CN109815604B - 基于建筑要素拓扑关系的bim室内空间连通图构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及BIM空间分析领域，公开了一种基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，包括以下步骤：提取边界建筑要素几何信息；预处理几何信息；构建几何面集合拓扑关系；构建边界建筑要素间拓扑关系；提取边界建筑要素在二维平面投影多边形的骨架线；搜索二维封闭多边形；二维多边形映射室内封闭空间；生成BIM室内空间连通图。本发明以BIM室内封闭空间的边界建筑要素为对象，以单个建筑要素的拓扑有效性为前提，以不同建筑要素之间的拓扑关系为基础，对BIM建筑物室内三维空间进行划分，建筑要素拓扑关系构建完备；结合门、窗等开口建筑要素拓扑关系生成室内空间连通图，提高空间查询效率，为室内导航、应急逃生等应用提供数据支撑。

Description

基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法

技术领域

本发明涉及BIM空间分析领域，具体涉及一种基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法。

背景技术

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)作为一种新兴的计算机应用技术，目前已经逐步应用于建筑、交通运输、测绘、制造等各个行业。它包含精确的几何信息、丰富的建筑语义属性以及建筑要素间关系的专业性表达，以数字化信息支撑建筑物生命周期内的设计、采购、制造和运营等活动。IFC(Industry Foundation Classes，工业基础类)作为国际通用的BIM标准，定义了建筑物要素的类别、属性、几何表达方式、拓扑数据结构等，是BIM在实际工程应用的主要数据格式。

IFC标准定义了表示建筑物空间结构的要素如IfcSite、IfcBuilding、IfcSpace等，通过其语义属性来表达该建筑空间的功能特性，例如在IfcSpace的实例对象中标注其功能属性为廊道、房间等。这些建筑要素的属性能够表达自身三维空间的信息，但无法描述建筑要素间的拓扑关系(如墙体与墙体相接)。此外，在室内导航、应急逃生等领域中，开口建筑要素具有重要作用，例如门、窗等建筑要素的位置和方向决定了整个室内空间的连通方式。而IFC标准无法对空间关系进行精细表达，通过构建门、窗等开口要素与墙体的空间关系可以解决此类问题。

现有的BIM软件和工具无法解析IFC模型中隐含的几何和拓扑信息，并且也没有系统构建建筑要素间拓扑关系的功能。国内外学者基于BIM空间分析的研究主要是在经典拓扑数据模型的基础上，进行建筑要素拓扑关系推理以及建筑物内的路径规划和空间查询。从三维角度构建拓扑关系实现空间查询的研究较少，尤其是以室内封闭空间边界建筑要素为对象构建拓扑关系，目前还未有相关研究。

虽然IFC标准通过IfcRelationship模块能够表达建筑物内各对象之间的关系，但只能间接表达对象间的空间关系，与常用的自然查询语言中的相邻、相离、包含等关系不同。此外，如果在BIM建模过程未定义建筑要素间的空间关系，后续基于空间关系的应用分析效率较低。

因此，亟待提出一种基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，能够以建筑要素为单元，对室内空间进行三维划分，有助于解决建筑要素间拓扑关系构建的问题，提高室内空间查询的效率，为室内导航等应用提供数据支撑。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，能够对BIM室内空间进行三维划分，有助于解决建筑要素间拓扑关系构建的问题，提高空间查询的效率。

为实现上述目的，本发明所设计的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，包括以下步骤：

步骤S1)，从BIM数据中提取边界建筑要素几何信息，选取墙体、立柱、门、窗构成封闭空间边界的竖向边界建筑要素，选取楼板作为水平边界建筑要素，提取每个边界建筑要素的几何面集合表示其几何信息；

