鐘輝 朱琳 苗元滿

摘要：為了在建筑爬架設(shè)計(jì)中提高設(shè)計(jì)效率，課題針對(duì)CAD圖紙，結(jié)合建筑工程設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，采用BIM二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，研究實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件的識(shí)別和三維建模技術(shù)。研究?jī)?nèi)容包括建筑圖中的墻、柱和梁基本建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)提取與識(shí)別，并在Revit中自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的三維模型。提出基于圖元的圖層和幾何特征識(shí)別算法，通過(guò)Teigha.NET類(lèi)庫(kù)對(duì)CAD圖紙中的信息讀取，利用RevitAPI進(jìn)行幾何識(shí)別和計(jì)算并進(jìn)行三維構(gòu)件創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化三維建模流程。研究成果可以在CAD圖紙中快速提取和識(shí)別建筑構(gòu)件的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的三維建模，顯著提高建筑信息模型（BIM） 的創(chuàng)建效率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：C#；CAD；三維模型；RevitAPI；Teigha

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）31-0138-04

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著建筑信息模型（BIM） 在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用，利用CAD圖紙進(jìn)行建筑構(gòu)件的識(shí)別和三維建模成為一項(xiàng)重要的研究方向[1]。在傳統(tǒng)的建模過(guò)程中，手動(dòng)創(chuàng)建和編輯構(gòu)件模型需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，并且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤和不一致。因此，通過(guò)利用Revit API進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAD圖紙中的構(gòu)件數(shù)據(jù)的提取和建模，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。

研究旨在利用Revit API進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，基于CAD圖紙實(shí)現(xiàn)墻柱梁建筑構(gòu)件的數(shù)據(jù)提取與識(shí)別，并自動(dòng)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的三維模型。實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確和自動(dòng)化的建模過(guò)程，為BIM應(yīng)用提供了有力的支持。

1 技術(shù)與方法

1.1 CAD圖紙預(yù)處理

常規(guī)的CAD建筑圖紙不但有建模所需要的墻、柱、梁等建筑構(gòu)件信息，還包含了這些部件的尺寸、材質(zhì)等信息，這些信息可以為建模提供準(zhǔn)確的依據(jù)。但信息量較大，有些信息冗余，因此首先需要對(duì)建筑 CAD平面圖紙進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)規(guī)范對(duì)建筑物按照不同的類(lèi)別進(jìn)行分層。

1.2 二維模型數(shù)據(jù)提取

CAD圖紙中的建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)通常由兩個(gè)部分組成。第一部分為建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)圖，包括墻、柱和梁的平面視圖和立面視圖，這些幾何元素可以明確建筑構(gòu)件的形狀和結(jié)構(gòu)。第二部分為文字標(biāo)注，標(biāo)注建筑構(gòu)件的尺寸、長(zhǎng)度、高度、厚度等信息，這些信息可以獲知建筑構(gòu)件的具體尺寸。在數(shù)據(jù)提取時(shí)，將CAD圖紙中的文字和幾何元素分別提取并保存到不同的集合中。在保存文字時(shí)，同時(shí)保存文字的位置、文本信息和圖層名稱等信息。在保存幾何元素時(shí)，保存位置、幾何元素類(lèi)型、線段長(zhǎng)度、梁的寬度和高度等信息，為三維模型生成提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 構(gòu)件識(shí)別

基于圖層及線型屬性的幾何特征識(shí)別：將建筑構(gòu)件分圖層存儲(chǔ)，編程讀取這些圖層，獲取這些建筑對(duì)象的平面坐標(biāo)進(jìn)行三維建模。以建筑施工圖行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為例，墻存儲(chǔ)于“WALL”圖層，柱存儲(chǔ)于“柱”圖層，梁存儲(chǔ)于“BEAM”圖層，考慮設(shè)計(jì)人員對(duì)圖層起名的不規(guī)范性，凡是圖層名字中帶有“WALL”或者“墻”“COLUMN”或者“柱”“BEAM”或者“梁”的圖層均為相應(yīng)的墻圖層、柱圖層、梁圖層。然而通過(guò)對(duì)大量圖紙的研讀分析，發(fā)現(xiàn)只根據(jù)圖層進(jìn)行構(gòu)件區(qū)分的方式并不嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)合墻、柱由PLine線構(gòu)成，梁由Line線構(gòu)成的線型特征及構(gòu)件的幾何特征進(jìn)行進(jìn)一步的識(shí)別確認(rèn)。

