張維錦，王 博，饒志華

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013）

結(jié)構(gòu)施工圖中截面注寫方式表示的框架柱的識(shí)別算法研究

張維錦，王 博，饒志華

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013）

平法規(guī)定，柱平法施工圖的表示有截面注寫方式和列表注寫方式兩種。截面注寫方式系在柱平面布置圖的柱截面上，分別在同一編號(hào)的柱中選擇一個(gè)截面按照一定的比例放大，同時(shí)注寫截面尺寸和具體配筋數(shù)值的方式來(lái)表達(dá)柱平法施工圖。實(shí)際工程圖紙中放大的柱截面大都直接表示在定位軸線上。本文便是針對(duì)這種截面法表示的框架柱，利用其制圖規(guī)則以及表示特點(diǎn)，研究出一種計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別并且生成柱構(gòu)件三維模型的算法并將其應(yīng)用到三維鋼筋、工程量算量軟件中。經(jīng)過對(duì)大量工程圖紙的應(yīng)用測(cè)試以及用戶對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用檢驗(yàn)，能夠快速進(jìn)行圖紙識(shí)別、三維建模以及相關(guān)的BIM應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)施工圖；平法；截面注寫方式；BIM

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平的不斷提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)迫切需要一種規(guī)范、通用的圖示方法來(lái)傳達(dá)設(shè)計(jì)信息，為此，我國(guó)將平法［1］作為建筑行業(yè)通用的圖示方法。平法把結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸以及相應(yīng)的配筋信息等，按照平面整體表示方法的制圖規(guī)則，整體直接地表示在各類構(gòu)件的結(jié)構(gòu)平面布置圖上，再與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造詳圖［2］配合，形成了一套新型完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表示方法。用此方法傳達(dá)施工圖信息方便、簡(jiǎn)單、規(guī)范，能夠滿足各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工行業(yè)的需求，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但是，結(jié)構(gòu)施工圖紙全部是由計(jì)算機(jī)輔助軟件參照11G101圖集繪制的二維圖形，專業(yè)性、抽象性較強(qiáng)，只有具備相關(guān)專業(yè)知識(shí)的技術(shù)人員才可以讀懂圖紙中的信息，并且圖紙中的信息在后期的概預(yù)算、施工組織管理等階段中的利用率并不高。這與我國(guó)施工企業(yè)技術(shù)人員整體素質(zhì)還普遍不高的現(xiàn)狀相矛盾，并且很容易因?yàn)榧夹g(shù)人員的認(rèn)知、理解能力、疲勞程度而產(chǎn)生主觀的偏差，影響圖紙信息的正確傳遞以及循環(huán)利用。因此對(duì)于一種可以利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別二維圖紙中的各類建筑構(gòu)件以及其詳細(xì)的尺寸、配筋信息，并且能夠自動(dòng)參照二維圖紙信息生成三維模型算法的研究是一個(gè)重要的課題。

針對(duì)識(shí)別轉(zhuǎn)換CAD二維圖紙自動(dòng)生成三維模型算法的研究也有很多，有通過提取其地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)，匹配成三維點(diǎn)再分割成三角單元進(jìn)而渲染生成三維地形的［3］；還有通過提取關(guān)鍵的幾何拓?fù)湫畔ⅲ钠矫鎴D中識(shí)別"門""窗"等構(gòu)件再借助Visual C++以及OpenGL重現(xiàn)真實(shí)的三維房屋［4］。他們都是通過讀取CAD圖紙的DXF文件來(lái)完成轉(zhuǎn)換的。DXF文件是美國(guó)Autodesk公司制定并首先用于AutoCAD的圖形交換的文件格式。它是一種基于矢量的ASCII格式，文件的擴(kuò)展名為“.DXF”，用于外部程序和圖形系統(tǒng)或不同的圖形系統(tǒng)之間交換圖形信息。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可讀性好、易于被其他程序處理，因此已被各行業(yè)廣泛應(yīng)用。但是現(xiàn)有三維建模應(yīng)用軟件并沒有真正做到“一鍵式提取轉(zhuǎn)換”得到準(zhǔn)確的三維模型，大都是要經(jīng)過一系列復(fù)雜的設(shè)置、操作甚至重新建立模型。因此，研究出一種快速的“一鍵式提取轉(zhuǎn)換”生成三維模型的算法是非常有必要的。框架結(jié)構(gòu)是建筑中應(yīng)用比較成熟、廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)施工圖中框架柱的平面表示方法有截面注寫方式和列表注寫方式兩種，而前者在工程中的應(yīng)用更為廣泛。本文便是針對(duì)工程圖紙中用截面注寫方式表示的框架柱，研究出一套便捷的“一鍵式提取轉(zhuǎn)換”生成三維模型的識(shí)別算法，并將其應(yīng)用到三維鋼筋、工程量造價(jià)軟件中。

