室内装饰工程计算机辅助系统

郭 轶 姜 立 熊志坚 王会一

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

1 前言

计算机技术用于建筑装修设计已有多年，但是一直缺乏用于一体化设计的专业装修软件可供使用。一体化设计就是系统的设计平台支持三维模型的制作，适合各类设计、技术人员制作效果图、施工图，实现实体效果与图纸绘制的结合。目前，装修设计中方案设计过程和施工设计过程是相互脱节的，并且大都在使用通用软件进行各个阶段的设计。方案设计阶段一般是选用3DMAX等通用软件进行三维模型设计及后期的效果制作。施工设计阶段是对设计方案的具体实现，是非常重要的环节。目前大多数装修设计公司都在使用AutoCAD通用软件或者在其平台上二次开发的CAD软件进行手工绘制和统计。这项工作作业量很大，费时费力，但结果往往不够准确。

装修行业有着非常广泛的市场前景。城市面积不断扩大，民用建筑方面每年都会有大量的城镇住宅相继竣工。加上目前存量住宅周期性地进入维修期，住宅装饰装修市场规模将继续扩大。公共建筑方面，奥运、世博等国际性活动的如期举办，都推动相关城市新一轮的建设步伐。即使到了一定的时期，建筑业的规模出现萎缩，但是已有建筑的更新改造还会一直继续，装修的需求仍在持续。由此可见，装修工程数量大、范围广。据了解，每逢装修旺季，设计人员任务异常艰巨，常需要加班加点。但还是有一些中小规模的公司迫于人手限制，或是减少所接工程数量，或是将一部分工作委托给他人来完成，这都会给经济效益带来一定的影响。

综上所述，如果能够从三维造型的设计方案中，直接形成用于设计方案实现的施工图纸，自动完成统计和各种图表的绘制，并对现有结构实体自动进行碰撞情况的反复验证及调整，将极大地节省设计时间，提高设计效率，降低设计成本。目前，没有类似的装修专业一体化软件可供设计人员使用。

2 CASD软件系统架构设计

基于上述现状，结合调研过程中装修公司的实际需求，中国建筑科学研究院设计软件事业部自主研发了这套室内装饰工程计算机辅助系统，在事业部原有造型设计软件的基础之上，添加了专业装修功能模块，对内部结构进行具体绘制，统计材料用量，绘制施工图表，进行碰撞情况验证。实现了建筑装修设计过程中各个环节的一体化设计，填补了国内相关领域的空白。

CASD软件具体架构如图1所示，图中充分显示出这个软件的整体特点及如下创新之处。

(1)一体化设计平台。一体化设计平台就是系统的设计平台支持三维模型的制作，适合各类设计、技术人员制作效果图、施工图，实现实体效果与图纸绘制的结合。设计师不必在3DMAX中出完效果图，再用CAD进行施工图的制作，而在本系统平台就可一体完成。同时，本系统为中国建筑科学研究院自主版权，不会像常规通用设计软件设计到版权问题。

(2)精细化施工指导。精细化施工指导是指系统完全按照国家图集、标准规范进行算法编制及程序处理，支持部分结构的验算。特有的碰撞检查功能，可以检测装修构件与设备管道、原始结构、三维家具等实体间的碰撞情况。在工程前期进行实体设计及方案验证，施工人员可以及时地预见碰撞情况的发生并对施工图纸进行及时地修订。从而在施工中有效地避免了因为各个专业交叉而导致的返工现象，为精细化施工奠定了基础。

(3)智能化计经分析。智能化计经分析则是在模型生成后自动统计各类材料的工程用量，并自动绘制材料统计表格。非模数的材料自动折合为整模数的材料计入统计，有效提高统计精度。同时可以按照不同企业的需求设置接口，链接企业自身定额库，计划人员只需点击按钮便可查询汇总各类数据，为管理者提供详尽、确切的成本分析报告。

图1 系统架构图

3 CASD软件整体功能介绍

3．1 系统整体功能框架

室内装饰工程计算机辅助系统，采用面向对象的思想进行设计和开发，充分考虑现今流行软件AutoCAD、3dMax等的操作及使用风格，使得熟悉这些软件的设计者可以轻松介入。同时，该软件充分考虑了装修设计过程中的两个阶段，能够从方案设计的三维模型中提取所需数据，直接绘制施工阶段所需的各种施工图表、自动统计各种材料用量、绘制各种材料统计表格，并进行碰撞情况的准确验证。本系统大致可分为通用建模、专业建模、专业装修设计、虚拟现实、碰撞检查等几大模块，系统的整体功能框架如图2所示。