步骤S2)，预处理几何信息，检验几何面集合单个几何面的有效性以及几何面间的交集，处理不符合检验规则的点、线、面；

步骤S3)，对单个几何面集合搜索封闭几何体，构建每个边界建筑要素内几何基元的拓扑关系，得到点、线、面的拓扑关系集合；

步骤S4)，以墙体、立柱、门、窗及楼板为对象，通过布尔相交运算得边界建筑要素间的几何交集，构建边界建筑要素间拓扑关系；

步骤S5)，将同一楼层的竖向边界建筑要素以二维投影多边形表达，保存投影多边形与边界建筑要素的对应关系，提取投影多边形的骨架线并以线段集合表示；

步骤S6)，以任一骨架线线段为初始边，以线段的起点或终点为端点，通过线段间的最大角或最小角搜索最邻近的骨架线线段，循环搜索直至所有骨架线线段都被搜索到，得到同一楼层的二维封闭多边形集合；

步骤S7)，二维封闭多边形与三维边界建筑要素映射，结合楼板边界建筑要素得到围成室内封闭空间的建筑要素集合；

步骤S8)，生成BIM室内空间连通图。

作为优选实施方式，所述步骤S1)进一步包括以下步骤：

步骤S1.1)，导入BIM数据，根据语义属性提取构成室内封闭空间边界的建筑要素，将其几何信息表示为几何面集合F_建筑要素：{f_i,f_i+1,f_i+2,...,f_i+n}；步骤S1.2)，构建门、窗的三维凸壳，以三维凸壳上的几何面集合表示其几何信息，表示为：F_门：{f_j,f_j+1,f_j+2,...,f_j+n}，F_窗：{f_k,f_k+1,f_k+2,...,f_k+n}。

作为优选实施方式，在所述步骤S2)中检验边界建筑要素几何面集合的单个几何面有效性包括以下步骤：

判断几何面是否存在孤立点、孤立线段，若存在则删除孤立点、孤立线段；

判断组成几何面的环数量是否大于或等于1，若不符合则删除该几何面；

判断几何面的方向是否可定，若方向不统一则调整环上边的方向；

在所述步骤S2)中检验边界建筑要素几何面集合的几何面间交集包括以下步骤：

对几何面集合中的任意两个面进行布尔相交运算；

判断是否存在交线，若不存在则结束；

判断交线是否位于面的边界，若任意两个面布尔相交运算的交点位于几何面的内部，则该建筑要素无效；

判断交线的端点是否是几何面的顶点，若任意两个几何面布尔相交运算的交点位于几何面的边界且交点属于非顶点，则在交点处将面的边界线剖分，若任意两个几何面布尔相交运算的交点属于几何面的顶点，则结束；

若存在一个几何面与其它几何面都无交点，则删除该几何面。

作为优选实施方式，所述步骤S3)进一步包括以下步骤：

步骤S3.1)，利用CGAL的三维凸壳算法得到几何面集合的凸壳，计算几何面集合中所有几何面到凸壳几何中心的距离d，找到距离最远d_max的几何面并标记为f_最远；

步骤S3.2)，以几何面f_最远为初始面，从几何面f_最远边界上的任意一条边e出发，搜索几何面集合中以边e为公共边的所有邻接几何面；

步骤S3.3)，计算几何面f_最远与其所有邻接几何面之间的夹角，依据最大夹角或最小夹角搜索几何面f_最远的最邻近几何面；

步骤S3.4)，以搜索到的最邻近几何面为新的起始面，重复步骤S3.2)～步骤S3.3)，直至几何面集合中没有新的几何面被搜索到。

作为优选实施方式，所述步骤S4)进一步包括以下步骤：

步骤S4.1)，以墙体、立柱、楼板、门、窗作为构建拓扑关系的对象，通过布尔相交运算得到墙体—墙体、墙体—门、墙体—窗边界建筑要素间的几何交集；

步骤S4.2)，根据几何交集判断边界建筑要素间的拓扑关系；

步骤S4.3)，若边界建筑要素间的拓扑关系为相接，则进行基于几何信息的边界建筑要素间拓扑关系构建。

作为优选实施方式，所述步骤S4.3)进一步包括以下步骤：

步骤S4.3.1)，提取各个边界建筑要素的边界点集合S，对两个边界建筑要素的边界点集合S₁和S₂内的点坐标进行比较，若存在两个边界点的x,y,z坐标差值都在容差范围ε内，则将这两个边界点合并为一个点；