1 截面注寫方式表示的框架柱的識(shí)別機(jī)制

利用截面注寫方式表示的框架柱施工圖的圖形以及文字特征，準(zhǔn)確、高效的提取到柱詳細(xì)信息，并且自動(dòng)生成三維柱、鋼筋模型。

1.1 柱的工程分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，柱可以分為框架柱、剪力墻暗柱、構(gòu)造柱等，其截面形式也有矩形、圓形、L形、T形等多種形狀。通過對(duì)比分析大量的工程圖紙發(fā)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)中的柱多為矩形。本文便是針對(duì)這種應(yīng)用最為廣泛的用截面注寫方式表示的矩形框架柱研究其識(shí)別算法。圖1所示的便是截面注寫方式表示的框架柱施工圖圖例。

圖1 截面注寫方式表示的框架柱（mm）Fig.1 The frame columns shown in the section drawing method（mm）

1.2 識(shí)別依據(jù)

結(jié)構(gòu)施工圖是由計(jì)算機(jī)輔助軟件AutoCAD設(shè)計(jì)的圖紙文件，都是以DWG格式存在的，然而這種格式的文件并不公開。為了能直接利用設(shè)計(jì)圖紙的數(shù)據(jù)，避免重復(fù)的建模，我們可以利用AutoCAD的圖形交換的文件格式——DXF格式文件。DXF文件保存了對(duì)象圖元的坐標(biāo)、長(zhǎng)度、方向以及圖層等信息，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工圖的繪制時(shí)會(huì)把尺寸線、鋼筋、柱邊線等圖元分圖層繪制管理。柱的集標(biāo)信息也有其各自的特點(diǎn)。因此，便可以利用這些表示特點(diǎn)進(jìn)行信息的識(shí)別、處理，以減少程序的運(yùn)行時(shí)間，提高識(shí)別成功率。

1.3 對(duì)象圖元的指定

由于施工圖紙中的各類圖元是分圖層管理的，并且DXF文件保存了對(duì)象圖元的圖層、坐標(biāo)、長(zhǎng)度等信息，因此，可以用以下的方法指定圖元:

1）所有軸線位于同一圖層，因此可以用點(diǎn)擊軸線的方法選中所有的軸線并指定其為軸線，同樣可以用此方法指定柱；

2）施工圖中柱鋼筋線都繪制在柱輪廓線的范圍內(nèi)，因此可以指定柱輪廓線以內(nèi)的圖元為鋼筋；

3）表示縱筋與箍筋的線段長(zhǎng)度有很大區(qū)別，可以利用這一點(diǎn)區(qū)分縱筋和箍筋。

2 截面注寫方式表示的框架柱的識(shí)別

平法圖集11G-101-1規(guī)定:除芯柱之外的所有柱截面按本規(guī)定第2.2.2條第一款的規(guī)定進(jìn)行編號(hào)，從相同編號(hào)的柱中選擇一個(gè)截面，按另一種比例放大繪制柱截面配筋圖，并在各配筋圖上繼其編號(hào)后再注寫截面尺寸b×h、角筋或全部縱筋、箍筋的具體數(shù)值，以及在柱截面配筋圖上標(biāo)注柱截面與軸線關(guān)系b1，b1，h1，h2的具體數(shù)值。

對(duì)比分析大量的工程圖紙發(fā)現(xiàn)，框架柱中心點(diǎn)并非都在軸線交點(diǎn)上，如圖1所示的柱中心點(diǎn)便不在軸線交點(diǎn)上。因此，對(duì)于用截面注寫方式表示的框架柱的識(shí)別算法的重點(diǎn)就在于柱截面尺寸的縮放還原以及柱平面位置的校正。

