基于BIM的实验室设计方法、系统、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及建筑信息化处理技术领域，尤其涉及一种基于BIM的实验室设计方法、系统、装置及存储介质。

背景技术

实验室的整装设计通常需要考虑到实验室设备的布局、实验室的结构、装饰、照明、通风等诸多因素。传统的实验室整装设计方法通常需要设计师根据经验进行设计，耗时较长，设计效果难以保证。

随着BIM技术的广泛应用，使得建筑模型更加的数字化，具体化。给实验室整装设计提供了技术支持，因此有必要提供一种建筑信息化的处理方式，可以有效地提高实验室的设计效率。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于BIM的实验室设计方法、系统、装置及存储介质，可以有效地提高实验室的设计效率。

一方面，本发明实施例提供了一种基于BIM的实验室设计方法，所述方法包括以下步骤：

获取实验室的三维设计文件，所述三维设计文件包含实验室中各个预制构件对应的三维模型元件；

确定所述三维设计文件中的各个三维模型元件，识别各个三维模型元件中的连接节点；

对各个连接节点进行位置调整，将相邻三维模型元件中的连接节点进行连接，得到BIM模型；

基于BIM模型输出预制构件的材料清单以及各个预制构件的安装次序。

可选地，所述获取实验室的三维设计文件之前，还包括：

获取对实验室设计的平面设计图，所述平面设计图包括各个预制构件对应的线段；

使用形态学操作来去除平面设计图中的噪声，采用Canny边缘检测算法检测平面设计图中的边缘线，使用Hough变换将每条边缘线转换为线段；

将各条线段划分为多个闭合线段，每个闭合线段对应一个预制构件；

配置每个功能块的高度后，将平面设计图导入到BIM软件中建立包含实验室中各个预制构件的三维设计文件。

可选地，所述将各条线段划分为多个闭合线段，每个闭合线段对应一个预制构件，包括：

获取平面设计图中的各条线段，确定每条线段的端点；

按端点坐标对每条线段进行排序，以遍历的线段中的端点为起点，遍历二维图像中的每个像素，找到与该端点最近的另一端点所在的线段，并划分为一组；

将组内最近的端点连接，形成多个连通区域，将小于面积阈值的连通区域删除，将剩余的连通区域进行边缘平滑处理，得到闭合线段，所述闭合线段对应一个预制构件。

可选地，所述确定所述三维设计文件中的各个三维模型元件，识别各个三维模型元件中的连接节点，包括：

通过三维扫描设备扫描各种用于安装到施工场地的预制构件的三维图像，基于所述三维图像确定基础元件；

对所述基础元件进行特征提取得到特征向量，所述特征向量用于表示基础元件的类别标签和所述基础元件中连接节点的特征向量，所述类别标签包含基础元件的类型和装配次序；

将各个基础元件的特征向量形成训练数据集，采用监督学习方法将所述训练数据集输入预先建立的分类器进行训练，得到训练好的分类器；

使用训练好的分类器对三维模型元件进行预测，得到三维模型元件的类别标签和所述三维模型元件中连接节点的位置。

可选地，所述对各个连接节点进行位置调整，使得各个三维模型元件按预制构件的安装次序相邻分布，包括：

分别生成预制构件中各个连接节点的包围盒，确定各个包围盒的中心坐标；

设置三维设计文件的起点，从位于三维设计文件起点的预制构件开始，按中心坐标依次对各个包围盒进行编号；

遍历每个包围盒，计算相邻包围盒之间的距离，根据两个包围盒之间的距离调整邻接的包围盒的位姿，使得各个三维模型元件按预制构件的安装次序重叠分布；

将相邻三维模型元件中的连接节点进行连接，得到BIM模型。

可选地，所述基于BIM模型输出预制构件的材料清单以及各个预制构件的安装次序，包括：

获取BIM模型中各个三维模型元件的类别标签；

根据所述类别标签统计BIM模型中三维模型元件的类型、数量以及装配次序。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于BIM的实验室设计系统，所述系统包括：

第一模块，用于获取实验室的三维设计文件，所述三维设计文件包含实验室中各个预制构件对应的三维模型元件；

第二模块，用于确定所述三维设计文件中的各个三维模型元件，识别各个三维模型元件中的连接节点；

第三模块，用于对各个连接节点进行位置调整，将相邻三维模型元件中的连接节点进行连接，得到BIM模型；

第四模块，用于基于BIM模型输出预制构件的材料清单以及各个预制构件的安装次序。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于BIM的实验室设计装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。

