摘要：研究了水工结构三维可视化系统中钢筋自动标注技术，叙述了钢筋图自动标注及标注干涉自适应调整的实现方法。实例表明，系统自动生成的钢筋图标注信息正确、清晰、合理，达到了施工图的要求。
关键词：三维设计 配筋图 自动标注 干涉调整
1 引言
在制造、建筑等领域，技术以其设计工期短、质量高、成本低而得到了广泛应用，涌现出了一系列商品化软件。相对而言，目前市场上适合水工结构设计的软件很少。八十年代中期开始，曾出现一股水工结构设计研究热潮[1][2][3]，但其成果真正用户不多。因为同其它结构相比，水工结构体型不仅复杂，而且差异性大，所以用传统方法开发的这类软件适用面有限。
三维技术经过近四十年的研究，技术上现已很成熟，并在机械、航天等行业得到广泛而深入的应用[4]。借鉴这些行业的成功经验，针对水工结构型式多样性的特点，我们提出了“三维设计、二维出图”的结构及配筋设计解决方案，并进而以水工结构三维造型为起点，开发了一套水工结构三维可视化设计系统。运用该系统，工程师进行三维造型和三维配筋设计，建立起真实完整的钢筋混凝土模型，在定义剖切面位置后，系统将自动生成钢筋图和信息表。
基于三维造型的水工结构可视化系统设计构架如图1所示。整个系统主要由三维配筋设计、图形转换和工程图生成三部分组成。水工结构三维模型经过这三个模块的处理，最终生成二维工程图。
在工程图的自动生成中，需要解决一系列技术难题。其中钢筋标注是否正确、清晰、合理，能否符合规范要求，关系到系统成败。本文重点讨论视图中钢筋自动标注实现，以及与此相关的标注体干涉处理方法。
2 钢筋自动标注技术
2.1 标注实体的表达模型
2.1.1 钢筋的标注类型
钢筋在二维视图中的表现形式决定其标注方式[5]。钢筋在二维视图中的表现有三种类型，见图3。因此钢筋标注基本类型也主要包含这三种，即点筋、面筋和线筋。每种基本类型又可分别派生出很多子类型。
(1) 点筋，钢筋表示为点；
(2) 面筋，一组钢筋表示为多条钢筋线；
(3) 线筋，一组钢筋表示为一条钢筋线。
2.1.2 标注抽象模型
从图3可以看到，钢筋标注实体包括标注线(K)、标注引线(L)/箭头(A)、标注文本(W)三部分，因此标注几何信息可以用一个三元组表示
D | Geometry ={K，L/A，W}
若以T表示标注类型，S表示被标注的钢筋实体，P表示标注位置，则标注拓扑信息可表示为
D | Topology =F (T，S，P)
上述三个自变量之间不是完全独立的，可以找出它们之间的函数关系。设用O表示标注的其它因素（如钢筋线之间的关系，点筋所在结构面的形状、干涉判断结果等），则标注类型及位置可表示为
T = G (S，O) ， P = G (S，T ，O) = G` (S，O)
由此我们建立如图4所示标注抽象模型。自动标注时，通过自变量S及O，结合标注规则判断出标注类型T（表现为被标注的钢筋实体对标注类型的约束）；同时，标注位置P又由S、T、O以及一组用于标注位置求解的约束方程顺序求解得到，即：
P = f (S，T ，O)
根据标注类型T和标注位置P，再结合数据库中的钢筋属性信息（直径、等级等），就确定了标注体的几何和拓扑信息。
2.1.3 标注实体信息模型
钢筋的标注实体信息模型包含标注实体的属性信息和几何信息、钢筋组的属性信息和钢筋视图几何信息四个部分内容，如图5所示。
其中，标注体号用来唯一标识一个标注实体；标注几何信息具体说明标注实体以及标注实体各图素的位置及区域；钢筋属性信息包括钢筋组的编号、钢筋直径、等级、间距及形状等属性信息；钢筋视图相关信息包含相关结构面信息、被标钢筋的位置信息等。它们结合在一起，构成完整的钢筋标注信息模型。
2.2 自动标注实现
2.2.1 标注实体的生成
通过分析标注抽象模型和信息模型，我们按如下步骤生成标注实体（见图6）：
1) 根据钢筋信息和标注规则，确定标注基本类型（T），并初定标注控制点（P）；
2) 确定标注文本(W)内容：以“钢筋组号+钢筋所属视图号+钢筋段所属结构面号”作为关键字在工程数据库中查询当前要标注钢筋组的属性数据，与已标注的钢筋组进行匹配产生标注编号，再将标注编号和钢筋属性数据合并为标注文本；
3) 根据初定的控制点（P），初定文本（W）位置，并在数据库中记录区域信息，以备编辑、调整、访问用，至此已基本形成标注实体；
4) 根据标注文本和当前位置得到标注体包容盒BOX，进行标注体的干涉处理，调整标注体的相关位置；
