（计算机应用技术专业论文）“平法”框架柱钢筋表达模型及信息获取和识别技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 工程 的完 摘要 为研究对象，对钢筋信息的自动提取和表达模型进行了研究。本文的主 要工作如下。 对“平法”施工图中框架柱钢筋信息的注写规则进行了深入分析和 研究，对完整反映框架柱钢筋的各类信息表达特点进行了归纳，在此基 础上利用面向对象的程序设计方法及c + + 语言建立了描述框架柱钢筋所 有信息的表达模型；根据h u t o c a d 格式图形的特点，引入了网络层次结 构及计算机系统分层体系的思想，研究出一套适用于a u t o c a d 格式的工 程图形信息识别的层次化方法；对a u t o c a d 的d x f 文件的数据格式进行 深入地分析，并在此基础上得出读取d x f 文件的方法，获得所需的钢筋 信息；运用层次化图形识别方法，给出了框架柱钢筋信息识别系统的具 体实现方案，对系统采用的核心技术进行了研究并进行了具体的编程实 现，讨论了系统存在的实际问题与解决方法及对系统的迸一步完善；最 后用一个实际工程实例，通过运用本文的程序后所得的结果，检验了该 模型的正确性和该方法的有效性。 f 通过本文的研究，施工图中的钢筋下料和概预算中的工程量计算实 现7 计算机自动读图，自动统计，既节省了人力物力，又保证了准确性a 这个自动处理系统软件的开发将在所有建筑工程旌工单位中具有广泛的 应用前景和良好的经济价值。而本文是该系统的关键问题之一。扩 关键词：框架柱；钢筋：信息表达；自动识别；d x f 文件 l v， 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t o w i n g t or e i n f o r c i n gs t e e lb a ri se x p r e s s e dt oa d o p ti n d i r e c tm e t h o di n “p l a n e m e t h o d ”c o n s t r u c t i o nd r a w i n g ，w h o l ei n f o r m a t i o no fr e i n f o r c i n g s t e e lb a rc a nb ec o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h el a b e li n f o r m a t i o na n d c o m b i n i n g c r i t e r i o nc o n s t r u c t i o nd r a w i n gw h i l es t a t i s t i c s e n g i n e e r i n gq u a n t i t y f o r a c h i e v i n ga u t o m a t i o ns t a t i s t i c so fr e i n f o r c i n gs t e e lb a r ，t h i sp a p e rh a ss t u d y a u t o m a t i o nc o n s t r u c ta n de x p r e s si nm o d e lo fs t e e li n f o r m a t i o nt a k i n gt h e f r a m eg i r d e ra si n v e s t i g a t i v eo b j e c t t h em o s tw o r ki sa sf o l l o w t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea n n o t a t e dr u l e so ft h er e i n f o r c e m e n tn e w so f t h ef r a m eb r a c ee x p r e s s e di n “p l a n em e t h o d ”c o n s t r u c t i o nd r a w i n g ，s u m s u p t h ee x p r e s s e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e i n f o r c e m e n tn e w so ft h ef r a m eb r a c e t h e0 b j e c t o r i e n t e dm e t h o di s a d o p t e dt og e tt h ee x p r e s s e dp a t t e r no ft h e r e i n f o r c e m e n tn e w so ft h ef r a m eb r a c e ；b a s e do nt h ec h a r a c t e ro fa u t o c a d g r a p h i c s ，e x c o g i t a t e d a l a y e r i n g m e t h o do fr e c o g n i z i n ga u t o c a df o r m a t e n g i n e e r i n