（计算机应用技术专业论文）cad环境中工程量信息获取技术研究.pdf

摘要 当前，c a d 技术在建筑方面的应用主要还停留在辅助设计阶段。 从设计到审图、预算、施工各环节之间传递的还是纸质的施工图纸， 每个环节主要由人工读图完成，结果的准确性受读图者主客观因素 的影响而难以估计。造成目前这一现状的主要原因是c a d 电子文档 数据在设计、审图、预算、施工各环节之间无法共享。因此，对c a d 电子文档进行图形识别，进而提取工程量信息的技术在目前和今后 相当长时期内都具有重要的研究和实用价值，并将具有良好的应用 前景。 论文以建筑设计和工程预算一体化为背景，着重研究了基于图 形识别的工程量信息获取方法。首先，根据建筑工程图的组成和特 征，对建筑构件进行详细的描述并进行语义分析，对a u t o c a d 二次 开发技术也做了介绍。接着，论文讨论了图形识别的重要思想和方 法，研究了图形图素的搜索策略。基于统计和基于结构的符号识别 方法是模式识别领域重要的方法。论文分析了建筑符号的表示特点 和识别特征，研究基于特征匹配的建筑符号的识别原则、次序和方 法。以墙体符号为例，分析墙体符号的局部元素，给出墙体符号的 识别步骤，研究墙体候选符号的提取算法，得出墙体符号的推理规 则。在此基础上可以对门、窗、房间、整个建筑进行识别，最终得 到工程量数据信息并构建了工程量提取原型系统。 论文对基于图形识别的工程量信息获取技术的研究进行了总 结，并提出了进一步研究的方向。 关键词图形识别，工程量，建筑符号，工程预算 a b s t r a c t t h ec a dt e c h n o l o g yi na r c h i t e c t u r ec u r r e n t l yp l a y sa na u x i l i a r y r o l ei nd e s i g n i n ga n dd r a w i n gi na r c h i t e c t u r ed e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o n p a p e rc o n s t r u c t i o nd r a w i n g sa r es t i l lt h eo n l ym e d i u mf r o md e s i g n i n gt o d r a w i n g si n s p e c t i o n ，b u d g e t i n ga n dt h ec o n s t r u c t i o n i ne a c hs t a g e ， d r a w i n g sc a nb eo n l yr e a db yh u m a nw i t hs l o we f f i c i e n c y , f r e q u e n t m i s t a k e sa n du n e v a l u a t e da c c u r a c ya f f e c t e db yh u m a n so b j e c t i v i t ya n d s u b j e c t i v i t y t h em a i nr e a s o nf o rt h i si st h a tc a dd a t ac a nn o tb es h a r e d a m o n gd e s i g n i n g ，d r a w i n g si n s p e c t i o n ，b u d g e t i n ga n dc o n s t r u c t i o n t h u s ，t h eg r a p h i c sr e c o g n i t i o no fc a dd o c u m e n t sa n dt h ee x t r a c t i o no f p r o j e c tq u a n t i t yi n f o r m a t i o nw i l lb eo fr e s e a r c ha n dp r a c t i c a lv a l u eb o t h a tp r e s e n ta n di nt h el o n gt e r m i t sf u t u r ea p p l i c a t i o ni sp r o m i s i n g t h i sp a p e r ，w i t ha r c h i t e c t u r ed e s i g n i n ga n dt h ep r o je c tb u d g e t i n g i n t e g r a t i o na st h eb a c k g r o u n d ，s t u d i e st h et h eg r a p h i c sr e c o g n i t i o nb a s e d p r o j e c ti n f o r m a t i o no b t a i n i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rf i r s t l ye l a b o r a t e s t h ea r c h i t e c t