2.1 柱集標(biāo)信息的讀取

通過對(duì)上述的平法規(guī)定以及大量工程圖紙的研究可知，框架柱的集標(biāo)信息包括四行，分別是柱名（含有字符“Z”或者“z”）、截面尺寸（含有字符“X”）、縱筋（含有字符“ ”“ ”“ ”分別表示一、二、三級(jí)鋼）、箍筋（含有字符“@”），同時(shí) DXF文件中的字符都保存了其左下角的定位點(diǎn)坐標(biāo)。因此，對(duì)于集標(biāo)有引線的柱，可以通過引線找到相應(yīng)集標(biāo)信息；對(duì)于集標(biāo)沒有引線的柱，找到距離其中心點(diǎn)最近的集標(biāo)作為其集標(biāo)信息。然后依次將以上各字符信息保存到定義的Cstring對(duì)象str1，str2，str3，str4中。

2.2 柱的識(shí)別

識(shí)別柱之前，先利用DXF文件分層管理對(duì)象圖元的性質(zhì)，將所有的軸線識(shí)別為軸網(wǎng)，用于柱的定位。

參照張維錦［5］關(guān)于結(jié)構(gòu)施工圖中暗柱的識(shí)別方法，識(shí)別圖紙中所有的框架柱以及其名稱，其中包括放大表示的以及按實(shí)際尺寸表示的柱。用上述的方法可以成功的識(shí)別到所有的柱構(gòu)件，但是放大表示的柱截面并不能自動(dòng)縮小到實(shí)際尺寸。如圖2所示初步識(shí)別后的放大顯示的柱并沒有縮小到實(shí)際尺寸，因此還需要對(duì)識(shí)別到的放大顯示的柱構(gòu)件進(jìn)行縮放以及移位。

圖2 初步識(shí)別后的柱效果圖Fig.2 The effect picture of the columns after preliminary identifying

2.3 柱截面尺寸的縮放還原以及平面位置的校正

如圖3所示的放大顯示的框架柱KZ-28，根據(jù)集標(biāo)信息可知其實(shí)際尺寸為450 mm×550 mm，但圖紙中的柱輪廓線尺寸為900 mm×1 100 mm，很明顯為了表達(dá)方便，繪圖者將其放大了兩倍顯示。根據(jù)規(guī)范可知柱定位點(diǎn)是軸線交點(diǎn)Q。因此，可以認(rèn)定集標(biāo)中包含柱名、尺寸、縱筋、箍筋信息的柱為放大顯示的柱，通過坐標(biāo)找到繪圖時(shí)的放大倍數(shù)n，并將識(shí)別到的放大顯示的柱構(gòu)件參照其中心點(diǎn)P縮小相同的倍數(shù)即得到實(shí)際尺寸的柱構(gòu)件，再參照柱定位點(diǎn)Q將柱中心點(diǎn)與定位點(diǎn)之間的距離縮小相同的倍數(shù)n即可得到正確的尺寸以及位置的柱構(gòu)件。

2.3.1 柱截面尺寸的縮放與還原

圖3 KZ-28截面（mm）Fig.3 The section of KZ-28（mm）

2.3.2 柱平面位置的校正

通過上述過程，可以準(zhǔn)確的識(shí)別到所有的柱構(gòu)件并將放大顯示的柱縮放到實(shí)際尺寸，但是其平面位置會(huì)因?yàn)樯鲜鲋孛鎱⒄掌渲行狞c(diǎn)縮放產(chǎn)生偏差。因此，可以參照?qǐng)D4（b）所示的定位點(diǎn)Q，將柱中心點(diǎn)P與定位點(diǎn)Q之間的距離縮小相同的倍數(shù)n（n=2），即可得到新的柱中心點(diǎn)R。之后參照柱原中心點(diǎn)P將其移動(dòng)到新的中心點(diǎn)R即完成了柱平面位置的校正，如圖4（b）中實(shí)線表示的柱。

圖4 柱截面縮小、移位Fig.4 Shrinking and moving the section

通過上述操作將放大顯示的柱構(gòu)件縮小到了實(shí)際的尺寸并將其移動(dòng)到了正確的平面位置，完成了對(duì)截面注寫方式表示的框架柱的識(shí)別，如圖5所示為識(shí)別成功后的柱效果圖。

圖5 識(shí)別成功的柱效果圖Fig.5 The effect picture of the columns after successful identifying

3 截面注寫方式表示的框架柱鋼筋的識(shí)別

根據(jù)施工圖表示柱縱筋、箍筋的特點(diǎn)以及分類提取到的集標(biāo)信息，生成滿足規(guī)范要求的柱鋼筋的三維模型。

3.1 柱縱筋的識(shí)別

根據(jù)對(duì)規(guī)范以及大量工程圖紙的研究發(fā)現(xiàn)，柱縱筋的表示方法有多種。針對(duì)其各自的表示特點(diǎn)研究出相應(yīng)的識(shí)別算法。