(1)通用建模模块:该模块提供了丰富的二维、三维绘图功能及编辑手段，包括基本的点、圆弧折线、球体、锥体、台体等绘图功能及旋转曲面、线转杆、弧边体、放样、布尔运算、点域成面、面片整合等编辑手段，能够创建出各种复杂的三维实体模型。

(2)专业建模模块:该模块是按照建筑绘图的方式绘制轴线，在此基础上布置墙体、梁、柱、门、窗、阳台等，从而快速搭建起建筑实体模型，为下一步的装修设计做好准备。

(3)专业装修设计模块:该模块实现面的铺砌，地面、隔墙、吊顶内部龙骨三维模型的自动创建，实现材料的自动统计及各种施工图、表的自动绘制，实现各种装修构件的绘制。

(4)虚拟现实模块:该模块是本系统的仿真设计模块，通过材质纹理贴图、光源相机设置、配景布置等手段，绘制真实的三维场景，制作出三维仿真效果图，并且通过设置动画路径等手段录制成虚拟漫游的可反复播放动画片。

(5)碰撞检查模块:对各种装修构件及设备管道、吊筋龙骨、原始结构、三维家具等实体间进行碰撞检查的验证。发现碰撞的存在，及时对施工方案进行调整，有效地避免施工过程中返工情况的发生。

3．2 多种建模手段

室内装饰工程计算机辅助系统提供了多种建模手段，设计人员可以根据各自的需求方便、快捷地搭建起三维建筑模型。

(1)利用平台功能直接建模

CASD软件是在中国建筑科学研究院设计软件事业部自主研发的纯中文三维图形平台上进行开发的。平台提供了丰富的绘图及强大的编辑功能。直接使用放样、布尔运算、旋转曲面、线转杆、推拉、错切等扩展编辑功能就可以搭建起各种复杂的三位实体模型。如图3所示。

(2)参数化快速建模

CASD软件可以按照建筑设计方式绘制轴线网，以参数化的方式绘制墙体、门、窗、阳台、梁、柱等元素，从而快速搭建起装修所需的原始建筑模型。如图4所示。

(3)DWG格式文件转图建模

CASD软件中连入结构转图模块，可对已有的DWG图形进行处理，定义墙、门、窗、梁、柱等信息，之后直接转换成本系统中的三维建筑实体模型。如图5所示。

3．3 专业装修

CASD软件专业装修模块的开发实现了方案设计与施工设计的统一。从绘制的三维实体模型中直接选取所需的各个装修面，以参数化建模的方式，快速搭建地面、顶面、墙面内部三维结构模型。并通过提取模型中的数据，直接统计材料用量，绘制出施工阶段所需的各种施工图表。这一专业功能的开发，填补了国内相关软件的空白，有着重要的应用价值。

3．3．1 地面、吊顶、隔墙内部三维模型的绘制［1-4］

CASD软件可以实现如下图所示的装修设计中 各个部位三维模型的绘制。

4 系统中重要的技术手段

4．1 装修基面的引入

CASD软件中引入了创新性的“装修基面”的概念［5］。根据装修设计中的地、墙、顶设计都是在指定面上操作的特点，软件引入了装修基面的概念。用装修基面来记录装修属性，如空间位置、形状、尺寸、装修内容等。并通过对装修基面的分类管理，可有效控制复杂场景下的显示内容，使设计师可以专注于某一装修部位而不受周围场景的影响。同时也方便了装修材料的分类统计。

4．1．1 装修基面概述

要做装修，首先要有装修的目标区域。实际的装修区域可能是一个轮廓的围合区域，也可能是带洞口的复杂区域，为方便装修操作的进行，我们用特定的面来表示装修的目标区域，并将之称为装修基面。

装修基面，也即装修操作的基准面，它表征装修的位置、区域范围。在装修操作过程中，它是操作的承接对象，同时作为装修内容的实际载体，装修内容不直接挂在墙上、地上或屋顶上，而是挂在代表墙上相应装修区域的装修基面上。概括的说，各类装修的各种操作都直接针对装修基面进行。如图8所示，为针对装修基面进行的地、墙、顶三维实体的绘制。

