建筑鋁模板安裝施工圖自動標注方法研究

王雪巍，盛步云，張 云，劉遠志

(武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070)

建筑鋁合金模板是一種建筑施工的混凝土成型模具，是一種裝配式的新型建筑模板體系，也是目前國內正在大力推廣的綠色節能建筑材料[1]。隨著計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)和計算機輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)技術的發展,許多專家學者研究在計算機三維軟件上實現建筑鋁合金模板的設計，鋁模板逐漸從傳統二維設計向三維設計進行轉變，目前國內很多鋁模板企業已經實現三維數字化設計，采用“三維設計，二維出圖”的設計模式[2]。在鋁模板工程領域，鋁模板企業依靠三維模型指導現場拼裝還不現實，仍然采用建筑鋁模板安裝施工圖進行拼裝[3]。安裝施工圖需要包含所有鋁模板的信息，標注內容為鋁模板的文字信息，多采用平法表示，且標注信息的位置要準確、清晰和美觀，考慮鋁模板零件數量眾多，空間層次結構較復雜，因此研究安裝施工圖的自動標注意義重大。目前，主流的CAD軟件，例如SolidWorks，UG，Pro/E都有工程圖自動標注模塊，但是在由三維模型出二維工程圖時，因沒有充分考慮布局等因素，自帶的零部件序號自動標注功能無法實現智能有序布局，導致標注結果不符合相關標準[4]。如何實現鋁模板安裝施工圖的自動標注已成為鋁模板企業的迫切需求。

利用三維模型出工程圖，并實現自動標注，國內外學者已作了大量的研究。LI等[5]采用動態編程技術，針對用戶選擇的標準，確定尺寸標簽的最佳位置。KELLY等[6]提出了一套交互式尺寸標注的設計原則，用一種新的算法實現交互地放置尺寸線，在機械模型的交互式參數化建模環境中自動標注。CHEN等[7]提出了基于尺寸特征提取的尺寸自動標注方法，通過零件中點、線、面的各種拓撲關系來判斷可能產生的尺寸冗余，提出了機械特征、拓撲特征、幾何特征等尺寸特征概念。李末等[8]針對設計人員在繪制工程圖樣過程中，尺寸標注繁多、工作量大、易出錯的特點，基于 SolidWorks提供的API接口，實現了對工程視圖尺寸標注的自動生成。歐陽世嘉等[9]針對三維參數化模型的工程圖，提出了一種尺寸自動標注與布局的算法，對自動標注有一定的借鑒意義。黃浪等[10]針對定型模板，基于特征提取，在UG平臺開發了定型模工程圖自動標注系統。盧遠志等[11]提出基于排樣思想的尺寸防干涉算法，通過建立防干涉最優化模型，實現模具零件的自動標注。

上述研究方法對實現工程圖自動標注與布局做出了積極的探索和研究，但大多只針對某些特定形狀的零件有較好的結果，還無法很好地用于鋁模板安裝施工圖。鑒于此，在現有研究基礎上，本文提出一種自動標注及布局的方法。首先對鋁模板信息模型和標注信息模型表達，并結合鋁模板的特點和設計規范，建立標注規范知識庫；提出零件配合信息搜索方法，找出與配件配合的零件；提出零件空間層級劃分方法，判斷出零件在空間的層級位置；提出標注信息平行顯示方法，得到標注的偏移角度；最后提出文本信息自動標注及布局方法，實現鋁模板安裝施工圖的文字自動標注。本文方法極大地減少了設計人員的工作量，有效提高了鋁模板安裝施工圖的設計效率和設計質量。