步骤S4.3.2)，若两个边界建筑要素存在公共点、线、面，则在两个边界建筑要素的几何结构中公共点、线、面以唯一标识表示；

步骤S4.3.3)，以几何交集中的点、线对边界建筑要素原始几何结构中的点、线进行打断、剖分处理，得到新的点、线、面，并记录布尔相交运算前后点、线、面的对应关系。

作为优选实施方式，所述步骤S5)进一步包括以下步骤：

步骤S5.1)，将墙体、立柱、门、窗竖向边界建筑要素的边界点投影到水平面，连接各投影边界点，得到投影多边形P_投影；

步骤S5.2)，提取投影多边形P_投影的骨架线；

步骤S5.3)，连接相邻骨架线。

作为优选实施方式，所述步骤S6)进一步包括以下步骤：

步骤S6.1)，对同一楼层的所有骨架线进行处理，以任意的一条骨架线的线段为起始线段，以线段的起点为原点，按照逆时针或顺时针方向，根据与起始线段的最大角或最小角搜索最邻近的线段；

步骤S6.2)，把新搜索到的线段作为起始线段重复步骤S6.1)，直至没有新的关联线段被搜索到；

步骤S6.3)，根据骨架线、多边形、边界建筑要素之间的对应关系，得到各边界建筑要素与室内封闭空间边界的构成关系，骨架线线段围成的封闭多边形对应建筑要素围成室内的一个封闭空间。

作为优选实施方式，在所述步骤S8)中，根据所述步骤S4)构建的门、窗与墙体的拓扑关系得到具有连通性的墙体，若两个封闭空间的边界要素集合包含相同的连通性墙体则表示这两个封闭空间连通；遍历室内空间的所有封闭空间，得到室内空间连通图。

本发明的有益效果是：本发明的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法以BIM室内封闭空间的边界建筑要素为对象，以单个建筑要素的拓扑有效性为前提，以不同建筑要素之间的拓扑关系为基础，对BIM建筑物室内三维空间进行划分，建筑要素拓扑关系构建完备；结合门、窗等开口建筑要素拓扑关系生成BIM室内连通图，提高BIM空间查询效率，为室内导航、应急逃生等应用提供数据支撑。

附图说明

图1为本发明优选实施例的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法的流程图。

图2为建筑物BIM数据在SketchUp软件中三维可视化效果图。

图3为建筑物BIM数据提取边界建筑元素后的三维可视化效果图。

图4为图1中的预处理几何信息步骤中几何面集合中单个几何面有效性检验的流程图。

图5为图1中的预处理几何信息步骤中几何面集合中几何面间交集检验的流程图。

图6为边界建筑要素间拓扑关系构建示例图。

图7为建筑物BIM数据二维封闭多边形搜索结果。

图8为建筑物BIM数据室内空间连通性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内连通图构建方法，通过自动化构建建筑要素间的拓扑关系实现建筑要素的拓扑关联，通过建筑要素间拓扑关系搜索得到室内各封闭空间的边界构成，从而对BIM进行三维空间划分，生成以封闭空间为单元，开口建筑要素拓扑关系为基础的BIM室内空间连通图。

请参阅图1，本方明的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法包括以下步骤：

步骤S1)，从BIM数据中提取边界建筑要素几何信息。根据IFC标准定义的建筑物结构提取BIM建筑要素，结合语义属性筛选墙体、立柱、门、窗等构成封闭空间边界的竖向建筑要素，筛选楼板作为水平建筑要素，提取每个边界建筑要素的几何面集合表示其几何信息。

