二维建筑结构图的三维模型重建

1、1 建筑工程三维重建的意义与现状目前的建筑工程图纸是以AutoCAD软件为主要设计绘制工具,以DXF格式和DWG格式为主要流通交换格式,采用二维示意图方法表示三维建筑结构信息。这种工程对象的描述方式已成为工程界共同的技术语言,在表达设计思想、编制工艺流程和技术交流方面将长期发挥重要的作用。这种用二维示意图表示三维信息的交流2006年 工 程 图 学 学 报2006第2期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.2二维建筑结构图的三维模型重建王祎,谢步瀛(同济大学建工系,上海 200092摘要:分析了建筑结构图的工程对象类型和描述方式特征,针对建筑领域的典型实例提出

2、了与机械三维重建不同的建筑工程三维重建方案。该方案按照最常用的结构制图标准,以DXF格式的结构图纸为处理对象,以AutoCAD 二次开发为主要技术路线,选择了标准层平面图为主要对象视图。讨论了建筑工程对象的数据结构设计和重建微观策略,并给出重建结果的实例。关键词:计算机应用;工程图学;三维重建;建筑结构图中图分类号:TB 23文献标识码:A 文章编号:1003-0158(200602-0079-053D Model Reconstruction Based on 2D Structure Drawings inArchitecture EngineeringWANG Yi, XIE Bu-yi

3、ng(Deptartment of Structure Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, ChinaAbstract: The types of engineering objects and the ways of object description in 2D structure drawings of architecture engineering are analyzed. Then a method of 3D model reconstruction for architecture structure drawi

4、ngs is presented. The AutoCAD software is selected to deal with the DXF files of the structure drawings through secondary development manner. The floor drawings of the building are selected as the main objects to be processed. The preprocessing of the drawing data, the data structure of objects and

5、some 3D reconstruction algorithms are discussed. The results of 3D reconstruction are given in the end.Key words: computer application; engineering graphics; 3D reconstruction; architecture structure drawing收稿日期:2005-05-04方式不能直观地表达出工程对象的三维信息,读图时必须大量依赖人工,结合人的经验进行复杂而费时的比较和联想,给从业人员造成了繁重的负担。建筑工程使用的图形表达方

6、式相对于机械制造中的三视图而言更为抽象,不仅表达的内容更复杂多样、数据量庞大,而且表达方式也更灵活多变。对建筑工程视图的解释过程十分复杂,如何充分、准确、合理地解释工程视图信息为机器所理解是一个非常具有挑战性的问题。当前围绕机械对象的重建算法研究较多,而直接面向建筑工程应用的实例化研究则很罕见,更没有可以实用化的建筑工程对象重建工具3, 4。因此,从研究建筑结构图三维重建的实例化开始,以典型实例的处理方案为主要研究目标,使用ObjectARX进行AutoCAD系统二次开发是一项既有现实意义又有理论价值的工作,是一种高效可行的建筑领域三维重建思路。但因为重建对象的形式更为抽象多变,重建的方案也必

7、然需要一些新的思路和尝试,尤其需要更多深入应用层的实例化研究。可见,建筑结构三维重建是传统三维重建在建筑范畴的延伸,具有重要的理论价值和广泛的现实意义。2 建筑结构构件类型与表达在重建数据输入方面,DXF(Drawing Interchange File格式的矢量图文件是使用最广泛的具体工程图格式之一。工程图三维重建可以DXF中的表述为基本研究参照。在以DXF格式记录的建筑结构图中,图形信息是以离散的图元(直线、虚线、点划线、多义线、圆、文字和尺寸标注等为依据的,没有反映图元与图元之间的相互关系,也就是只记录了图形的几何信息,而没有记录图元之间的拓扑关系信息。必须先分析清楚图元之间的拓扑关系,

8、即把所有的图元归纳为若干类结构构件,识别出各种结构构件各是由哪些点、线或圆弧组成的。从建筑结构图表达的工程对象组成来看,最基本的建筑结构构件包括基础、梁、柱子、墙、楼板、楼梯等多种类型。以下是根据传统的建筑结构制图标准中的规则分析得到的建筑结构构件的主要表达特征4: 梁有主梁、次梁、圈梁、过梁、阳台梁、楼梯梁等多种情况。一般情况下梁的定位在结构平面图上表示为连续直线或虚线,梁截面的表示通常用截面详图分别记录。由于沿中心线方向梁截面不常变化,可以归纳为水平方向的拉伸体; 柱一般位置表示在结构平面图上。柱高和层高密切相关,层高标注在梁截面详图或表格中,或个别表示在平面图上,柱可以归纳为垂直方向的拉

