基于圖層自動(dòng)識別算法的BIM結(jié)構(gòu)模型生成方法研究

汪晴晴 楊秀芝 藺玉璞

(1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2.山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，濟(jì)南 250001)

引言

將2D圖紙轉(zhuǎn)換成BIM模型時(shí)，傳統(tǒng)的方法是手工鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單欄上的工具或命令進(jìn)行建模操作，此方法效率低且容易出錯(cuò)。一些翻模插件[1-3]能夠加快建模的速度，通過用戶選擇二維圖紙中的圖層和輸入標(biāo)高等信息，自動(dòng)生成三維BIM模型。

本文提出一種在自動(dòng)圖層識別算法基礎(chǔ)上依據(jù)平面圖分析和列表信息分析創(chuàng)建結(jié)構(gòu)信息模型的方法，該方法需要用戶進(jìn)行的操作更少、效率更高。

1 圖層自動(dòng)識別

DWG文件是AutoCAD創(chuàng)立的一種圖紙保存格式文件。DWG文件是一種二進(jìn)制文件，一般由Header(頭文件)、Entities(實(shí)體部)、Tables(表段)、Blocks(塊實(shí)體部)以及Contingrny Header(應(yīng)急頭部)組成[4]。本文在Revit中調(diào)用Teigha組件實(shí)現(xiàn)了DWG文件的讀取[5]。

結(jié)構(gòu)施工圖紙按照圖層進(jìn)行組織管理，本文采用圖層自動(dòng)識別算法[6]進(jìn)行圖層的識別。對CAD圖紙有以下標(biāo)準(zhǔn)要求：

(1)要求CAD圖紙、圖層、構(gòu)件不能是一整個(gè)圖塊。如果CAD圖紙是一整個(gè)圖塊或者圖層、構(gòu)件是一整個(gè)圖塊的話，將無法利用算法進(jìn)行圖層自動(dòng)識別，需要將圖紙進(jìn)行炸開處理，使得圖紙中的各類構(gòu)件均是由基本圖元(線、弧、圓等)組成；

(2)對于圖紙中包含天正圖元的情況，需要將圖紙轉(zhuǎn)換到t3版本；

(3)要求同類構(gòu)件的圖元必須放置于同一圖層，如柱線圖元均放置于柱圖層，柱標(biāo)注圖元均放置于柱標(biāo)注層。識別從搜索每一個(gè)圖層的特征元素(FE)開始，如墻的FE為線，墻標(biāo)注的FE為文本。其次，檢查FE的屬性(Attr)是否符合某些條件，根據(jù)屬性對識別結(jié)果的影響程度將屬性分為必要條件(NC)和充分條件(SC)。其中NC必須滿足，如梁標(biāo)注必須含有字符“L”。如果某圖層沒有識別到字符“L”，則該圖層不是梁標(biāo)注層，但對于梁標(biāo)注中的字符“-”不是必須存在的，因此為SC。SC滿足時(shí)，識別為梁標(biāo)注的可能性更高。接下來搜索與FE有關(guān)系約束的相關(guān)元素(RE)，并檢查其屬性和與FE的拓?fù)潢P(guān)系(Rel)。FE-RE結(jié)構(gòu)如圖1所示，在判斷某圖層是否為目標(biāo)層時(shí)，先檢查圖層的FE和RE的NC是否都滿足，然后檢查FE和RE的SC，并按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算得分，最后通過公式(2)計(jì)算總得分，得分最高的層即為目標(biāo)層。

圖1 FE-RE結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

其中，Score為每個(gè)圖層的FE與目標(biāo)圖層的匹配度得分，NC代表匹配必要條件，SC代表匹配充分條件，N(SC==True)為符合匹配條件的SC的數(shù)目； N(SC)為識別某圖層FE-RE結(jié)構(gòu)的充分條件的個(gè)數(shù)。Total score為總匹配度得分，F(xiàn)E為特征元素，N(FE)為特征元素的個(gè)數(shù)。

以《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(現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、梁、板)》(16G101-1)[7]中的構(gòu)件注寫方式為依據(jù)，根據(jù)圖紙中構(gòu)件的幾何約束和拓?fù)潢P(guān)系，應(yīng)用圖層自動(dòng)識別算法識別各圖層。以梁圖層的自動(dòng)識別為例，梁結(jié)構(gòu)局部平面圖如圖2所示。

