王雪巍，盛步云，張 云，劉遠(yuǎn)志

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(guó)內(nèi)正在大力推廣的綠色節(jié)能建筑材料[1]。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering，CAE)和計(jì)算機(jī)輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)技術(shù)的發(fā)展,許多專家學(xué)者研究在計(jì)算機(jī)三維軟件上實(shí)現(xiàn)建筑鋁合金模板的設(shè)計(jì)，鋁模板逐漸從傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，目前國(guó)內(nèi)很多鋁模板企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，采用“三維設(shè)計(jì)，二維出圖”的設(shè)計(jì)模式[2]。在鋁模板工程領(lǐng)域，鋁模板企業(yè)依靠三維模型指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)拼裝還不現(xiàn)實(shí)，仍然采用建筑鋁模板安裝施工圖進(jìn)行拼裝[3]。安裝施工圖需要包含所有鋁模板的信息，標(biāo)注內(nèi)容為鋁模板的文字信息，多采用平法表示，且標(biāo)注信息的位置要準(zhǔn)確、清晰和美觀，考慮鋁模板零件數(shù)量眾多，空間層次結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此研究安裝施工圖的自動(dòng)標(biāo)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(dòng)標(biāo)注模塊，但是在由三維模型出二維工程圖時(shí)，因沒有充分考慮布局等因素，自帶的零部件序號(hào)自動(dòng)標(biāo)注功能無法實(shí)現(xiàn)智能有序布局，導(dǎo)致標(biāo)注結(jié)果不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]。如何實(shí)現(xiàn)鋁模板安裝施工圖的自動(dòng)標(biāo)注已成為鋁模板企業(yè)的迫切需求。

利用三維模型出工程圖，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已作了大量的研究。LI等[5]采用動(dòng)態(tài)編程技術(shù)，針對(duì)用戶選擇的標(biāo)準(zhǔn)，確定尺寸標(biāo)簽的最佳位置。KELLY等[6]提出了一套交互式尺寸標(biāo)注的設(shè)計(jì)原則，用一種新的算法實(shí)現(xiàn)交互地放置尺寸線，在機(jī)械模型的交互式參數(shù)化建模環(huán)境中自動(dòng)標(biāo)注。CHEN等[7]提出了基于尺寸特征提取的尺寸自動(dòng)標(biāo)注方法，通過零件中點(diǎn)、線、面的各種拓?fù)潢P(guān)系來判斷可能產(chǎn)生的尺寸冗余，提出了機(jī)械特征、拓?fù)涮卣?、幾何特征等尺寸特征概念。李末等[8]針對(duì)設(shè)計(jì)人員在繪制工程圖樣過程中，尺寸標(biāo)注繁多、工作量大、易出錯(cuò)的特點(diǎn)，基于 SolidWorks提供的API接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程視圖尺寸標(biāo)注的自動(dòng)生成。歐陽世嘉等[9]針對(duì)三維參數(shù)化模型的工程圖，提出了一種尺寸自動(dòng)標(biāo)注與布局的算法，對(duì)自動(dòng)標(biāo)注有一定的借鑒意義。黃浪等[10]針對(duì)定型模板，基于特征提取，在UG平臺(tái)開發(fā)了定型模工程圖自動(dòng)標(biāo)注系統(tǒng)。盧遠(yuǎn)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(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)模具零件的自動(dòng)標(biāo)注。

上述研究方法對(duì)實(shí)現(xiàn)工程圖自動(dòng)標(biāo)注與布局做出了積極的探索和研究，但大多只針對(duì)某些特定形狀的零件有較好的結(jié)果，還無法很好地用于鋁模板安裝施工圖。鑒于此，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，本文提出一種自動(dòng)標(biāo)注及布局的方法。首先對(duì)鋁模板信息模型和標(biāo)注信息模型表達(dá)，并結(jié)合鋁模板的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，建立標(biāo)注規(guī)范知識(shí)庫(kù)；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(jí)劃分方法，判斷出零件在空間的層級(jí)位置；提出標(biāo)注信息平行顯示方法，得到標(biāo)注的偏移角度；最后提出文本信息自動(dòng)標(biāo)注及布局方法，實(shí)現(xiàn)鋁模板安裝施工圖的文字自動(dòng)標(biāo)注。本文方法極大地減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，有效提高了鋁模板安裝施工圖的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 問題描述

