 刘世龙 张东东 奚龚欣

(清华大学，北京 100084)

针对某工程项目对毛石装饰墙砌筑要求高导致砌筑工作效率低的问题，本研究基于BIM研制毛石装饰墙虚拟砌筑系统。研制工作以Revit为平台进行二次开发，研制了墙体导入模块、石材图像处理模块和显示模块、毛石墙虚拟砌筑模块以及石材切割图和墙体拼装图生成模块。用户在实际应用时，只需首先对各石材编号并拍照，并将石材照片导入该系统，系统即自动生成相应的矢量图；然后，用户在系统中基于从BIM模型中导入的墙信息和毛石装饰墙的数据，只需要进行移动、旋转及裁剪等交互式操作，进行毛石墙的虚拟砌筑，系统可自动生成石材切割图和墙体拼装图，用以指导施工。本系统的应用，可有效地提高高要求毛石墙砌筑的效率。

毛石装饰墙砌筑；虚拟砌筑；BIM 系统开发；图像处理；Revit二次开发

1 引言

本研究所针对的某工程项目定位较高，建筑外墙采用毛石装饰，要求装饰墙自然、美观，表面平整，且石材间的缝隙均匀且不能抹缝。这对毛石装饰墙的砌筑提出了极高的要求。

按照现有的施工流程，工人首先需要从施工现场众多的石材中挑选轮廓合适的石材，然后比照已砌筑墙体的轮廓在石材上画线，接着进行石材切割。石材切割完成后，工人需要检查石材间的吻合程度，如果吻合程度不好，则需要反复在石材上画线并切割石材，直至石材间吻合程度良好。现有施工流程存在的问题如下：工人在挑选外形合适的石材进行切割时，存在重复挑选的情况，浪费了工人时间；由于石材上的线是根据已砌筑墙体轮廓大致画出来的，精度不够，所以切割出的石材大部分很难与周围墙体吻合，这就需要工人反复画线与切割，加重工人劳动量；此外，由于反复切割石材和对比石材吻合程度，工人需要在石材切割地点和墙体之间来回搬运石材，这也大大增加了工人的工作负担。

该项目的施工方已经在施工现场进行毛石装饰墙的试拼装，利用现行方法，毛石装饰墙的砌筑效率极低。由于需要砌筑的毛石装饰墙面积很大，若不改进砌筑方法，该项目将会在成本、工期等方面面临很大风险，因此毛石装饰墙的砌筑效率亟需提高。

虚拟施工技术为解决毛石装饰墙砌筑效率低这一问题提供了手段。虚拟施工技术就是通过模拟和分析实际施工过程，从而达到对施工事前控制和动态管理的目的[1]。张宏胜将虚拟施工技术应用于上海正大商业广场钢结构工程施工，解决了施工过程中节点复杂吊装空间小的问题，达到缩短施工工期和提高施工质量的目的[2]。运用虚拟施工技术，用户可以先在计算机上模拟毛石装饰墙砌筑过程，然后进行实际施工，从而减少返工，提高施工质量和施工效率。

BIM(Building Information Modeling，简称BIM)技术近年来飞速发展，并已经开始应用于建筑生命周期的各个环节。邵光华利用Revit Architecture和Revit MEP等软件构建综合楼建筑BIM模型，有效解决设计过程中的管线碰撞问题，同时也为多专业协同设计提供平台[3]。张建平等基于BIM和4D技术研发了建筑施工建模系统和施工项目管理系列软件，并将研究成果应用于国家体育场等项目，提高了施工效率和质量[4]。胡振中等针对传统纸质资料上机电设备运维信息的局限性，利用BIM技术和二维码技术开发了机电设备智能管理系统，为建筑运维期的机电设备管理提供技术支持[5]。BIM技术在设计、施工、运维期等的运用，为建筑工程带来了技术革新，也为企业带来了实际效益。BIM技术的核心是信息共享[6]，即项目的设计、施工、运维等之间实现信息共享。鉴于本项目在设计阶段已经建立了全专业的BIM模型，因此可以考虑从建筑工程的BIM模型中提取装饰墙的几何信息，并在此基础上进行毛石装饰墙的虚拟砌筑。

为了提高毛石装饰墙的砌筑效率与质量，本研究通过对毛石装饰墙施工现状的调研和分析提出系统需求，并结合虚拟施工技术和BIM软件的二次开发技术研制了基于BIM的毛石装饰墙虚拟砌筑系统，并对本系统进行了试用[7]。

2 毛石装饰墙虚拟砌筑系统需求

2.1 毛石装饰墙砌筑流程优化

通过对现有毛石装饰墙砌筑流程的实地调研及分析，结合虚拟施工技术和BIM软件的二次开发技术，本研究提出了改进后的毛石装饰墙砌筑流程(以下简称“新流程”)，如图1所示。