另一方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行上述的方法。

本发明实施例包括以下有益效果：通过获取实验室的三维设计文件，确定所述三维设计文件中的各个三维模型元件，识别各个三维模型元件中的连接节点；进而对各个连接节点进行位置调整，从而将相邻三维模型元件中的连接节点进行连接；通过在实验室设计阶段实现工程信息的模型化管理和调整设计，并基于BIM模型统计预制构件的材料清单以及各个预制构件的安装次序，可以有效地提高实验室的设计效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于BIM的实验室设计方法的步骤流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于BIM的实验室设计系统的结构框图；

图3是本发明实施例提供的一种基于BIM的实验室设计装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于BIM的实验室设计方法，所述方法包括以下步骤：

S100，获取实验室的三维设计文件，所述三维设计文件包含实验室中各个预制构件对应的三维模型元件；

在一些实施例中，通过AutoCAD、Revit、ArchiCAD等BIM软件，根据实验室的建筑图纸和功能要求，构建实验室的三维设计文件，三维设计文件包含实验室中的各个预制构件对应的三维模型元件，预制构件可以包括预制墙板(外墙板、内墙板、隔墙板等)、门窗、预制柱、预制梁等，预制构件中的预制构件在生产过程中，可以根据需求进行组合和定制。可选的，采用CAD软件设计平面布置图，设计得到的平面布置图为平面设计图，然后采用Revit软件等BIM软件将平面设计图中的参数进行拉伸立体化，构建可视化的三维设计文件，再将各个预制构件的具体高度、尺寸等数据根据比例缩小后输入三维设计文件，使所有预制构件对应的三维模型元件都包含空间信息及属性，构建得到三维设计文件。

S200，确定所述三维设计文件中的各个三维模型元件，识别各个三维模型元件中的连接节点；

S300，对各个连接节点进行位置调整，将相邻三维模型元件中的连接节点进行连接，得到BIM模型；

本实施例中，三维模型元件的连接节点对应预制构件在安装过程中用于连接和固定的部分，预制构件通过连接节点和相邻预制构件或墙体进行拼接、固定和组装；在三维设计文件中标记出各个三维模型元件的连接节点，从而将相邻的预制构件进行对应连接。

S400，基于BIM模型输出预制构件的材料清单以及各个预制构件的安装次序。

在一些实施例中，材料清单包括预制构件的类型和数量；相关技术中的BIM图纸仅限于初步效果展示，不能将其直接用于进行施工前的工程概预算，也不能进一步提供成本核算及施工指导阶段使用。本发明提供的实施例中，除了提供实验室的三维模型的效果展示外，还可以一键生成材料清单，对接生产和报价。本发明可在实验室设计阶段实现工程信息的模型化管理和调整设计，可以有效地提高实验室的设计效率，减少设计错误。

下面以实际施工的全流程为例进行说明，总体流程如下：

1)设计单位完成实验室的CAD施工图纸(平面设计图)；

2)现场情况勘察；

3)根据现场勘察的实际情况设计输出建筑模型、结构模型、已有管线模型；

4)根据CAD施工图纸完成实验室的整装初步设计方案；

5)甲方、设计、施工确定整装设计方案；

6)对三维设计文件进行深化设计，得到BIM模型；

7)导出BIM施工图纸；

8)导出各专业相关表格(报价、材料、生产表等)；

9)下单给工厂生产；

10)现场装配式施工。

接着介绍安装施工的内容，具体包括：

墙体安装；

承载支架搭建，根据BIM模型拆分出各个单元的预制构件，工厂精密生产出预制构件后，现场组装拼接；

强弱电桥架的铺设、水电气管道铺设、空调管道铺设、新风管道铺设、排风管道铺设、其他管道铺设、室内格局安装、实验家具安装、控制系统安装调试。

可见，由于在预制构件加工阶段对管线合理布局，能模拟现场安装作业，对每一个预制构件都赋予数字化信息，形成整装预制构件数据库，实时动态化管理，提高工程质量及施工效率。

在一些具体实施例中，S100之前，所述方法还包括：

S110，获取对实验室设计的平面设计图，所述平面设计图包括各个预制构件对应的线段；

具体地，通过CAD软件完成实验室的平面设计图，能够体现各个预制构件在实验室中的平面布局。

S120，使用形态学操作来去除平面设计图中的噪声，采用Canny边缘检测算法检测平面设计图中的边缘线，使用Hough变换将每条边缘线转换为线段；

需要说明的是，Canny边缘检测算法是一种多级边缘检测算法，它在图像的不同灰度级上应用高斯平滑和非极大值抑制来检测边缘。形态学操作可以如开运算和闭运算。Hough变换是一种将图像中的边缘线检测为线段(直线、弧线等)的方法，它可以检测出线段的参数(例如线段的端点和斜率)。