gg r a p h i c s i n f o r m a t i o nb yi m p o r t e dt h ei d e ao fw e b h i b c r a r c h y a n d c o m p u t e ro r g a n i z i n gh i b e r a r c h y ；t h e m e t h o dw h i c hi sa u t o m a t i o n c o n t r a c ti n f o r m a t i o no fd x ff o r m a ta r e g o tt h r o u g ha n a l y z i n gt h ed a t a s t r u c t u r eo fa u t o c a dd x ff o r m a t ；p r e s e n t i n ga p r a c t i c e s c h e m eo ft h e f r a m eb r a c es t e e lb a ri n f o r m a t i o n r e c o g n i z i n gs y s t e m ，r e s e a r c h i n g t h e k e r n e lt e c ho ft h es y s t e ma n dp r o g r a m m e di t ，d i s c u s s i n ge x i s t i n gp r o b l e m a n dr e s o l v e dm e t h o da n di m p r o v i n gi to ft h es y s t e m ；l a s t l y , i tt e s t sa n d v e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h em e t h o dw h i c hi s g o tt h r o u g h r e a d i n gt h ew o r k i n gd r a w i n go faa c t u a le n g i n e e r i n ge x p r e s s e di n p l a n e m e t h o d ”a n da f t e rr u n n i n gt h ep r o g r a m m i n go ft h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，i tm a k e st h ed e t e r m i n a t i o no fs t e e ll e n g t hi nc o n s t r u c t i o n a n dc o m p u t e ro fe n g i n e e r i n gq u a n t i t yi nt h eb u d g e tt oa c h i e v er e a d i n g d r a w i n ga n ds t a t i s t i c sv o l u n t a r i l y i ts a v e sm a n p o w e ra n dm a t e r i a l ，a s s u r e s a c c u r a c yt o o t h i ss y s t e ms o f t w a r ew i l lh a v ew i d e s p r e a da p p l i e dp r o s p e c t s a n dg o o de c o n o m i cv a l u ei na l lc o n s t r u c t i v eu n i t s t h ep a p e ri so n eo f k e y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 q u e s t i o nt ot h es y s t e m k e yw o r d ：t h ef r a m eb r a c e ；r e i n f o r c i n gs t e e lb a r ；i n f o r m a t i o ne x p r e s s i o n ； a u t o m a t i o nr e c o g n i z e ；d x ff i l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1c a d 技术的发展概况 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，就是利用计算 机技术的最新成果，辅助工程设计人员进行各种相关的设计工作。c a d 技术的开发与应用，从根本上改变了延续几百年或更久的传统设计方 法，无论在设计速度、效率、精度、图面质量和正确率方面，都具有传 统设计方法无法比拟的优点。它的应用，大大缩短了科研成果的开发和 转化周期，提高了工程和产品的设计质量，增加了设计工作的科学性和 创造性。对加速产品更新换代和提高市场竞争力有着巨大的帮助。该技 术一经诞生，就在国民经济发展中起着重要作用，在社会效益和经济效 益方面具有重要的影响，已经成为衡量一个国家科技与工业现代化水平 的重要标志之一。 