基于CAD圖紙的Revit三維建筑模型生成技術

鐘輝 朱琳 苗元滿

摘要：為了在建筑爬架設計中提高設計效率，課題針對CAD圖紙，結合建筑工程設計的實際需求，采用BIM二次開發技術，研究實現建筑構件的識別和三維建模技術。研究內容包括建筑圖中的墻、柱和梁基本建筑構件數據提取與識別，并在Revit中自動創建相應的三維模型。提出基于圖元的圖層和幾何特征識別算法，通過Teigha.NET類庫對CAD圖紙中的信息讀取，利用RevitAPI進行幾何識別和計算并進行三維構件創建，實現了自動化三維建模流程。研究成果可以在CAD圖紙中快速提取和識別建筑構件的數據，并實現對應的三維建模，顯著提高建筑信息模型（BIM） 的創建效率和準確性。

關鍵詞：C#；CAD；三維模型；RevitAPI；Teigha

中圖分類號：TP391.72? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0138-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著建筑信息模型（BIM） 在建筑行業的廣泛應用，利用CAD圖紙進行建筑構件的識別和三維建模成為一項重要的研究方向[1]。在傳統的建模過程中，手動創建和編輯構件模型需要耗費大量的時間和人力，并且容易出現錯誤和不一致。因此，通過利用Revit API進行二次開發，實現對CAD圖紙中的構件數據的提取和建模，具有重要的實際應用價值[2]。

研究旨在利用Revit API進行二次開發，基于CAD圖紙實現墻柱梁建筑構件的數據提取與識別，并自動創建對應的三維模型。實現了高效、準確和自動化的建模過程，為BIM應用提供了有力的支持。

1 技術與方法

1.1 CAD圖紙預處理

常規的CAD建筑圖紙不但有建模所需要的墻、柱、梁等建筑構件信息，還包含了這些部件的尺寸、材質等信息，這些信息可以為建模提供準確的依據。但信息量較大，有些信息冗余，因此首先需要對建筑 CAD平面圖紙進行預處理。根據規范對建筑物按照不同的類別進行分層。

1.2 二維模型數據提取

CAD圖紙中的建筑構件數據通常由兩個部分組成。第一部分為建筑構件的結構圖，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件的形狀和結構。第二部分為文字標注，標注建筑構件的尺寸、長度、高度、厚度等信息，這些信息可以獲知建筑構件的具體尺寸。在數據提取時，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，同時保存文字的位置、文本信息和圖層名稱等信息。在保存幾何元素時，保存位置、幾何元素類型、線段長度、梁的寬度和高度等信息，為三維模型生成提供數據支持。

1.3 構件識別

基于圖層及線型屬性的幾何特征識別：將建筑構件分圖層存儲，編程讀取這些圖層，獲取這些建筑對象的平面坐標進行三維建模。以建筑施工圖行業標準為例，墻存儲于“WALL”圖層，柱存儲于“柱”圖層，梁存儲于“BEAM”圖層，考慮設計人員對圖層起名的不規范性，凡是圖層名字中帶有“WALL”或者“墻”“COLUMN”或者“柱”“BEAM”或者“梁”的圖層均為相應的墻圖層、柱圖層、梁圖層。然而通過對大量圖紙的研讀分析，發現只根據圖層進行構件區分的方式并不嚴謹，結合墻、柱由PLine線構成，梁由Line線構成的線型特征及構件的幾何特征進行進一步的識別確認。

1.4 三維模型生成

基于Revit軟件平臺，采用C#語言和Visual Studio2015開發工具，基于Revit和Teigha.NET類庫提供的函數庫進行二次開發，結合獲取到的構件信息，編寫建模程序，實現Revit中自動生成結構BIM模型。RevitAPI是Autodesk公司提供給開發者使用的應用程序編程接口，使開發人員能夠與Autodesk Revit軟件交互[3]。通過引用RevitAPI.dll，RevitAPIUI.dll文件，在程序中調用RevitAPI中的方法實現對Revit操作，將搭建成功的程序生成后綴為.dll的動態鏈接庫文件，使用外部工具執行該文件，實現在Revit中建立三維模型。