装修基面中记录了在它上面的各种装修信息，包括:形状尺寸、空间位置、装修内容等，这些特征也就使它具备了作为装修管理结点的基本条件。

4．1．2 装修基面的制作

CASD软件中装修面的制作有三种方式:(1)取用现有建筑模型上的已有的面;(2)以现有建筑模型上的面为参考基准面，在其上用三维平台功能画装修面;(3)脱离建筑主体，在任意平面上画装修面。

前两种的好处是面的制作有三维模型参照，且装修坐标可在三维模型上得到，装修效果可显示三维的真实效果。第三种则没有了装修面三维特性。

4．1．3 装修基面的显示控制

装修布置是在三维显示状态下逐步完成的过程，一般情况下应该对已有的装修内容关闭显示。因为装修内容的图素过多，使图形平台负担加重，这将影响操作效率，而且已有的装修内容常会干扰后续的装修布置操作。因此软件隐含把布置内容关闭显示，已布置的内容只在管理表格中体现。CASD软件是通过对话框中树型结构、表格对装修内容来管理。当需要显示装修内容的三维效果时，可通过管理表格与管理树型结构选择显示指定的装修内容。另外，装修施工图与装修统计工作不再以三维建筑模型以及装修内容为操作对象，而是直接针对装修基面来进行。在装修施工图设计与装修统计时，选择目标装修基面，程序自动搜索依附于其上的装修内容进行施工图设计与统计工作。

图8 装修基面

通过对装修基面的分类管理，可有效控制复杂场景下的显示内容，使设计师可以专注于某一装修部位而不受周围场景的影响。同时也方便了装修材料的分类统计。

4．2 铺砌功能的实现

每个装修项目中都会遇到的一项工作就是指定区域内块的排布问题。合理准确的排块设计及用量统计是控制购买成本的必要前提。同时也成为非整块加工图及定尺单的绘制依据。其具体实现如下所述:

4．2．1 设定局部坐标系

排块操作首先要做的是设定铺砌基点和铺砌方向，也就是排块工作从区域内哪一点并沿着哪个方向开始进行［6］。我们以基点startPt为原点，以基线方向向量(endP－startPt)为X轴建立局部坐标系，如图9所示，其中Z轴与整体系保持一致，Y轴则由右手法则获得。设X轴、Y轴、Z轴的法向量分别为ax、ay、az，则矩阵的当前工作坐标系设置为:tm．SetCoordSystem(startPt，ax，ay，az)。

图9 设定铺砌局部坐标系

4．2．2 排块区域坐标变换

将排块区域的边界坐标通过坐标平移、旋转等矩阵操作转换到用户坐标系下。PKPM3D图形平台提供了相应的操作函数。

4．2．3 在X1O1Y平面内获得块的数据信息

首先计算排块区域矩形包围盒的尺寸，得到包围盒角点坐标 Pt1(bxmin，bymin)，Pt2(bxmax，bymax)。然后根据块的尺寸和缝的尺寸，计算出X1O1Y1平面内四个轴向上排块的数量。设xnum1为X轴正向上的数量，ynum1为 Y轴正向上的数量，ynum1 =为X轴负向上的数量，xnum2为Y轴负向上的数量，设 zchang、zkuan、shuif、chuif分别代表块的长度、块的宽度、水平缝的宽度、垂直缝的宽度。则具体的方格数据如下面的代码所示，经过循环计算获得。

4．2．4 区域裁剪

由于上述获得的是排块区域包围盒范围内的块的数据，它是一个大致上的范围。接下来要用区域边界对这些方格进行切割，切掉区域外环以外的部分以及区域内环，这样处理后的方格才是我们所要的结果，如图10所示。

4．2．5 返回世界坐标系

对上述裁剪后的方格数据，进行矩阵变换。由用户坐标系状态返回到世界坐标系下，赋以厚度并进行绘制。这样就完成了一个区域的铺砌功能。

图10 铺砌过程中裁剪前后的块显示

整个工程中地、墙、顶按照实际需要被分成多个区域，每个区域按照各自的模数进行排版，最终实现整体排版目标，如图11所示一个实体的整体面层排版显示。

铺砌工作是装修中的重要一部分，CASD装修设计系统中地面、墙面、吊顶每个专业模块的设计都含有铺砌功能。以软件方式实现块的铺砌，快速、精确。是切实解决实际问题的一项重要功能。