1 国外c a d 发展状况 c a d 技术最早诞生于2 0 世纪6 0 年代末期，在8 0 年代得到迅速普 及，在9 0 年代成为各种产品设计工作的主要工具。现在，随着计算机 技术的飞速发展，c a d 技术更是在产品设计工作中发挥着不可替代的作 用。c a d 已成为一个完整的高技术产业，它是计算机应用的一大重要分 支，是一切工程设计行业在新技术背景下参与产品竞争的必要工具。 迄今为止，c a d 技术的发展可以划分为三个阶段： 第一阶段 在7 0 年代，c a d 技术首先应用于机械和电予行业，以后又进入建 筑等工程设计领域。它主要是承担科学计算任务，设计人员借助于计算 机提高计算速度和精度。这一时期的特点是计算机辅助设计以辅助分析 为主，相关软件只能在较大型的计算机系统上运行。 第二阶段 在8 0 年代，c a d 技术得到了蓬勃发展，很多领域的设计工作都有 了自己的c a d 软件。随着计算机图文工作站的诞生和商品化，c a d 软 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 件能够进入一些普通的设计部门。到8 0 年代末期，机械和电子的大部 分设计工作都可以借助c a d 技术实现了。这一阶段的特点是c a d 技术 进入工程设计的具体应用，可以为需求方提供计算机辅助设计的完整图 纸，该技术已经成为某些行业设计工作不可缺少的工具。 第三阶段 到了9 0 年代，c a d 技术开始走向了商品化和产业化，c a d 应用的 规模越来越大。随着微型计算机性能的提高和微机开发技术的进步，各 种微机版的c a d 软件得到大力推广。c a d 技术不仅在工作站上，而且 在微机上成为主要的设计工具。这阶段的特点是c a d 技术实现了产 业化，其自动化程度更高，应用领域更广泛，已经产生了用c a d 技术 占领一切传统设计技术领域市场的趋势。 如今，c a d 技术的应用领域非常广泛，已经渗透到机械、电子、航 空航天、汽车、船舶、轻工、纺织、建筑与土木工程等各行各业。在美 国、日本等发达国家，飞机、汽车制造与集成化企业全部采用了 c a d c a m 技术，几乎所有机械工业、建筑设计部门都采用了c a d 技术。 几乎所有的大中型工程项目的设计图纸都需要c a d 参与描绘，能否利 用c a d 技术，已经成为大部分行业参与设计工作的门槛。 2 国内c a d 技术的开发应用 在我国，经过2 0 多年的努力，c a d 技术在软件开发和人才培训方 面都取得了较大的发展：尤其是在c a d 的应用方面取得了长足的进步， 绝大部分工程设计领域已经采用了c a d 技术作为其应用工具。它在我 国的产品设计和技术开发工作中发挥着重要作用，已经在国民经济建设 中取得了良好的经济效益和社会效益。更为重要的是，由于c a d 技术 的发展，在让我们面临新的挑战和压力的同时，看到了在工程设计领域 赶超国际先进水平的曙光! ( 1 ) 国内c a d 技术应用效果明显 我国c a d 技术的开发和应用始于2 0 世纪8 0 年代，经过国家“八 五”“九五”计划十年的努力，它不仅在科技界得到了重视，而且在 各主要工业部门得到了广泛的应用。将c a d 技术用于产品设计，可以 取得纯人工设计无法比拟的效果。由于c a d 技术的重要性，它不仅在 工程技术界得到了普遍认同，也得到了我国政府有关部门的重视。为了 加速我国c a d 技术的商品化、产业化进程，1 9 9 2 年4 月由原国家教委 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 等8 个部委联合成立了全国c a d 应用工程协调小组，提出要进一步完 善已有的软件，尽快形成商品，投放市场，在生产中发挥作用，并要求 加快步伐，逐步形成我国的c a d 产业。全国c a d 应用工程协调小组于 1 9 9 6 年2 月审议通过了1 9 9 5 2 0 0 0 年我国c a d 应用工程发展纲要， 这对全国c a d 技术的普及推广超到了鼓舞和推动作用，也为2 l 世纪我 国c a d 技术的发展打下了良好的基础。 ( 2 ) 国内c a d 技术的应用发展 c a d 技术自引入我国以来就迅速得到广泛的应用，最初。以 a u t o c a d 为代表的通用c a d 系统成为我国c a d 技术普及应用的重要基 础，以t a n g o 为代表的电路设计c a d 又为电予行业的c a d 技术普及 应用打开了大门。如今，这些c a d 软件都有了自己的中文版本，在我 国相关行业发挥着巨大作用。我国也开发了适用于中国国情的多种c a d 应用软件。 为形成我国自己的c a d 开发技术体系，推动我国自主版权软件的 商品化和产业化进程，国家有关部门把具有一定开发能力和应用基础的 科研院所、高等院校和相关企业组织起来，把开发、应用、服务等结合 起来，通过共同努力，摸索出创建c a d 软件产业的路子。与c a d 技术 相关的大部分设计工作都有着很强的地域特色，大部分设计成果都需要 符合当地关于该类设计的规范体系。因此，只有国内相关行业的设计部 门才能够真正了解国内c a d 技术应该遵循的规范。这样为我国开发自 己的c a d 应用软件提供了难得的良机。也正是由于这一特点，我国在 c a d 技术开发应用方砸首先从规范要求较高的建筑行业打开局面。