试析新型室内水电装修布线的三维设计

一、引言

当今社会随着人民生活水平的提高，购房后一次装修和旧房子再次装修非常频繁。现在装修房屋，尤其是在二手房重新装修中装修师傅往往面临着因为没有水电装修布线图纸，对原来的水管布置，电路走线不清楚的问题，导致装修时经常出现水管或电线损伤，给装修带来不必要的麻烦。所以为施工单位提供准确可靠的水电装修布线信息，已成为一个迫切需要解决的问题。

二、新型室内设计系统研究的背景、目的和意义

国内也有一些公司致力于水电布线管理或施工软件的开发，但大多数系统是2D或者2.5D的[1]。墙壁的水电布线纵横交错，用平面来表示并不充分，无法体现房屋布线后的三维整体状态，没有直观的效果。目前国内市场施工常用的布线设计以平面布线图处理为主，接近工程设计人员的实际，有很好的应用价值，但是开发者不是从房屋用户角度出发的，房屋用户对图纸理解困难，安装起来比较麻烦，而且不是三维的，无法给人一个房屋三维布线的立体感受，而且安装工程中经常出现二维设计不直观、设计图纸不协调、施工图设计阶段图纸综合会审困难等问题。采用虚拟现实技术（Virtual Reality），Delphi面向对象编程技术，将隐藏的水电布线清晰、直观地从三维角度呈现在用户面前，并将装修时的水电布线图纸保留下来，每次装修的时候可以打开、编辑、存储。具备这样功能的软件，不仅适合装修公司使用，还适合施工人员和屋主来使用，为他们提供很大的方便， 有着极大的市场潜力。

施工人员在装修初期，建立房屋三维模型，选取具体施工的各个墙面，把水电安装图纸输入电脑，并保存在数据库中。再次装修时，相关人员可以从数据库中调出图纸，以房屋三维的状态显示，做到水管的布置及电路的走线一目了然，然后根据本次装修的具体情况，调出所需墙面，修改和编辑相对应的原施工图纸，并再次保存到数据库中。这样不仅能帮助施工人员合理的安排好水管和电路的走向，还可以为再装修留下可供参考的依据，再次装修时房屋的水电分布心中有数。

三、房屋装修水电布线的模型化与可视化

房屋是装修时水电布线的几何对象，同时也是建筑物的基础。由房屋模型的数据结构可以知道，对于复杂的房屋，其实也是由许多简单的部分组成的，每一部分都占据一定大小的空间范围，而且房屋的每一个面都可能具有不同的颜色或纹理的属性特征。其次，在大多数情况下，房屋模型是一个个的单体状态存在的，例如一间房间是由几个墙面和一个屋顶组成。因此，简化房屋模型在三维绘制时可以减少几何数据的容量提高三维显示速度。房屋模型场景树结构的建立根据三维目标模型的数据结构，可以分解为屋顶、墙面以及各个面的纹理数据。

房屋的可视化主要由房屋侧面的可视化和复杂的房屋顶面的可视化构成。房屋侧面主要是由一个个四边形构成，可以用三角形组成的面片来表达。而对于房屋的顶面，一般是个复杂的多边形结构，同时考虑到三角形是最基本的图形，适合图形的显示，所以对房屋屋顶的多边形分割为三角形进行可视化，对于复杂房屋屋顶需要设计算法实现[2]。

对于建筑物和构筑物几何对象的模型建立的方法，国内外对此有广泛的研究，主要的研究重点是建筑物模型的自动或半自动的三维重建[3]，研究的主要内容是建筑物屋顶模型的自动提取与三维重建。这些研究主要重点都是集中在单个房屋模型的立体重建，对于三维模型的编辑与交互操作方面的研究存在一定的欠缺，如:模型的形状改变、分析功能的开发等。

房屋表面几何对象经过模型化后，以数字的形式存储在计算机中，只有将其模型进行可视化，才能看到虚拟的房屋。必须采用计算机图形学的知识，通过一定的算法，将房屋各模型通过计算机显示出来，同时，通过有效的数据处理、LOD算法、多分辨率的图像处理和逼真的纹理贴图，来优化房屋三维模型系统[4]。

四、室内水电装修布线的综合布线系统

水电改造属于装修的隐蔽工程，也是装修的前奏工程。因此，在装修过程一定要考虑周全。具体在施工过程中也需严格把好质量关，以免留下遗憾。水电安装的综合布线系统是指将水线、电器等设备进行集中控制的电子系统。电路布线中，布线时线管尽量一根使用不要接头，除特殊需要才截断（比如长度小于2.8米），有底盒之间也是需要截断的。另外从使用安全上讲布线时线管内是一条线到底的，中间不能有接头，一般照明和一般插座2.5m㎡就够了，厨房电器和空调插座必须4mm2 （以上均为强电）。水路布线改造完后必须打压测试，通过打压测试后方可封槽进行下一工序。具体到水电布线三维模型图上，首先考虑水电布线图映射模型：

将水电布线图映射到房屋三维模型上，用的是贴图的方法。在房屋几何对象模型表面逐个面进行水电线路绘制时，在二维编辑器上先做好图像，然后进行贴图，不仅可以节省绘制时间，同时可以增加模型的逼真性和现实性。贴图是一个平面区域与指定的颜色或图像区域之间的映射ξ:C→R。因此，平面区域上每一个点都有自己的颜色值。由于贴图只是离散的图像表示，它只是记录了一个颜色矩阵。因而为了取得正确的结果，必须建立颜色空间与几何对象模型空间的正确的映射关系。

一般情况下通过仿射变换的方法建立二维的纹理数据（像素空间）与三维的物体空间（三维物方坐标系）之间的映射关系。对于三角形或四边形只需要指定三个点之间的（（u）v），即可根据上述公式进行求解，从而得出矩阵中的各个系数的数值大小。

对于属性数据的管理，在数字表面房屋三维模型中，可以把属性数据分为贴图数据和几何模型的语意描述数据两大类型。对于前一类数据使用属性数据库进行管理，至于属性数据的查询与更新通过对象的标识码进行关联。因为几何模型中面片的属性中保存了贴图的名称，因此在三维显示时，能够保证正确的贴图映射结果。在三维虚拟现实系统中，贴图是其最为成功的技术之一，其是通过将图像粘贴于几何表面来增强图形的真实感，既能增加绘制真实感又不影响几何图形本身的几何复杂度。

五、三维模型在实体设计中的理论意义和环保效应

房屋模型是三维的，而各个面上水电布线则在二维平面上进行，并将水电布线图粘贴到房屋三维模型对应的面上，所以，系统必须解决人机交互和墙面拾取的问题。

但是房屋室内水电布线三维可视化的理论和应用的研究目前还处于研究与探索阶段，一些实际的问题还需要解决，将三维建模和图形图像处理较好地结合在一起，使水电布线在三维表现上得到较好的体现，而且对于单面墙的布线也能很好地调用、编辑、修改与存储，解决了三维建模和二维图片在三维物体上拾取、贴图、存储的问题。

另外，作为环境的创造者的室内设计师，应在具体设计中充分体现环保，水电布线应充分考虑环保节能，其实是一个有机联系的整体：光、色、水让人们能综合地感受室内环境，光照下界面和家具等是色彩和造型的依托“载体”，灯具、水管陈设又必须和空间尺度、界面风格相协调。

总之，水电布线是房屋使用的物质基础之一，是“数字房屋”的重要组成部分，对其三维模型的可视化和空间分析的室内装修水电设计研究具有十分重要的现实意义。