步骤S2)，预处理几何信息。结合有效性检验规则对几何面集合预处理，判断边界建筑要素几何面集合的单个几何面是否有效，以及几何面间交集是否满足要求，对不符合检验规则的几何基元(点、线、面)进行处理。

步骤S3)，构建几何面集合拓扑关系。对建筑要素的几何面集合进行拓扑关系构建，以边界建筑要素的几何面集合为对象，构建每个边界建筑要素内几何基元的拓扑关系，得到点、线、面的拓扑关系集合。

步骤S4)，构建边界建筑要素间拓扑关系。以墙体、立柱、楼板和开口建筑要素(门、窗)为对象，通过布尔相交运算得到墙体—墙体、墙体—门、墙体—窗等建筑要素间的几何交集，从而得到面向语义对象的拓扑关系集合。

步骤S5)，提取二维多边形骨架线。将三维建筑要素二维化，提取二维多边形骨架线。同一楼层的竖向三维建筑要素，降维以二维投影多边形表达，保存投影多边形与三维建筑要素的对应关系；根据投影多边形的几何形态，提取其骨架线，以线段集合表示。

步骤S6)，搜索二维封闭多边形。根据骨架线的相邻关系搜索封闭多边形，以任一骨架线线段为初始边，以它的起点或终点为端点，通过最大角或最小角搜索最邻近的骨架线线段，循环搜索直至所有骨架线线段都被搜索到，最终得到同一楼层的二维封闭多边形集合。

步骤S7)，二维多边形映射室内封闭空间。二维封闭多边形与三维边界建筑要素映射，得到室内封闭空间的边界建筑要素集合。根据步骤S6)搜索得到的封闭多边形的边界线与三维建筑要素的对应关系，结合楼板建筑要素得到围成室内封闭空间的建筑要素集合。

步骤S8)，生成BIM室内空间连通图。结合步骤S4)中构建的建筑要素间拓扑关系生成室内空间连通图。提取步骤S4)获取的开口建筑要素与封闭空间边界建筑要素的拓扑关系，判断室内相邻封闭空间是否连通，根据连通关系生成BIM室内空间连通图。

由于BIM建筑要素类型几何形态复杂，本发明提出的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内连通图生成方法，适用于具有规则几何形态的BIM数据。下文将结合附图对本发明优选实施例的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法的各个步骤将分别进行进一步的详细解析。

步骤S1)，从BIM数据中提取边界建筑要素几何信息。

根据IFC标准定义的建筑物构件分类提取室内边界构成要素(墙体、立柱、楼板、门、窗等)，以几何面集合表示其几何信息，此时几何面之间无拓扑关系。主要步骤如下：

步骤S1.1)，以3D设计软件(如SketchUp)为可视化平台，导入BIM建筑物数据。本发明以某建筑物的顶层为实例，如图2所示，该BIM数据包含墙体、门、窗、书桌、沙发等多类建筑要素。根据IFC标准定义的建筑物构件分类提取室内边界构成要素，如图3所示，从三维可视化效果可以直观地看到该BIM数据包含8个封闭空间。

步骤S1.2)，根据IFC标准定义的墙体、立柱、楼板类别在BIM实例文件中提取对应实体的几何信息，其几何信息可表示为几何面集合F_建筑要素：{f_i,f_i+1,f_i+2,...,f_i+n}，如提取墙体时检索标签为“IFCWALL”或“IFCWALLSTANDCASE”的对象，解析其几何结构得到该墙体的几何面集合。

步骤S1.3)，根据IFC标准定义的门、窗类别在BIM实例文件中提取对应实体的几何信息。在BIM中，门、窗的几何表达方式与墙体不同，墙体几何结构较简单且形成封闭的三维几何体；而门、窗几何结构精细，单个对象由多个几何体构成。因此，在构建拓扑关系时可通过构建门、窗的三维凸壳，以三维凸壳上的几何面集合表示其几何信息，表示为：F_门：{f_j,f_j+1,f_j+2,...,f_j+n}，F_窗：{f_k,f_k+1,f_k+2,...,f_k+n}。

