結構施工圖中截面注寫方式表示的框架柱的識別算法研究

張維錦，王 博，饒志華

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

結構施工圖中截面注寫方式表示的框架柱的識別算法研究

張維錦，王 博，饒志華

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

平法規定，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，分別在同一編號的柱中選擇一個截面按照一定的比例放大，同時注寫截面尺寸和具體配筋數值的方式來表達柱平法施工圖。實際工程圖紙中放大的柱截面大都直接表示在定位軸線上。本文便是針對這種截面法表示的框架柱，利用其制圖規則以及表示特點，研究出一種計算機能夠自動識別并且生成柱構件三維模型的算法并將其應用到三維鋼筋、工程量算量軟件中。經過對大量工程圖紙的應用測試以及用戶對實際工程的應用檢驗，能夠快速進行圖紙識別、三維建模以及相關的BIM應用。

結構施工圖；平法；截面注寫方式；BIM

隨著我國國民經濟的飛速發展以及建筑行業標準化水平的不斷提高，結構設計行業迫切需要一種規范、通用的圖示方法來傳達設計信息，為此，我國將平法［1］作為建筑行業通用的圖示方法。平法把結構構件的尺寸以及相應的配筋信息等，按照平面整體表示方法的制圖規則，整體直接地表示在各類構件的結構平面布置圖上，再與標準構造詳圖［2］配合，形成了一套新型完整的結構設計表示方法。用此方法傳達施工圖信息方便、簡單、規范，能夠滿足各結構設計、施工行業的需求，已經被廣泛應用。但是，結構施工圖紙全部是由計算機輔助軟件參照11G101圖集繪制的二維圖形，專業性、抽象性較強，只有具備相關專業知識的技術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算、施工組織管理等階段中的利用率并不高。這與我國施工企業技術人員整體素質還普遍不高的現狀相矛盾，并且很容易因為技術人員的認知、理解能力、疲勞程度而產生主觀的偏差，影響圖紙信息的正確傳遞以及循環利用。因此對于一種可以利用計算機自動識別二維圖紙中的各類建筑構件以及其詳細的尺寸、配筋信息，并且能夠自動參照二維圖紙信息生成三維模型算法的研究是一個重要的課題。

針對識別轉換CAD二維圖紙自動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數據，匹配成三維點再分割成三角單元進而渲染生成三維地形的［3］；還有通過提取關鍵的幾何拓撲信息，并從平面圖中識別"門""窗"等構件再借助Visual C++以及OpenGL重現真實的三維房屋［4］。他們都是通過讀取CAD圖紙的DXF文件來完成轉換的。DXF文件是美國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，文件的擴展名為“.DXF”，用于外部程序和圖形系統或不同的圖形系統之間交換圖形信息。由于它結構簡單、可讀性好、易于被其他程序處理，因此已被各行業廣泛應用。但是現有三維建模應用軟件并沒有真正做到“一鍵式提取轉換”得到準確的三維模型，大都是要經過一系列復雜的設置、操作甚至重新建立模型。因此，研究出一種快速的“一鍵式提取轉換”生成三維模型的算法是非常有必要的?？蚣芙Y構是建筑中應用比較成熟、廣泛的一種結構形式，結構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用更為廣泛。本文便是針對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“一鍵式提取轉換”生成三維模型的識別算法，并將其應用到三維鋼筋、工程量造價軟件中。

1 截面注寫方式表示的框架柱的識別機制

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，準確、高效的提取到柱詳細信息，并且自動生成三維柱、鋼筋模型。

1.1 柱的工程分類

根據結構形式的不同，柱可以分為框架柱、剪力墻暗柱、構造柱等，其截面形式也有矩形、圓形、L形、T形等多種形狀。通過對比分析大量的工程圖紙發現框架結構中的柱多為矩形。本文便是針對這種應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 識別依據

結構施工圖是由計算機輔助軟件AutoCAD設計的圖紙文件，都是以DWG格式存在的，然而這種格式的文件并不公開。為了能直接利用設計圖紙的數據，避免重復的建模，我們可以利用AutoCAD的圖形交換的文件格式——DXF格式文件。DXF文件保存了對象圖元的坐標、長度、方向以及圖層等信息，而結構設計人員在利用結構設計軟件進行結構施工圖的繪制時會把尺寸線、鋼筋、柱邊線等圖元分圖層繪制管理。柱的集標信息也有其各自的特點。因此，便可以利用這些表示特點進行信息的識別、處理，以減少程序的運行時間，提高識別成功率。