9、伸体; 墙墙的位置和宽度都表示在结构平面图上,墙高表示与柱高的表示类似。由于沿墙高方向墙截面不常变化,可以归纳为垂直方向的拉伸体; 楼板包括楼板或楼层的开洞两种。楼板位置在结构平面图上,楼板厚一般在注释或详图中有所表达。由于楼板厚度不常变化,可以归纳为水平方向的拉伸体; 基础基础的种类较多,如独立基础、条形基础、筏形基础、箱形基础和桩基础等,在形体特征上差别较大。条形基础和桩基础可以归纳为拉伸体,而独立基础、筏形基础、箱形基础等就应按组合形体的一种来考虑。基础信息由结构平面图上的信息和截面详图中的信息两部分构成; 楼梯楼梯和以上构件相比,是一种组合构件,由楼梯平台、多个类似的踏步和扶手组合而成

10、。其平面图上有多条等间距平行直线以及截断线等明显特征; 配筋配筋是一类离散性较强的图形对象,一般标注在结构平面图上和构件截面详图中(平面表示法绘制的图纸例外。在建筑结构图时,配筋往往和结构构件形体描述处于不同的层内,钢筋信息和构件外形信息常常是相对独立的; 符号连续的直线和多义线最常用于各类符号和引线等;点划线主要用于表达轴线;圆则往往出现在轴线标号的引导位置; 文字文字注释的灵活性高,所蕴涵的信息丰富,是非常特殊的一种工程对象。文字包括构件名称、轴线标号、标高和图名等标注,有独立的文字对象自动区别于图形对象; 尺寸标注有独立的尺寸对象,其中的线条和文字自动有别于一般的直线和文字,总是占据着一

11、个尺寸标注层,和其他信息相对独立。3 实例化的建筑重建方案3.1 重建方案的基本思路与内容建筑结构三维重建的思路可以概括地表示·80· 工 程 图 学 学 报 2006年为如下框图,见图1。 图1 建筑结构三维重建的基本思路根据不同的建筑结构制图标准绘制出的建筑结构图之间往往具有截然不同的信息特征,如平面表示法中构件附近的标注数量多、份量重;截面表示法中有大量的表格式信息;传统的结构图表示法中又倾向于使用较多的图形信息(包括平面图上的各类钢筋、楼板的布置表达和构件详图的深入绘制。在分析结构图时,有必要对不同的制图标准采取区别对待。开发技术路线选择基于ObjectARX 的A

12、utoCAD 二次开发:AutoCAD 具有开放性的体系结构和优秀的文件兼容性,即提供了多元化的开发工具选择和强大的定制和开发能力。ObjectARX (AutoCAD extension 技术是一种以C +为编程语言的开发AutoCAD 应用程序的工具,它能够对AutoCAD 的所有事务进行完整的、先进的、面向对象的设计与开发,并且开发出的应用程序速度快、集成度高、稳定性强,是现有二次开发工具中唯一圆满地针对多图档环境的程序设计方法,已逐渐成为AutoCAD 二次开发的主流。选择结构平面图为主要参照的视图:即使是一个简单的建筑,其建筑结构图也至少包括多张结构平面图(如底层平面图、标准层平面图

13、、屋面平面图、剖切位置不固定的各种视图方向的结构剖面图以及各类构件的结构详图,远非三视图可以尽述。工程对象的信息通常在这些图纸上既分散,又有局部的交叉;既有完整的描述,又不排斥省略表示的方法。初步的设想是提供手动选择主要参照图的功能,在重建分析时人工挑选一张或若干张信息最集中的视图作为主参照视图。目前先选带有层高信息和部分梁柱截面详图的标准层平面图作为分析的主要对象(主参考视图来试验针对结构标准层的三维重建(见图2。图2 部分标准层结构图示例建筑结构工程对象的信息传达常常不可避免地存在误差、重复表达、表达形式不一致等问题,而且图纸中还包含着许多构件结构属性的信息,对结构实体的重建造成了一定的干

14、扰。所以,必须对结构图纸的数据进行预处理,去伪存真,精简不必要的信息,为重建做好数据上的准备。从典型到特殊混合使用多种识别思路:建筑结构构件的拓扑特征和表达方式差别很大,不是一种识别算法可以全部适用的。需要考虑复杂情况的分类归纳,在总体上把握投影图的基础上,将其划分为有意义的结构构件单元,然后针对各类典型情况寻找一系列基本的思路,分别找出它们所对应的基本体,最后通过组合基本体来重建实体。在解决了一系列典型情况后,再逐步尝试扩大方案所覆盖的范围,必要时还需要引入专家系统的处理方法来建立有关构件识别的知确定各类工程对象的识别思路 确定目标图纸格式确定所参照的制图标准主要对象视图的挑选 图纸数据预处