步骤S2)，预处理几何信息。

预处理几何信息包括检验边界建筑要素几何面集合的单个几何面有效性以及检验几何面间非顶点相交。

如图4中所示，检验边界建筑要素几何面集合的单个几何面有效性的具体处理方法如下：

①单个几何面的顶点、线段都应在面的边界上。判断几何面是否存在孤立点、孤立线段，若存在则删除孤立点、线段。

②单个几何面由至少一个环构成其边界，即面至少由三个以上不共线的顶点构成。判断组成几何面的环数是否大于等于1，若不符合则删除该几何面。

③面的方向是可定的，即组成面的环方向为顺时针或逆时针。判断几何面的方向是否可定，若方向不统一则调整环上边的方向。

完成单个几何面有效性检验后，进行几何面间交集检验。具体地，请参阅图5，处理方法如下：

①将几何面集合中的任意两个面进行布尔相交运算，判断是否相交于非顶点，应确保几何面集合内的几何面之间仅在顶点处相交。

②判断是否存在交线，若不存在则结束检验。

③判断交线是否位于面的边界，若任意两个面布尔相交运算的交点位于几何面的内部，则该建筑要素无效，几何面所在的建筑要素几何结构错误。

④判断交线的端点是否属于几何面的顶点，若任意两个几何面布尔相交运算的交点位于面的边界且交点属于非顶点，则在交点处将面的边界线剖分，并记录剖分前后边界线的对应关系。

⑤若任意两个面布尔相交运算的交点属于面的顶点，则无需进行预处理。

⑥若存在一个面与其它所有面都无交点则删除该几何面。

步骤S3)，构建几何面集合拓扑关系。

以建筑要素的几何面集合为对象，构建每个建筑要素内几何基元的拓扑关系，得到点、线、面的拓扑关系集合。具体步骤包括：

步骤S3.1)，寻找几何面集合中距离几何体中心最远的几何面f_最远。利用CGAL(Computational Geometry Algorithms Library，计算几何算法库)的三维凸壳算法得到几何面集合的凸壳，计算几何面集合中所有几何面到凸壳几何中心的距离d，找到距离最远d_max的几何面并标记为f_最远。

步骤S3.2)，以几何面f_最远为初始面，从几何面f_最远边界上的任意一条边e出发，搜索几何面集合中以边e为公共边的所有邻接几何面。

步骤S3.3)，计算几何面f_最远与其所有邻接几何面之间的夹角，依据最大夹角或最小夹角搜索几何面f_最远的最邻近几何面。

步骤S3.4)，以搜索到的最邻近几何面为新的起始面，重复步骤S3.2)～步骤S3.3)，直至几何面集合中没有新的几何面被搜索到。

步骤S4)，构建边界建筑要素间拓扑关系。

步骤S4.1)，以墙体、立柱、楼板、门、窗作为拓扑关系构建的对象考虑，通过布尔相交运算得到墙体—墙体、墙体—门、墙体—窗等建筑要素间的几何交集。

步骤S4.2)，根据几何交集判断边界建筑要素间的拓扑关系。若几何交集为空，那么拓扑关系为相离，如果几何交集不为空，那么拓扑关系为相接。

步骤S4.3)，若边界建筑要素间的拓扑关系为相接，则进行基于几何基元的边界建筑要素间拓扑关系构建。

步骤S4.3.1)，首先提取各个边界建筑要素的边界点集合S，对两个边界建筑要素的边界点集合S₁和S₂间的任意两点进行坐标值比较，若存在两个边界点的x,y,z坐标差值都在容差范围ε内，则将这两个边界点合并为一个点。

步骤S4.3.2)，去除边界建筑要素间的重复几何基元，使相同的几何基元唯一化。若两个边界建筑要素存在公共几何基元(点、线、面)，则在两者的几何结构中，公共几何基元以唯一标识表示。

