CN115391878A - 适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，包括：解析dxf格式楼层图纸，构建描述点线信息的图模型并预处理成生成树‑余枝的标准图模型；用基本关联矩阵得到基本环路矩阵；基于基本环路矩阵得到若干相互嵌套的基本环路多边形后通过多边形剪切得到最小多边形，用最小多边形构建楼层各房间几何模型；将最小多边形与建筑信息结合，构造每层楼层基本结构，将上层的下楼板与下层的上楼板沿相互交点与房间边界剪切，构造相邻两楼层的层间楼板，得到一体化建筑模型；解析包括门、窗、楼梯间楼板的建筑构件几何图纸，结合门窗高度、做法，构造门窗及其他建筑构件信息模型。本发明能实现对建筑人居环境仿真模型的快速构建。

Description

适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法

技术领域

本发明涉及建筑仿真建技术领域，特别是涉及一种适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法。

背景技术

实现建筑模型的自动读取与解析，是进行建筑人居环境仿真分析的基础。在工程软件中，建筑模型是一类按照设计完成的CAD实体模型，建筑图纸的识别与构建，是根据二维图纸中建筑墙体、门窗的几何坐标，结合维护结构具体做法、标高等信息，识别或构建房间、楼层、建筑整体的方法。

当前建筑仿真领域，建筑模型的录入主要依靠软件平台中自带的画图工具，人工重新绘制；各软件绘图的规则繁复，多需要按特定流程逐一绘制与填写建筑信息，且绘图、设置流程中容错率较低。对于总体量较大的建筑或建筑群，重新绘制并填写每一个房间的几何与物理信息，效率较低；且人工重复绘图、录入总不可避免产生错误，未能将简单重复的工作智能化实现。无论从学习成本还是使用中的时间成本而言，都造成了人力资源的浪费，最终反映到成本中。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，是一种基于计算几何与图算法的建筑图纸识别与模型构建方法，适用于以热环境为主体的，对建筑人居环境的仿真计算。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，包括步骤：

S1.解析dxf格式的楼层图纸，读取楼层图纸中的图元信息，根据图元信息构建一个描述点线信息的图模型；

S2.对图模型预处理，整理成生成树-余枝的标准图模型；

S3.用标准图模型的基本关联矩阵A得到标准图模型的基本环路矩阵Cf；基本关联矩阵描述标准模型中点和边的连接关系，基本回路矩阵描述标准模型中的环形回路和边的关系；

S4.基于标准图模型的基本环路矩阵Cf，得到若干相互嵌套的基本回路多边形，利用几何图形的交并计算，使基本回路多边形相互剪切，直至多边形间不再有交集，得到最小多边形，根据最小多边形构建楼层中各房间的几何模型；

S5.将每层楼层图纸通过基本回路多边形相互剪切后获得的不存在交集的最小多边形与建筑信息结合，构造出每层楼层所有的基本结构；通过几何图形的交并计算，将上层的下楼板与下层的上楼板沿着相互的交点与房间边界剪切，利用剪切获得的不存在交集的最小多边形构造相邻两楼层的层间楼板，得到一体化的建筑模型；

S6.解析包括门、窗、楼梯间楼板在内的其他建筑构件的几何图纸，结合门窗高度、做法信息，构造门窗及其他建筑构件的信息模型。

本发明将自行规整楼层二维数据，利用计算几何方法与图算法，自动解析房间结构，构建各楼层的基本围护结构，再通过对层间楼板的拼接计算，合并各楼层，构造一体化的建筑模型，最后对门窗等其他建筑构件进行读取；通过图数据处理、房间识别、楼层拼接等手段，实现对建筑人居环境仿真模型的快速构建，降低对技术人员绘图工作的要求。

本发明利用二维图形处理算法、图模型算法，实现图数据处理、房间识别、围护结构拼接等三维模型的构造。通过有效的数据预处理，能降低对绘图过程精度要求，防止绘图误差不断传递；通过自动化的房间识别与建筑围护结构拼接，结合围护结构做法，能极大地减少技术人员的重复工作；从而快速，精确地构建对建筑人居环境仿真模型，减少在模型录入阶段的时间成本和学习成本。