在建筑鋁模板行業(yè)，施工人員需要根據(jù)鋁模板安裝施工圖，在正確的位置安裝對(duì)應(yīng)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(biāo)注以尺寸標(biāo)注為主，而安裝施工圖標(biāo)注的主要內(nèi)容是裝配體中的各個(gè)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(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙來獲取，所以主要是對(duì)零件信息進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注的內(nèi)容主要是文字注釋，通過標(biāo)注在鋁模板零件的旁邊達(dá)到對(duì)鋁模板解釋說明的作用。由于鋁模板裝配體中零件數(shù)量巨大，零件種類多，標(biāo)注的工作量巨大且布局混亂，使用人工標(biāo)注會(huì)限制鋁模板的出圖效率和質(zhì)量。因此，研究建筑鋁模板安裝施工圖的自動(dòng)標(biāo)注方法意義重大。

為滿足實(shí)際的安裝過程，安裝施工圖自動(dòng)標(biāo)注需要達(dá)到以下基本標(biāo)準(zhǔn)：

(1)標(biāo)注與其他標(biāo)注沒有重疊。

(2)每個(gè)標(biāo)注信息可以準(zhǔn)確的表達(dá)一塊鋁模板零件。

(3)標(biāo)注文字與對(duì)應(yīng)零件保持一一對(duì)應(yīng)，位置貼近所標(biāo)注的零件，盡量標(biāo)注在空白區(qū)域。

(4)標(biāo)注的格式必須滿足設(shè)計(jì)人員和施工人員制定的規(guī)范。

鋁模板安裝施工圖主要通過平面視圖表達(dá)，標(biāo)注信息集中顯示在單視圖上，標(biāo)注的數(shù)量多，與其他標(biāo)注很容易重疊；同時(shí)，零件在空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能存在層疊，投影到工程圖就會(huì)產(chǎn)生重疊。由此可見，采用傳統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)注方法，很難滿足上面提及的標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)。

2 鋁模板及標(biāo)注信息模型表達(dá)

2.1 鋁模板信息模型表達(dá)

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(gòu)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(biāo)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(guī)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(jié)構(gòu)模板；Att_f為模板屬性信息，包括模板包裹編號(hào)、模板類型、投影區(qū)域；Lab_f為模板標(biāo)注信息，包括標(biāo)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(biāo)注信息模型表達(dá)

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

標(biāo)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(biāo)注規(guī)則知識(shí)庫(kù)，通過鋁模板信息模型和標(biāo)注規(guī)則知識(shí)庫(kù)可以求解出標(biāo)注信息模型，標(biāo)注信息模型如圖2所示。

圖2 標(biāo)注信息模型

3 安裝施工圖自動(dòng)標(biāo)注關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 鋁模板零件配合信息搜索方法

鋁模板系統(tǒng)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(dá)到建筑設(shè)計(jì)的要求。例如固定片主要用于安裝窗戶時(shí)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(lǐng)域，配件都是貼在鋁模板零件表面，以所配合的零件為基準(zhǔn)進(jìn)行安裝，因此在安裝施工圖中，配件的標(biāo)注和相應(yīng)的零件的標(biāo)注應(yīng)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(jié)構(gòu)樹表示鋁模板零件和配件的配合關(guān)系，層次結(jié)構(gòu)清晰，可以降低裝配體復(fù)雜度。樹結(jié)構(gòu)層次模型圖如圖3所示，鋁模板零件作為配件的根節(jié)點(diǎn)，例如第一個(gè)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(zhǔn)安裝。