步骤S4.3.3)，根据布尔相交运算得到的几何交集重构边界建筑要素的几何结构。以交集中的点、线几何基元对边界建筑要素原始几何结构中的基元进行打断、剖分处理，得到新的点、线、面，并记录布尔相交运算前后新旧几何基元的对应关系。打散所有相互之间有公共部分的几何基元，并记录打散前后新旧几何基元的关系。

步骤S4.3)，如图6所示，以空间1和空间2的墙体为例，通过拓扑关系构建可得墙体W₂分别与W₁、W₃、W₅相接、而W₁、W₃、W₅之间无交集。

步骤S5)，提取二维多边形骨架线。

步骤S5.1)，将墙体、立柱等边界建筑要素的边界点投影到水平面xoy，连接各投影边界点，得到墙体的二维投影——投影多边形P_投影。

步骤S5.2)，提取投影多边形P_投影的骨架线。若骨架线包含多条线段，则以线段集合表示该投影多边形P_投影的骨架线，且应确保这些线段仅相交于端点，记录骨架线的线段集合与投影多边形P_投影的对应关系。

步骤S5.3)，连接相邻骨架线。根据步骤S4)得到的边界建筑要素间拓扑关系，检验相邻边界建筑要素的投影多边形P_投影骨架线是否相交。若不相交，则分别延长骨架线的起始点直至相交于一点；若相交于非端点，则在交点处将线段剖分。

确保平面上的所有二维线段只在端点处相交，打断之后记录新旧线段的关系。根据算法，图6中的空间2中墙体W₂的骨架线与空间1中墙体W₁的骨架线相交，因此W₂的骨架线在交点处剖分为l₁,和l₂两条线段，如图7所示。

步骤S6)，搜索二维封闭多边形。

根据投影多边形P_投影骨架线的相接关系搜索封闭多边形，以任一骨架线线段为初始边，线段的起点或终点为端点，通过最大角或最小角搜索最邻近线段，循环搜索得到二维空间划分。

一个投影多边形P_投影的骨架线可能由多条线段构成，在搜索封闭多边形时，先以各骨架线的线段为单元搜索封闭多边形。待封闭多边形搜索完毕后，根据线段与骨架线的组成关系得到封闭多边形的边界。

具体步骤如下：

步骤S6.1)，以任意的一条骨架线的线段为起始线段，以线段的起点为原点，按照逆时针(或顺时针)方向，根据与起始线段的最大角(或最小角)搜索最邻近线段。

步骤S6.2)，把新搜索到的线段作为起始线段重复步骤S6.1)，直至没有新的关联线段被搜索到。

步骤S6.3)，根据骨架线、多边形、三维建筑要素之间的对应关系得到各建筑要素与室内封闭空间边界的构成关系，骨架线线段围成的封闭多边形对应建筑要素围成的封闭空间。

步骤S6.4)，图7表示该BIM数据通过边界建筑要素搜索算法得到8个封闭多边形。该楼层空间由18个竖直规则墙体围成，各线段表示三维建筑要素在二维平面投影多边形的骨架线。根据搜索算法线段集合{l₁,l₂,l₃,l₄,l₅}构成一个封闭多边形，其对应的墙体W₂、W₃、W₄、W₅围成图3中的空间2。

步骤S7)，二维多边形映射室内封闭空间。

根据步骤S6)搜索得到的封闭多边形的边界线与边界建筑要素的对应关系，结合楼板建筑要素，得到围成室内各封闭空间的建筑要素集合。通过映射，图7中所示的8个封闭多边形对应BIM实例中8个室内封闭空间。

步骤S8)，生成BIM室内空间连通图。

结合步骤S4)构建的门、窗等开口要素与墙体的拓扑关系，得到具有连通性的墙体。若两个封闭空间边界要素集合包含相同的连通性墙体，则表示这两个封闭空间连通。遍历室内所有封闭空间，得到室内空间连通图，如图8中所示。