u r a lc o m p o n e n t sw i t hs e m a n t i ca n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h e c o m p o s i t i o na n df e a t u r e so ft h ec o n s t r u c t i o nd r a w i n g sa n di n t r o d u c e s t h e t e c h n o l o g yo fc a ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t h e n ，t h ep a p e r d i s c u s s e st h ei d e a sa n dm e t h o d so ft h eg r a p h i c sr e c o g n i t i o na n ds t u d i e s t h es e a r c hs t r a t e g i e so fg r a p h i c sa n dg r a p h i ce l e m e n t s t h es y m b o l r e c o g n i t i o nb a s e do ns t a t i s t i c sa n ds t r u c t u r e si s a ni m p o r t a n tm e t h o di n t h e p a r e r nr e c o g n i t i o nf i e l d m o r e o v e r ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h e r e p r e s e n t a t i o na n dr e c o g n i t i o nf e a t u r e so fa r c h i t e c t u r es y m b o l sa n d s t u d i e st h er e c o g n i t i o np r i n c i p l e ，s e q u e n c ea n dm e t h o d so fa r c h i t e c t u r e s y m b o l sb a s e do nt h e f e a t u r em a t c h i n g t a k i n gw a l l s y m b o l s f o r e x a m p l e ，t h ep a p e ra n a l y z e sp a r t i a le l e m e n t so ft h ew a l ls y m b o l s ， p r e s e n t st h er e c o g n i t i o ns t e p so ft h ew a l ls y m b o l s ，s t u d i e st h ee x t r a c t i o n a l g o r i t h mo fw a l ls y m b o l sa n df i n a l l yc o m e st ot h ei n f e r e n c er u l e so ft h e w a l ls y m b o l s o nt h i s b a s i s ，t h ew h o l eb u i l d i n gi n c l u d i n gd o o r s ， w i n d o w sa n dr o o m sc a nb er e c o g n i z e d f i n a l l y , t h ep a p e r s u m m e r i z e st h er e s e a r c ho nt h e p r o je c t i n f o r m a t i o no b t a i n i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h eg r a p h i cr e c o g n i t i o na n di t l i a l s op r e s e n t sf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：g r a p h i c sr e c o g n i t i o n ，p r o j e c tq u a n t i t y , a r c h i t e c t u r e s y m b o l s ，p r o j e c tb u d g e t i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：鲨生年凸上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 i 论文研究的背景和意义 1 1 1c a d 技术的应用 综观c a d 技术的发展历程，我们可以看出居于c a d 技术理论核心的建模 技术的每一次重大进展，都会带来c a d 技术的重大进步。