梁圖層的識別存在以下難點(diǎn)：

難點(diǎn)一：梁是由平行且相互重疊的線組成，但是，在CAD圖紙中，存在同樣由平行線構(gòu)成的其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如墻和柱；

難點(diǎn)二：復(fù)雜平面圖中，各種干擾線條比較多，比如尺寸線、引線和標(biāo)高線。

針對以上難點(diǎn)設(shè)計(jì)識別梁圖層的FE-RE結(jié)構(gòu)，如圖3所示。FE為線，F(xiàn)E的RE(1)為線，RE(1)與FE同圖層且平行，RE(1)與FE的距離為200mm～800mm，這個(gè)距離是通過對大量圖紙的觀察得到的。又由于常用的結(jié)構(gòu)出圖軟件，如T20天正結(jié)構(gòu)軟件，其能繪制的梁寬的范圍為100mm～1000mm可知，存在不屬于200mm～800mm范圍的梁，因此，此屬性為識別梁線的一個(gè)SC。

圖2 梁結(jié)構(gòu)平面圖局部

圖3 梁圖層的FE-RE結(jié)構(gòu)

另外，針對難點(diǎn)二，圖紙中存在的干擾線條比較多，因此將梁圖層的識別側(cè)重于梁線的端部。主梁一般與柱或墻相連，因此需要在識別出柱圖層或墻圖層的前提下，進(jìn)行梁圖層識別的設(shè)計(jì)。FE的RE(2)是柱或墻封閉輪廓的某一條邊線，F(xiàn)E與RE(2)相交，由于次梁一般與主梁相連，因此存在梁線不與柱或墻邊線相交的情況，因此此拓?fù)錀l件為SC。考慮到梁的集中標(biāo)注一般會(huì)通過一條引線從梁線中引出，因此在識別出梁的集中標(biāo)注圖層的前提下，進(jìn)行梁圖層的設(shè)計(jì)。將引線作為FE的RE(3)RE(3)與FE垂直，又因?yàn)榧袠?biāo)注必須含有字符“L”，因此，將字符“L”作為RE(4)。由于梁的編號一般為三個(gè)字符組成，可設(shè)置字符“L”與引線的距離為小于等于三個(gè)字符的寬度。

除此之外，梁軸線也可以作為FE的一個(gè)RE，為RE(5)。在一般情況下，RE(5)與FE的距離為RE(1)與FE距離的一半。由于圖紙中存在偏軸線的梁，故此條件為SC。

綜上，NC的數(shù)量為N(NC)=9，SC的數(shù)量為N(SC)=3。

需要識別的目標(biāo)層有軸網(wǎng)層、標(biāo)高表層、構(gòu)件列表層、柱圖層、柱標(biāo)注層、墻圖層、墻標(biāo)注圖層、梁圖層、梁標(biāo)注圖層、板標(biāo)注圖層及圖紙名稱說明層。由于柱的輪廓多位于軸線的周圍，柱的圖層識別相對容易，且對后續(xù)其他圖層的識別可以起到輔助作用，因此先識別柱層，再識別墻層和梁層，對于提高識別精度具有重要意義。

圖層識別順序?yàn)椋簶?biāo)高表層、圖紙名稱說明層、構(gòu)件列表層、軸網(wǎng)層、柱標(biāo)注層、柱圖層、墻標(biāo)注圖層、墻圖層、梁標(biāo)注圖層、梁圖層及板注圖層。