1.4 三維模型生成

基于Revit軟件平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言和Visual Studio2015開(kāi)發(fā)工具，基于Revit和Teigha.NET類(lèi)庫(kù)提供的函數(shù)庫(kù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，結(jié)合獲取到的構(gòu)件信息，編寫(xiě)建模程序，實(shí)現(xiàn)Revit中自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)BIM模型。RevitAPI是Autodesk公司提供給開(kāi)發(fā)者使用的應(yīng)用程序編程接口，使開(kāi)發(fā)人員能夠與Autodesk Revit軟件交互[3]。通過(guò)引用RevitAPI.dll，RevitAPIUI.dll文件，在程序中調(diào)用RevitAPI中的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)Revit操作，將搭建成功的程序生成后綴為.dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，使用外部工具執(zhí)行該文件，實(shí)現(xiàn)在Revit中建立三維模型。

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

綜上所述，構(gòu)件的三維建模過(guò)程總體分為以下幾步：CAD圖紙的預(yù)處理；數(shù)據(jù)提取，結(jié)合相應(yīng)算法識(shí)別墻、柱、梁；通過(guò)設(shè)計(jì)算法計(jì)算不同構(gòu)件的輪廓，并根據(jù)拉伸高度進(jìn)行三維建模。

2.1 數(shù)據(jù)提取

Teigha.NET類(lèi)庫(kù)提供了構(gòu)件屬性訪問(wèn)功能，可以輕松地訪問(wèn)CAD圖紙中的構(gòu)件屬性信息。在CAD中使用PU命令，刪除圖形中未使用的命名項(xiàng)目，清理圖紙中無(wú)用元素[4]，根據(jù)元素在CAD中存儲(chǔ)類(lèi)型的不同將標(biāo)注、位置等屬性保存到集合ListCADTextModels中、將圖層、線型等屬性保存到集合ListCADGeometryModels中[5]，見(jiàn)圖1。

2.2 構(gòu)件識(shí)別

通過(guò)數(shù)據(jù)提取，把構(gòu)成墻、柱、梁的線存儲(chǔ)于集合ListCADGeometryModels中，根據(jù)圖紙分析，墻、柱線由PLine線構(gòu)成，梁線由Line線構(gòu)成，遍歷集合中的線，將集合分為包含墻柱線的集合ListPLine和包含梁線的集合ListLine。

1） 墻識(shí)別

在CAD圖中的墻體最簡(jiǎn)單的是由四個(gè)頂點(diǎn)組成的細(xì)長(zhǎng)矩形，復(fù)雜一點(diǎn)則是L形、T形、X形等，L形有六個(gè)頂點(diǎn)，T形有8個(gè)頂點(diǎn)，X形有12個(gè)頂點(diǎn)。見(jiàn)圖2（a） （b） （c） （d） 。

每增加一個(gè)L形墻角，整體的點(diǎn)數(shù)會(huì)增加2個(gè)，每增加一個(gè)T形墻角，整體點(diǎn)數(shù)增加4個(gè)，每增加一個(gè)X形墻角，整體增加8個(gè)頂點(diǎn)。由簡(jiǎn)單墻體增加了一個(gè)L形墻體、T形墻體、X形墻體，其頂點(diǎn)數(shù)為[4+1×2+1×4+1×8=18]見(jiàn)圖2（e） 。

通過(guò)計(jì)算分析可知，墻體一般是封閉多邊形表示，且多邊形的點(diǎn)數(shù)為大于等于4的偶數(shù)。建立空的點(diǎn)列表集合ListPoints1用于存儲(chǔ)頂點(diǎn)坐標(biāo)信息。循環(huán)遍歷ListPLine集合中的每個(gè)頂點(diǎn)，當(dāng)頂點(diǎn)數(shù)為大于4的偶數(shù)時(shí)，判斷為墻，并將頂點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)到集合listPoints1。當(dāng)頂點(diǎn)數(shù)等于4時(shí)，須進(jìn)行墻、柱區(qū)分。

2） 柱識(shí)別

在CAD圖紙中，柱一般為矩形，由四條PLine線構(gòu)成，即四個(gè)頂點(diǎn)，通過(guò)循環(huán)遍歷集合ListPLine，獲得頂點(diǎn)數(shù)為4的封閉多邊形。在與墻體做區(qū)分時(shí)，考慮長(zhǎng)寬比，當(dāng)長(zhǎng)寬比大于2時(shí)，為墻，小于2時(shí)為柱。建立空的點(diǎn)列表集合listPoints2用于存儲(chǔ)頂點(diǎn)坐標(biāo)信息。循環(huán)遍歷集合ListPLine中的每個(gè)頂點(diǎn)，當(dāng)頂點(diǎn)數(shù)等于4時(shí)，計(jì)算兩個(gè)相鄰頂點(diǎn)之間的距離distance，并將前3個(gè)頂點(diǎn)得到的兩條線段的距離進(jìn)行比較得到相對(duì)較長(zhǎng)的線段distance1和相對(duì)較短的distance2，當(dāng)distance1與distance2的比值小于2時(shí)，即判斷該四邊形為柱，將頂點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)于集合listPoints2中。當(dāng)比值大于2時(shí)，說(shuō)明該四邊形為墻，頂點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)于集合ListPoints1中。墻柱識(shí)別流程見(jiàn)圖3。