由中 国建筑科学研究院开发的建筑c a d 应用软件，已在我国1 0 0 0 0 多家设 计单位和6 0 0 0 多家企业中得到应用，大大推进了设计单位甩掉图板的 进程，有效地提高了相关部门的工作效率。在同样需要严格遵守设计规 范的机械工业方面的应用示范中也有很大收效，如汽车c a d 、拖拉机 c a d 系统和电机c a d 系统也已在多家企业中推广应用。这些c a d 应用 的成功，也为规范不强的服装等行业c a d 技术的应用起到了示范作用， 使相关技术迅速发展。 1 2c a d 技术在土建行业中的应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一般建筑物或构筑物的建设都要经过规划、设计、施工几个阶段。 目前，c a d 技术已经被应用到各个阶段中。 1 2 1在规划中的应用 对任何工程项目，规划工作都是十分重要的。一般土木建筑工程的 规划都需要考虑众多的因素，例如，土地利用、经济、交通、法律、景 观等有关社会经济的因素，气象、地质、地形、水等有关自然的因素， 以及水质、噪音、土地污染、绿化等生活环境的因素。任何一项规划都 是一项决策，在其中，人始终是主体。 对应子该阶段的c a d 系统主要有三类： 第一类是有关规划信息的存储和查询的系统。例如土质数据库系 统、地域信息系统、地理信息系统、城市政策信息系统等。这一类系统 多采用数据库系统的形式。 第二类为信息分析系统。例如规划信息分析系统等。 第三类为规划的辅助表现系统。例如景观表现系统、交通规划辅助 系统等。 这里特别说明如下两点。首先，有关规划信息的数据库，由于其公 共性之高，应由政府或公共部门建立并提供服务。这类数据库是否健全 反映了一个国家的文明发展程度。其次，通过利用景观表现系统，可以 在建造前看到实物的形象及其和周围的协调情况，对于做出优秀的规划 具有重要意义。 1 2 2 在设计中的应用 一般土木建筑结构的设计都包含结构形式的选定、形状尺寸的假 定、模型化、结构分析、验算、图纸绘制、材料计算等过程。c a d 技术 在土木建筑中最早的应用就是在结构设计中。所以，有关设计c a d 系 统的历史较长，发展比较成熟。据有关资料，目前我国土木建筑领域各 部级设计院c a d 出图率一般为2 0 - 2 5 ，个别高达3 0 。【1 2 】运用计算 机进行分析计算达9 0 以上，进行方案设计已达5 0 以上。采用c a d 技术进行设计，设计的出错率由手工设计的5 降低到1 ，提高工效一 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 般在6 8 倍，有的可达2 0 倍。由于多方案优化，节省工程投资一般为 2 一5 ，个别专业可达1 0 以上。 对应于设计的c a d 系统也可分为三类： 第一类为对应于各个设计过程的系统，例如结构形式选择系统、结 构分析系统、设计系统、绘图系统、材料计算系统等。其中每个系统都 可以处理多种结构形式。其缺点是，为完成一项设计需使用多个系统， 不但需要掌握每个系统的使用方法，还导致大量数据的重复输入。与此 相对应，第二类系统为集成化设计系统，这类系统的自动化程度一般较 高，只要输入少量的数据，只利用一个系统即可完成设计的全过程。设 计时，只需输入基本的参数，如结构尺寸、截面尺寸、材料性质等。系 统可自动进行结构分析，以至生成施工图。这类系统虽可减轻人们学习 新系统的负担并避免数据的重复输入，但一般在使用时有一定的限制。 第三类系统为通用c a d 系统，例如美国a u t o d c s k 公司的a u t o c a d ， i n t e r g r a p h 公司的m i c r o s t a t i o n 等。这类系统只提供基本的图形处理功能， 可用来绘制各个工程领域的设计图纸。与前面的两类系统相比，使用这 类系统的作用效率较低。一般需要根据专业要求进行二次开发，因此， 这类系统有时也被当作专业c a d 系统的图形支撑软件。【7 】 1 2 3 在施工中的应用 一般的土木建筑工程的施工都包含以下过程，即投标报价一施工调 查一施工组织设计一人员、器材和资金的调配一具体施工及项目工程管 理一验收等。目前，c a d 技术在每个过程中均有应用。在我国已出现了 投标报价与合同管理，工程项目管理，网络计划，质量和安全的评价与 分析，劳动人事工资、材料物资、机械设备、财务会计和行政管理，施 工图的绘制等系统。其中，应用计算机编绘网络计划图已成为参与国际 投标的必要条件之一。由于c a d 技术的应用，有效地提高了施工企业 的工作效率和管理水平。 随着c a d 技术的发展，它在土木建筑行业中的应用也将得到进一 步的发展。目前最有希望应用的c a d 新技术包括多媒体技术、虚拟现 实技术和科学计算可视化技术等。多媒体技术集图、文、声、象于一体， 在不同信息媒体之间建立了逻辑连接，实现有机的集成和交互控制。国 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 外已有将该技术用于工程教育的例子。虚拟现实技术可以虚拟现实，使 人如临其境。国外已有将其用于施工过程模拟的例子。科学计算可视化 技术将科学计算过程中产生的数据转换为几何图形及图象信息，在屏幕 上显示出来并进行交互处理，作为科学发现与理解的强有力工具。可以 预见，它在土木建筑行业中有着广阔的应用前景。u 2 1 1 3 “施工图钢筋信息识别与自动处理系统”的开发 1 3 1 系统开发的意义 目前，国家的社会和经济建设飞速发展，工程建设任务相当繁重。 