2 圖紙自動(dòng)識別

2.1 平面圖分析

2.1.1 構(gòu)件截面輪廓的識別

通過圖層自動(dòng)識別算法可以獲取到有用的圖層信息。接下來，在識別得到的圖層基礎(chǔ)上對構(gòu)件截面輪廓進(jìn)行識別。在過去的研究中，有學(xué)者對墻體識別開展研究[8，9]。李昌華[8]采用自適應(yīng)分塊的墻體輪廓提取算法，依據(jù)墻線連通規(guī)則找出墻圖層中所有封閉輪廓，實(shí)現(xiàn)墻體識別。本文選擇李昌華[8]提出的墻體檢測方法結(jié)合自動(dòng)圖層識別結(jié)果對墻構(gòu)件截面輪廓進(jìn)行識別。柱也是由一組封閉的輪廓線組成，因此對柱構(gòu)件的識別方法與墻類似。關(guān)于梁構(gòu)件和板構(gòu)件的識別，采用Bin Yang等人[10]提出的方法，首先修改不連續(xù)的梁線，將一定距離內(nèi)的平行梁線分組即可識別梁； 對于變截面或偏心梁，采用連續(xù)梁中心線生成算法識別出梁； 對于板的識別，是在已識別柱、墻、梁的前提下通過分割而生成每一塊樓板。

2.1.2 構(gòu)件截面輪廓與其標(biāo)注的匹配

構(gòu)件截面輪廓與標(biāo)注存在有引線連接和無引線連接兩種情況。對于有引線連接的情況，以引線為關(guān)鍵點(diǎn)，引線可以由一條直線組成，也可以由多條直線連接組成，最重要的是如何正確找到引線。引線所在的圖層為構(gòu)件標(biāo)注層，對引線的搜索只需要在構(gòu)件標(biāo)注層進(jìn)行搜索即可，可以避免圖紙中其他線的干擾，如尺寸線，如圖4(c)所示。而對于無引線連接的構(gòu)件截面輪廓和其標(biāo)注之間的匹配較為復(fù)雜，本文采用“多閾值+雙向匹配算法”。

圖4 結(jié)構(gòu)平面布置圖局部

(1)有引線時(shí)的匹配算法

對于標(biāo)注引線起始線的一端在構(gòu)件截面輪廓內(nèi)或與構(gòu)件截面輪廓的其中一條邊相交的情況，如圖4(a)所示，采用以下方法實(shí)現(xiàn)：

1)通過直線在構(gòu)件截面輪廓內(nèi)或直線與構(gòu)件截面輪廓的某一邊相交，確定起始線的一個(gè)端點(diǎn)；

2)以起始線的一端在構(gòu)件截面輪廓內(nèi)的端點(diǎn)為起始點(diǎn)，或以起始線與構(gòu)件截面輪廓某一條邊相交的端點(diǎn)為起始點(diǎn)，采用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的深度優(yōu)先搜索算法，去訪問該線段的終點(diǎn)坐標(biāo)，然后以該線段的終點(diǎn)坐標(biāo)作為下一條線段的起始點(diǎn)，去訪問下一條線段的終點(diǎn)坐標(biāo)，以此類推，直到訪問不到為止，圖4(a)左側(cè)的柱標(biāo)注為引線由兩條直線組成，圖4(a)右側(cè)的柱標(biāo)注為引線由一條直線組成；

3)通過步驟2)找到組成引線的所有直線，根據(jù)最后一條直線與標(biāo)注的距離小于標(biāo)注字符高度的一半，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件截面輪廓與其標(biāo)注的匹配。

對于標(biāo)注引線起始線的一端不與構(gòu)件截面輪廓的任何一邊相交的情況，如圖4(b)所示。采用以下方法實(shí)現(xiàn)：

1)以截面圖元的中心點(diǎn)或中心線為中心，定義閾值為W的文本搜索區(qū)域Rm；

2)搜索與Rm相交的引線L：L∩Rm≠?，以起始線的一端在包圍框B內(nèi)的端點(diǎn)為起始點(diǎn)，采用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的深度優(yōu)先搜索算法，去訪問該線段的終點(diǎn)坐標(biāo)，然后以該線段的終點(diǎn)坐標(biāo)作為下一條線段的起始點(diǎn)去訪問下一條線段的終點(diǎn)坐標(biāo)，以此類推，如果訪問不到，說明引線只有一條直線組成；

3)通過步驟2)找到組成引線的所有直線，根據(jù)最后一條直線與標(biāo)注的距離小于標(biāo)注字符高度的一半實(shí)現(xiàn)構(gòu)件截面輪廓與其標(biāo)注的匹配。