1.3 對象圖元的指定

由于施工圖紙中的各類圖元是分圖層管理的，并且DXF文件保存了對象圖元的圖層、坐標、長度等信息，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，因此可以指定柱輪廓線以內的圖元為鋼筋；

3）表示縱筋與箍筋的線段長度有很大區別，可以利用這一點區分縱筋和箍筋。

2 截面注寫方式表示的框架柱的識別

平法圖集11G-101-1規定:除芯柱之外的所有柱截面按本規定第2.2.2條第一款的規定進行編號，從相同編號的柱中選擇一個截面，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后再注寫截面尺寸b×h、角筋或全部縱筋、箍筋的具體數值，以及在柱截面配筋圖上標注柱截面與軸線關系b1，b1，h1，h2的具體數值。

對比分析大量的工程圖紙發現，框架柱中心點并非都在軸線交點上，如圖1所示的柱中心點便不在軸線交點上。因此，對于用截面注寫方式表示的框架柱的識別算法的重點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 柱集標信息的讀取

通過對上述的平法規定以及大量工程圖紙的研究可知，框架柱的集標信息包括四行，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、三級鋼）、箍筋（含有字符“@”），同時 DXF文件中的字符都保存了其左下角的定位點坐標。因此，對于集標有引線的柱，可以通過引線找到相應集標信息；對于集標沒有引線的柱，找到距離其中心點最近的集標作為其集標信息。然后依次將以上各字符信息保存到定義的Cstring對象str1，str2，str3，str4中。

2.2 柱的識別

識別柱之前，先利用DXF文件分層管理對象圖元的性質，將所有的軸線識別為軸網，用于柱的定位。

參照張維錦［5］關于結構施工圖中暗柱的識別方法，識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際尺寸表示的柱。用上述的方法可以成功的識別到所有的柱構件，但是放大表示的柱截面并不能自動縮小到實際尺寸。如圖2所示初步識別后的放大顯示的柱并沒有縮小到實際尺寸，因此還需要對識別到的放大顯示的柱構件進行縮放以及移位。

圖2 初步識別后的柱效果圖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，根據集標信息可知其實際尺寸為450 mm×550 mm，但圖紙中的柱輪廓線尺寸為900 mm×1 100 mm，很明顯為了表達方便，繪圖者將其放大了兩倍顯示。根據規范可知柱定位點是軸線交點Q。因此，可以認定集標中包含柱名、尺寸、縱筋、箍筋信息的柱為放大顯示的柱，通過坐標找到繪圖時的放大倍數n，并將識別到的放大顯示的柱構件參照其中心點P縮小相同的倍數即得到實際尺寸的柱構件，再參照柱定位點Q將柱中心點與定位點之間的距離縮小相同的倍數n即可得到正確的尺寸以及位置的柱構件。

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，可以準確的識別到所有的柱構件并將放大顯示的柱縮放到實際尺寸，但是其平面位置會因為上述柱截面參照其中心點縮放產生偏差。因此，可以參照圖4（b）所示的定位點Q，將柱中心點P與定位點Q之間的距離縮小相同的倍數n（n=2），即可得到新的柱中心點R。之后參照柱原中心點P將其移動到新的中心點R即完成了柱平面位置的校正，如圖4（b）中實線表示的柱。

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件縮小到了實際的尺寸并將其移動到了正確的平面位置，完成了對截面注寫方式表示的框架柱的識別，如圖5所示為識別成功后的柱效果圖。