1 問題描述

在建筑鋁模板行業，施工人員需要根據鋁模板安裝施工圖，在正確的位置安裝對應的零件，從而拼裝成完整的建筑模型。鋁模板施工安裝圖不同于零件圖，零件圖的標注以尺寸標注為主，而安裝施工圖標注的主要內容是裝配體中的各個零部件的信息和位置，即零件信息和定位信息。其中定位信息可以根據建筑設計圖紙來獲取，所以主要是對零件信息進行標注，標注的內容主要是文字注釋，通過標注在鋁模板零件的旁邊達到對鋁模板解釋說明的作用。由于鋁模板裝配體中零件數量巨大，零件種類多，標注的工作量巨大且布局混亂，使用人工標注會限制鋁模板的出圖效率和質量。因此，研究建筑鋁模板安裝施工圖的自動標注方法意義重大。

為滿足實際的安裝過程，安裝施工圖自動標注需要達到以下基本標準：

(1)標注與其他標注沒有重疊。

(2)每個標注信息可以準確的表達一塊鋁模板零件。

(3)標注文字與對應零件保持一一對應，位置貼近所標注的零件，盡量標注在空白區域。

(4)標注的格式必須滿足設計人員和施工人員制定的規范。

鋁模板安裝施工圖主要通過平面視圖表達，標注信息集中顯示在單視圖上，標注的數量多，與其他標注很容易重疊；同時，零件在空間結構復雜，可能存在層疊，投影到工程圖就會產生重疊。由此可見，采用傳統的自動標注方法，很難滿足上面提及的標注標準。

2 鋁模板及標注信息模型表達

2.1 鋁模板信息模型表達

鋁模板作為混凝土的成型模具，主要由鋁合金型材和板材組成。鋁模板作為裝配體中的基本單元，構建鋁模板信息模型是非常有必要的。鋁模板信息包括基本信息、空間特征、屬性信息和標注信息，表示為

其中，Part_f為鋁模板的基本信息，包括模板名稱、模板規格、模塊等；Fet_f為模板的空間特征信息，包括空間位置、最小包圍盒、父結構模板；Att_f為模板屬性信息，包括模板包裹編號、模板類型、投影區域；Lab_f為模板標注信息，包括標注名稱、位置、方向、顏色等。圖1顯示鋁模板信息模型中所包含的信息。

圖1 鋁模板信息模型

2.2 標注信息模型表達

通過分析建筑鋁模板安裝施工圖標注特點可知，標注幾何信息L|Geo可以用一個五元組表示，包括標注文本(Text)、標注區域(Reg)、標注方向(Dir)、標注位置(Pos)和標注顏色(Col)，即

標注的信息模型L|Topo可表示為

其中，DF為鋁模板信息模型；Rule為標注規則知識庫，通過鋁模板信息模型和標注規則知識庫可以求解出標注信息模型，標注信息模型如圖2所示。

圖2 標注信息模型

3 安裝施工圖自動標注關鍵技術分析

3.1 鋁模板零件配合信息搜索方法

鋁模板系統中的配件是安裝過程中不可缺少的零件，主要含有壓槽、啟口、滴水線、固定片、水管槽、欄桿杯口。配件是用來使混凝土成型后，形成特殊的缺口，達到建筑設計的要求。例如固定片主要用于安裝窗戶時固定窗框，避免后期抹灰突出而影響整體抹灰高度。在鋁模板工程領域，配件都是貼在鋁模板零件表面，以所配合的零件為基準進行安裝，因此在安裝施工圖中，配件的標注和相應的零件的標注應放在一起，方便安裝。

鋁模板零件和配件配合采用面面接觸配合，與配件接觸配合的零件可能是鋁模板零件，也可能是其他配件，本文采用層次結構樹表示鋁模板零件和配件的配合關系，層次結構清晰，可以降低裝配體復雜度。樹結構層次模型圖如圖3所示，鋁模板零件作為配件的根節點，例如第一個分支表示，配件1、配件2都與零件1面面接觸配合，以零件1為基準安裝。

因為鋁模板零件相比配件數量巨大，為了精準搜索所有配件的配合信息，本文設定鋁模板零件為第一優先級，配件為次優先級，即配件優先考慮與鋁模板零件面面接觸，如果沒有符合要求的零件，再考慮與其他配件的面面接觸。搜索方法流程如圖4所示，具體搜索方法如下：