但是，c a d 建模技 术的发展目前主要集中于制造业之中，而在建筑业的发展却是非常缓慢和落后， 多年来在该领域占据市场主导地位的一直是a u t o d e s k 公司的二维绘图软件 a u t o c a d 系列【l j o 由于二维绘图软件符合传统的制图习惯，其最初的开发目的就是为了甩掉 图板，给人提供一种轻松自如的制图环境，把人从繁杂的制图工作中解脱出来， 以便腾出更多的时间和精力来投入到产品的构思、计算等真正的设计中去。其 姣姣者a u t o c a d 绘图软件是一个功能强大、易学易用、具有开放型结构的软件。 不仅便于用户使用，而且系统本身可不断地扩充和完善，被广泛地应用于微机 及工作站上。a u t o c a d 软件最基本的功能就是绘图和编辑修改功能，可在计算 机上实现各种实体的绘制并且可以对其进行编辑，生成新的实体，这些新实体 做成图块后保存在图库中，随时调用、方便快捷、重复使用性高。一个设计项 目从方案到设计过程中的多次变动，应用c a d 技术后就不再是件麻烦的事情 了。你只需打开微机，在屏幕上利用编辑命令删删改改，直到满意后保存起来， 由绘图仪绘出，从图纸上看完美得无可挑剔，这是原来传统的设计方式所无法 比拟的。 但是，在建筑设计和施工过程中，c a d 的应用主要还停留在辅助设计和绘 图阶段。从设计到审图、预算、施工各环节之间传递的主要是纸质的施工图纸 而非c a d 电子文档，c a d 电子文档数据无法共享，每个环节主要由人工读图 完成。而人工读图的效率低，出错率高，结果的准确性受读图者主客观因素的 影响而难以估计。 1 1 2 建筑设计和工程预算一体化 具体到是建筑设计和工程预算这两个环节，目前还处于一种脱节的状态中。 两个环节的脱节增加了造价人员的工作负担，即工程量数据的来源仍是通过造 价人员对施工图纸的识别分析获得的，手工图到c a d 图的转变并没有改变工作 中南大学硕士学位论文第一章绪论 人员识图预算的方式。由c a d 绘制的施工图数据被白白的浪费掉了，从设计到 预算过程的数据在计算机内没能实现真正的共享。计算机在工程管理过程中只 是承当了绘图仪和计算器的角色，计算机强大的逻辑分析能力和数据处理能力 都被限制掉了。 建筑设计与工程预算脱节的主要原因是由于c a d 设计的施工图数据没能够 直接在计算机系统内部为预算软件所引用。造价人员的参与将整个建筑工程进 程连接了起来，但也同时也中断了信息在计算机内部的流程，阻隔了系统中数 据共享的实现。预算系统能够实现工程量自动计算，而每次工程量的提取却离 不开人的参与，这样的状况必然的阻碍了建筑领域信息化的进程。实际上我们 透过当前建筑领域的信息化的状况，不难看出己实现的信息化领域仅仅是一些 程式化、直观的阶段，像识图处理这种专业化、智能化的工作仍就脱离不了人 的参与，这在很大程度上限制了计算机的处理信息的高效优势，对计算机数据 的输入调出的反复过程，反而加大了工作人员的工作量，降低了工作的效率。 要实现建筑领域信息的完全共享，就要打通建筑工程各环节间的隔断，实现建 筑工程各环节的一体化。 建筑设计与工程预算一体化【2 j 就是将原来的由人工识图提取工程量进行预 算的整个处理过程，转换到计算机内部，运用计算机的模式识别和逻辑数据运 算功能来进行处理，这样设计和预算这两个环节的工作就能够在计算机内部自 动的衔接起来，实现了c a d 施工图数据与工程预算数据的共享。建筑设计与工 程预算一体化的目标就是实现整个系统的信息集成，在整个建筑工程领域实现 信息的完全共享。 当前，在建筑设计和工程预算之间存在数据中断，是设计阶段的c a d 施工 图数据不能够在系统内部自动转化为工程量数据造成的，因此，工程量数据的 自动提取就成为我们要解决的一个非常明确的目标。也是本论文要研究的核心 问题。工程量的自动提取对实现建筑设计与预算一体化具有重要意义。 1 2 图形识别技术研究现状 1 2 1 现有工程量信息获取方法 工程预算系统，主要解决预算过程中的两大类问题，一是工程量提取计算， 二是工程预算编制。工程量的提取计算，目前主要有以下几种方法【3 】1 4 】【5 】： ( 1 ) 手工计算法 长期以来，手工计算工程量一直是我国建筑工程算量的主体。在手工算量 的长期应用和发展过程中，许多熟练用户在算量过程中积累了丰富的工程量计 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 算经验，并总结形成了许多速算方法和速算表格，给算量人员提供了极大方便， 并在很大程度上提高了算量速度。更重要的是，由于是手工算量，算量人员参 与了整个算量过程，即使发生错误也一般局限于很小的范围和领域，更改错误 并不困难；计算书的书写也比较符合一般思维习惯，非常容易进行审核和审定， 差错比较容易被发现，相应的算量人员对计算结果比较信赖。另外由于是人工 算量，可以灵活的适应结构型式的变化，一些特殊结构也比较容易处理。 该算量方法的缺点是：算量过程非常繁杂，重复性劳动极大，容易出错； 由于手工算量所有计算都是由手工求得，这就使得低级计算错误和算量人员理 解偏差等造成的错误很难避免，有时虽然可以通过复核等途径发现错误，但是 由于更改局部工程量后会引起相应汇总量的变化，从而会造成汇总表格的重新 调整，甚至会影响到以后的取费、组价，也就是说此方法出现错误后会造成较 大的修复代价。 