圖5 識別成功的柱效果圖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別

根據施工圖表示柱縱筋、箍筋的特點以及分類提取到的集標信息，生成滿足規范要求的柱鋼筋的三維模型。

3.1 柱縱筋的識別

根據對規范以及大量工程圖紙的研究發現，柱縱筋的表示方法有多種。針對其各自的表示特點研究出相應的識別算法。

3.1.1 讀取柱b、h邊中部鋼筋原位表達式

平法圖集11G-101-1規定:當縱筋采用兩種直徑時，須注寫截面各邊中部筋的具體數值（對于采用對稱配筋的矩形截面柱，可僅在一側注寫中部鋼筋，對稱邊省略不注寫）。因此，當縱筋采用兩種直徑時，柱鋼筋除了集標表示的角筋外還有中部原位標注表示的b、h邊的中部鋼筋，如圖6（a）所示的柱截面兩側的原位標注信息表示的便是各邊的中部縱筋信息。據上述規定可知當矩形柱采用非對稱配筋時，柱截面各邊的中部都會有原位標注信息。對于上述兩種情況，都可以根據字符串的坐標信息，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的鏈表里，附近沒有原位標注信息的說明其采用了對稱配筋，可直接利用對邊的原位標注信息。

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 柱縱筋的識別

將柱輪廓線內縮工程信息中規定的混凝土保護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”。

根據集標中的鋼筋信息，在縱筋定位線的4個角點生成相應直徑的縱筋，如圖7（a）中的1～4號鋼筋；根據之前保存在鏈表里的各邊中部鋼筋的根數以及直徑，在相應邊的（表示相應邊的中部鋼筋根數）等分點處生成各邊的中部鋼筋，如圖7（a）中的5～8號鋼筋。

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

3.2 箍筋的識別

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號箍筋?？蚣苤墓拷羁梢苑譃闃藴手拷詈头菢藴手拷顑煞N，前者每根柱縱筋都有箍筋、拉筋拉結，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，如圖6（b）所示的KZ-22.

3.2.1 標準柱箍筋的識別

根據上述標準柱箍筋的特點，直接按照保存的集標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號箍筋。判斷b，h邊中部縱筋的根數，如果是偶數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號箍筋；如果是奇數，則參照最外側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號箍筋。

圖7 KZ-28鋼筋的識別Fig.7 The KZ-28 reinforcement identification

3.2.2 非標準柱箍筋的識別

相對于標準柱箍筋，非標準柱箍筋的數量比較少，布置的也相對比較簡單。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，可直接按照圖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點20 mm范圍內是否有縱筋，有縱筋的則為拉筋。之后將箍筋的端點校正到距離其最近的柱縱筋外側，便完成了柱箍筋的識別。

至此便完成了柱構件以及柱鋼筋的識別，并能直接生成柱、鋼筋三維模型。

4 試驗結果

選取具有代表性的結構施工圖紙，將DXF格式的圖紙導入維錦真三維軟件平臺，只需點擊“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的配筋信息、自動將放大柱縮小到實際尺寸并且能夠三維顯示在其實際位置上。真正做到了“一鍵式提取轉換”生成三維柱、鋼筋模型。如圖8所示為識別成功后的三維柱、鋼筋模型圖。

圖8 識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 結論

通過對比、分析研究規范以及大量工程圖紙，得到結構施工圖中原位放大柱的表示方法以及特點，再利用DXF文件保存對象基本屬性的性質，建立一種原位放大柱的識別算法，能夠快速、高效的識別柱、鋼筋，并且生成三維模型。上述算法已經被應用于“維錦真三維”三維模型算量軟件，并且經實際工程測試取得良好的效果。

［1］中國建筑標準設計研究院.11G-101-1混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖［S］.北京:中國計劃出版社，2011.

［2］中國建筑標準設計研究院.12G-901-1混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖［S］.北京:中國計劃出版社，2012.

［3］周方曉，李昌華，趙亮.DXF文件三維地形數據的提取及可視化［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］.科協論壇，2011（3）:79-81.

［5］張維錦，汪雷，石學榮，等.結構施工圖中暗柱識別算法研究［J］.華東交通大學學報，2015（2）:117-122.

［6］姚宜斌，孔建.基于DXF文件的圖件轉換方法研究及程序實現［J］.大地測量與地球動力學，2011，31（1）:117-122.

［7］任沂軍.AutoCAD中DXF文件的坐標轉換分析與實現［J］.測繪通報，2006（7）:63-65.

［8］孟德舒.DXF格式文件轉換的研究與實現［J］.北京測繪，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

（責任編輯 王建華）

2016－06－07

張維錦（1962—），男，副教授，研究方向為三維CAD及算量軟件的開發與應用。