(2)無引線時(shí)的匹配算法

對于構(gòu)件截面輪廓與其標(biāo)注之間沒有引線的情況，處理起來比較復(fù)雜。本文采用“雙閾值+雙向匹配算法”進(jìn)行構(gòu)件截面輪廓與其標(biāo)注的匹配。算法的整個(gè)實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。之所以定義雙閾值是因?yàn)殚撝档拇笮『茈y確定：若閾值范圍過小，可能找不到與構(gòu)件截面輪廓匹配的標(biāo)注；若閾值范圍過大，搜索到的構(gòu)件截面輪廓附近的標(biāo)注可能不止一個(gè)。鑒于此，本文選擇定義兩個(gè)閾值，一個(gè)閾值W1為圖紙中構(gòu)件標(biāo)注的中心點(diǎn)與構(gòu)件截面輪廓中心點(diǎn)或中心線的最大距離； 另一個(gè)閾值W2為圖紙中構(gòu)件標(biāo)注的中心點(diǎn)與構(gòu)件截面輪廓中心點(diǎn)或中心線的最小距離，這兩個(gè)距離是通過觀察圖紙得到的。其中，標(biāo)注的中心點(diǎn)為P，P是通過標(biāo)注的包圍框B計(jì)算得到的。在這里，只要滿足閾值范圍掃過標(biāo)注包圍框，則被掃過的標(biāo)注即可作為候選標(biāo)注存儲(chǔ)，不需要整個(gè)標(biāo)注的包圍框B都在閾值范圍內(nèi)，下文會(huì)通過一個(gè)實(shí)例對此進(jìn)行解釋。

圖5 雙閾值+雙向匹配算法

另外，從構(gòu)件截面輪廓出發(fā)的搜索結(jié)果與從標(biāo)注中心出發(fā)搜索的結(jié)果不同，如圖6所示。以標(biāo)注YJZ9的中心點(diǎn)為中心，閾值為W2的范圍內(nèi)搜索得到的截面圖形有①和③； 反過來，以截面輪廓③的中心點(diǎn)為中心，閾值為W2的范圍內(nèi)搜索得到的標(biāo)注只有YJZ9。因此，本文設(shè)計(jì)雙向匹配算法，在以標(biāo)注中心點(diǎn)為中心、W2為閾值搜索得到兩個(gè)截面輪廓的情況下，可以考慮以截面輪廓中心點(diǎn)為中心、W2為閾值去搜索標(biāo)注。同樣，對于以截面中心點(diǎn)為中心、W2為閾值搜索得到兩個(gè)標(biāo)注的情況下，也可以以標(biāo)注中心點(diǎn)為中心、W2為閾值去搜索截面輪廓，不管從哪個(gè)方向進(jìn)行搜索，只要能使搜索的結(jié)果為唯一的即可實(shí)現(xiàn)匹配?！半p閾值+雙向匹配算法”的具體應(yīng)用可以通過圖6得以體現(xiàn)。

圖6 剪力墻、柱平面布置圖局部

圖中有三個(gè)柱截面輪廓，給它們編號為①②③，以截面輪廓①的中心點(diǎn)為中心，在閾值W1范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，由于只要滿足閾值范圍掃過標(biāo)注包圍框，即可將閾值范圍掃過的標(biāo)注作為該截面輪廓的候選標(biāo)注，因此截面輪廓①在閾值W1范圍內(nèi)找到了三個(gè)標(biāo)注，分別為YAZ3、YYZ9、YJZ9，由于閾值W1范圍內(nèi)存在另一柱的截面輪廓②，以截面輪廓②的中心點(diǎn)為中心，在閾值為W2的范圍內(nèi)搜索到一個(gè)標(biāo)注YAZ3，則截面輪廓②與標(biāo)注YAZ3完成匹配。由于閾值W1范圍內(nèi)不存在截面輪廓③，因此以標(biāo)注YYZ9的中心點(diǎn)P為中心，閾值為W2的范圍內(nèi)搜索截面輪廓，找到一個(gè)截面輪廓①，則標(biāo)注YYZ9與截面輪廓①完成匹配。以標(biāo)注YJZ9的中心點(diǎn)P為中心，在閾值W2范圍內(nèi)搜索截面輪廓，找到截面輪廓①和截面輪廓③，搜索結(jié)果不為1，再以截面輪廓③為中心點(diǎn)，閾值為W2范圍內(nèi)搜索標(biāo)注，找到一個(gè)標(biāo)注YJZ9，則截面輪廓③與標(biāo)注YJZ9完成匹配。