S130，将各条线段划分为多个闭合线段，每个闭合线段对应一个预制构件；

具体地，将提取到的直线段按照功能块进行划分。每个功能块可以包含多个线段，这些线段可以组合起来表示为预制构件。将线段划分为功能块的过程可以通过遍历所有直线段并将其分配给相应的功能块来实现。

S140，配置每个功能块的高度后，将平面设计图导入到BIM软件中建立包含实验室中各个预制构件的三维设计文件。

具体地，三维设计文件中各个预制构件在水平方向按平面设计图进行分布，在垂直方向，则按对应功能块的高度进行分布。

在一些具体实施例中，S130中，所述将各条线段划分为多个闭合线段，每个闭合线段对应一个预制构件，包括：

S131，获取平面设计图中的各条线段，确定每条线段的端点；

S132，按端点坐标对每条线段进行排序，以遍历的线段中的端点为起点，遍历二维图像中的每个像素，找到与该端点最近的另一端点所在的线段，并划分为一组；

具体地，可以使用深度优先搜索(DFS)或广度优先搜索(BFS)等图遍历算法，采用上述步骤对该线段中的2个端点进行处理，得到与该线段相连的2条线段。

S133，将组内最近的端点连接，形成多个连通区域，将小于面积阈值的连通区域删除，将剩余的连通区域进行边缘平滑处理，得到闭合线段，所述闭合线段对应一个预制构件。

需要说明的是，由于预制构件在平面设计图中表现为封闭的连通区域，在设计阶段，可能存在预制构件的线段并不完全连接的情况，基于此，需要将各个线段准确划分，形成与预制构件对应的封闭线段，在将组内端点连接形成的连通区域中，由于可能存在两个预制构件的线段存在交叉的情况而形成连通区域，因此，需要对这类错误的连通区域进行删除，通过设定面积阈值，能清除这类错误的连通区域，在一实施例中，面积阈值小于最小预制构件的平面面积，将剩余的连通区域处理后得到封闭线段作为功能块。在另一实施例中，可通过人工排查的方式，对各个封闭线段进行检查并采用人工设置的方式，得到每个预制构件对应的功能块。

在一些可选的实施例中，S200中，所述确定所述三维设计文件中的各个三维模型元件，识别各个三维模型元件中的连接节点，包括：

S210，通过三维扫描设备扫描各种用于安装到施工场地的预制构件的三维图像，基于所述三维图像确定基础元件；

在一些实施例中，将各个基础元件作为元件库，进而确定各个预制构件的几何信息。几何信息包括部件的尺寸、形状、位置、拓扑结构等。

S220，对所述基础元件进行特征提取得到特征向量，所述特征向量用于表示基础元件的类别标签和所述基础元件中连接节点的特征向量，所述类别标签包含基础元件的类型和装配次序；

需要说明的是，特征提取的目的是为了更好地表示预制构件之间的关系。在一些实施例中，特征向量包括：形状特征、尺寸特征、位置特征和拓扑结构特征；形状特征可以捕捉预制构件的几何形状和特征。例如，预制构件的轮廓、曲线、凸角、凹角等。这些特征可以用于区分不同的预制构件。尺寸特征描述了预制构件的尺寸大小。例如，预制构件的长度、宽度、高度等。这些特征可以用于表示预制构件的大小。位置特征描述了预制构件在装配过程中的相对位置、距离、角度等。这些特征可以帮助我们了解预制构件之间的空间关系。拓扑结构特征描述了预制构件之间的连接关系和拓扑结构。例如，预制构件之间的轴线、连接点、孔洞等。这些特征可以用于表示预制构件之间的装配关系和连接方式。

S230，将各个基础元件的特征向量形成训练数据集，采用监督学习方法将所述训练数据集输入预先建立的分类器进行训练，得到训练好的分类器；

具体地，使用训练数据集训练一个分类器，用于识别和标记预制构件中的连接节点。通过监督学习方法(如支持向量机、随机森林等)实现。例如，可以使用支持向量机、决策树、神经网络等模型来识别预制构件的连接节点。

S240，使用训练好的分类器对三维模型元件进行预测，得到三维模型元件的类别标签和所述三维模型元件中连接节点的位置。

具体地，使用训练好的分类器对新的原始三维模型进行预测。根据分类器的预测结果，将连接节点标记为对应的类别(如“A类”、“B类”等)，从而对预制构件的连接节点进行图像处理并标记类别标签。

在一些可选的实施例中，S300中，所述对各个连接节点进行位置调整，使得各个三维模型元件按预制构件的安装次序相邻分布，包括：

S310，分别生成预制构件中各个连接节点的包围盒，确定各个包围盒的中心坐标；

具体地，可基于AABB算法生成各个连接节点的包围盒，形成立体结构，将立体结构的中心位置作为中心坐标。

S320，设置三维设计文件的起点，从位于三维设计文件起点的预制构件开始，按中心坐标依次对各个包围盒进行编号；

具体地，依次对各个预制构件对应的包围盒进行位置识别，进而对各个预制构件的位置进行调整，使得各个预制构件按顺序相邻分布；

S330，按编号顺序依次遍历每个包围盒，计算相邻包围盒之间的距离，根据两个包围盒之间的距离调整邻接的包围盒的位姿，使得各个三维模型元件按预制构件的安装次序重叠分布；