3.1.1 讀取柱b、h邊中部鋼筋原位表達(dá)式

平法圖集11G-101-1規(guī)定:當(dāng)縱筋采用兩種直徑時(shí)，須注寫截面各邊中部筋的具體數(shù)值（對(duì)于采用對(duì)稱配筋的矩形截面柱，可僅在一側(cè)注寫中部鋼筋，對(duì)稱邊省略不注寫）。因此，當(dāng)縱筋采用兩種直徑時(shí)，柱鋼筋除了集標(biāo)表示的角筋外還有中部原位標(biāo)注表示的b、h邊的中部鋼筋，如圖6（a）所示的柱截面兩側(cè)的原位標(biāo)注信息表示的便是各邊的中部縱筋信息。據(jù)上述規(guī)定可知當(dāng)矩形柱采用非對(duì)稱配筋時(shí)，柱截面各邊的中部都會(huì)有原位標(biāo)注信息。對(duì)于上述兩種情況，都可以根據(jù)字符串的坐標(biāo)信息，直接讀取到距離柱邊線最近的字符串信息，作為該邊的中部鋼筋信息保存到相應(yīng)的鏈表里，附近沒有原位標(biāo)注信息的說(shuō)明其采用了對(duì)稱配筋，可直接利用對(duì)邊的原位標(biāo)注信息。

圖6 截面注寫方式表示的柱鋼筋（mm）Fig.6 The column reinforcement shown in section drawing method（mm）

3.1.2 柱縱筋的識(shí)別

將柱輪廓線內(nèi)縮工程信息中規(guī)定的混凝土保護(hù)層厚度加箍筋直徑加縱筋半徑得到圖7（a）中的虛線，我們稱之為“縱筋定位線”。

根據(jù)集標(biāo)中的鋼筋信息，在縱筋定位線的4個(gè)角點(diǎn)生成相應(yīng)直徑的縱筋，如圖7（a）中的1～4號(hào)鋼筋；根據(jù)之前保存在鏈表里的各邊中部鋼筋的根數(shù)以及直徑，在相應(yīng)邊的（表示相應(yīng)邊的中部鋼筋根數(shù)）等分點(diǎn)處生成各邊的中部鋼筋，如圖7（a）中的5～8號(hào)鋼筋。

如圖6所示的KZ-28，其h邊中部鋼筋采用了兩種直徑，原位標(biāo)注中用“+”加以區(qū)。此時(shí)，可以根據(jù)對(duì)稱原則，在中間的等分點(diǎn)處生成一根直徑為25的鋼筋，如圖7（a）中的10，13號(hào)鋼筋，在兩側(cè)的等分點(diǎn)處生成直徑為22的鋼筋，如圖7（a）中的9，11，12，14號(hào)鋼筋。

3.2 箍筋的識(shí)別

箍筋是用多段線或者多根直線繪制的，主要有大箍、小箍、拉筋3種形式，如圖7（b）中的1，2，4號(hào)箍筋。框架柱的箍筋可以分為標(biāo)準(zhǔn)柱箍筋和非標(biāo)準(zhǔn)柱箍筋兩種，前者每根柱縱筋都有箍筋、拉筋拉結(jié)，如圖6（a）所示的KZ-28，后者并不是每根柱縱筋都有箍筋拉結(jié)，如圖6（b）所示的KZ-22.

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)柱箍筋的識(shí)別

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)柱箍筋的特點(diǎn)，直接按照保存的集標(biāo)中的柱箍筋信息參照柱角四根縱筋生成大箍，如圖7（b）中的1號(hào)箍筋。判斷b，h邊中部縱筋的根數(shù)，如果是偶數(shù)則從最外排的中部縱筋開始直接參照相鄰兩排中部縱筋生成小箍，如圖7（b）中的2號(hào)箍筋；如果是奇數(shù)，則參照最外側(cè)一排中部縱筋生成拉筋剩余的按照上述方法生成小箍，如圖7（b）中的4，3號(hào)箍筋。