2.2 列表分析

結(jié)構(gòu)構(gòu)件平法施工圖的表示方法，除了采用截面注寫方式，有時(shí)也會(huì)采用另一種注寫方式，即表格注寫方式[7]。將構(gòu)件的屬性信息存儲(chǔ)在列表中，通過構(gòu)件列表來提取構(gòu)件的屬性，由于構(gòu)件列表對于構(gòu)件信息的表達(dá)相對于截面注寫方式更加清晰，因此對構(gòu)件列表的識別可以在很大程度上提高構(gòu)件識別的準(zhǔn)確率。另外，平面圖僅給出構(gòu)件的二維信息，而構(gòu)件的高度信息則在樓層標(biāo)高表中給出，標(biāo)高表的識別可為各樓層各種構(gòu)件提供高度信息，分析樓層表自動(dòng)獲取樓層高度信息，減少二維圖紙轉(zhuǎn)換成BIM模型過程中高度信息的人工輸入。因此，對于表格信息的提取與識別也極為重要，以下對列表分析的方法進(jìn)行介紹。

圖7左側(cè)為列表分析流程。首先，分析表格的表頭排列方向是橫向的還是縱向的； 然后，分析表頭的內(nèi)容，如果表頭排列方向是橫向的，通過分析表頭的內(nèi)容來辨別表格的類型，如通過表頭是否含有“層號”、“標(biāo)高”、“層高”這三個(gè)字符串判斷表格是否為結(jié)構(gòu)樓層標(biāo)高表； 如果表格類型為結(jié)構(gòu)樓層標(biāo)高表，提取表頭上方數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，如表1(a)所示； 如果表頭含有“墻厚”字符串，則可以判斷該表格為墻構(gòu)件表，根據(jù)墻構(gòu)件表的表頭排列方式為橫向排列，對表頭的下方數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并存儲(chǔ)，如表1(b)所示； 如果表頭排列是縱向的，分析表頭內(nèi)容，然后分析表頭右側(cè)數(shù)據(jù)； 對于即存在縱向排列的表頭，又存在橫向排列的表頭，如表1(b)所示，縱向排列的有“Q1”和“Q2”兩個(gè)表頭，橫向排列的有“編號”、“標(biāo)高”、“水平分布筋”、“垂直分布筋”、“拉筋(矩形)”等表頭，對于這種情況，先根據(jù)橫向排列的表頭讀取下側(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)縱向排列的表頭讀取右側(cè)數(shù)據(jù)； 如表1(b)所示，同一編號為Q1的墻，標(biāo)高不同，對應(yīng)的墻厚屬性也不同，因此需要對不同標(biāo)高、相同編號的墻構(gòu)件信息進(jìn)行讀取。

圖7 平面圖分析和列表分析流程圖

表1 部分列表

(b)墻表

3 平面圖結(jié)合列表

3.1 平面圖結(jié)合構(gòu)件列表

《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(現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、梁、板)》(16G101-1)[7]規(guī)定墻、柱平法施工圖可以采用兩種注寫方式表達(dá)，一種是截面注寫方式，一種是平面注寫方式。對于采用截面注寫方式表達(dá)的構(gòu)件，其平面施工圖中詳細(xì)標(biāo)注了構(gòu)件的幾何信息和鋼筋信息，僅通過分析平面圖即可得到構(gòu)件的信息； 而對于采用列表注寫方式表達(dá)的構(gòu)件，其平面施工圖中只表達(dá)了構(gòu)件的幾何信息和名稱信息，而具體的構(gòu)件配筋信息是通過獨(dú)立表格的形式給出。因此，對于采用列表注寫方式表達(dá)的構(gòu)件，提出平面圖分析和構(gòu)件列表分析相結(jié)合的方式。