自上世纪9 0 年代初，i t 技术逐渐渗透到各领域中，建筑业作为国民经济 一个重要的支柱产业，在施工领域中也逐渐出现了一系列软件，其利用计算机 强大的运算能力，针对不同目标提出了不同的软件解决方案，公式计算法算量 就是在这个阶段出现和发展起来的。 ( 2 ) 表格计算法 表格计算法根据工程量计算规则，把不同工程量计算方法公式化并形成算 量表达式，从施工图中摘取相应的数据输入计算，由计算机自动运算生成预算 书并打印。该方法实际上是用户手工算量方法的一种改进和延伸，其没有改变 用户的手工算量习惯，算量表达式仍完全由用户输入，由于具有预算书自动生 成和打印功能，出现错误后修改非常容易，用户可以简单的更改计算错误的表 达式或者增减计算条目，软件就可以自动完成，修改错误的成本非常小。并且 该方法的计算思路完全符合用户操作习惯，软件应用门槛非常低，非常容易上 手，是对手工算量较大的改进。 当然，该方法也存在很大的缺点，用户必须一边翻图纸一边往计算机中输 入数据同时又要考虑扣减关系，而且每个构件的工程量计算表达式都必须罗列 出来，相当烦琐。 ( 3 ) 图形输入法 国内使用较广的软件一般采用图形输入法。该方法要求工作人员在识图的 基础上用该软件重新输入图纸中各种构件及其尺寸，同时把各种附加属性输入 计算机，然后由系统自动计算工程量，得到工程量清单。这种作法相当于重新 输入了一次工程图纸，计算出的工程量比较精确，但重新输入图纸的做法大大 增加了预算前期的工作量，对于一个稍复杂的工程图纸，工程量计算会更加复 中南大学硕士学位论文第一章绪论 杂、费时。 ( 4 ) 数据交换文件法 针对建筑和结构建模数据文件和数据库自动获取工程量信息并完成工程量 的自动设计。p k p m 系列软件对图形的几何和非几何信息是以数据文件的形式描 述的，各专业间的接口和转换都是以数据文件的形式进行交换的，形成了一套 以数据文件为核心的工作方式；a b d 系列软件对图形的几何信息是以图形文件 存放，而图形的非几何信息则是以数据库和数据文件存放形式存放的，各专业 间的数据交换是以图形文件、数据库和数据文件三种形式并存的方式进行的。 p k p m 和a b d 之间及其与工程量预算之间进行数据交换和传递过程。 ( 5 ) 产品信息模型法 随着c a d 技术的不断发展，现有的c a d 系统已经为设计师提供一个数字化、 集成化、协同化、智能化、网络化的产品开发环境，产品信息建模已经成为计 算机辅助设计的核心技术，建模技术与设计方法相结合，使得仅包含几何信息 的产品定义数据由按一定形式组织的产品数据结构，完整地提供各应用领域要 求的对应产品信息，包含整个产品生命周期所涉及到的信息的产品模型所取代。 建立建筑产品的信息交换标准，将创造一个标准的系统环境，通过统一的产品 描述语言实现建筑与各专业的集成。为了实现项目整个生命周期的各个阶段中 参与者之间信息的共享，国际上有关组织正在协同努力进行着产品数据标准化 工作，即标准项目模型，通过这个模型支持不同计算机系统应用间信息共享。 目前主要有两个方向：s t e p 标准和i f c 标准。 s t e p 标准是由国际标准化组织i s o 开发研究的，正式代号为i s 0 1 0 3 0 3 ，是 一个关于产品数据计算机可理解的表示和交换的国际标准，目的是提供一种不 依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的产品数据。产品 生命周期包括产品的设计、制造、使用、维护、报废等。产品在各过程产生的 信息既多又复杂，而且分散在不同的部门和地方。这就要求这些产品信息以计 算机能理解的形式表示，而且在不同的计算机系统之间进行交换时保持一致和 完整。产品数据的表达和交换，构成了s t e p 标准，s t e p 把产品信息的表达和 用于数据交换的实现方法区分开删引。 i f c 标准是由a u t o d e s k 公司和可互操作性联盟i a i ( t h ei n d u s t r ya 11i a n e e f o ri n t e r o p r a b i l i t y ) 开发的。i f c 中的规范说明表示支持计算机的项目模型 的共享数据结构，每种规范说明称为“类，描述有公共特征的“事物”的范围。 i a i 定义的类称为“产业基础类”，简称i f c s 。i f c s 定义c a d 系统之间关于a e c 对象交换的数据结构，目的是提供一种可供整个建筑生命周期内各专业间智能 对象共享的高级“公共语言 ，使用于全球建筑产业，包括有关c a d 厂家。i f c s 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为“项目模型 交换所用，定义的是墙、门、窗等类，其使用的实例称为对象， i a i 为i f c s 的共享项目数据定义两种标准格式：标准e x p r e s s 文件格式和使用 i d l 的分布式对象说明。 这两个标准都致力于制定国际的通用建筑语言，有利于建筑工程计算机辅 助工作的协调。这种标准在将来会作为c a d 系统和数据库系统的信息标准。 ( 6 ) 基于图形识别的信息获取方法 基于s e t p 和i f c 的产品信息建模是实现工程量信息自动获取和建筑c a d 一 体化的理想方法，但是目前使用的c a d 软件的在建筑和结构建模方面是非标准 的，而施工图都是d x f 格式存储的数据文件，通过对施工图的计算机理解，从 中识别建筑物的各种功能部件，即可实现对预算工程量信息的自动获取。同时， d x f 文件标准的、开放式的数据结构为施工图计算机理解和预算工程量信息的 自动获取提供了可能；现有的工程图样的计算机理解和三维重建研究为建筑图 样的图形理解和建筑物功能部件的识别提供了有益的借鉴；o b j e c t a r x 为基于 图形理解的工程量信息获取和建筑c a d 与概预算一体化系统开发提供了强有力 的工具。基于图形识别的信息获取方法在目前和今后相当长时期内都是具有重 要的研究和实用价值，并将具有良好的应用前景p j 。 1 2 2 图形特征识别技术 图形识别技术是一个范围很广的研究领域，广义上来说，图形识别就是通 过识别并理解工程设计图纸上的几何和非几何信息，以及这些信息之间的逻辑 关系，用于特定的需求，例如提取工程图纸中的尺寸信息、识别图纸上的几何 形状、以及利用图形识别及理解技术进行三维重建等瞄j 。 特征识别的研究最早开始于2 0 世纪7 0 年代中期的英国剑桥大学的c a d 中 心。特征识别主要是对几何模型进行解释，以鉴别特定应用的特征，它是将几 何模型与一些预先定义好的“样板特征”进行比较，确定相匹配的特征实体。 目前传统的特征识别方法的种类很多，但它们从整体上可以分成两大类：一类是 基于边界匹配的特征识别方法，另一类是基于立体分解的特征识别方法1 9 j 。 1 基于边界匹配的特征识别方法 由于每一类特征都有其一定的边界模式，因而特征识别的一个自然方法就 是通过搜索构件的边界模型，寻找其中符合特征边界模式的区域，进而识别出 构件中包含的所有特征。我们将这类基于构件的边界表示，通过边界匹配进行 特征识别的方法统归为基于边界匹配的特征识别方法，这类方法也是最早出现 的特征识别方法。 这类方法中主要有以下几种方法： 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 基于规则识别方法：以产生式规则来描述特征，以构件几何模型为事实 依据，按一定的匹配算法搜索特征。基于规则识别方法是最早提出的方法，由 于特征的规则定义的不唯一性，而且识别需要大量的匹配，又不能识别相交特 征，所以这种方法不常用【l 们。 ( 2 ) 基于图的识别方法：首先将构件模型转换成便于特征识别的属性相邻 图，用图的操作算法对构件的属性相邻图分解为某一特征的属性相邻图。该类 方法采用面边图( 以面为节点，以面之间的邻接关系为弧的图) 表示特征的边界 模式。基于图的特征识别方法的特征搜索策略是子图匹配，即通过将构件面边 图中的适当子图与特征的面边图进行匹配来识别特征。 ( 3 ) 基于痕迹的特征识别方法：为了解决边界匹配的特征识别方法在识别相 交特征方面的困难，m a r e f a t 1 1 】和v a n d e n b r a n d 1 2 】【1 3 】【1 4 】在2 0 世纪9 0 年代初分 别提出了基于产生一测试机制和基于痕迹的特征识别方法。他们首次采用产生 一测试机制和添加虚链( 因为特征发生相交而丢失的面邻接关系) 的方法来提高 基于图的特征识别方法在识别相交特征方面的能力。 2 基于立体分解的特征识别方法 特征除具有特定的边界模式外，还具有特定的体积模式。鉴于特征的体表 示十分重要，而从特征的边界表示自动导出特征的体表示并非易事，因此人们 从2 0 世纪8 0 年代初就开始研究直接识别体特征的方法，即所谓基于体分解的 特征识别方法【lo j 。 基于体分解进行特征识别的基本步骤是：首先对物体进行分解，将其分解为 凸体的集合，然后通过对分解出的凸体进行重新组合产生对应于特征的体元， 最后再对特征体元进行分类，确定特征的类型，建立特征的体表示。 1 2 3 图形模式识别技术 模式识别5 】诞生于2 0 世纪2 0 年代，随着2 0 世纪4 0 年代计算机的出现， 2 0 世纪5 0 年代人工智能的兴起，模式识别在2 0 世纪6 0 年代发展成为一门学 科。随着计算机的普及，无论在理论上，还是在应用上，模式识别技术都有显 著的发展，大大推动了以计算机为基础的具有智能性质的自动化系统的实际应 用，促进了人工智能、专家系统、动态景物分析和三维图像识别等许多新的学 术方向和新技术的产生与发展。模式识别是利用计算机对某些物理对象进行分 类，在错误概率最小的条件下，使识别的结果尽量与客观事物相符合。也就是 说，用计算机来实现人对各种事物或现象的分析和识别。 一般来说，模式识别的方法可以分为统计模式识别、句法模式识别、模糊 模式识别和智能模式识别等四大类【l6 1 。传统的模式识别以前两种方法为主，它 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 将重点放在模式信息处理的数学方法方面。 ( 1 ) 统计模式识别 统计模式识别技术是一种决策论的实际运用技术。在决策论方法中，将输 入的待识别模式与模式库中的所有模式进行比较是最为直接的识别方式，然而 这种直接匹配方式，要把模式的所有信息都进行比较，运算量太大，而且容易 受到微小因素的干扰，从而影响识别准确率。