附图说明

图1是本发明的建筑模型构建程序UML类图。

图2是本发明的建筑图纸识别与模型构建方法流程图。

图3是本发明的多边形剪切程序流程图。

图4是本发明的基本回路解析示意图。

图5是本发明的多边形剪切过程示意图。

图6是本发明的房间-边邻接表意图。

图7是本发明的层间楼板剪切示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例首先将各楼层CAD图纸的二维数据解析成图模型，再通过平面区域的交并计算与图算法解析为各个房间的几何模型，然后结合围护结构做法、建筑标高信息，构建一体化的基本建筑模型，在读取建筑门窗等建筑构件后，即实现对完整建筑模型的解析与构建。

图1为建筑模型构建程序的类图，展示了建筑模型识别过程的数据结构和组织方式。参见图1所示，建筑数据模型以围护结构(Envelope)、房间(Room)、楼层(Layer)、建筑(Building)等不同的层级构成，即单个建筑由若干楼层构成，楼层由若干房间构成，房间由由多种围护结构构成；其中，围护结构(Envelope)衍生出楼板(Floor)、墙体(Wall)、门(Door)、窗(Windows)等不同的类型；围护结构衍生类型有对应的几何结构类型：水平方向的围护结构类型，如楼板、楼梯间所在的空楼板(EmptyFloor)对应二维平面多边形(Polygon2D)；墙体、门窗等对应二维平行的直线(Line)；

参见图1所示，图1中，DXFReader表示依照AutoCAD公布的DXF格式图纸文档，实现图纸解析的程序；IncidenceMatrix为图的基本关联矩阵构造程序；WallType、Material分别表示建筑维护结构的做法和做法中用到的材料。

本发明实施例的适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，包括以下步骤：

S1.解析dxf格式的楼层图纸，读取楼层图纸中的图元信息，根据图元信息构建一个描述点线信息的图模型；所述图元信息包括楼层图纸中的点、线、多段线；

S2.对图模型预处理，整理成生成树-余枝的标准图模型；

S3.用标准图模型的基本关联矩阵A得到标准图模型的基本环路矩阵Cf；基本关联矩阵描述标准模型中点和边的连接关系，基本回路矩阵描述标准模型中的环形回路和边的关系；

S4.基于标准图模型的基本环路矩阵Cf，得到若干相互嵌套的基本回路多边形，利用几何图形的交并计算，使基本回路多边形相互剪切，直至多边形间不再有重叠或交集，得到最小多边形，即最小环路，根据最小多边形构建得到楼层中各房间的几何模型；

S5.将每层楼层图纸通过基本回路多边形相互剪切后获得的不存在交集的最小多边形与建筑信息(如楼层标高、层高、围护结构做法)结合，构造出每层楼层所有的基本结构，基本结构包括房间、墙体、上下楼板；

通过几何图形的交并计算，将上层的下楼板与下层的上楼板沿着相互的交点与房间边界剪切，然后利用剪切获得的不存在交集的最小多边形构造相邻两楼层的层间楼板，得到一体化的建筑模型；

S6.解析包括门、窗、楼梯间楼板在内的其他建筑构件的几何图纸，结合门窗高度、做法信息，构造门窗及其它建筑构件信息模型。

本发明实施例中，所述标准图模型是单楼层建筑的标准图模型，该标准图模型指以图论中定义数据格式存储，以生成树-余枝顺序排序的图数据结构，标准图模型中不应存在交点和几何上完全相同的节点或线段。

示例性的，步骤S2中，对图模型预处理的步骤是，将图模型中相交、重叠的线段打断、去重叠，再利用Kruskal算法寻找图模型的生成树，利用深度优先搜索算法遍历生成树的节点和边，同时为节点、边编号，从而将图模型整理成生成树-余枝的标准模型，即标准图结构Graph，具体的，通过以下步骤建立或是形成标准图模型：

S21.解析：

解析单一CAD图纸或楼层几何结构所在楼层，获取楼层中各墙体对应的平面线段图元以及端点坐标数据。

S23.整理：

在保持原有端点-线段连接关系的前提下，合并在最小容许误差内的端点，保留若干有效数字以略去绘图误差；以列表、无向图邻接表格式，存储为图论中的图结构Graph；循环遍历图Graph，在交点处打断相交线段，在端点处打断重叠的平行线段，并去除完全重复线段。