因?yàn)殇X模板零件相比配件數(shù)量巨大，為了精準(zhǔn)搜索所有配件的配合信息，本文設(shè)定鋁模板零件為第一優(yōu)先級(jí)，配件為次優(yōu)先級(jí)，即配件優(yōu)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(chǔ)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(guān)系。從1~m遍歷配件集合G，分別計(jì)算配件Gi與零件的接觸面積，若則停止當(dāng)前循環(huán)，開始計(jì)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(jì)算配件Gi與 配 件Mj(j=1,2,···,h)的 接 觸 面 積，若則停止當(dāng)前循環(huán)，開始計(jì)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(huán)到集合G為空時(shí)停止。

圖3 鋁模板的樹結(jié)構(gòu)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(jí)劃分方法

建筑鋁模板三維模型主要分為樓面、墻、吊模、梁、節(jié)點(diǎn)5個(gè)模塊，然后分模塊單獨(dú)生成安裝圖。安裝圖由平面整體表達(dá)(平法)，因?yàn)殇X模板零件在空間存在層疊，投影到工程圖上會(huì)產(chǎn)生重疊，標(biāo)注信息也會(huì)干涉，所以將零件在空間層級(jí)劃分，使重疊零件的標(biāo)注信息分層顯示，可以有效解決重疊零件的標(biāo)注，提高安裝施工圖的美觀性。

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

圖5 零件空間層級(jí)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(biāo)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(jù)掃描的順序，以此分層，并記錄所屬層數(shù)的下標(biāo)Index，第一個(gè)掃描的零件P1.Index為1，依次遞增。

步驟4.將已經(jīng)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(xù)重復(fù)步驟2，直至集合P中的零件數(shù)目為零。

3.3 零件標(biāo)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(jié)構(gòu)特征不同。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的裝配體，出上視圖即可。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝配體，采用先爆炸視圖，最后出軸側(cè)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(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)標(biāo)注信息翻轉(zhuǎn)、偏移等問題。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)注信息的準(zhǔn)確顯示，本文提出了水平顯示，即標(biāo)注文字與零件邊輪廓平行，先利用矩陣變換計(jì)算零件端點(diǎn)在二維圖中的坐標(biāo)，再通過向量計(jì)算出零件標(biāo)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(huì)發(fā)生變化。圖形由線框構(gòu)成，線由若干點(diǎn)組成，所以計(jì)算投影之后的點(diǎn)坐標(biāo)就能確定圖形，從而確定標(biāo)注位置。標(biāo)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(shù)獲取當(dāng)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(diǎn)通過矩陣T坐標(biāo)變換，計(jì)算端點(diǎn)A和B在圖紙中的坐標(biāo)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(jì)算向量與X軸正向單位向量的夾角的絕對(duì)值，即為向量的偏移角度α。

步驟5.根據(jù)向量的坐標(biāo)，計(jì)算其所屬的象限區(qū)域，然后計(jì)算標(biāo)注文字的偏移角度β，即

步驟6.將標(biāo)注文字按計(jì)偏移角度β擺放，實(shí)現(xiàn)標(biāo)注信息的平行顯示。

圖6 標(biāo)注信息平行顯示示意圖

3.4 鋁模板文本信息自動(dòng)標(biāo)注及布局方法

對(duì)鋁模板而言，標(biāo)注對(duì)象是普板、直C槽、轉(zhuǎn)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(biāo)注規(guī)則不同，根據(jù)零件類型對(duì)零件進(jìn)行文字信息標(biāo)注。結(jié)合前文提到的信息模型，分別對(duì)上述零件的信息模型表達(dá)；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(jí)劃分方法，判斷出零件在空間的層級(jí)位置；通過標(biāo)注信息平行顯示方法，得到標(biāo)注的偏移角度；最后通過匹配標(biāo)注規(guī)范知識(shí)庫(kù)求解標(biāo)注信息模型，實(shí)現(xiàn)零件信息自動(dòng)標(biāo)注。同時(shí)，零件在空間可能存在重疊，故還需要對(duì)這些標(biāo)注文字進(jìn)行移動(dòng)，避免重疊，進(jìn)行合理布局，自動(dòng)標(biāo)注及布局方法如下：

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

步驟2.識(shí)別裝配體部位，找到對(duì)應(yīng)部位的標(biāo)注規(guī)范知識(shí)庫(kù)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(shí)庫(kù)Data中該類型零件的規(guī)則，求解標(biāo)注信息模型。