4．3 碰撞检查功能的实现

现在装修设计人员在具体工程项目的设计中大都使用的是AutoCAD软件或者在此平台上二次开发的CAD软件。对装修项目的设计还处于二维状态，装修龙骨、水暖管道等构件离散的设计与施工方式所不能避免的一个状况是:将二维的设计内容放样到三维物理空间中去时，各个构件之间的占位冲突是必然存在的。不管是新建项目，还是改扩建或者维护项目，碰撞问题都是非常突出的。传统的设计流程中，一个项目的各专业二维施工图纸纷繁复杂，提供的是大量的、复杂的、且局限在两个维度中的工程信息。在管线综合阶段，即使一些明显的碰撞错误也可能因为图面的错综混淆而不能被发现。如何尽量预先判知碰撞的发生，自动获知碰撞发生的位置及控制其引起的后果，成为目前装修工程设计中的一个难点。

CASD装修设计系统既可以在已有的二维施工图纸的基础上，提取装修管道的数据，以交互方式建立起管道三维模型，也能够直接创建三维管道实体。之后利用系统的碰撞检查模块来进行最接近物理实际的碰撞检查，并产生相应的检查结果报表，尽可能早地反馈给设计人员或者施工人员，为实际解决方案的决策提供信息参考。避免了以往操作模式下由于发生碰撞问题后，由于设计变更和施工变更对工期造成的延误，及由此带来的一系列不良后果。

系统中各个专业的三维实体模型建成后，选择需要检验的碰撞实体，软件自动进行碰撞情况计算。对发生碰撞的部位进行高亮显示，并以列表的形式记录碰撞位置。在大场景并且多碰撞点的情况下，点取列表中相应的位置后，软件自动选择模型中对应碰撞部位，并放大显示，并于下一步的调整操作。如图12所示。

5 成果分析与实例

该系统针对装修行业特点开发设计，全面集成了三维建模、平面图录入、室内装修、施工图、统计算量、三维虚拟现实等多个模块，实现了装修过程中各个阶段的一体化设计，具有重要的应用价值。同时，经过全方面反复测试显示，证明系统在布尔运算、三维模型的精确定位、大容量三维图形的动态显示、真实感图形的实时浏览、渲染图及仿真动画制作、专业装修设计等关键技术上都有新的突破，从而该系统达到了相关实用要求:图形容量满足任意单体建筑物的精细描述和大型工装模型的绘制及材料用量的准确统计;图形显示速度达到一百万三角面1/15s;一般规模的图形减法运算无顿感，动态过程达到1/15s。且本系统已经实现商品化，能够很好地满足设计者的需求。以下图13、图14为使用该系统软件创建的建筑和装修造型实例展示。

6 结束语

文章论述了建筑装修行业软件应用现状，介绍了CASD软件的架构设计、整体功能与重要的技术细节。依托自主研发的三维图形平台，在比较完备的造型设计的基础之上，结合装修行业特点完成了装修专业设计模块，其间对地面、顶面、墙面的三维内部龙骨结构模型的绘制、铺砌算法及碰撞验证等技术和功能进行了深入研发，实现了装修设计过程中各个方面的一体化设计。

［1］中国建筑设计研究院环境艺术设计研究院主编．国家建筑标准设计图集:内装修——轻钢龙骨内(隔)墙装修及隔断(J502－1)．北京:中国计划出版社，2003．

［2］中国建筑设计研究院环境艺术设计研究院主编．国家建筑标准设计图集:内装修——室内吊顶(J502－2．北京:中国计划出版社，2003．

［3］中国建筑设计研究院环境艺术设计研究院主编．国家建筑标准设计图集:内装修——室内(楼)地面及其它装修构造(J502－3．北京:中国计划出版社，2003．

［4］中国建筑标准设计研究院主编．国家建筑标准设计图集:轻钢龙骨石膏板隔墙、吊顶(07CJ03－1)．北京:中国建筑标准设计研究院发行，2007．

［5］陈岱林，周密．土木工程设计中的图形平台技术探索［J］．土木建筑工程信息技术，2009，1(1):7-12．

［6］孙立镌．计算机图形学［M］．哈尔滨工业大学出版社，2000-5．