通過上文介紹的圖層自動(dòng)識別算法可以得到圖紙名稱所在的圖層，分析圖紙名稱可以得到圖紙中各構(gòu)件所在的樓層信息或者樓層標(biāo)高信息。因此，將平面圖分析得到的構(gòu)件的符號信息和樓層標(biāo)高信息與通過構(gòu)件列表分析得到的符號信息和樓層標(biāo)高信息進(jìn)行匹配。通過匹配，平面圖中未標(biāo)注鋼筋信息屬性的構(gòu)件的鋼筋信息可從構(gòu)件列表中獲取。

此方法的目的是充分利用二維圖紙中的信息，不僅可以得到構(gòu)件的幾何信息，而且可以得到構(gòu)件的鋼筋屬性信息。對于平法施工圖表示的構(gòu)件的識別，不局限于構(gòu)件是采用截面注寫方式表達(dá)，還是采用列表注寫方式表達(dá)，均能實(shí)現(xiàn)識別，且能識別出構(gòu)件的完整信息，避免二維圖紙?jiān)谵D(zhuǎn)換為三維BIM模型的過程中出現(xiàn)信息丟失的問題。

3.2 平面圖結(jié)合樓層標(biāo)高表

利用自動(dòng)圖層識別算法，獲取到了軸網(wǎng)圖層，根據(jù)軸線之間的相交情況可以確定圖紙的局部坐標(biāo)系，構(gòu)件的二維位置通過軸網(wǎng)和尺寸線給出，對于生成BIM模型還缺少標(biāo)高信息，接下來討論如何獲得三維坐標(biāo)系。

二維CAD圖紙轉(zhuǎn)換成BIM模型的過程中，為了減少高度信息的輸入，提高自動(dòng)化程度，將樓層結(jié)構(gòu)標(biāo)高表與平面圖相結(jié)合。根據(jù)已識別的標(biāo)高表可以得到樓層的標(biāo)高數(shù)據(jù)。在每個(gè)平面圖上，都有相同的軸網(wǎng)。通過軸網(wǎng)和樓層高度可以獲得構(gòu)件在三維坐標(biāo)系中的位置。因此，可以構(gòu)建3D坐標(biāo)系以集成平面圖和樓層標(biāo)高，如圖8(a)所示； 圖8(c)中顯示了從樓層標(biāo)高中獲取的樓層高度進(jìn)行的平面圖布置。

柱、墻的以本樓層的標(biāo)高為底標(biāo)高，以高一層的標(biāo)高為頂標(biāo)高； 如無特殊標(biāo)注，梁、板以本樓層標(biāo)高為頂標(biāo)高。根據(jù)標(biāo)注的語義分析得出梁寬、板厚，通過計(jì)算得到對應(yīng)的底標(biāo)高。

在軸網(wǎng)左下角設(shè)置三維坐標(biāo)系基點(diǎn)為(0，0， 0)其中標(biāo)記為1的網(wǎng)格線和標(biāo)記為A的網(wǎng)格線相交并且標(biāo)高為零，如圖8(b)所示。三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸方向與網(wǎng)格線向右側(cè)和向上的方向一致。平面圖中某點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以通過公式(3)計(jì)算：

圖8 三維坐標(biāo)系

(3)

其中，Xcd、Ycd為CAD系統(tǒng)坐標(biāo)，Pscale是用于在真實(shí)世界和工程圖之間轉(zhuǎn)換尺寸的比例，Elevation(floor)為樓層的高度，原點(diǎn)是標(biāo)為1的軸線和標(biāo)為A的軸線相交的點(diǎn)。

4 結(jié)構(gòu)信息存儲(chǔ)與建模

4.1 結(jié)構(gòu)信息存儲(chǔ)

基于Teighafor.dwg讀取DWG文件，并對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別之后，可以得到用于生成BIM模型的全部結(jié)構(gòu)信息，然后分類存儲(chǔ)起來，用于寫入到Revit平臺(tái)中去。Autodesk Revit軟件沒有完整的信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫模塊，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力較弱，導(dǎo)致工作效率低。因此，對基于Revit的結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)生成功能來說，必須要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，本文選擇在Revit中嵌入SQLite數(shù)據(jù)庫提高Revit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