S23.排序：

以Kruskal算法遍历Graph的端点，寻找图的最小生成树，在生成树中的线段称为树枝，在生成树以外的线段称为余枝；以深度优先搜索再次遍历Graph，沿搜索顺序为节点和边进行编号，形成形成标准图模型。

示例性的，步骤S3中，用标准图模型的基本关联矩阵A得到标准图模型的基本环路矩阵Cf，是通过标准图模型解析单楼层房间几何模型的前置步骤，包括步骤：

步骤S31.构建基本关联矩阵A：

基本关联矩阵描述标准模型Graph中点和边的连接关系。从编号为0的节点开始，由下式可构建一张树枝-余枝顺序的基本关联矩阵A＝[A₁|A₂]，其中A₁仅包含1中Kruskal算法解析得到的生成树中的边，A₂中包含其他的余枝边：

步骤S32.计算基本回路矩阵Cf：

基本回路矩阵描述标准模型Graph中的各个环形回路和边的关系，其中每一行代表一个环路，列为对应环路的边。与A矩阵的构造类似，以树枝-余枝顺序，构造基本环路矩阵Cf，使Cf＝[Cf₁|Cf₂]，Cf₁、Cf₂可分别由下式获得；其中I为单位矩阵，阶数与余枝数量相同；

其中，A₁，A₂为基本关联矩阵的子矩阵；Cf₁、Cf₂为基本回路矩阵的子矩阵；A₁、Cf₁为描述生成树中线段关系的矩阵；A₂、Cf₂为描述生成树的“余枝”线段的矩阵；

示例性的，步骤S4中，基于标准图模型的基本环路矩阵Cf，得到若干相互嵌套的基本回路多边形，是实现解析单楼层房间几何模型的步骤。其中，单楼层房间的几何模型，指一系列共享部分节点和边，但不存在包含/相交关系的多边形区域。图4中给出了某楼层平面图纸的解析过程，即图模型从楼层平面图到基本回路多边形(形成四个多边形)，最终得到最小多边形(形成四个最小多边形)的过程。具体的，解析多边形取区域通过以下步骤实现：

步骤S41.生成基本回路多边形：

根据基本回路矩阵逐环路读取其中的边，得到由Cf中描述的各环路对应的多边形。图4中描述了基本回路多边形生成的一种可能，多边形的数量与Graph中环的数量相同，但生成的多边形回路仍由较大的随机性，不同的基本回路多边形间存在交集；

步骤S42.基本回路多边形剪切,得到最小环路(最小多边形)：

循环遍历所有基本回路多边形，若存在两个多边形P₀，P₁满足

则进行多边形剪切，记作P₀-P₁＝ΔP，ΔP为两多边形的交集。多边形间的剪切进行到各多边形间交集都为空集为止。

所述多边形相互剪切过程中，首先执行边的整理过程，即对交集多边形相交、重叠边的打断和剔除；再执行剪切过程，即通过剪切边辨识，辨识三类线集：两多边形共有边组成线集L’，被多边形P₁包含的多边形P₀的边形成线集L₀’，被多边形P₀包含的多边形P₁的边形成线集L₁’；再分别对三类线集做判断，在多边形P₀，交集多边形ΔP中加入或去除线集L’，L₀’，L₁’中的边，最终实现多边形的剪切运算，得到剪切结果，即被剪切后的P₀和交集多边形ΔP。图5为多边形剪切过程示意图，参见图5。

所述多边形相互剪切过程具体由图3中流程实现，所得到的多边形集合称为最小多边形集合；参见图3，其步骤是：

首先判断多边形的交集关系，在两多边形在X、Y方向极值内是否存在交集，若否则结束并返回ΔP；

若是则对两多边形的边进行清理，即在交点处分别打断两多边形对应线段。再寻找两多边形重叠、平行的边，形成共线集L’,判断两多边形是否完全重边(即共线集L’是否包含了多边形P₁的全部边)，若是则多边形P₀去除线集L’,交集多边形ΔP添加线集L’，然后结束并返回ΔP；

若不是完全重边，则判断是否存在“边”是否被对方完全包含，若存在被完全包含的边，则先获取多边形P₀被多边形P₁包含的全部边形成线集L₀’，多边形P₀移除线集L₀’，再获取多边形P₁被多边形P₀包含的全部边形成线集L₁’，边形P₀移除线集L₁’，两多边形的交集ΔP添加线集L₁’，线集L₀’。然后判断线集L₀’是否为空集，若是则多边形P₀去除线集L’,多边形P₀添加线集L’，然后结束并返回ΔP；