采用统计模式识别技术，从模式 中提取能够描述该模式的一些特征，从而只需要进行特征度量，将输入的待识 别模式判定为模式库中的哪个模式，这样可以降低了运算量，提高识别准确率。 ( 2 ) 句法模式识别 对于某些类型的模式识别问题，描述模式的结构信息起着重要的作用。当 模式复杂，特征量众多，模式类的数目巨大时，只进行简单的模式分类是无法 胜任识别工作的。这就需要用一些简单的子模式组成层次结构来描述一个复杂 的模式。而子模式又分成若干基元，通过对基元的识别，继而识别子模式，最 终识别该复杂模式。这种模式识别的技术就是句法模式识别技术。 ( 3 ) 模糊模式识别 模糊模式识别技术是把模糊数学应用到统计模式识别之中的产物。随着科 学的深入发展，计算机的出现，人们对研究对象越来越要求数学化、定量化， 这样一来使得某些复杂模糊的事物难以精确地描述为了解决计算机对模糊事 物的特征识别和判决能力低，识别的速度和准确率不高的问题，使计算机能够 对模糊特征的隶属程度进行比较，人们创立了模糊模式识别方法。 ( 4 ) 智能模式识别 智能模式识别技术是对待识别的客体统计( 或结构、模糊) 识别技术，或人 工智能技术，获得客体的符号性表达，运用人工智能技术对知识的获取、表达、 组织、推理方法，确定该客体所归属的模式类。智能模式识别技术，借鉴了统 计模式识别、结构模式识别的算法，建立在人工智能、神经网络的基础之上， 形成的模式识别技术。 对于实际的模式识别问题，各种识别方法在许多情况下可以互补。如果模 式的结构信息并不重要，识别问题主要是分类，而不是描述，统计方法就足够 了如果模式的结构信息非常丰富，而且识别问题要求分类和描述，就有必要采 用句法方法。 1 3 论文的内容安排 论文主要对墙体符号的表达特点并在此基础上对图形识别的方法进行了研 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 究，实现了墙体符号信息的自动提取。研究的具体内容有： 1 建筑图的研究与理解 建筑设计图纸是工程师的设计语言，在设计图纸中表现出了工程师的设计 思想，而这种思想是通过工程语言来表现出来的，为了能够实现对建筑图的理 解，我们就要研究建筑图的语义和建筑图形理解策略。 2 图形识别方法的研究 论文研究了在建筑平面图领域图形识别方法的最新进展，详细分析了基于 特征匹配的建筑符号识别方法。 3 建筑符号的识别 以墙体符号为例，详细分析墙体的特征，给出墙体符号的识别步骤，研究 墙体候选符号的提取算法，根据墙体符号局部元素的推理规则，对墙体候选符 号进行筛选，最终得到墙体符号。 4 工程量提取原型系统的构建 工程量提取是在图形识别的基础上，读取施工图c a d 电子文档的信息，运 用建筑符号识别算法，识别施工图的几何语义和工程语义，来提取出施工图中 所包含的工程量数据信息。 8 中南大学硕士学位论文第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 在建筑工程领域中，施工图纸是工程师的设计语言，工程对象各方面的信 息如形状、大小、位置、功能等均通过图纸进行表达和传递，所以正确而高效 地识别和理解施工图纸是建筑类各专业工程设计、概预算、施工的基础。为了 使计算机能够智能识别和理解施工图纸，就必须使计算机获得专业制图的知识， 并模仿专家识图的过程，提取图素及图素间的约束关系，从而在一定程度上实 现建筑图纸的智能识别和理解。 2 1 建筑图相关内容的介绍 2 1 1 建筑图的组成 一套完整的建筑工程图除了图纸目录、设计总说明书外，应包括以下图纸： 1 建筑施工图 建筑施工图简称建施图，一般由基本图和详图所组成。基本图包括建筑总 平面图、建筑平面图、建筑立面图和建筑剖面图。这些图都是用来表达建筑全 局内容的图样。详图一般包括墙身剖面图、楼梯图、门窗图及其配件图等。广 义而言建施图是表达一个区域内的建筑的总体布局及单体建筑的形体、规模、 构造情况的图样。 ( 1 ) 建筑平面图 房屋的建筑平面图是房屋建筑的水平剖面，即假想用一个水平刻切平面， 沿房屋建筑窗台板偏上的部位将房屋水平切断，移去剖切平面上面的部分，而 后作留下部分的水平投影，这样所形成的图样叫做房屋的建筑平面图( 简称平 面图) 。 ( 2 ) 建筑立面图 房屋的建筑立面图是在与房屋立面相平行的投影面上所作的房屋正立投影 所形成的图样( 简称立面图) ，其主要立面叫做j 下立面图，其余的立面图相应地 叫做背立面图和侧立面图。但通常也有按房屋的朝向来命名的，如南立面图、 北立面图、东立面图和西立面图等。有时也按轴线编号来命名。房屋的建筑立 面图主要用来表示房屋的外部形状，显示房屋的长度、高度、屋顶的构造形式、 门窗洞口的位置及外墙面的装饰等内容，所以建筑立面图实际是房屋的外貌图。 ( 3 ) 建筑剖面图 房屋的建筑剖面图是假想用一个垂直于外墙线的铅垂切平面把房屋沿垂直 9 中南大学硕士学位论文 第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 方向切开后，移去则切平面前面部分，将剩余部分作垂直于剖切平面方向的正 投影所形成的图样( 简称建筑剖面图) 。它分为横剖面图和纵剖面图两种。建筑 剖面图主要表示房屋建筑的内部结构形式和竖向构造情况，如楼层的结构形式 楼地面的构造及标高等。建筑剖面图的剖切位置一般选择在房屋内部空间变化 比较复杂的部位，一般都通过门厅或楼梯间。