新流程分为三个阶段，即由工人进行的石材预处理阶段、由管理人员进行的虚拟拼装阶段和由工人进行的实际施工阶段。各阶段的详细工作内容如下：

1)石材预处理阶段。工人对石材逐一编号并在石材上标出特征点以表示石材的轮廓，然后用相机对石材上标记特征点的面拍照，并把石材照片拷贝给管理人员。

2)虚拟拼装阶段。管理人员首先将项目BIM模型中的墙体导入系统，然后将石材照片导入系统。待图像处理完成后，管理人员依照从项目BIM模型导入的墙体，通过平移、旋转和裁剪等交互式操作对石材进行虚拟砌筑。此时，系统已自动生成石材切割图和墙体拼装图。最后将生成的切割图和拼装图打印出来交给工人。

3)实际施工阶段。工人根据石材切割图切割石材，然后按照墙体拼装图拼装石材。

相比于现有施工流程，新流程的优点有：

1)注重流水化作业，分工明确。相关人员各司其职，只需承担施工流程上的部分工作，其工作更专业化，有利于提高施工效率和施工质量。

2)工人省去从众多石材中挑选轮廓合适石材的麻烦。任何一块石材都可以被编号、标出特征点并拍照，然后导入系统等待虚拟拼装，这可以节省施工人员大量的时间和精力。

3)借鉴了虚拟施工的优点。管理人员可以先在计算机上虚拟砌筑石材，根据虚拟砌筑石材过程中暴露的问题改进实际施工过程，也就是调整石材的切割轮廓和拼装方案。这可以极大减少实际施工过程中对石材的反复画线与切割，降低工人劳动量，加快施工速度。

2.2 毛石装饰墙虚拟砌筑系统的功能需求分析

根据新流程，系统首先需要对导入的石材照片进行处理以得到石材特征点的几何信息并生成石材轮廓矢量图，然后将矢量图显示出来以方便用户进行选择。在此基础之上，管理人员需要将工程BIM模型中的对应墙体导入系统，然后根据系统中石材的数据以及待拼接墙体的几何信息，在系统中通过旋转、平移、裁剪等交互式操作对石材进行虚拟砌筑。同时，系统自动生成石材切割图和墙体拼装图。

图1 改进后的毛石装饰墙砌筑流程

图2 系统界面

3 毛石装饰墙虚拟砌筑系统设计

基于毛石装饰墙虚拟砌筑系统的功能需求分析，对系统进行了设计，包含以下功能模块：墙体导入模块、石材图像处理模块、石材图像显示模块、毛石装饰墙虚拟砌筑模块、石材切割图和墙体拼装图自动生成模块。各个功能模块的作用如下：

1)墙体导入模块。该模块支持用户将项目BIM模型中的对应墙体导入本系统。

2)石材图像处理模块。该模块自动将用户导入的石材图像进行处理，即识别石材上的特征点，形成石材轮廓，得到石材矢量图。

3)石材图像显示模块。该模块将石材图像处理模块得到的石材矢量图在系统中显示出来，用户可以从显示的石材图像中选择将要摆放的石材。

4)毛石装饰墙虚拟砌筑模块。支持用户对石材图形进行旋转、平移、裁剪等操作，即对石材进行虚拟砌筑。

5)切割图和拼装图自动生成模块。该模块根据用户对石材图形的操作生成和更新切割图和拼装图。这种更新是自动的，即只要用户对石材图形进行旋转、平移或裁剪操作，系统即自动更新对应石材的切割图和墙体的拼装图。

4 系统开发

4.1 图形平台选择

在建筑工程中常用的提供图形平台功能的软件有Autodesk公司的Revit系列软件和AutoCAD软件。作为一款强大的计算机辅助设计软件，AutoCAD及其二次开发产品已经广泛应用于设计、测绘和城镇规划等方面。但AutoCAD并不是BIM软件，其基本图元是点、线和面。AutoCAD中设计的拼装石材方案，由于石材是由点、线和面等图元组成，计算机不能自动解析其含义，需要人工读图识图，阻碍后续施工应用。

图3 石材切割图

图4 墙体拼装图

作为一款BIM软件，Revit已经应用于多专业协同设计等方面。Revit的基本图元是参数化的构件，石材在Revit中通过参数化构件表示，可在BIM模型中进行共享。另外，Revit具有及时动态更新的能力，根据模型的修改可以及时更新相应的视图[8]，而本系统的研制要求切割图和拼装图能够自动生成和更新，因此系统开发图形平台选择Revit。

4.2 图像处理技术选择

OpenCV是一个免费开源的计算机视觉库，是当前主流的图像处理工具，它具有运行速度快等特点[9]。通过调用OpenCV中的函数可以方便地处理图像。EmguCV是OpenCV图像处理库的跨平台.NET封装，可以使OpenCV中的函数在.NET语言中被调用[10]。利用EmguCV图像处理库可以实现图像滤波、边缘提取、相似度计算等功能。Matlab具有强大的矩阵运算能力，也擅长图像处理。目前，C#与Matlab混合编程技术比较成熟且已经应用于气象、测绘等领域。鉴于本系统所要处理的图像比较简单，Matlab的运行效率能满足本系统的要求，且相比于OpenCV和EmguCV，C#与Matlab混合编程技术更成熟，编程更方便，因此本研究采用Matlab作为图像处理的工具。