15、理选择开发工具与技术路线 重建简单构件的三维模型三维重建的数据组织设计 重建复合构件的三维模型 整合构件并进行全局性的补充修正第2期 王 祎等:二维建筑结构图的三维模型重建 ·81·识库、推理机制和搜索策略等。首先可以考虑建筑框架结构的组成构件,如梁、柱、墙、楼板,接着再讨论楼梯、基础等复杂构件的处理方式。在本实例中,楼梯是以另列详图的方式表达的,在标准层结构平面图中仅以开洞符号空出楼梯区域。整合构件并进行全局性的补充修正:构件的整合是根据构件局部坐标和建筑整体坐标之间的对应关系进行转换而开展的,包括每个楼层中的构件整合、楼层与楼层之间的整合。除利用基本视图以外,还要利用局

16、部视图等辅助图形信息和技术说明、符号标注等文字信息,如根据对称符号补齐建筑的另一半结构。由于三维重建的复杂性,任何一个重建程序都会有巨大的计算量。所以,适当加入人机交互功能有利于大大提高系统的生产效率。3.2 工程对象数据组织设计三维重建的数据组织1, 2:由于不同的应用对图形数据所实施的操作不同,因此,数据结构的设计,还要视具体应用而定。结构图的分析识别和重建是为了获得一系列新的建筑构件实体,这些实体往往不是AutoCAD 系统原有的实体类设置能够快捷而明确地描述的。因此,需要设计一些新的实体类对象来描述建筑结构构件实体。现初步地设计了楼层(CFloor 、拉伸构件(CComp 和轴线(CA

17、xis 三类常用对象,每个楼层对象表示建筑中的一个楼层,如顶层就包括了顶层的所有柱、墙、屋面梁和屋面板对象及轴线位置,而拉伸构件对象的设计涵盖了梁、柱、墙、板四类基本结构构件。他们之间的关系如图3所示。拉伸构件对象(CComp 能够兼顾4类基本结构构件,是由于梁、柱、墙、楼板这4类构件都可以归纳为水平或垂直方向的拉伸构件。可以用若干个点定位他们的被拉伸截面多边形,最常用4个点P 1、P 2、P 3、P 4,或用整数n 标定多边形顶点数;用2个点(Pstart 、Pend 定位他们的拉伸路径;用一个文字字段(Text 标注他们的类型,如梁柱的种类、楼板是正常的还是开洞等。而轴线对象的结构中主要由

18、2个点(Pstart 、Pend 定位轴线的起点和终点,一个文字字段存放轴线编号,另有一个布尔变量(flag 标志该轴线是否是对称轴。在轴线对象中没有拉伸对象的截面多边形顶点信息。图3 自定义对象之间的隶属关系3.3 拓扑关系分析微观策略拓扑关系分析的微观策略可以简略地概括为:绘图比例>轴线>梁位置>柱位置>梁截面、板截面>梁实体重建>柱截面>层高>柱实体重建>墙位置>墙实体重建>过梁位置>过梁实体重建>楼板开洞位置>楼板实体重建。(1确定真实绘图比例在AutoCAD 系统的尺寸标注对象中,包含了两种尺寸值,一

19、种是施工时的实际尺寸;另一种是图纸中图元的实测尺寸数值,即绘制尺寸。从尺寸标注的显示数值和实测数值的比较中,可以得到该图纸真正的绘图比例。(2识别轴线对象建筑结构图中的轴线具有有别于其他图元的特征,即一端带有一个圆的水平或竖直直线,直线端点到该圆心的距离等于圆的半径。(3识别梁的位置与名称结构平面图轴线上正交直线的交点可认为是梁的端点。而梁和柱的名称都包含在MText 或Text 对象中。通过分析字符串,找出梁或柱的名称。这样就可把文字注释中的梁、柱类别理清。然后再进行梁的几何信息与文字标注的配对识别。 梁楼板墙柱拉伸构件(CComp·82· 工 程 图 学 学 报 200

20、6年(4识别柱的位置与名称只要在梁的端点中筛选就可以找到柱的位置。结合已识别的平面图中的“Z”类字符串,可以将柱位置与文字标注类别匹配。(5识别梁、柱截面轮廓把平面图中的文字注释与详图中的文字注释区分后,从详图中的注释出发,找到梁截面的顶面位置和梁底位置。梁截面的尺寸标注也往往定位在这组平行线的位置上。获取柱的截面信息与梁的识别类似。(6识别层高在本类实例中,建筑的层高集中体现在梁截面详图中。(7墙的三维重建梁中心线两侧240范围内的连续直线型平行线可能为墙线轮廓。(8识别楼板和楼梯位置从梁中心线网格上搜索所有互相独立的闭合区域,可从网格左下角出发,比较每条边的方向角,先搜索出外边框,进而搜索所有内部独立的闭合区域。4 实例分析结果用例选取了一个多层现浇钢筋混凝土框架的部分结构图。图纸数据中梁的形式为L1,柱的形式有Z1、Z2两种。由于该结构平面布置较为复杂,所以根据存在的