S340，将相邻三维模型元件中的连接节点进行连接，得到BIM模型。

在一些具体实施例中，S330中，所述按编号顺序依次遍历每个包围盒，计算相邻包围盒之间的距离，根据两个包围盒之间的距离调整邻接的包围盒的位姿，使得各个三维模型元件按预制构件的安装次序重叠分布，包括：

S331，将各个三维模型元件按类别标签分组，得到多组类别集合，基于类别标签确定每组类别集合的优先级；

S332，按编号顺序依次选择一个包围盒，对选择的包围盒进行碰撞检测；

S333，对于发生碰撞的包围盒，确定该包围盒所在类别集合的优先级是否低于与其碰撞的另一包围盒所在类别集合的优先级，若是，则执行S332，否则，执行S334；

S334，保持选择的包围盒的位姿不变，基于两个包围盒之间的距离调整另一包围盒的位姿；

S335，确定是否存在未被选择的包围盒，若是，则执行S332，否则，执行S336；

S336，以各组类别集合为对象，确定类别集合中相邻包围盒的中心坐标的距离是否在距离阈值内，将超出距离阈值的包围盒进行调整，使得类别集合中相邻的包围盒重叠。

需要说明的是，距离阈值表示两个包围盒的中心坐标的最大距离，用来检测相邻包围盒的重叠程度，距离阈值的取值不大于最小包围盒的半径。三维模型元件的类别标签表示预制构件的类别，对于不同类别的预制构件，在安装的时候是有不同的次序的，例如，一般来说，预制墙板是最优先安装的，其次安装门窗、预制柱、预制梁，再其次是支吊架、预制桥架、排风管等，而不同的预制构件在难免发生碰撞，本实施例中，基于优先级对碰撞的包围盒进行调整，首先对全部包围盒按优先级进行调整，进而对各组类别集合进行内部调整，从而能够在遵循安装原则的前提下提高了位姿调整的效率，并能够取得优化包围盒位姿的效果，提供了一种可靠高效的解决途径。

此外，由于两个包围盒之间存在碰撞或分离，可以通过遍历每一个邻接的预制构件的位姿，以起点的预制构件为基准依次调整各个预制构件；在一些实施例中，可以定义一个函数来调整包围盒的位置，需要了解包围盒的位置信息，并使用该位置信息来计算包围盒的新位置。具体地，采用元素表示包围盒的位置信息，每个元素是一个元组，包含x坐标、y坐标和z坐标；向量表示法通常用于描述位置和方向。水平方向的位移、垂直方向的位移；假设包围盒的初始位置为P0，使用向量来表示预制构件的新位置为：

P1＝(P0-(△x*cosθ+△y*sinθ))+(△z*cosθ-△x*sinθ)；

其中，P1是包围盒的新位置，P0是包围盒的初始位置，θ是包围盒的旋转角度，△x和△y是包围盒在水平横向和水平纵向上的位移，△z是包围盒在垂直方向上的位移，可以根据实际情况计算得到。

在一些具体实施例中，S400中，所述基于BIM模型输出预制构件的材料清单以及各个预制构件的安装次序，包括：

S410，获取BIM模型中各个三维模型元件的类别标签；

S420，根据所述类别标签统计BIM模型中三维模型元件的类型、数量以及装配次序。

参阅图2，本发明实施例提供了一种基于BIM的实验室设计系统，所述系统包括：

第一模块，用于获取实验室的三维设计文件，所述三维设计文件包含实验室中各个预制构件对应的三维模型元件；

第二模块，用于确定所述三维设计文件中的各个三维模型元件，识别各个三维模型元件中的连接节点；

第三模块，用于对各个连接节点进行位置调整，将相邻三维模型元件中的连接节点进行连接，得到BIM模型；

第四模块，用于基于BIM模型输出预制构件的材料清单以及各个预制构件的安装次序。

可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

参阅图3，本发明实施例提供了一种基于BIM的实验室设计装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。

可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

此外，本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，计算机程序产品或计算机程序存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机程序，处理器执行该计算机程序，使得该计算机设备执行上述的方法。同样地，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部功率模块来实现本实施例方案的目的。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、设备中的功能功率模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括多指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，简称ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序的介质。

以上参照附图说明了本发明实施例的优选实施例，并非因此局限本发明实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明实施例的权利范围之内。