这对工程设计和施工的效率和质量提出了更高的要求。为加快设计速 度，国家一方面大力普及c a d 技术甩掉图板，一方面改革工程制图方 法，推行新国标混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造 详图( 简称“平法”) 。使得施工图从内容和数量上都大大简化。然而， 设计人员的工作量虽然大大减轻，施工队伍的技术水平要求却提高了很 多。工程师必须按平法规则读旌工图并结合标准构造图集提取钢筋信息 经人工统计后生成钢筋表供预算和施工准备使用。 国内的某些c a d 软件开发商如p k p m 和t b s a 曾开发过与其软件 相配套的钢筋统计软件，但存在以下问题。首先是钢筋的统计完全依据 软件内部数据库中的参数进行，而由于这些c a d 系统所出的图纸一般 情况下都要经过图形编辑处理，其数据库中的参数未被更新；或其本身 的图形编辑功能较差，其生成的施工图往往需要转入a u t o c a d 中进行 细部设计和修改，且修改后的图和数据不能返回原系统数据库，因此依 据系统数据库得到的钢筋信息是不正确的。其次，许多设计人员偏向于 直接使用a u t o c a d 作图。因此，直接针对具有a u t o c a d 格式的施工图 开发才能解决任何c a d 系统中生成的图形的计算机读图和统计问题。 目前国内还没有这种施工和预算中迫切需要的软件。本系统的开发得到 了四川省科委的资助。 建筑结构施工图是一种表达简洁而寓意丰富的语言，是对所设计工 程的完整的描述，是工程施工的依据。建筑结构施工图是用来描述建筑 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 物的框架结构及柱、墙、梁、楼面、楼梯等各组成构件的详细构造。工 程师们根据建筑结构施工图来统计每一构件所用的钢筋类型、长度、形 状和重量并画出钢筋表，所采用的混凝土强度等级和体积，需要的模板 大小和形状等来作为工程概预算和钢筋下料加工的主要依据。目前在我 国工程设计行业，c a d 技术的应用已相当普及，大设计院已基本实现完 全计算机出图。而且辅助工程概预算的计算软件也已经不少。然而，描 述钢筋信息的钢筋表却是由工程师通过人工读施工图抽取并通过人工 统计和绘制出来的，工程概预算软件亦要求人工输入钢筋及其他材料的 工程量或按照软件的要求重新输入建筑结构施工图。由于结构图数量 多、人工读图难度大及熟练的工程师较少等原因，使有关钢筋、混凝土 等材料的统计工作成为预算工作效率和施工备料的瓶颈口。因此，将由 工程师人工读图的工作方式改变为由计算机自动读图的工作方式已成 为工程设计和施工行业技术改造的一个重要目标，是提高设计和施工全 过程自动化水平的关键之一。 用“平法”绘制的建筑结构施工图中构件的纵筋长度和箍筋根数仅 靠图纸无法获得，必须结合标准构造详图和相应的国家规范才能得到。 目前施工单位( 尤其是一些小的施工单位) 的技术力量明显不足，技术 人员往往只能看懂显式标注的钢筋长度和根数。这样就为工程的按图施 工埋下了安全隐患。而本系统可以使得柱、梁的钢筋均以显式的尺寸标 注表示，并附以钢筋简图，避免施工中出现错误。 目前，人工智能理论在工程设计及c a d 技术领域的研究取得了长 足的进展，工程知识的表达和推理、解释也向实用化方面迈进了一步。 这些都为本系统所涉及的关键技术即钢筋信息的智能识别和解释奠定 了基础。 2 1 1 3 2 系统开发的主要内容 由于“平法”的推行使钢筋的表达方式发生了很大的变化，钢筋的 信息更多的是以字符串的形式而不是几何图形的形式来表达，而钢筋的 几何信息则要配合相应的标准构造图集确定。因此，钢筋信息自动处理 的实现必须建立在对平法规则中钢筋表达模型的正确描述、解释和推理 之上。要实现对钢筋信息的自动处理，首先要从施工图中获取钢筋信息， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 然后将所得信息转换成按表达模型所要求的格式和语法描述的数据并 存入数据库中；信息识别模块读取工程数据库中的数据记录并根据知识 库中的规则对其进行识别，由识别结果调用参数化图库中的相应模块即 完成了钢筋信息自动处理的过程，输出处理结果生成包括钢筋类型、几 何特征简图、数量和重量等进行工程预算和钢筋下料所需的钢筋材料 表。系统的总体结构如图1 1 所示。系统以工程数据库、知识库和参数 化图库为核心，由在w i n d o w s 平台上采用面向对象的程序语言v i s u a l c + + 开发的信息获取、格式转换及数据存储和信息识别及自动处理三个 主要模块组成。 图1 1 系统总体结构设计 系统各主要部分的功能如下述。 1 纸质或电子文件图纸的读取 由于本系统是面向施工单位的，建 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 筑结构施工图一般都是以纸质的形式存在，所以必须利用扫描仪将建筑 结构施工图扫入计算机形成二值点阵图像信息，再采用模式识别技术将 二值点阵图像信息通过预处理( 去噪声) 、细化处理、矢量化处理等环 节转换成矢量信息。本系统拟把矢量信息转化为流行的d x f d w g 格式 的电子文件或直接把电子文件图纸转化为d x f d w g 格式。然后通过读 取按d x f d w g 数据格式存储的数据文件，来提取与钢筋信息有关的所 有信息。