4.3 系统开发及运行环境

系统开发工具选择Microsoft Visual Studio 2010，使用的编程语言是C。在系统开发过程中，利用Revit二次开发技术开发了Revit模块，即“毛石装饰墙虚拟砌筑系统”，其中调用了石材图像处理模块，该模块是利用Matlab开发而成的。

该系统的运行环境为Revit和Matlab，即必须在计算机上安装这两个软件，然后在Revit中加载该系统即可使用。

5 系统应用举例

基于BIM的毛石装饰墙虚拟砌筑系统的用户界面如图2所示。

运用本系统时，用户首先需要通过“加载图像”命令选择石材图片存放的文件夹，然后系统开始自动处理该文件夹下的图像，即识别特征点，形成石材轮廓，得到石材轮廓矢量图。石材轮廓矢量图会在“石材区”中显示。接着，用户通过“绘制墙轮廓”命令从项目的BIM模型中导入墙体的几何信息，然后在“石材区”选择石材并将其“摆放”到Revit绘图区。在Revit绘图区，用户通过“移动”、“旋转”、“一边对齐摆放”等命令操作石材图形，实现石材虚拟砌筑。石材切割图和墙体拼装图在系统后台自动生成。用户可以通过“选择视图”命令在“项目浏览器”中选择相应的切割图和拼装图进行查看。系统生成的石材切割图如图3所示，墙体拼装图如图4所示。

6 结语

针对高标准毛石装饰墙的拼装需求以及现有拼装流程中存在的问题，本研究建立了毛石装饰墙施工新流程。在此基础上，结合Revit二次开发技术和图像处理技术，研制了基于BIM的毛石装饰墙虚拟砌筑系统，经对系统试用得知，该系统可以有效地提高现场毛石装饰墙砌筑的效率和质量。

[1]张利, 石毅, 张希黔. 虚拟施工技术应用实践和研究开发展望[J]. 工业建筑, 2004, 33(11): 49-51.

[2]张宏胜. 虚拟建造在钢结构工程施工中的研究与应用[D]. 重庆: 重庆大学, 2004.

[3]邵光华. BIM技术在建筑设计中的应用研究[D]. 青岛: 青岛理工大学, 2014.

[4]张建平, 李丁, 林佳瑞等. BIM 在工程施工中的应用[J]. 施工技术: 下半月, 2012, 41(8): 10-17.

[5]胡振中, 陈祥祥, 王亮等. 基于 BIM 的机电设备智能管理系统[J]. 土木建筑工程信息技术, 2013, 5(1):17-21.

[6]马智亮. BIM技术贵在深度应用[J]. 中国建设信息, 2012(20):10-13.

[7]马智亮, 刘世龙, 张东东等. 基于 BIM 的毛石装饰墙虚拟砌筑系统研制[C]. 第十七届全国工程建设计算机应用大会论文集, 北京, 2014.

[8]靳铭宇. 浅析Autodesk Revit在中国的发展及局限性[J]. 华中建筑, 2008, 26(1):83-84.

[9]秦小文, 温志芳, 乔维维. 基于OpenCV的图像处理[J]. 电子测试, 2011(7):39-41.

[10]EmguCV. Main Page[EB/OL][2015-04-23]. http://www.emgu.com/wiki/index.php/Main_Page.

BIM-based Virtual Building System Development for Rubble Walls

Ma Zhiliang, Liu Shilong, Zhang Dongdong, Xi Yanxin

(TsinghuaUniversity,Beijing100084，China)

A BIM-based virtual building system is developed by customizing Autodesk Revit to increase the efficiency of building rubble walls which is of high demand. The system consists of four modules for importing walls, processing and displaying stone images, virtual construction, and generating cutting diagrams and assembly diagrams respectively. In practical use, firstly, users should label numbers on stones, take photos of them and then import the photos into the system, and the system will generate the vector diagrams of each stone automatically. Secondly, based on the information of walls imported from BIM model and the vector diagrams, users construct walls virtually by means of interactive operations, such as movement, rotation and cutting, and the system will generate cutting diagrams of stones and assembly diagrams of walls at the same time which can be used to guide the construction. It is verified that the system could improve the efficiency of constructing rubble walls of high demand.

Rubble Walls; Virtual Construction; BIM System Development; Image processing; Customization

本项目系与中信建设有限责任公司的合作项目

马智亮(1963-)，男，教授。长期从事信息技术在土木工程中的应用研究。

TU56+4·2；TP391·99

A

1674-7461(2015)02-0009-05