首先創(chuàng)建SQLite數(shù)據(jù)庫，通過.NET C#語言，只需引入命名空間using System.Data.SQLite，就能夠很容易地在程序中創(chuàng)建SQLite數(shù)據(jù)庫文件，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，考慮到不同構(gòu)件的幾何信息中的數(shù)據(jù)值比較統(tǒng)一，而鋼筋信息差別較大，因此，按照結(jié)構(gòu)幾何信息和結(jié)構(gòu)鋼筋信息進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。

關(guān)于幾何信息表的設(shè)計(jì)如表2所示。梁、墻、板、柱構(gòu)件可以通過Point1、Point2、Point3、Point4、dimension、length、Level等表示幾何屬性。添加如構(gòu)件ID(主鍵)、端點(diǎn)、截面尺寸、長度、高度及標(biāo)高等幾何數(shù)據(jù)信息字段。

表2 幾何表字段屬性

不同構(gòu)件類型的配筋信息相差較大，需要根據(jù)不同構(gòu)件類型的配筋來分別設(shè)計(jì)鋼筋信息表，如表3所示。

表3 不同構(gòu)件類型的鋼筋表字段屬性

4.2 結(jié)構(gòu)信息建模

基于Revit軟件平臺(tái)，采用C#語言和Visual Studio2017開發(fā)工具，基于Revit提供的函數(shù)庫進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合上文獲取的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，編寫結(jié)構(gòu)建模程序，實(shí)現(xiàn)Revit中自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)BIM模型。通過以下四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)結(jié)構(gòu)族文件的導(dǎo)入

本文采用RevitAPI中的Autodesk.Revit.DB.Document類中提供的LoadFamily(string)方法導(dǎo)入結(jié)構(gòu)族，只需要提供族文件的路徑名即可。 由于板和墻屬于系統(tǒng)族，項(xiàng)目中存在這兩種類型的族文件，因此不需要導(dǎo)入墻和板族文件。

(2)構(gòu)件類型的創(chuàng)建

將構(gòu)件族文件導(dǎo)入到Revit項(xiàng)目中后，接下來需要根據(jù)從圖紙中讀到的構(gòu)件信息來創(chuàng)建構(gòu)件類型； 通常是根據(jù)寬和高兩個(gè)參數(shù)值來創(chuàng)建梁和柱構(gòu)件的類型，根據(jù)不同厚度來創(chuàng)建墻和板構(gòu)件的類型； 對于梁和柱構(gòu)件，首先調(diào)用API獲取其族樣式，然后獲取他們的參數(shù)，通過改變寬度和高度的值來創(chuàng)建構(gòu)件類型； 對于墻和板構(gòu)件，首先通過調(diào)用API獲取構(gòu)件類型，比如板類型和墻類型，然后獲取組合結(jié)構(gòu)，最后再修改組合結(jié)構(gòu)層厚度。

(3)構(gòu)件實(shí)體的創(chuàng)建

構(gòu)件類型創(chuàng)建完后，接下來進(jìn)行構(gòu)件實(shí)體的創(chuàng)建； 對于外部導(dǎo)入族，如柱和梁，使用NewFamilyInstance創(chuàng)建族實(shí)例； 對于系統(tǒng)族，如墻和板，可以使用特定的API方法創(chuàng)建實(shí)例； 生成不同構(gòu)件類型實(shí)體模型的API如表4所示。

表4 構(gòu)件創(chuàng)建方法

(4)添加鋼筋信息

結(jié)構(gòu)BIM模型除了由三維幾何模型構(gòu)成，還包括構(gòu)件的鋼筋屬性信息， 通過以下兩步驟可以將構(gòu)件鋼筋信息添加到對應(yīng)的構(gòu)件模型當(dāng)中：第一步是首先給構(gòu)件添加參數(shù)名，對于外部族元素如柱和梁，利用族文檔中的管理器FamilyManager為構(gòu)件添加參數(shù)名； 對于系統(tǒng)族元素如墻和板，通過添加共享參數(shù)方法為構(gòu)件添加參數(shù)名； 第二步是對第一步添加的各構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行賦值。經(jīng)過以上處理，在Revit中創(chuàng)建的模型就包含鋼筋信息。