u o 2 钢筋信息表达模型的确定按新国标“平法”的规定，钢筋的表 达应包括按平法规则在平面图上给出的标注结合有关标准构造详图共 同构成。施工图上的钢筋信息主要是由字符串、符号和文字构成的标注。 标准图中包括有抽象应用意义的按三视图表达的几何信息参数、标注表 示和符号表示。通过对各种格式的钢筋标注、各种类型的尺寸标注以及 各种形态的钢筋表示方法等进行深入分析和归纳，确定出能完整、准确 反映钢筋各种特征方便于自动处理的钢筋信息表达模型。 3 基于知识的钢筋信息识别方法的研究钢筋信息的识别关键在 于钢筋标识串的识别及参数化图库的匹配。为了完成上述工作，必须进 行文字说明的语义分析，将有关全局性的规定或局部性的参考与标识结 合起来。如框架梁钢筋的标注包括表达梁配筋的通用数值集中标注和表 达梁配筋的特殊数值的原位标注部分。集中标注由指向该梁的标注引线 和标注字符串组成，如“k l 5 ( 4 a ) 2 5 0 x 6 0 0巾8 1 0 0 2 0 0 ( 2 ) 2 中 2 5 ( - o 1 0 0 ) ”：原位标注一般无标识引线，标识串紧靠梁的相应部位，形 式如“6 0 2 04 2 ”。要正确识别上述钢筋信息，必须将几何信息和施工 图表达知识融会贯通，从中分离出梁的编号、结合建筑物的轴网信息确 定出梁的跨度和跨数、所配钢筋的直径、根数等。实用有效的工程知识 表达和应用技术是系统实现的基础。系统采用西南交大完成的国家火炬 计划项目“工程设计智能c a d 核心系统”的成果来实现钢筋信息的智能 识别，该项目提出了工程语言类知识、工程实例类知识以及工程数据表 类知识等工程知识的表达模型，能实现包括各种工程信息的表达、推理 和解释。 4 基于标准图集的参数化瞄库的研制标准图集中各类钢筋的几 何信息是一种抽象的以参数表达的信息，影响参数由钢筋标注信息、结 构的整体或局部几何数据以及相应的构造要求等确定。如图卜2 所示， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在确定框架梁边跨钢筋深入柱中锚固长度和在梁上的截断点时，梁上部 钢筋伸入支座水平段“0 4 5 a e ”及竖直段“1 5 d ”，在梁上的截断 点位置为自柱内边缘算起“1 n l 3 ”；梁下部钢筋伸入支座水平段“ o 4 5 1 a b ”及竖直段“ 1 5 。上述构造要求中 d 为框架梁中的纵筋的 直径、，。e 为抗震情况下 钢筋的锚固长度、i n l 为框架梁边跨的净跨。 建立各类钢筋几何图 形的参数化图库也是 实现钢筋信息自动处 理的重要组成部分。本 系统应用面向对象的 方法和编程语言 图卜2 框架粱边跨钢筋长度参数 v i s u a lc + + ，基于w i n d o w s 环境开发各类钢筋的参数化图库。 5 ，钢筋信息的识别和自动处理系统钢筋信息的识别和自动处理 子系统是本系统的核心部分。该系统逐条从工程数据库中提取按一定表 达方式描述的信息；然后依据知识库中的知识和规则对每条信息进行分 离和识别，确定出构件类型、编号、相应的几何参数和配筋值；然后由 知识库中的有关规则确定出该类构件的钢筋类形数及各相应类型钢筋 所对应的参数化图块编号；系统由识别得到的信息计算出圈块的相应参 数值并调用对应参数化图块即可得到每根钢筋的直径、类型、几何图形 和各部分尺寸、重量等；本系统的实现较为复杂，涉及到各类信息的识 别和联合识别，参数的计算和匹配等。信息逐条识别和处理的结果还需 存入工程数据库中：然后由程序将自动处理的结果统计汇总后按一定的 格式输出，即可得到进行工程预算和施工下料所需的钢筋材料表。 8 1 1 4 本论文所作的工作 毒 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 由于本系统的开发涉及到多个方面的知识，限于时间和能力问题， 本论文主要对“平法”施工图中框架柱钢筋信息的表达特点进行研究， 在此基础上应用面向对象的方法建立框架柱钢筋信息的表达模型；对以 d x f 数据格式存储的图形文件进行研究，探讨了一套自动识别图形信息 的方法，实现钢筋信息的自动读取，并通过变量分离得到钢筋信息表达 模型中的各个参数值，给出了整个系统设计的关键技术的实现，具体内 容如下： 1 “平法”施工图中框架柱钢筋信息表达特点的研究对“平法” 施工图中框架柱钢筋信息的注写规则进行深入地分析和研究，并在此基 础上归纳得出框架柱钢筋信息的表达特点。即基于知识的表达方式、多 种格式的钢筋标注、多种类型的尺寸标注和多种形态的钢筋表示等特 点。 2 框架柱钢筋信息表达模型的研究利用面向对象的程序设计方 法，以c + + 为基本开发语言确定钢筋信息表达的类层次结构，把所有描 述框架柱钢筋的信息按照表达特点分别封装在各类中。并通过框架柱约 束尺寸的确定、框架柱标注信息的参数表示、构造信息存储等来得出框 架柱钢筋信息的表达模型，以便于信息的处理。 3 图形识别方法的研究本文根据a u t o c a d 格式图形的特点，引 入了网络层次结构及计算机系统分层体系的思想，研究出一套适用于 a u t o c a d 格式的工程图形信息识别的层次化方法。可以使用这套方法来 开发各种专业化的图形信息识别系统。 4 框架柱钢筋信息的读取运用层次化的图形识别方法，对 a u t o c a d 的d x f 文件的数据格式进行深入地分析，并在此基础上得出读 取d x f 文件的方法，获得所需的钢筋信息。 