3） 梁識(shí)別

在CAD圖紙中梁由Line線構(gòu)成的雙平行線表示。創(chuàng)建ListBeamLines空集合，用于存儲(chǔ)識(shí)別到的梁線，創(chuàng)建ListDistance集合，存儲(chǔ)兩條梁線之間的距離。循環(huán)遍歷ListLine中所有線，選擇一條線line1作為基準(zhǔn)線，并從集合中刪除它，再次遍歷集合，在刪除基準(zhǔn)線line1之后的集合中，尋找另外一條與line1長(zhǎng)度（誤差控制在10mm以內(nèi)）相等，角度相同的線line2，如若滿足條件，將兩條線添加到ListBeamLines集合中，并計(jì)算兩條線之間的距離distance，通過(guò)判斷橫縱坐標(biāo)是否相等，進(jìn)一步判斷梁為橫梁還是豎梁，如果兩條梁線的起點(diǎn)橫坐標(biāo)相同，縱坐標(biāo)不同，則為橫梁，距離即為縱坐標(biāo)之差；如果兩條梁線的起點(diǎn)縱坐標(biāo)相同，橫坐標(biāo)不同，則為豎梁，距離為橫坐標(biāo)之差。將距離與設(shè)定的梁寬200mm和300mm，進(jìn)行比較（誤差控制在10mm以內(nèi)），符合條件的添加到集合ListDistance中。梁識(shí)別流程見(jiàn)圖4。

2.3 識(shí)別構(gòu)件輪廓及拉伸高度

1） 輪廓

墻：遍歷PLine線集合，得到頂點(diǎn)坐標(biāo)集合ListPoints1，將集合中的點(diǎn)按順時(shí)針排序，從起點(diǎn)到終點(diǎn)，首尾相接，順序生成線段，并添加進(jìn)線段集合CurveArray1中，最后將集合CurveArray1添加進(jìn)封閉輪廓線CurveArrArray1列表中，得到墻底面輪廓集合。

柱：遍歷PLine線集合，得到頂點(diǎn)坐標(biāo)集合ListPoints2，將集合中的點(diǎn)按順時(shí)針排序，從起點(diǎn)到終點(diǎn)，首尾相接，順序生成線段，并添加進(jìn)線段集合CurveArray2中，最后將集合CurveArray2添加進(jìn)封閉輪廓線CurveArrArray2列表中，得到柱底面輪廓集合。

梁：遍歷Line線集合，得到了相互平行且相等的梁線組，遍歷梁線組ListBeamLines，將每組梁線構(gòu)建一個(gè)閉合曲線環(huán)CurveLoop，并將其添加到集合ListCurveLoop，得到梁輪廓集合。

2） 高度

在CAD圖紙中，墻、柱的高度一般與樓層高度相同。梁的拉伸高度通過(guò)讀取CAD中的文字標(biāo)注即可得到。遍歷集合ListCADTextModels，在所有文字標(biāo)注中，帶有“L”的為梁標(biāo)注，在梁標(biāo)注中“×”號(hào)后面的整數(shù)，為梁的高度如圖4中數(shù)字“700”，（） 內(nèi)的數(shù)字如（+0.200） 表示梁高在樓層高度以上0.200m（見(jiàn)圖5） 。

2.4 拉伸

使用Revit API中提供的FamilyCreate.NewExtrusion方法創(chuàng)建三維輪廓[6]。

2.5 拉伸底面輪廓

通過(guò)調(diào)用FamilyCreate.NewExtrusion方法，傳入在上文計(jì)算出的型件的底面輪廓和拉伸高度，實(shí)體拉伸三維模型外輪廓。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證算法可行性，對(duì)如下圖紙進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法可以實(shí)現(xiàn)CAD圖紙數(shù)據(jù)提取及翻模。

3.1 讀取圖紙

使用Teigha.NET類(lèi)庫(kù)，讀取CAD圖紙，刪除無(wú)用圖層，保留墻、柱、梁及文字標(biāo)注圖層。使用數(shù)據(jù)提取算法，將提取到的文本信息，和幾何信息分別存儲(chǔ)。并通過(guò)構(gòu)件識(shí)別算法，識(shí)別相應(yīng)構(gòu)件信息，見(jiàn)圖6。

3.2 根據(jù)提取的數(shù)據(jù)，生成三維模型

1） 生成墻

創(chuàng)建墻的底面輪廓：已知墻底面輪廓集CuveArray1，在Revit中創(chuàng)建一個(gè)二維輪廓線，使用Revit API中的Curve類(lèi)來(lái)表示輪廓線。使用Line.CreateBound（）方法創(chuàng)建線段。