步驟1.遍歷裝配體的特征樹，將鋁模板零件和配件分別儲存到集合和集合。

步驟2.表示配件Gi與零件Pj的面面接觸的面積，該值大于臨界值k表示兩者是配合關系。從1~m遍歷配件集合G，分別計算配件Gi與零件的接觸面積，若則停止當前循環，開始計算配件Gi+1。

步驟3.將步驟2中的Gi從集合G中刪除，并存入新的集合。剩余配件的集合。

步驟4.從1至m-h遍歷配件集合G，計算配件Gi與 配 件Mj(j=1,2,···,h)的 接 觸 面 積，若則停止當前循環，開始計算配件Gi+1。

步驟5.將步驟4中的Gi從集合G中刪除，一直循環到集合G為空時停止。

圖3 鋁模板的樹結構層次模型

圖4 零件配合信息搜索方法流程圖

3.2 零件空間層級劃分方法

建筑鋁模板三維模型主要分為樓面、墻、吊模、梁、節點5個模塊，然后分模塊單獨生成安裝圖。安裝圖由平面整體表達(平法)，因為鋁模板零件在空間存在層疊，投影到工程圖上會產生重疊，標注信息也會干涉，所以將零件在空間層級劃分，使重疊零件的標注信息分層顯示，可以有效解決重疊零件的標注，提高安裝施工圖的美觀性。

針對以上問題，本文提出采用投影法將零件在空間劃分層級，示意圖如圖5所示，劃分方法如下：

圖5 零件空間層級劃分示意圖

步驟1.將所有類型不為配件的鋁模板存入集合。

步驟2.將集合G中零件按Y坐標排序得到新的集合。

步驟3.從P1零件的中心沿–Y軸投影掃描，根據掃描的順序，以此分層，并記錄所屬層數的下標Index，第一個掃描的零件P1.Index為1，依次遞增。

步驟4.將已經掃描過的零件Pi，從零件集合中P刪除，更新集合P。

步驟5.繼續重復步驟2，直至集合P中的零件數目為零。

3.3 零件標注信息平行顯示方法

鋁模板安裝施工圖分部位出圖，不同部位的結構特征不同。對于空間結構簡單的裝配體，出上視圖即可。對于空間結構復雜的裝配體，采用先爆炸視圖，最后出軸側視圖，盡量使安裝圖直觀、無歧義。零件通過投影到二維圖，零件在不同視圖的二維圖中位置不同，隨著鋁模板零件的旋轉會出現標注信息翻轉、偏移等問題。為了實現標注信息的準確顯示，本文提出了水平顯示，即標注文字與零件邊輪廓平行，先利用矩陣變換計算零件端點在二維圖中的坐標，再通過向量計算出零件標注偏移角度，保證文字平行顯示。

零件從三維空間投影到二維平面，圖形會發生變化。圖形由線框構成，線由若干點組成，所以計算投影之后的點坐標就能確定圖形，從而確定標注位置。標注信息平行顯示的示意圖如圖6所示，方法具體如下：