若否，则从共线集L’中获取点集N’,之后判断多边形P₀对点集N’的邻接表中是否存在大小为1的点，若是则多边形P₀移除邻接表对应的线段，然后再返回判断多边形P₀对点集N’的邻接表中是否存在大小为1的点的步骤；

如否则结束并返回ΔP。

本发明实施例中，最小环路(最小多边形)为房间、水平围护结构的几何数据结构；最小环路(最小多边形)中的线段为墙体的几何数据结构。

本发明实施例中，通过最小环路构建房间模型后，通过前述的步骤S5，在步骤S5中，通过识别房间-围护结构的邻接表(Adj，后文中简称邻接表)，遍历邻接表构建内外墙，然后通过相邻楼层楼板剪切合并两层楼板，得到一体化基本建筑模型。

本发明实施例中，所述的一体化基本建筑模型指墙体(Wall)、楼板(Floor)等建筑结构，在几何上不存在重叠；即相邻房间(Room)共有的建筑围护结构(Envelope)构件，在计算机内存中指针指向同一存储地址的建筑模型。

示例性的，构建一体化基本建筑模型由以下步骤实现：

步骤S51.构建各楼层及楼层中的房间：

单一楼层(Layer)由若干房间(Room)组成，单一房间由墙体(Wall)、上楼板、下楼板(Floor)组成；约定室外环境为房间0，外墙、上楼板、下楼楼板方向统一由楼层的房间指向房间0，内墙由编号较小的房间，指向编号较大的房间；

其中，构建各楼层及楼层中的房间时，首先以最小环路(最小多边形)为几何数据结构，构造房间、水平围护结构对象，其次，通过(多边形-边)邻接表，构造分类内外墙，以线段为几何数据结构，构造墙体对象。

具体的，构建各楼层及楼层中的房间的步骤如下：

构建空白新楼层；以最小多边形集合为平面的几何结构，构造初始房间、房间下楼板、上楼板；以单一最小多边形为“节点”，以多边形的线段为“边”，构建有向图邻接表；遍历邻接表，若“边”存在两个节点指向，则以该线段为几何结构，构造为内墙；遍历邻接表，若“边”有且只有一个节点指向，则构造为外墙；图6为邻接表数据结构的示意图，以图4中的楼层平面图为例，邻接表数据结构包括多个不同的房间/多边形/节点R₁，R₂，R₃，R₄，每个房间/多边形/节点分别由对应的围护结构/线段/边定义，围护结构/线段/边通过数字编号来体现。

步骤S52.合并相邻楼层楼板：

图7展示了相邻楼层的层间楼板的合并过程，该合并过程也依赖与图3和图5所述的多边形剪切程序进行：参见图3、图5以及图7所示，包括步骤：

约定相邻楼层，约定较低的楼层编号较小，反之较大；循环遍历相邻楼层L₀、L₁，若不属于同一楼层的房间R_L0和R_L1的几何模型P_L0和P_L1存在交集，记作P_ΔL；

属于楼层L₀的房间R_L0的上楼楼板几何结构变更为P_L0-P_ΔL；

属于楼层L₀的房间R_L0的下楼楼板几何结构变更为P_L1-P_ΔL；

以P_ΔL为几何结构构建新楼板F_ΔL，新楼板F_ΔL连接房间。

直至上楼板、下楼板的几何模型不存在交集，结束遍历。

本发明实施例中，步骤S6中，解析包括门、窗、楼梯间楼板在内的其他建筑构件的几何图纸，结合门窗高度、做法信息，构造门窗信息模型，其示例性的步骤如下：

以平面直线形式，在单独图纸上绘制门/窗俯视平面图，解析后得到若干线段，如若存在墙体(Wall)的几何结构，完全包含线段L，则以线段L为几何结构，构造门/窗信息模型。

通过以上步骤，就已经实现了将建筑模型已从图纸、表格中的设计参数转化为软件平台、编程平台的数据模型，以后就可以等待进一步结合建筑室内各系统的仿真算法发挥作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，其特征在于，包括步骤：