步驟4.以零件最小包絡(luò)體左下角點(diǎn)的坐標(biāo)為判斷基準(zhǔn)，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(shù)，依次將零件Gi的標(biāo)注信息L|Geo自動(dòng)標(biāo)注到工程圖紙上。對(duì)空間重疊的零件，所屬層下標(biāo)為Index，將其文字標(biāo)注位置移動(dòng)height=Index×70。

其中，安裝施工圖自動(dòng)標(biāo)注及布局方法流程如圖7所示，該方法有效避免了標(biāo)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(zhì)量。

圖7 自動(dòng)標(biāo)注及布局流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，以國(guó)內(nèi)某一建筑科技公司鋁模板樓面和節(jié)點(diǎn)部位為例，運(yùn)用本文描述的自動(dòng)標(biāo)注方法，通過二次開發(fā)技術(shù)在SolidWorks平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)，并取得了令人滿意的結(jié)果。

節(jié)點(diǎn)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(shù)量相較其他部位偏多，且零件配合比較密集，要求標(biāo)注的文字不重疊，在工程中通過等軸側(cè)視圖可以最完整地展現(xiàn)所有零件。窗戶節(jié)點(diǎn)部位的三維模型及其自動(dòng)標(biāo)注的安裝施工圖如圖8所示，可以看出自動(dòng)標(biāo)注的文本信息沒有發(fā)生重疊，且空間重疊的零件的標(biāo)注分層顯示，滿足安裝施工圖的設(shè)計(jì)規(guī)范，使鋁模板零件與信息表達(dá)更加簡(jiǎn)潔、清晰、有條理，提高了圖紙的出圖效率和質(zhì)量。

圖8 窗戶節(jié)點(diǎn)三維模型及其自動(dòng)標(biāo)注的安裝施工圖

本文方法在鋁模板設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一個(gè)比較全新的算法，與其他領(lǐng)域的二維圖自動(dòng)標(biāo)注算法相比，該算法的先進(jìn)性主要表現(xiàn)為：①考慮空間層疊的零件，實(shí)現(xiàn)重合的零件分層標(biāo)注；②對(duì)于正視圖、等軸側(cè)視圖等，實(shí)現(xiàn)標(biāo)注的平行顯示。同時(shí)本文對(duì)標(biāo)注耗時(shí)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)于實(shí)例中的模型，該算法自動(dòng)標(biāo)注的總平均耗時(shí)1 min，而使用軟件的標(biāo)注功能，再手動(dòng)調(diào)整標(biāo)注平均耗時(shí)10 min，而且無法達(dá)到自動(dòng)標(biāo)注的效果。因此，該自動(dòng)標(biāo)注算法具有先進(jìn)性和高效性。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)鋁模板三維轉(zhuǎn)二維安裝施工圖工作量大、效率低的問題，結(jié)合鋁模板零件的特點(diǎn)，提出鋁模板安裝施工圖自動(dòng)標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)方法，為鋁模板行業(yè)安裝施工圖自動(dòng)標(biāo)注提供了一些借鑒。基本實(shí)現(xiàn)了建筑鋁模板樓面、墻、梁、節(jié)點(diǎn)等部位的自動(dòng)標(biāo)注，減少大量的人工操作，提高圖紙的質(zhì)量。然而，由于有些局部位置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件眾多，標(biāo)注位置計(jì)算會(huì)有誤差，造成少量標(biāo)注信息重疊，需要人工干預(yù)調(diào)整。在未來的研究工作中，還將進(jìn)一步與企業(yè)實(shí)際相結(jié)合，改進(jìn)自動(dòng)標(biāo)注的方法。比如將多個(gè)簡(jiǎn)單零件組合成一個(gè)裝配體，把這些零件作為一個(gè)個(gè)體標(biāo)注，減少標(biāo)注的數(shù)量；或者優(yōu)化設(shè)計(jì)，使裝配體的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，減少零件出現(xiàn)重疊的概率，進(jìn)一步提高鋁模板安裝施工圖生產(chǎn)效率和質(zhì)量。