为了充分表达房屋内部构造组合 情况，往往需要绘制出几个不同位置或不同方向的剖面图。 ( 4 ) 建筑详图 在建筑施工图中，由于建筑平、立、剖面图绘制的比例一般都较小，对房 屋的细部构造无法表达清楚，所以建筑施工图中除应画出平、立、剖面这三种 基本图样外，还应画出许多样图，才能满足施工要求。对房屋的细部构造用较 大的比例将其形状、大小及材料做法详细地表示出来的图样就叫建筑详图( 简 称详图) 。根据表达的部位，详图可分为平面详图( 如楼梯间、卫生间) 、立面 详图( 如门窗图) 或剖面详图( 如墙身剖面图) 。有时也可用轴测图( 如小配件) 的形式表达详图。详图的特点比例大、尺寸标注详尽、文字标注清楚。 2 结构施工图 结构施工图简称结施图，一般它由基本图和详图所组成。基本图一般包括 基础平面图、楼房结构平面图、屋顶结构平面图或柱网平面布置图。详图一般 包括基础、梁、柱、楼梯、雨蓬以及其它的构件图等。结施图一般是表达建筑 的承重结构的构造情况的图样。 3 设备施工图 设备安装施工图一般又分为电气施工图、给排水、采暖、燃气工程施工图、 通风空调工程施工图、建筑智能化系统施工图和消防安装工程施工图。这些专 业的施工图都是表达各个专业的管道( 或线路) 和设备件的布置及安装构造的情 况。安装工程施工图由系统图、平面图和详图所组成。详图一般由设备件的构 造图及安装制作图组成，这些图多半都有标准图可直接选用。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 建筑平面图 建筑立面图 建筑剖面图 建筑祥图 基础结构图 结构祥图 电气施工图 给排水、采暖、燃气工程施工图 通风空调工程施工图 建筑智能化系统施工图 消防安装工程施工图 图2 1 建筑工程图组成 建筑施工图是为了满足建设部门的使用功能需要而设计的施工图样；结构 施工图是为了保障建筑的使用安全而设计的施工图样；设备安装施工图是为了 满足建筑给排水、电气、采暖通风的需要而设计的图样。在建筑工程设计中， 建筑是主导专业，而结构和设备属配合专业，因此在建筑工程施工图的设计中 结构施工图和设备安装施工图必须与建筑施工图协调一致。 2 1 2 建筑图的特征 工程图一般可以分为机械、电气、建筑和土木等四大类，各类图样有共性， 但又有较大的不同，同其他工程图比较起来，建筑施工图样有以下几个显著特 征1 5 】： ( 1 ) 实形性 施工图的度量性较好，而立体感差，实形性正是度量性好的根本基础，从 投影表达来看，诸多表达手段正是为实形性服务的，例如剖视图、剖面图、截 面图、详图的表达等；从尺寸标注来看，实形性为尺寸标注提供了可行性。由 于实形性，在不考虑尺寸标注工程背景时，提供了尺寸处理时尺寸之间的可转 换性。非实形的表达应该通过不同途径予以避免，同时，非实形的表达必然通 过某种约定来反映实形性。 rj弋l厂ill 中南大学硕士学位论文 第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 ( 2 ) 封闭性 每一个视图单位，无论是基本视图及其各种剖视图、剖面图、截面图、详 图，其外边界轮廓必然是封闭的边界，波浪线是粗实线轮廓线的一种特殊形态， 点划线是视图对称表达时轮廓线的一种特殊形态。换句话说就是不可能存在挂 线的情形，同一视图也不可能成为分离的几块。这一特征为视图划分和视图关 联提供了基本依据。 ( 3 ) 连续性 视图内部轮廓线一般是连续的，图线之间要么以端点相连，要么图线的端 点落在另外的图线上。一根图线跨越另一根图线时，这两根图线将通过交点分 割为四根图线。 ( 4 ) 视图尺寸协调性 施工图的视图表达和尺寸标注是协调的，而不是冲突的、干涉的。通过视 图尺寸的相互作用，将可以尽可能多地抽取施工图的语义，只注重视图而忽视 尺寸的作用显然是片面的。视图尺寸协调性为施工图理解提供了现实可能性。 2 1 3 建筑构件 在建筑施工图中，为了清楚地表达设计意图，故应用规定的符号和图例来 表达图样的内容。熟悉和掌握建筑制图的符号和图例，对于识图是非常重要的。 建筑功能空间是由围护结构来确定的，围护结构可以是墙、窗、门等。墙、窗、 门这些建筑构件是我们识别一个完整的功能空问的基础，功能空间的讵确识别 也是完整准确识别整个建筑物信息的前提【l 刀。整个建筑物信息正是由小到大， 由局部到整体，由微观到宏观循序渐进的图形识别过程来完成的。建筑构件是 建筑图形基本图素的组合，由于它在整个图纸识别与理解中的非常地位，将建 筑构件识别作为识别探讨的重点【l8 1 。国家建筑标准图集中有各种构件的相应图 例。如图2 2 。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 ? 嘞惋 固 隧囟 口。 未 麓 t并 囊t 鼍l 孔 毳嗣 l 甄i 画目哑弛 图2 - 2 建筑构件图例 囊 麓星】 ( 1 ) 墙、隔断、阳台栏杆 墙、隔断和阳台栏杆在建筑图中都是用一对平行线表示的，只是平行线的 间距各有不同，所以要识别这三者，仅从几何特征区别就不够了，还要从专业 知识中找出各自不同的特征。墙是建筑中最主要的建筑构件，其他的建筑构件 都是又墙连接起来的，可以说墙体是整个建筑的主体和支撑。在建筑平面图中， 墙体是有两条平行线段来表示的，平行线之间的宽度为墙体的宽度。