基于BⅠM 模型的体素化识别建筑室内空间方法研究

马可天 王 佳

（北京建筑大学电气与信息工程学院，北京 100044）

1 建筑空间在BⅠM 中的定义

对空间的定义可以从很多领域得到借鉴：从广义上来讲，空间指没有能量的事物，空间的存在使得事物可以发生变化。从物理学意义上来讲，空间是指物质实体之外的部分。数学意义上的空间是指一种具有特殊性质及一些结构的集合。建筑室内空间是人类劳动的产物，是相对于自然空间而言，人类有序生活组织所需要的物质产品[1]。

在建筑信息模型（Building Ⅰnformation Modeling）里，ⅠfcSpace 用于构建建筑物的空间结构。空间结构元素通过语义信息ⅠfcRelAggregates 连接在一起。ⅠfcSpace 下属相关的语义信息存储在建筑模型的ⅠFC 文件中，这些信息定义了建筑模型中每一部分的空间区域。ⅠfcSpace 规定了空间中具有特定 空 间 功 能 的 空 间 区 域。 在 ⅠFC 文 件 中，ⅠfcRelContainedⅠnSpatialStructure 下的数据包含了在这个特定ⅠfcSpace 空间下的所有构件信息。

ⅠfcRelContainedⅠnSpatialStructure 用于将元素分配给空间项目结构的特定级别，任何元素都能分配到特定某个级别的空间结构中[2]。

建筑室内空间的识别对于消防通道路径的导航、火灾应急疏散线路规划，建筑环境模拟等研究具有十分重要的意义，室内空间的划分与识别是许多研究可行性的前提[3]。然而，很多工程项目在设计之初忽略了对建筑模型语义信息ⅠfcSpace 的设定，使得用户或设计师很难清晰直观地分辨建筑空间内各个独立的功能空间。因此，在不具有ⅠfcSpace 语义信息的设定下，提取出室内空间成为一项十分重要的工作。本文提出一种方法，在建筑模型内缺失ⅠfcSpace 设定的情况下，对模型进行合理分析从而提取出建筑内部的空间区域。本文运用体素化方法对模型空间进行分割，根据墙体和楼板体素块高度的差异分割建筑模型空间，进而分割出模型内部房间。

2 模型空间体素化提取方法

建筑师在绘制BⅠM 模型时往往忽略了对建筑空间功能的划分，建筑模型内部缺乏ⅠfcSpace 语义信息使得在对模型进行相关研究时存在困难，本文引用体素化方法对模型进行基础的分割，最后得到模型空间中的房间。

2.1 体素的定义

体素是一个大小不固定的立方体。根据模型规模的大小以及对模型分割精确度的要求，可以人为地设定体素大小来进行空间的分割。每个空间区域都可以用一组体素来定量地表达其几何尺寸和细节[4]。为了从一个庞大、复杂的大空间中提取出各个小空间区域的功能信息，本研究将对模型进行体素化处理，运用体素化方法对模型进行空间分割，体素化分割空间的示意图如图1 所示。

图1 体素化空间分割

2.2 模型空间去构件化

本文通过体素化方法，将空间分割成无数体素方块构成的体素集合。每一个体素集合代表了具有特定功能的房间。在对BⅠM模型进行体素化处理前，为了避免在对模型进行体素化时因房间内部构件的干扰而对结果产生影响，需要在体素化前对模型进行模型内相关构件的移除，即对模型进行去构件化，如图2 所示。模型中的桌椅构件被移除出房间，进而可以对去构件化之后的模型房间进行进一步的体素化处理。

图2 实验室模型去构件化

2.3 体素化提取模型空间方法

为了对空间模型进行体素化的分割，首先需要在模型内进行空间网格的建立。在模型空间中建立x,y,z 三维坐标轴，将三维坐标轴分成等间距的线段，单位间距长度为体素的单位长度。体素的单位大小根据模型的大小及对精确度的要求进行设定。规定空间网格的原点坐标为（x0,y0,z0），为模型中的最小坐标点。规定模型中任意网格的坐标为（x,y,z）。三维空间网格划分图如图3 所示。

图3 三维坐标空间网格划分图

对于公共建筑而言，室内墙体的厚度一般为120mm、180mm、240mm，楼板的厚度为120mm。鉴于30 是120、180、240 的最小公因数。因此，本研究选取单位大小为30mm×30mm×30mm 的体素块对建筑模型进行体素化处理。对模型进行体素化处理后的效果图如图4 所示。

图4 空间区域的体素化

在三维空间网格中完成对建筑模型体素化处理后，本研究对模型空间中所有体素块进行三角形约束检测。对不符合三角形约束的冗余体素块进行筛除。保留所有涉及三角形约束的体素块作为墙和地板的参考。模型空间体素化的流程图如图5 所示。

图5 模型空间体素化流程图

通常情况下，房间一般是由地板、天花板和四面墙包围而成的长方体。一般情况下，室内墙壁的高度和地板的高度是有差别的。本文根据模型体素化后墙体高度和地板高度的差别对空间进行分割，得到房间。以墙体作为划分房间空间的构件，对空间区域进行体素化处理。图6 可以近似看成一个房间的平面图，这个房间可以看作是被墙壁包围而成的立方体，根据墙体体素块与地板体素块高度的差别来分割出房间空间。本文将墙壁的体素块高度标记成1，地板的体素块高度标记成0，设定被编号为1 的体素块包围而成的编号为0的区域定义为1-0 空间。这些1-0 空间可以看作是建筑模型中的房间。1-0 空间示意图如图6 所示。

图6 1-0 空间

体素化之后的模型空间可以看成是由无数个1-0 空间组成的空间区域，将这些1-0 空间全部提取出来即可提取出模型中全部的房间。

3 实验案例

为验证本文提出方法的可行性，本文选取某高校实验室进行室内空间的提取，该高校实验室是由科研办公室和实验室组成的建筑空间。根据本文体素化分割空间的方法对模型进行体素化处理，进而得到模型空间中独立的房间区域。图7 为该高校实验室的模型图。

图7 实验室BⅠM 模型图

本文选用单位大小为30mm 的体素块对模型空间进行分割。由于无法保证模型本身的三维坐标系中x,y 轴分别平行于建筑模型底板的宽度和长度，因此在按照模型坐标系对模型进行体素化处理后，体素块呈现的方向与墙体的方向并不一致，而是呈现一定角度的倾斜，但并不干扰实验结果。对该实验楼模型进行体素化处理之后的效果图如图8 所示。将墙体的体素块高度定义为1，地板的体素块高度定义为0，根据上一节中提到的方法，提取建筑模型中的1-0 空间，即为模型中相应的房间。依据此方法提取到该建筑模型室内空间的房间，如图9 所示。

图8 实验室体素化效果图

图9 实验室房间提取

本文运用体素化分割空间的方法，依据墙体体素块高度与地板体素块高度的差异提取模型中的1-0 空间，进而识别出建筑空间中的房间。本研究对室内导航、环境模拟以及建筑信息管理应用分析等研究具有十分重要的意义，是基于建筑模型相关研究能够科学高效推进的前提。