S1.解析dxf格式的楼层图纸，读取楼层图纸中的图元信息，根据图元信息构建一个描述点线信息的图模型；

S2.对图模型预处理，整理成生成树-余枝的标准图模型；

S3.用标准图模型的基本关联矩阵A得到标准图模型的基本环路矩阵Cf；基本关联矩阵描述标准模型中点和边的连接关系，基本回路矩阵描述标准模型中的环形回路和边的关系；

S4.基于标准图模型的基本环路矩阵Cf，得到若干相互嵌套的基本回路多边形，利用几何图形的交并计算，使基本回路多边形相互剪切，直至基本回路多边形间不再有交集，得到最小多边形，根据最小多边形构建楼层中各房间的几何模型；

S5.将每层楼层图纸通过基本回路多边形相互剪切后获得的不存在交集的最小多边形与建筑信息结合，构造出每层楼层所有的基本结构；通过几何图形的交并计算，将上层的下楼板与下层的上楼板沿着相互的交点与房间边界剪切，利用剪切获得的不存在交集的最小多边形构造相邻两楼层的层间楼板，得到一体化的建筑模型；

S6.解析包括门、窗、楼梯间楼板在内的其他建筑构件的几何图纸，结合门窗高度、做法信息，构造门窗及其他建筑构件信息模型。

2.根据权利要求1所述适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，其特征在于，步骤S1中，所述图元信息包括楼层图纸中的点、线、多段线。

3.根据权利要求1所述适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，其特征在于，步骤S2中，对图模型预处理的步骤是，将图模型中相交、重叠的线段打断、去重叠，再利用Kruskal算法寻找图模型的生成树，利用深度优先搜索算法遍历生成树的节点和边，同时为节点、边编号，从而将图模型整理成生成树-余枝的标准图模型。

4.根据权利要求1所述用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，其特征在于，步骤S4中，基于步骤S3中所述基本环路矩阵Cf，通过图形剪切算法识别单一楼层图纸最小环路，即最小多边形；

多边形相互剪切过程为，首先执行边的整理过程，即对交集多边形相交、重叠边的打断和剔除；再执行剪切过程，即通过剪切边辨识，辨识三类线集：两多边形共有边组成线集L’，被多边形P₁包含的多边形P₀的边形成线集L₀’，被多边形P₀包含的多边形P₁的边形成线集L₁’；再分别对三类线集做判断，在多边形P₀，交集多边形ΔP中加入或去除线集中的边，最终实现多边形的剪切运算，得到剪切结果，即被剪切后的多边形P₀和交集多边形ΔP。

5.根据权利要求1所述适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，其特征在于，步骤S5中，构建一体化基本建筑模型，具体包括：

S51.构建各楼层及楼层中的房间：

单一楼层由若干房间组成，单一房间由墙体、上楼板、下楼板组成；约定室外环境为房间0，外墙、上楼板、下楼楼板方向统一由楼层的房间指向房间0,内墙由编号较小的房间，指向编号较大的房间；

S511.构建空白新楼层；以最小多边形集合为平面的几何结构，构造初始房间、房间下楼板、上楼板；

S512.以单一最小多边形为节点，以多边形的线段为边，构建有向图邻接表；

S513.遍历邻接表，若边存在两个节点指向，则以该线段为几何结构，构造为内墙；

S514.遍历邻接表，若边有且只有一个节点指向，则构造为外墙；

S52.合并相邻楼层楼板：

约定相邻楼层，较低的楼层编号较小，反之较大；

S521.循环遍历楼层L₀、L₁，若不属于同一楼层的房间R_L0和R_L1的几何模型P_L0和P_L1存在交集，记作P_ΔL；

S522.房间R_L0的上楼楼板几何结构变更为P_L0-P_ΔL；

S523.房间R_L0的下楼楼板几何结构变更为P_L1-P_ΔL；

S524.以P_ΔL为几何结构构建新楼板F_ΔL，新楼板F_ΔL连接房间；

直至上下楼板的几何模型不存在交集，结束遍历。

6.根据权利要求1所述适用于建筑人居环境仿真的建筑图纸识别与模型构建方法，其特征在于，步骤S5中，所述建筑信息包括楼层标高、层高、围护结构做法，所述基本结构包括房间、墙体、上下楼板。

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