由建筑学 的知识可知，墙的宽度最常见的有1 2 0 m m ，2 4 0 m m ，3 7 0 m m ，4 9 0 m m 等几种，其 中1 2 0 m m 墙一般用来做房间的隔断，很少用做外墙。除了以上几种厚度之外， 还有各种厚度的墙体。例如玻璃幕墙体，其厚度不固定。图2 3 是各种墙体构 件的图例。 ( a )( b )( c )( d ) 图2 - 3 墙体构件图例 在建筑施工图中，墙体大多数是以上述几种情况出现的，墙体构件的几何 特征就是平行线，而且平行线的间距不是随意的，是有其实际意义，我们可以 匾 萎 匠 t 器 _ 耻伴 目哑哥串 l 厂_ 中南大学硕士学位论文 第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 利用专业知识作为墙体构件的引导特征。 建筑图中阳台栏杆的画法也是两平行线，但两平行线的间距一般比墙体的 平行线间距小，那么要区分建筑构件是阳台还是隔断，就不能只从平行线间距 来判断，还需要其他的关联特征。 ( 2 ) 柱体 在框架结构或大型建筑物中，柱体是必不可少的建筑构件，在平面图中， 柱体和墙体连接时，其几何拓扑关系比较复杂，柱体有很多样式，其中矩形柱 和圆形柱居多，如图2 4 所示。 口口凸0 图2 4 柱体图例 柱体符号在建筑平面图中的表示为封闭图形，一般内部有填充图形，在识 别时，为了便于搜索，在预先处理平面图时，把内部的填充图形去掉，认为内 部无图形元素，则柱体符号可以认为是内部无图形元素的封闭图形。 ( 3 ) 窗 窗在建筑图中是非常重要的建筑构件，也是必不可少的建筑构件。所以准 确的识别建筑图中的窗是很关键的。窗的建筑图画法如图2 5 所示。 图2 5 窗的图例 窗在建筑图中的表示方法比较简单，由几条平行线组成，其最主要的特征 就是窗的宽度不能超过墙体的宽度，一般情况下是和墙体等宽的。那么在识别 时可利用与墙体的拓扑关系，加上本身的几何特征做出判断。 ( 4 ) 门 门的种类有很多，按开启分有平开门( 包括内开门、外开门、单开门、双 开门4 种) 、弹簧门、推拉门、旋转门、折叠门、栅栏门、卷帘门等，在建筑图 中的表示方法是各种各样。图2 - 6 为门的平面图画法。 1 4 中南大学硕士学位论文第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 图2 - 6 门的图例 门在建筑平面图中的画法很多，但门的几何特征显著，我们能很容易找到 门的关键图素，再利用与墙体的拓扑关系进行识别。 ( 5 ) 楼梯 楼梯在两层以上建筑中是必不可少的。在建筑平面图中，楼梯占有一定的 面积比例，是建筑图中很重要的建筑构件。组成楼梯的图形元素众多，几何关 系与拓扑关系复杂，所包含的专业知识丰富，所以识别楼梯的难度很大。楼梯 的类型有单跑式、双跑折梯式、并列双跑式、三跑式、圆形和弧形等，其中以 并列双跑式比较常见。图2 7 为并列双跑式楼梯平面图画法。 图2 7 楼梯图例 楼梯由楼梯段、休息平台、栏杆( 栏板) 和扶手组成。一个楼梯段又叫楼梯 跑，建筑图中除了圆形和弧形的不是由平行线表示外，其它的都是由一组平行 线表示，平行线之问的距离表示踏面宽度；两个楼梯段之间的空隙叫楼梯井，楼 梯井是用狭一长的矩形表示。除此之外还有表示楼梯走向的箭头和隔断线。其 中一组平行线和箭头是区别其他构件最显著的几何特征，所以识别楼梯可以以 此为关键图素。 ( 6 ) 其他构件 除上述几种重要的构件外，还有一些建筑构件，如台阶、花台、雨篷等， 这些可以与墙体的识别为同一方法，不再赘述。另外还有厕所、盟洗、厨房等 的固定设施，这些不是构成建筑结构所必须的构件，但对于民用建筑中又是必 不可少的。这类构件的几何特征非常明显，但缺少严格的关联特征，为了和组 成建筑结构所必须的构件相区别，我们把这些构件归为一类，采用不同的识别 方法。 1 5 中南大学硕士学位论文第二章建筑图和a u t o c a d 的二次开发 2 2 建筑图的语义分析 建筑施工图由实体的三面正投影图及满足一定语法标准和规则的注释来描 述。这种几何图形与模式描述语言的混合，使得工程视图具有几何和工程的双 重属性。几何属性和工程属性的集合共同反映了工程的数据信息。施工图作为 一个设计过程的最终表达结果，其所反映的过程信息是复杂多样的。从人工读 图的角度考察，读图一方面是图面内容的获取，即语法层上的理解。另一方面， 读图更重要的是，对读取的内容要基于一定的专业背景知识进行工程分析，即 语义层上的理解。所以，施工图语义分析是施工图计算机理解和施工图构件识 别的基础。 在建筑图样的形体投影表达过程中，建筑构件可以看作是基本立体，而整 个建筑物则相当于组合形体。从投影表达的过程分析可知，将形体进行合理的 分解是一切后续工作的基础。于此相仿，如何迅速、有效地识别建筑物的各类 功能部件，是施工图计算机理解过程的关键所在。通过分析设计者绘图表达的 过程，归纳出工程语义的三个层次：表达方式语义、投影关系语义、尺寸约束 语义【7 1 。 2 2 1 表达方式语义 施工过程对施工图中形体表达要求是完整、清晰的，这样才能方便人们使 用图样，正确施工。要达到这一点，单靠一种视图表达是不够的。通常需要用 多个相互垂直的投影视图来表达一个建筑物。一般情况下一套施工图常用的表 达方式：基本视图、剖视图、剖面图、截面图、详图、标准图例以