5) 根据当前位置生成标注线、标注引线、箭头等元素，完成标注。
2.2.2 干涉调整
自动标注会带来一个问题，就是标注文本的重叠，即所谓干涉现象。这时需要人工作大量后处理后图纸才看得清楚，影响了系统使用效率。为解决这一问题，需要在标注实体初步生成后进行智能检查，调整位置或标注形式，避免重叠，以减轻人工后处理工作量。
2.2.2.1 可标注域及其约束因素
钢筋标注时，标注文本位置可以在钢筋附近在一定范围内选择，此范围称为可标注域。标注体在可标注域内任一位置都可能是合适的。图7所示虚线区域即为三种基本标注形式(点筋标注、面筋标注和线筋标注)的可标注域，标注文本可沿箭头方向在可标注域内“滑动”（标注引线也随之变化）。处理干涉，就是通过“滑动”，寻找新的标注位置和区域，使当前标注文本同其它图素(如已有标注体元素)在区域上无重叠，从而消除干涉。
图7 钢筋标注体的可标注域
钢筋标注实体的位置是可变但又受约束的。一般受到两类约束的限制，我们分为内部约束和外部约束。其中，内部约束包括被标注的钢筋线位置、钢筋投影类型、标注类型和标注文本BOX四个约束，外部约束是图中已有图素(如已标注体、结构线、钢筋线等)对当前可标注域的影响。
在内部约束中，钢筋线位置、钢筋投影类型的解可直接从二维信息库中得到，标注类型和标注文本BOX可在标注体的形成过程中通过计算和分析满足。因此，在标注实体初步生成后，内部约束已经满足。在此基础上，求解外部约束即可得到有效可标注域。因此，干涉处理的实质是外部约束求解，即通过一定方法，在可标注域内寻求一个满足外部约束条件的标注位置。
2.2.2.2干涉分类处理
根据引起干涉的图素不同，干涉可分为两个层次：
l 标注与标注：当前标注文本同已有标注文本的干涉；
l 标注与结构线（钢筋线）：当前标注体同已有标注体结构线（钢筋线）发生干涉。
我们将前一个层次置于优先地位，为必须满足的条件；后一个层次处于次要地位，若干涉检查到一定次数仍未满足，就放弃，否则代价太大。标注干涉的检查，主要以标注文本包容盒和其它图素的包容盒是否重叠及重叠程度为依据。通过标注控制点和标注文本定位点在其可标注域内的移动、再定位、检查判断，直到最终找到合适的控制点和区域。
标注基本类型不同，处理方法也不尽相同。我们分如下三种情况分别处理。另外，为不使图面过于呆板，在干涉调整过程中，标注具体形式可能会有变化。
l 点筋标注干涉
如图7(a)所示。其处理包括两种方式：标注文本滑动和标注体移动。区别是前者只是调整标注文本的位置，标注线“静止”；后者在调整了注文本的位置后，标注线随之也要象像皮条一样相应“扯”动。在实际处理中，将这两种方式结合起来运用：先在标注底线上逐步滑动标注文本，寻找理想位置，如未果，再移动标注体，在新的底线上滑动标注文本，如此反复，直到找到理想位置为止。
l 面筋标注干涉
如图7(b)所示，面筋标注干涉处理同点筋类似，也是标注文本滑动结合标注体移动。区别是标注线不是“扯”动，而是沿钢筋线在钢筋线的范围内移动。
l 线筋标注干涉
如图7(c)所示，线筋标注形式较简单。其调整方式主要是标注体沿被标注钢筋线镜象或滑动。即按“镜象&®滑动&®新位置镜象&®再滑动”的规则，直到找到理想的标注位置为止。
在上述处理过程中，要不断根据新的位置点检查判断是否还会干涉。干涉检查程序流程如图8所示。
图8 干涉检查程序流程
3 图例
图9 工程实例（1）
图10 工程实例（2）
本系统已在三峡等工程中运用，取得较好的应用效果。图9~10为本系统自动生成的配筋图实例(由于图面篇幅，图中只显示了局部)。图中标注信息正确完备，标注文本清晰，无重叠，达到了施工图的要求。通过运用本系统，工程师从琐碎的制图和统计活动活动中被解脱出来，大大提高工作效率。
参考文献：
[1]陆宗磐，厂房系统的研制与运用，水利水电技术，1991，22（10）：39~43
[2]夏唯等，廊道软件的模块拼接技术，武汉水利水电大学学报，1998，31（5）：99~102
[3]James R.Ahart.Computer-Aided Building-Design System(BDS)，Journal of Computing in Civil Engineering，1997，11(1):4~5
[4]孙江宏等，Pro/ENGINEER 2001中文版清华大学出版社，2003
[5]方庆等，画法几何与水利工程制图。高等教育出版社，1991