王志勃 ，畢艷茹

（1.江蘇省電子產(chǎn)品裝備與制造中心，江蘇 淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 22300）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，建筑工程概預(yù)算領(lǐng)域中出現(xiàn)了大量的預(yù)算軟件，但這些軟件只是在人工讀圖并計(jì)算出工程量的基礎(chǔ)上完成定額套用、調(diào)整、費(fèi)用計(jì)算、報(bào)表編制等工作，工程量計(jì)算工作還停留在由預(yù)算師人工識別圖紙的階段。因此，如何實(shí)現(xiàn)工程量的自動(dòng)計(jì)算是目前建筑工程概預(yù)算領(lǐng)域研究的主要熱點(diǎn)之一，而建筑工程圖的自動(dòng)識別問題是制約工程量計(jì)算自動(dòng)化水平提高的主要瓶頸。本文模仿人工識圖的思路與方法，以建筑AutoCAD中墻體識別建模為例，設(shè)計(jì)出一套有效識別墻體、裁剪建模的算法，解決AutoCAD與工程量計(jì)算的接口問題，為實(shí)現(xiàn)建筑工程量計(jì)算的自動(dòng)化提供參考。

1 AutoCAD矢量文件研究與墻體元素提取

AutoCAD采用矢量數(shù)據(jù)格式文件DXF存儲(chǔ)圖形信息[1]。DXF是一種被多數(shù)圖形設(shè)計(jì)軟件接受的文件存儲(chǔ)格式，其實(shí)際上已經(jīng)成為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著AutoCAD的新版本不斷推出，對DXF文件格式作了進(jìn)一步調(diào)整，但基本框架保持不變。DXF文件按先后順序分為7大段，其中實(shí)體段是研究的主要目標(biāo)，在實(shí)體段中保存著所有離散的 圖形圖元[1]，這些實(shí)體有 Point、Line、Circle、Arc、Trace、Solid、Polyline、Vertex 和 3Dface 等 圖 形 圖 元 。每段由鍵值對組成，鍵（通常稱為組碼）表明其后的值的類型，使用這些鍵值對可以將AutoCAD圖形元素組織到由記錄組成的區(qū)域中。

本文在對建筑墻體識別之前，首先將DXF格式文件轉(zhuǎn)化為可讀性更好、被軟件普遍接受的XML格式文件[2-4]。DXF格式文件轉(zhuǎn)換成XML格式文件后的數(shù)據(jù)格式如圖1所示。從 DXF文件中讀取的信息還處于離散狀態(tài)，之間沒有任何聯(lián)系，在進(jìn)行墻體識別、裁剪、建模之前要對這些離散數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理，使其滿足識別需要。在房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[5]中，對建筑制圖中的各種圖形元素畫法都作出了非常具體的規(guī)定，其中墻體具有以下特點(diǎn)。

（1）任何一段墻體都構(gòu)成一個(gè)封閉的區(qū)域，并且構(gòu)成墻體的線段數(shù)要大于或等于4；

（2）每段墻體之間通過門、窗等建筑構(gòu)件相連接；

（3）通常按照建筑中墻體的外型，可以將墻體分為L型、T型、C型、＋型、直線型和復(fù)雜的不規(guī)則類型等。建筑圖中墻體的常見形狀如圖2所示。

圖1 DXF轉(zhuǎn)換成XML后的數(shù)據(jù)格式

圖2 建筑圖中墻體的常見形狀

構(gòu)成墻體的主要圖元就是線段，墻體是由若干條線段形成的一個(gè)封閉區(qū)域。對于墻體的數(shù)據(jù)提取，可以采用深度優(yōu)先遍歷方法[6-7]，在已讀出的大量線段中任意選取一條作為起始點(diǎn)，根據(jù)線段兩端的坐標(biāo)去匹配下一條線段，直到回到起點(diǎn)。

根據(jù)以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用于在離散數(shù)據(jù)中識別提取墻體的算法1。

算法1：墻體識別提取算法

（1）?line?{linei|i≥1}。

（2）提取 l1起點(diǎn)坐標(biāo) S{x，y，z}。

（3）提取 l1終點(diǎn)坐標(biāo) P{x，y，z}，與{linei|i≥1}中其他線段起點(diǎn)坐標(biāo)匹配。

（4）匹配成功，得到 l2，存儲(chǔ) l1，l1=l2。

（5）LOOP 重復(fù)步驟（3）～步驟（4），循環(huán)計(jì)數(shù)器 count

經(jīng)過算法1處理后，從眾多離散線段中識別、提取出墻體集合{walli|i≥1}?{linei|i≥1}。

2 墻體圖形裁剪算法設(shè)計(jì)