5 框架柱钢筋信息识别系统的核心实现本文给出了框架柱钢筋 信息识别系统的具体实现方案，对系统采用的核心技术进行了研究并进 行了具体的编程实现，讨论了系统存在的实际闯题与解决方法及对系统 的进一步完善。 6 实例验证本文通过读取一个实际工程的d x f 文件施工图，并 运行本文的程序后得到的结果来验证框架柱钢筋信息表达模型的正确 性和本论文所述方法的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第t2 页 第2 章“平法”施工图中框架柱钢筋 信息的表达特点 2 1 柱“平法”简介 】“平法”的表达形式，概括来讲，是把结构构件的尺寸和配筋等， 按照平面整体表示法制图规则，整体直接表达在各类构件的结构平面布 置图上，再与标准构造详图相配合，即构成一套新型完整的结构施工图。 改变了传统的那袍将构件从结构平面布置图中索引出来，再逐个绘制配 筋详图的繁琐方法。 柱平面整体配筋图，系在柱平面布置图上采用列表注写方式或截面 注写方式表达钢筋的配置。柱平面布置图，可采用适当比例单独绘制， 也可与剪力墙平面布置图合并绘制。在柱平法施工图中，应当用表格或 其他方式注明包括地下和地上各层的结构层楼( 地) 面标高、结构层高 及相应的结构层号。 列表注写方式，系在柱平面布置图上( 一般只需采用适当比例绘制 一张柱平面布置图，包括框架柱、框支柱、梁上柱和剪力墙上柱) ，分 别在同一编号的柱中选择一个( 有时需要选择几个) 截面标注几何参数 代号；在柱表中注写柱号、柱段起止高、几何尺寸( 含柱截面对轴线的 偏心情况) 与配筋的具体数值，并配以各种柱截面形状及其箍筋类型图 的方式，来表达柱平法施工图 截面注写方式，系在分标准层绘制的柱平面布置图的柱截面上，分 别在同一编号的柱中选择一个截面，以直接注写截面尺寸和配筋具体数 值的方式来表达柱平法施工图。 本文主要以框架柱“截面注写方式”为研究对象，对建筑结构施工 图中描述框架柱的钢筋信息进行分析，归纳出框架柱截面钢筋信息的表 达特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2框架柱钢筋信息的表达方式 本节通过举实例来分析建筑结构施工图中框架柱钢筋信息的表达 方式。柱平法施工图中，主要包含了以下各类信息：横向轴线编号、纵 向轴线编号、横向轴线间距、纵向轴线间距、各结构层的楼面标高、结 构层高及相应的结构层号、各柱子的布置情况、柱号、几何尺寸( 含柱 截面对轴线的偏心情况) 与配筋的具体数值、各种柱截面配筋形状图。 2 2 1 截面注写方式对各类信息的表达方法 一、注写柱编号。柱编号由类型代号和序号组成，应符合表2 1 的规定。 柱编号表2 - 1 柱类型代号序号柱类型代号序号 框架柱 k zx x梁上柱l zx x 框支柱 k z zx x 剪力墙上柱q z x x 注：当柱的总高、分段截面尺寸和配筋均对应相同，仅分段截面与轴线的关 系不同时，仍可将其编为同一拄号。 二、注写各段柱的起止标高。自柱根部往上以变截面位置或截面 未变但配筋改变处为界分段注写。框架柱和框支柱的根部标高系指基础 顶面标高；梁上柱的根部标高系指梁顶面标高；剪力墙上柱的根部标高 分两种：当柱纵筋锚固在墙顶部时，其根部标高为墙顶面标高：当柱与 剪力墙重叠层时，其根部标高为墙顶面往下一层的结构层楼面标高。 三、注写柱截面尺寸b h 及与轴线关系的几何参数代号b l 、b 2 和h f 、h 2 的具体数值，需对应于各段柱分别注写。其中b 咄l + b 2 ，h = h l + h 2 。 当截面的某边收缩变化至与轴线重合或偏到轴线的另一侧时，b i 、b 2 、 h l 、h 2 中的某项为零或为负值。 对于圆柱，直接用直径d 表示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 四、 注写柱纵筋，分角筋、截面b 边中部筋和h 边中部筋三项( 对 于采用对称配筋的矩形截面柱。可仅注写一侧中部筋，对称边省略不 注) 。当为圆柱时，在注写角筋处注写圆柱的全部纵筋。 五、注写柱箍筋。包括钢筋级别、直径与间距。 当为抗震设计时，用斜线“”区分柱端箍筋加密区与柱身非加密区 长度范围内箍筋的不同间距。施工人员须根据标准构造详图的规定，在 三种长度值中取其最大者作为加密区长度。 当箍筋沿柱全高为一种间距时，则不使用“”线。 当圆柱采用螺旋箍筋时，须在箍筋前加“l ”。 当柱纵筋采用搭接连接，且为抗震设计时，应在柱纵筋搭接长度范 围内( 无论与柱抗震箍筋加密区范围重叠与否) 均应按5 d ( d 为柱纵 筋直径) 及1 0 0 的间距加密箍筋。 当为非抗震设计时，在柱纵筋搭接长度范围内的箍筋加密，应由设 计者另行注明。 六、在柱平面布置图上，从相同编号的柱中选择一个截面，按另 一种比例原位放大绘制柱截面配筋图，并在各配筋图上继其编号后再注 写截面尺寸b h 、角筋或全部纵筋( 当纵筋采用一种直径且能够图示清 楚时) 、箍筋的具体数值( 箍筋的注写方式及对柱纵筋搭接长度范围的 箍筋阉距要求同上所述) 并应另行注明，以及在柱截面配筋图上标注柱 截面与轴线关系b i 、b 2 、h l 、h 2 的具体数值。 当纵筋采用两种直径时，须再注写截面各边中部筋的具体数值( 对 于采用对称配筋的矩形截面柱，可仅在一侧注写中部筋，对称边省略不 注) 。 七、在截面注写方式中，如柱的分段截面尺寸和配筋均相同，仅 分段截面与轴线的关系不同时，可将其编为同一柱号。