圖7 KZ-28鋼筋的識(shí)別Fig.7 The KZ-28 reinforcement identification

3.2.2 非標(biāo)準(zhǔn)柱箍筋的識(shí)別

相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)柱箍筋，非標(biāo)準(zhǔn)柱箍筋的數(shù)量比較少，布置的也相對(duì)比較簡(jiǎn)單。因此可以直接參照上述方法生成大箍。小箍和拉筋可以參照以下方法按圖生成:用多段線繪制的箍筋，可直接按照?qǐng)D紙繪制箍筋的位置生成小箍或者拉筋；用多根直線繪制的箍筋，可以通過共用的直線的端點(diǎn)將各直線連接，能夠連通的為小箍，不能連通的通過判斷該線段節(jié)點(diǎn)20 mm范圍內(nèi)是否有縱筋，有縱筋的則為拉筋。之后將箍筋的端點(diǎn)校正到距離其最近的柱縱筋外側(cè)，便完成了柱箍筋的識(shí)別。

至此便完成了柱構(gòu)件以及柱鋼筋的識(shí)別，并能直接生成柱、鋼筋三維模型。

4 試驗(yàn)結(jié)果

選取具有代表性的結(jié)構(gòu)施工圖紙，將DXF格式的圖紙導(dǎo)入維錦真三維軟件平臺(tái)，只需點(diǎn)擊“提框架柱”按鈕，單擊選中任意一條柱輪廓線，軟件成功的提取到所有的框架柱以及相應(yīng)的配筋信息、自動(dòng)將放大柱縮小到實(shí)際尺寸并且能夠三維顯示在其實(shí)際位置上。真正做到了“一鍵式提取轉(zhuǎn)換”生成三維柱、鋼筋模型。如圖8所示為識(shí)別成功后的三維柱、鋼筋模型圖。

圖8 識(shí)別成功的一層柱三維模型圖（mm）Fig.8 The 3D model of the columns on the first layer after successful identifying（mm）

5 結(jié)論

通過對(duì)比、分析研究規(guī)范以及大量工程圖紙，得到結(jié)構(gòu)施工圖中原位放大柱的表示方法以及特點(diǎn)，再利用DXF文件保存對(duì)象基本屬性的性質(zhì)，建立一種原位放大柱的識(shí)別算法，能夠快速、高效的識(shí)別柱、鋼筋，并且生成三維模型。上述算法已經(jīng)被應(yīng)用于“維錦真三維”三維模型算量軟件，并且經(jīng)實(shí)際工程測(cè)試取得良好的效果。

［1］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.11G-101-1混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［2］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.12G-901-1混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

［3］周方曉，李昌華，趙亮.DXF文件三維地形數(shù)據(jù)的提取及可視化［J］.工程勘察，2011（3）:54-57.

［4］倪得晶，楊曄，姜曉彤.基于DXF文件的三維房屋的重建算法［J］.科協(xié)論壇，2011（3）:79-81.

［5］張維錦，汪雷，石學(xué)榮，等.結(jié)構(gòu)施工圖中暗柱識(shí)別算法研究［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）:117-122.

［6］姚宜斌，孔建.基于DXF文件的圖件轉(zhuǎn)換方法研究及程序?qū)崿F(xiàn)［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011，31（1）:117-122.

［7］任沂軍.AutoCAD中DXF文件的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換分析與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2006（7）:63-65.

［8］孟德舒.DXF格式文件轉(zhuǎn)換的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.北京測(cè)繪，2014（3）:76-79.

Study on Identification Algorithm of Frame Columns in Section Drawing

Zhang Weijin，Wang Bo，Rao Zhihua
（School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

According to the plane-method，methods for marking the column leveling construction drawing include the list drawing method and the section drawing method，which refers to the fact that a cross section is respectively selected among the columns with the same serial number，and enlarged on the basis of a certain proportion，meanwhile the size of the cross section and the number of the specific reinforcement are noted.In practical engineering，most of the column cross sections which are amplified in the engineering drawings are directly marked on the positioning axis.This paper，based on cartographic rules and characteristics of the section drawing method，presents an algorithm for the automatic recognition and generation of 3D models of column components，and applies it in the three dimensional steel bar software and engineering quantity calculation software.By a large number of testing，for engineering drawings and the actual project application，the algorithm can quickly identify the drawings，model 3D modeling，and find its application in BIM as well.

structure construction drawing；plane-method；section drawing method；BIM

TU375.3

A

1005-0523（2016）05-0018-07

（責(zé)任編輯 王建華）

2016－06－07

張維錦（1962—），男，副教授，研究方向?yàn)槿SCAD及算量軟件的開發(fā)與應(yīng)用。