創(chuàng)建墻類(lèi)型：使用Revit API，可以創(chuàng)建一個(gè)新的墻類(lèi)型，并將輪廓線應(yīng)用于該墻類(lèi)型。使用WallType.Create（）方法創(chuàng)建新的墻類(lèi)型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

創(chuàng)建墻實(shí)例：使用Revit API的Wall.Create（）方法來(lái)創(chuàng)建墻的實(shí)例，并指定其位置、朝向、墻類(lèi)型等屬性。使用Document對(duì)象來(lái)管理Revit項(xiàng)目，并使用Document.Create方法將墻實(shí)例添加到項(xiàng)目中。

設(shè)置墻的高度：根據(jù)已知的拉伸高度，使用Revit API的Element類(lèi)的來(lái)設(shè)置墻的高度屬性。使用Element.get_Parameter（）方法獲取墻的高度參數(shù)，然后使用Parameter.Set（）方法設(shè)置墻的高度值。

2） 生成柱

解析底面輪廓數(shù)據(jù)：根據(jù)已知的柱底面輪廓數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為Revit API可接受的幾何對(duì)象。使用Revit API中的Curve類(lèi)來(lái)表示底面輪廓的邊界線，使用PolyLine類(lèi)來(lái)創(chuàng)建底面輪廓的邊界線。

創(chuàng)建輪廓線的閉合環(huán)：將底面輪廓的邊界線連接為一個(gè)閉合的輪廓環(huán)。使用中的CurveLoop類(lèi)來(lái)表示閉合環(huán)，通過(guò)添加底面輪廓的邊界線到CurveLoop對(duì)象中實(shí)現(xiàn)。

創(chuàng)建柱的幾何對(duì)象：使用Extrusion類(lèi)創(chuàng)建柱的幾何對(duì)象。通過(guò)指定底面輪廓的閉合環(huán)、拉伸高度和拉伸方向來(lái)創(chuàng)建柱的幾何體。

創(chuàng)建柱的類(lèi)型：通過(guò)Revit API，可以創(chuàng)建一個(gè)新的柱族類(lèi)型，并將柱的幾何形狀和參數(shù)應(yīng)用于該族類(lèi)型。

創(chuàng)建柱的實(shí)例：使用FamilyInstance類(lèi)來(lái)創(chuàng)建柱的實(shí)例，并指定其位置、朝向、族類(lèi)型等屬性。

3） 生成梁

根據(jù)上文提取到的梁的平行線ListBeamLines，提取平行梁線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)。

使用起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建兩條平行線段的幾何對(duì)象，使用Line.CreateBound（）方法來(lái)創(chuàng)建線段。

創(chuàng)建閉合輪廓：使用CurveLoop類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)閉合的曲線環(huán)，將兩條平行線段作為環(huán)上的兩條線。

創(chuàng)建梁的幾何模型：使用Extrusion類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)梁的幾何模型，將閉合輪廓作為剖面，并指定梁的高度作為拉伸的距離。

創(chuàng)建梁的族類(lèi)型：使用Revit API創(chuàng)建一個(gè)新的梁族類(lèi)型，并將梁的幾何模型應(yīng)用于該族類(lèi)型。

創(chuàng)建梁的實(shí)例：使用FamilyInstance類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)梁的實(shí)例，并指定其位置、朝向、族類(lèi)型等屬性。

墻、柱、梁整體三維模型見(jiàn)圖7。

4 結(jié)論

通過(guò)Teigha.NET類(lèi)庫(kù)直接讀取CAD圖層中構(gòu)件的幾何位置信息，基于圖層及圖元線的幾何特征識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)了CAD建筑圖紙中墻柱梁數(shù)據(jù)的提取識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)在Revit平臺(tái)上的三維模型重建，有效地避免了設(shè)計(jì)過(guò)程中的重復(fù)勞動(dòng)，提升了人工翻模的效率和模型重建的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究提出的方法具有較強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性，能夠基本實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)構(gòu)件自動(dòng)翻模（部分構(gòu)件由于繪圖不標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)誤差），特別適合于熟悉CAD而不熟悉Revit的設(shè)計(jì)人員使用，能夠在很大程度上規(guī)避因?yàn)閷?duì)Revit軟件操作不熟練而導(dǎo)致的翻模效率低下的問(wèn)題，極大地提高了模型重建效率。相比于純手工建模，研究提出的方法能夠顯著地節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和精力，讓設(shè)計(jì)人員從煩瑣的建模工作中解放出來(lái)。方法雖然已經(jīng)達(dá)到了較高的準(zhǔn)確率和效率，但是在容錯(cuò)性和內(nèi)容深度方面仍有改進(jìn)空間，需要研究者進(jìn)一步探索和優(yōu)化。

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