但此时应在未画 配筋的柱截面上注写该柱截面与轴线关系的具体尺寸。 八、当采用截面注写方式时，可以根据具体情况，在一个柱平面 布置图上加用小括号“( ) ”和尖括号“ ”来区分和表达不同标准层的 注写数值。 九、其它，当按规定绘制柱平面布置图时，如果局部区域发生重 叠、过挤现象，可在该区域采用另外一种比例绘制予以消除。当柱与填 充墙需要拉结时，其构造详图应由设计者根据墙体材料和规范要求设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 绘制。 2 2 2 文字说明 由于结构施工图的表达是通过图形和文字来共同完成。因此在“平 法”施工图中要想获得所有的钢筋信息，往往离不开文字说明。文字说 明一方面用于描述图形难于表达的内容；另一方面工程师为了简化，如 果能够说清楚时尽量用文字说明表示。象结构的抗震等级、混凝土的强 度等级、构件的环境条件及对于架立筋和纵向构造钢筋的说明( 如凡未 注明的架立筋均取2 中1 2 ) 等。 2 2 3 标准构造详图 由于“平法”施工图是结合标准构造详图来表达的，图中的钢筋标 注仅能表达钢筋的类型、直径、布暨的间距等。而钢筋的具体形状和尺 寸大小必须根据相应的构造详图，按照详图中的参数来获得。如保护层 厚度、抗震及非抗震情况下的锚周长度和搭接长度、框架柱纵筋的形状 及长度、箍筋加密区的范围等。 2 3 框架柱钢筋信息的表达特点 由上节“平法”施工图中框架柱钢筋信息的表达方式，可以看出框 架柱的钢筋信息主要是通过字符串来表达的。但要想获得所有的钢筋信 息必须考虑各方面的情况。以下对各种信息在柱平法旌工图中的表达特 点进行具体分析，为进一步的信息获取做准备。 1 在柱截面注写方式的平法施工图中，有着清楚的横向、纵向轴线 编号与轴线问隔尺寸标注，这些信息从图中可直接获取。 2 在柱平法旌工图中，各柱子在其具体轴线位置上都画了简图，并 用一引线引出表示其柱号的字符串。因此，每根柱予的位置情况可从图 中获得。 3 在柱平法施工图中，有注写各结构层楼面标高和结构层高的表 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 格从表格可获得柱子的柱高，以做为计算柱中钢筋长度的依据。 4 在柱平法旌工图中，对于中心线与轴线不重合的柱子，图中把柱 子的偏心尺寸在柱子上进行了标注。柱子的偏心尺寸可在图中直接获 得。 5 在柱截面注写方式的平法施工图中，分别在同一编号的柱中选择 一个截面，按另种比例原位放大绘制出柱截面的配筋图，并用斜线引 注出钢筋的有关信息。要获得柱子钢筋的全部信息，第一要从引注出来 的字符串中读取，第二要从放大的柱截面配筋图识别。 例如：引出的字符串为k z 26 5 0 6 0 0 ( 5 5 0 5 0 0 ) 2 2 中2 5 ( 2 2 m 2 2 ) 中l o - 1 0 0 2 0 0 ( 中8 - 1 0 0 2 0 0 ) ，6 5 0 x 6 0 0 为截面尺寸b h ，2 2 中2 5 表示柱 内有直径2 5 r a m 的钢筋2 2 根，中表示钢筋等级热轧l i 级，中1 0 1 0 0 1 2 0 0 表示直径为1 0 m m 的箍筋，加密区间隔1 0 0 m m ，非加密区2 0 0 r a m ( 括 号中是另一楼层的柱尺寸) 。从以上字符串获取的信息没有钢筋在柱中 各边的布置情况，也没有箍筋在截面中的箍套的情况，这些都必须从放 大的柱截面配筋图进行识别。如图2 1 。 从图中可看出，柱中的钢筋除4 根角筋外， 横向边分布有5 根，纵向边分布有4 根。而 箍筋在截面上中共有3 根，一根箍周边，两 根分别箍纵横内部两个方向。由此才得到了 钢筋的全部信息。 2 3 1 多种类型的尺寸标注 凰 图2 - i 柱截面钢筋布置 尺寸线是确定钢筋长度的重要依据。在“平法”施工图中，几乎没 有显式尺寸线表示钢筋的长度。主要是根据标准构造详图结合施工图的 轴线尺寸、标高、梁和柱的截面尺寸、以及钢筋直径等来获得的。对不 同的钢筋有不同的尺寸标注方法。 ( 1 ) 制约参数标注。标准构造详图中梁、柱的纵筋长度均是由一 些参数来确定的。如z 。，3 、1 5 h b 、3 5 d 等等。因此，轴线尺寸、梁和柱 的截面高度及截面宽度、相应的纵筋直径、结构标高等是获得钢筋长度 的主要依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 ( 2 ) 隐含式尺寸表示。“平法”施工图中尺寸标注主要采用此种方 式，不同结构图之间有尺寸上的依赖关系。为了减少重复表示，有些尺 寸隐含在同一张图的另一部分或另一张图上，需通过应用上的关联性来 查询。如：框架梁的纵筋长度，除了知道轴线尺寸外，尚应明确梁支座 宽度( 即柱在该方向的截面尺寸) ，而柱的编号、定位尺寸、截面尺寸 一般在柱施工图中，需根据轴线关系来确定支座为哪一根柱，才能获得 支座宽度。 ( 3 ) 计算式尺寸表示。混凝土保护层对钢筋长度计算的影响是这 一类尺寸表示的典型例子，即同一张图在指定不同的保护层厚度时有关 钢筋长度也不周。 ( 4 ) 非直接确定的标注方式。是指根据其它钢筋的布置来确定其 长度的标注方法。如架立筋是根据左支座与右支座钢筋长度以及搭接长 度来确定其长度的；梁复合箍筋的长度是根据纵筋的根数、布置的位置、 钢筋的直径和保护层厚度等来确定的。 2 3 2 多种形态的钢筋表示 钢