在室内导航中，可通过构建的连通图直接得到各封闭空间之间的连通性，封闭空间3与其它各封闭空间都直接连通。而其它封闭空间中仅有封闭空间6与7直接连通。

与现有的技术相比，本发明的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法具有以下优点：

(1)可验证BIM单个建筑要素内几何基元的拓扑有效性；

(2)自动化构建建筑要素间的拓扑关系，实现BIM建筑要素的拓扑关联；

(3)基于建筑要素间拓扑关系搜索封闭空间，实现室内三维空间的精细划分；

(4)基于开口建筑要素拓扑关系生成连通图，可为室内导航提供数据支撑。

本发明的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法创新性地以BIM室内封闭空间的边界建筑要素为对象，以单个建筑要素的拓扑有效性为前提，以不同建筑要素之间的拓扑关系为基础，从几何-语义角度实现对BIM建筑物室内空间三维划分，建筑要素拓扑关系完备；结合门、窗等开口建筑要素拓扑关系生成BIM室内连通图，提高BIM空间查询效率，为室内导航、应急逃生等应用提供数据支撑。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，包括以下步骤：

步骤S1)，从BIM数据中提取边界建筑要素几何信息，选取墙体、立柱、门、窗构成封闭空间边界的竖向边界建筑要素，选取楼板作为水平边界建筑要素，提取每个边界建筑要素的几何面集合表示其几何信息；

步骤S2)，预处理几何信息，检验几何面集合单个几何面的有效性以及几何面间的交集，处理不符合检验规则的点、线、面；

步骤S3)，对单个几何面集合搜索封闭几何体，构建每个边界建筑要素内几何基元的拓扑关系，得到点、线、面的拓扑关系集合；

步骤S4)，以墙体、立柱、门、窗及楼板为对象，通过布尔相交运算得边界建筑要素间的几何交集，构建边界建筑要素间拓扑关系；

步骤S5)，将同一楼层的竖向边界建筑要素以二维投影多边形表达，保存投影多边形与边界建筑要素的对应关系，提取投影多边形的骨架线并以线段集合表示；

步骤S6)，以任一骨架线线段为初始边，以线段的起点或终点为端点，通过线段间的最大角或最小角搜索最邻近的骨架线线段，循环搜索直至所有骨架线线段都被搜索到，得到同一楼层的二维封闭多边形集合；

步骤S7)，二维封闭多边形与三维边界建筑要素映射，结合楼板边界建筑要素得到围成室内封闭空间的建筑要素集合；

步骤S8)，生成BIM室内空间连通图。

2.根据权利要求1所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于，所述步骤S1)进一步包括以下步骤：

步骤S1.1)，导入BIM数据，根据语义属性提取构成室内封闭空间边界的建筑要素，将其几何信息表示为几何面集合F_建筑要素：{f_i,f_i+1,f_i+2,...,f_i+n}；

步骤S1.2)，构建门、窗的三维凸壳，以三维凸壳上的几何面集合表示其几何信息，表示为：F_门：{f_j,f_j+1,f_j+2,...,f_j+n}，F_窗：{f_k,f_k+1,f_k+2,...,f_k+n}。

3.根据权利要求1所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于，在所述步骤S2)中检验边界建筑要素几何面集合的单个几何面有效性包括以下步骤：

判断几何面是否存在孤立点、孤立线段，若存在则删除孤立点、孤立线段；

判断组成几何面的环数量是否大于或等于1，若不符合则删除该几何面；

判断几何面的方向是否可定，若方向不统一则调整环上边的方向；

在所述步骤S2)中检验边界建筑要素几何面集合的几何面间交集包括以下步骤：

对几何面集合中的任意两个面进行布尔相交运算；

判断是否存在交线，若不存在则结束；

判断交线是否位于面的边界，若任意两个面布尔相交运算的交点位于几何面的内部，则该建筑要素无效；

判断交线的端点是否是几何面的顶点，若任意两个几何面布尔相交运算的交点位于几何面的边界且交点属于非顶点，则在交点处将面的边界线剖分，若任意两个几何面布尔相交运算的交点属于几何面的顶点，则结束；