步驟1.通過CAD軟件的API函數獲取當前視圖的投影變換矩陣T，即

步驟2.獲取零件三維空間中的端點通過矩陣T坐標變換，計算端點A和B在圖紙中的坐標和。

步驟3.求出邊線的向量并單位化，得到單位向量。

步驟4.并計算向量與X軸正向單位向量的夾角的絕對值，即為向量的偏移角度α。

步驟5.根據向量的坐標，計算其所屬的象限區域，然后計算標注文字的偏移角度β，即

步驟6.將標注文字按計偏移角度β擺放，實現標注信息的平行顯示。

圖6 標注信息平行顯示示意圖

3.4 鋁模板文本信息自動標注及布局方法

對鋁模板而言，標注對象是普板、直C槽、轉角C槽、底籠、固頂、墻板、角鋁、固定片、企口等，不同類型的零件標注規則不同，根據零件類型對零件進行文字信息標注。結合前文提到的信息模型，分別對上述零件的信息模型表達；通過零件配合信息搜索方法，找出與配件配合的零件；通過零件空間層級劃分方法，判斷出零件在空間的層級位置；通過標注信息平行顯示方法，得到標注的偏移角度；最后通過匹配標注規范知識庫求解標注信息模型，實現零件信息自動標注。同時，零件在空間可能存在重疊，故還需要對這些標注文字進行移動，避免重疊，進行合理布局，自動標注及布局方法如下：

步驟1.遍歷零件集合，對每個零件的信息模型表達DFi(i=1,2,···,n)。

步驟2.識別裝配體部位，找到對應部位的標注規范知識庫Data。

步驟3.遍歷集合P，判斷零件Pi(i=1,2,···,n)的零件類型，匹配知識庫Data中該類型零件的規則，求解標注信息模型。

步驟4.以零件最小包絡體左下角點的坐標為判斷基準，按x,y值從小到大將零件集合P排序，得到新的集合。

步驟5.遍歷集合G，借助CAD軟件的API函數，依次將零件Gi的標注信息L|Geo自動標注到工程圖紙上。對空間重疊的零件，所屬層下標為Index，將其文字標注位置移動height=Index×70。

其中，安裝施工圖自動標注及布局方法流程如圖7所示，該方法有效避免了標注文本的重疊和干涉，不僅提高了出圖效率而且提高了圖紙質量。

圖7 自動標注及布局流程圖

4 應用實例

為了驗證本文方法的有效性，以國內某一建筑科技公司鋁模板樓面和節點部位為例，運用本文描述的自動標注方法，通過二次開發技術在SolidWorks平臺上得以實現，并取得了令人滿意的結果。

節點部位主要零件類型有普板、直C槽、固定片、企口、滴水線等，零件數量相較其他部位偏多，且零件配合比較密集，要求標注的文字不重疊，在工程中通過等軸側視圖可以最完整地展現所有零件。窗戶節點部位的三維模型及其自動標注的安裝施工圖如圖8所示，可以看出自動標注的文本信息沒有發生重疊，且空間重疊的零件的標注分層顯示，滿足安裝施工圖的設計規范，使鋁模板零件與信息表達更加簡潔、清晰、有條理，提高了圖紙的出圖效率和質量。

圖8 窗戶節點三維模型及其自動標注的安裝施工圖

本文方法在鋁模板設計領域是一個比較全新的算法，與其他領域的二維圖自動標注算法相比，該算法的先進性主要表現為：①考慮空間層疊的零件，實現重合的零件分層標注；②對于正視圖、等軸側視圖等，實現標注的平行顯示。同時本文對標注耗時進行了統計，對于實例中的模型，該算法自動標注的總平均耗時1 min，而使用軟件的標注功能，再手動調整標注平均耗時10 min，而且無法達到自動標注的效果。因此，該自動標注算法具有先進性和高效性。

5 結束語

本文針對鋁模板三維轉二維安裝施工圖工作量大、效率低的問題，結合鋁模板零件的特點，提出鋁模板安裝施工圖自動標注的實現方法，為鋁模板行業安裝施工圖自動標注提供了一些借鑒。基本實現了建筑鋁模板樓面、墻、梁、節點等部位的自動標注，減少大量的人工操作，提高圖紙的質量。然而，由于有些局部位置結構復雜、零件眾多，標注位置計算會有誤差，造成少量標注信息重疊，需要人工干預調整。在未來的研究工作中，還將進一步與企業實際相結合，改進自動標注的方法。比如將多個簡單零件組合成一個裝配體，把這些零件作為一個個體標注，減少標注的數量；或者優化設計，使裝配體的結構更簡單，減少零件出現重疊的概率，進一步提高鋁模板安裝施工圖生產效率和質量。