在成功獲取墻體集合后，采用提取墻體中軸線的方法建立墻體數(shù)學(xué)模型，但對于形式復(fù)雜的墻體造型，若直接提取中軸線會(huì)造成建筑工程量計(jì)算的重復(fù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差，所以還要對墻體進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分。本文提出了基于凹點(diǎn)多邊形墻體裁剪算法[8-11]，將復(fù)雜墻體分割成相對簡單的墻體單元。

針對平面直角坐標(biāo)系中墻體構(gòu)造的多邊形，判斷凹點(diǎn)及采集算法如下。

算法2：凹點(diǎn)判斷與墻體裁剪算法

在建筑CAD中絕大多數(shù)墻體都是水平或鉛直的，同時(shí)存在有一定角度或弧形的墻體。對于水平和鉛直類墻體，可以使用比較法判斷凹點(diǎn)；對于有一定角度的墻體，拐點(diǎn)可以采用斜率法進(jìn)行判斷；對于弧形墻體，將進(jìn)行特殊處理，不在本文討論范圍內(nèi)。

（1）對于水平鉛直墻體的凹點(diǎn)判斷與裁剪算法。

①從墻體集合 {walli|i≥1}中選取一組封閉墻體數(shù)據(jù)，以x分量最小的點(diǎn)作為起點(diǎn)。

②嚴(yán)格按照順時(shí)針方向遍歷墻體線段。

定義：起始線段 li（i=1），起點(diǎn)坐標(biāo) s（xi，yi），終點(diǎn)坐標(biāo) e（xi，yi），順時(shí)針鄰接線段為 li+1，起點(diǎn)坐標(biāo) s（xi+1，yi+1），終點(diǎn)坐標(biāo) e（xi+1，yi+1），兩線段交點(diǎn)為P，即 e（xi，yi）=s（xi+1，yi+1）。

簡單來說，從起點(diǎn)開始，x、y坐標(biāo)變化滿足下面規(guī)律就是最簡墻體；否則，若存在凹點(diǎn)，就延長線段交于墻體線段集合中的某條線段，并分離出一段墻體。

裁剪算法過程演示如圖3所示。在圖3（a）中，選出A為遍歷起點(diǎn)。遍歷過程為：AB（Y↑）→BC（X↑）→CD（Y↓）→DE（X↓）→EF（Y↑）→FG（X↓），在 EF-FG 線段交點(diǎn)處出現(xiàn)凹點(diǎn)，記錄F點(diǎn)信息，向墻體集合中添加輔助線段 FX，并將 EF延長到 X，即用 EX代替 DF，并將CD、DE、EX、XC從墻體集合中分離出來形成單獨(dú)集合。重復(fù)以上算法，對剩余墻體集合繼續(xù)遍歷，任何一段復(fù)雜的墻體集合通過該算法都能分解成為最簡墻體，即得到墻體的最簡形式。

圖3 水平鉛直墻體剪裁過程

（2）使用斜率判定非水平鉛直墻體的凹點(diǎn)。

3 墻體數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

圖紙識別的最終目的是要建立起墻體的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對建筑工程量的估算[12]。模型是全面反映墻體形狀和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并附加以必要的屬性。墻體的中軸線是確定墻體的核心數(shù)據(jù)，利用分解后的簡單墻體中平行的兩長邊端點(diǎn)信息，可以確定中軸線兩端點(diǎn)坐標(biāo)，并將該段墻體的厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)一并存入中軸線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，形成一個(gè)關(guān)于墻體中軸線鏈表。設(shè)墻體的兩條平行邊為l1和l2，起點(diǎn)為s，終點(diǎn)為e，則中軸線兩端點(diǎn)坐標(biāo)為：

可以用鏈表構(gòu)造其內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，鏈表的節(jié)點(diǎn)定義如圖4所示。

圖4 鏈表節(jié)點(diǎn)意義

有了以上軸線抽象模型，可以方便、準(zhǔn)確地計(jì)算墻體的長度，重構(gòu)墻體輪廓，方便后期建筑工作量提取[13]。

本文在對AutoCAD矢量數(shù)據(jù)文件大量研究的基礎(chǔ)上，以建筑工程中墻體為例，設(shè)計(jì)了墻體深度優(yōu)先識別提取算法；針對提取的復(fù)雜墻體，設(shè)計(jì)了基于凹點(diǎn)分割的墻體裁剪算法，并以墻體中軸線模型加屬性的方式重構(gòu)墻體，為工程量計(jì)算提供有效支持。在算法設(shè)計(jì)過程中注重與具體問題相結(jié)合，加入識別裁剪過程中的輔助因素，降低了通用算法的復(fù)雜度，使算法簡潔而高效。

參考資料

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