若存在一个几何面与其它几何面都无交点，则删除该几何面。

4.根据权利要求1所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于，所述步骤S3)进一步包括以下步骤：

步骤S3.1)，利用CGAL的三维凸壳算法得到几何面集合的凸壳，计算几何面集合中所有几何面到凸壳几何中心的距离d，找到距离最远d_max的几何面并标记为f_最远；

步骤S3.2)，以几何面f_最远为初始面，从几何面f_最远边界上的任意一条边e出发，搜索几何面集合中以边e为公共边的所有邻接几何面；

步骤S3.3)，计算几何面f_最远与其所有邻接几何面之间的夹角，依据最大夹角或最小夹角搜索几何面f_最远的最邻近几何面；

步骤S3.4)，以搜索到的最邻近几何面为新的起始面，重复步骤S3.2)～步骤S3.3)，直至几何面集合中没有新的几何面被搜索到。

5.根据权利要求4所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于，所述步骤S4)进一步包括以下步骤：

步骤S4.1)，以墙体、立柱、楼板、门、窗作为构建拓扑关系的对象，通过布尔相交运算得到墙体—墙体、墙体—门、墙体—窗边界建筑要素间的几何交集；

步骤S4.2)，根据几何交集判断边界建筑要素间的拓扑关系；

步骤S4.3)，若边界建筑要素间的拓扑关系为相接，则进行基于几何信息的边界建筑要素间拓扑关系构建。

6.根据权利要求5所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于，所述步骤S4.3)进一步包括以下步骤：

步骤S4.3.1)，提取各个边界建筑要素的边界点集合S，对两个边界建筑要素的边界点集合S₁和S₂内的点坐标进行比较，若存在两个边界点的x,y,z坐标差值都在容差范围ε内，则将这两个边界点合并为一个点；

步骤S4.3.2)，若两个边界建筑要素存在公共点、线、面，则在两个边界建筑要素的几何结构中公共点、线、面以唯一标识表示；

步骤S4.3.3)，以几何交集中的点、线对边界建筑要素原始几何结构中的点、线进行打断、剖分处理，得到新的点、线、面，并记录布尔相交运算前后点、线、面的对应关系。

7.根据权利要求5所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于，所述步骤S5)进一步包括以下步骤：

步骤S5.1)，将墙体、立柱、门、窗的边界点投影到水平面，连接各投影边界点，得到投影多边形P_投影；

步骤S5.2)，提取投影多边形P_投影的骨架线；

步骤S5.3)，连接相邻骨架线。

8.根据权利要求7所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于，所述步骤S6)进一步包括以下步骤：

步骤S6.1)，对同一楼层的所有骨架线进行处理，以任意的一条骨架线的线段为起始线段，以线段的起点为原点，按照逆时针或顺时针方向，根据与起始线段的最大角或最小角搜索最邻近的线段；

步骤S6.2)，把新搜索到的线段作为起始线段重复步骤S6.1)，直至没有新的关联线段被搜索到；

步骤S6.3)，根据骨架线、多边形、边界建筑要素之间的对应关系，得到各边界建筑要素与室内封闭空间边界的构成关系，骨架线线段围成的封闭多边形对应建筑要素围成室内的一个封闭空间。

9.根据权利要求8所述的基于建筑要素拓扑关系的BIM室内空间连通图构建方法，其特征在于：在所述步骤S8)中，根据所述步骤S4)构建的门、窗与墙体的拓扑关系得到具有连通性的墙体，若两个封闭空间的边界要素集合包含相同的连通性墙体则表示这两个封闭空间连通；遍历室内空间的所有封闭空间，得到室内空间连通图。

Images