5 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的在圖層自動(dòng)識別算法基礎(chǔ)上整合平面圖和列表進(jìn)行結(jié)構(gòu)BIM模型自動(dòng)建模方法的準(zhǔn)確性及有效性，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的C#語言，使用Visual Studio2017進(jìn)行代碼編寫，在Autodesk Revit 2016中進(jìn)行測試。由于我國缺乏CAD圖紙相關(guān)制圖標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)計(jì)院和不同設(shè)計(jì)師的CAD圖紙制圖方法差異較大，因此，為了使轉(zhuǎn)換更加準(zhǔn)確，在轉(zhuǎn)換之前需對圖紙進(jìn)行預(yù)處理。檢查圖紙、圖層是否是一整個(gè)圖塊，如果是的話需要炸開； 表達(dá)同類構(gòu)件的圖元是否在同一圖層，如果不是，修改圖層，使圖紙分層變得清晰、準(zhǔn)確。

案例研究之一是一層剪力墻結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)平面圖的局部如圖9所示，從圖中我們可以看到柱(包含異形柱)和墻的名稱標(biāo)注信息，但是沒有詳細(xì)的鋼筋標(biāo)注信息，因此需要結(jié)合構(gòu)件列表的分析才能得到墻和柱(包含異形柱)的配筋信息，然后再結(jié)合樓層標(biāo)高表信息即可生成三維BIM模型。

(a)剪力墻局部圖紙

另一個(gè)案例是復(fù)雜的拆遷保障住房工程剪力墻結(jié)構(gòu)，包含柱(包含異形柱)、墻、梁、板構(gòu)件，其剪力墻平面圖局部如圖10所示，結(jié)合從梁平面圖我們可以獲取梁的幾何信息和配筋信息，然后再結(jié)合板平面圖和樓層標(biāo)高表，生成如圖11所示的BIM模型。生成的各構(gòu)件模型明細(xì)表如表5所示。目前，利用本文提到的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換的工程還有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

圖10 剪力墻局部平面圖

圖11 剪力墻BIM模型

表5 生成構(gòu)件模型明細(xì)表

6 結(jié)論

本文通過分析平面圖和列表，充分利用二維圖紙信息實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)BIM模型的自動(dòng)生成，闡述了圖層自動(dòng)識別算法、平面圖分析算法、列表分析算法以及平面圖與列表的結(jié)合。為了避免人工手動(dòng)選擇構(gòu)件圖層，本文在自動(dòng)圖層分類算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)構(gòu)件的特征和構(gòu)件與其標(biāo)注的匹配算法對平面圖進(jìn)行分析； 為了解決人工手動(dòng)添加高度信息的問題，本文對結(jié)構(gòu)樓層標(biāo)高表進(jìn)行分析； 結(jié)合平面圖分析和列表分析所得數(shù)據(jù)，利用RevitAPI自動(dòng)生成BIM模型。通過實(shí)例驗(yàn)證，本方法能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)從CAD圖紙到BIM模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

目前僅實(shí)現(xiàn)柱(包含異形柱)、常規(guī)墻、常規(guī)梁和板構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，而異形墻、異形梁構(gòu)件尚未進(jìn)行驗(yàn)證。對于其他構(gòu)件，如門窗、樁、承臺(tái)等構(gòu)件，其實(shí)現(xiàn)思路和柱、梁、墻等構(gòu)件類似。通過圖層自動(dòng)識別算法自動(dòng)識別出門窗、樁、承臺(tái)所在的圖層，然后對門窗、樁、承臺(tái)所在圖層的圖元數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析，最后通過門窗、樁、承臺(tái)的構(gòu)件生成實(shí)體模型API來生成門和窗模型。此類構(gòu)件的轉(zhuǎn)換將在后續(xù)工作中進(jìn)行完善。

另外，本文基于二維CAD圖紙生成的結(jié)構(gòu)BIM模型除了包含三維幾何信息，還包含結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋信息，而鋼筋的轉(zhuǎn)換本文并未進(jìn)行研究。由于生成的結(jié)構(gòu)BIM模型中存儲(chǔ)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋信息，因此，關(guān)于鋼筋模型的生成可以通過提取構(gòu)件的鋼筋信息來生成構(gòu)件的鋼筋模型，關(guān)于鋼筋模型的生成將在后續(xù)工作中進(jìn)行完善。