2 實現過程

綜上所述，構件的三維建模過程總體分為以下幾步：CAD圖紙的預處理；數據提取，結合相應算法識別墻、柱、梁；通過設計算法計算不同構件的輪廓，并根據拉伸高度進行三維建模。

2.1 數據提取

Teigha.NET類庫提供了構件屬性訪問功能，可以輕松地訪問CAD圖紙中的構件屬性信息。在CAD中使用PU命令，刪除圖形中未使用的命名項目，清理圖紙中無用元素[4]，根據元素在CAD中存儲類型的不同將標注、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]，見圖1。

2.2 構件識別

通過數據提取，把構成墻、柱、梁的線存儲于集合ListCADGeometryModels中，根據圖紙分析，墻、柱線由PLine線構成，梁線由Line線構成，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） 墻識別

在CAD圖中的墻體最簡單的是由四個頂點組成的細長矩形，復雜一點則是L形、T形、X形等，L形有六個頂點，T形有8個頂點，X形有12個頂點。見圖2（a） （b） （c） （d） 。

每增加一個L形墻角，整體的點數會增加2個，每增加一個T形墻角，整體點數增加4個，每增加一個X形墻角，整體增加8個頂點。由簡單墻體增加了一個L形墻體、T形墻體、X形墻體，其頂點數為[4+1×2+1×4+1×8=18]見圖2（e） 。

通過計算分析可知，墻體一般是封閉多邊形表示，且多邊形的點數為大于等于4的偶數。建立空的點列表集合ListPoints1用于存儲頂點坐標信息。循環遍歷ListPLine集合中的每個頂點，當頂點數為大于4的偶數時，判斷為墻，并將頂點坐標存儲到集合listPoints1。當頂點數等于4時，須進行墻、柱區分。

2） 柱識別

在CAD圖紙中，柱一般為矩形，由四條PLine線構成，即四個頂點，通過循環遍歷集合ListPLine，獲得頂點數為4的封閉多邊形。在與墻體做區分時，考慮長寬比，當長寬比大于2時，為墻，小于2時為柱。建立空的點列表集合listPoints2用于存儲頂點坐標信息。循環遍歷集合ListPLine中的每個頂點，當頂點數等于4時，計算兩個相鄰頂點之間的距離distance，并將前3個頂點得到的兩條線段的距離進行比較得到相對較長的線段distance1和相對較短的distance2，當distance1與distance2的比值小于2時，即判斷該四邊形為柱，將頂點坐標存儲于集合listPoints2中。當比值大于2時，說明該四邊形為墻，頂點坐標存儲于集合ListPoints1中。墻柱識別流程見圖3。

3） 梁識別

在CAD圖紙中梁由Line線構成的雙平行線表示。創建ListBeamLines空集合，用于存儲識別到的梁線，創建ListDistance集合，存儲兩條梁線之間的距離。循環遍歷ListLine中所有線，選擇一條線line1作為基準線，并從集合中刪除它，再次遍歷集合，在刪除基準線line1之后的集合中，尋找另外一條與line1長度（誤差控制在10mm以內）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，并計算兩條線之間的距離distance，通過判斷橫縱坐標是否相等，進一步判斷梁為橫梁還是豎梁，如果兩條梁線的起點橫坐標相同，縱坐標不同，則為橫梁，距離即為縱坐標之差；如果兩條梁線的起點縱坐標相同，橫坐標不同，則為豎梁，距離為橫坐標之差。將距離與設定的梁寬200mm和300mm，進行比較（誤差控制在10mm以內），符合條件的添加到集合ListDistance中。梁識別流程見圖4。

2.3 識別構件輪廓及拉伸高度

1） 輪廓

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

柱：遍歷PLine線集合，得到頂點坐標集合ListPoints2，將集合中的點按順時針排序，從起點到終點，首尾相接，順序生成線段，并添加進線段集合CurveArray2中，最后將集合CurveArray2添加進封閉輪廓線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，將每組梁線構建一個閉合曲線環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。梁的拉伸高度通過讀取CAD中的文字標注即可得到。遍歷集合ListCADTextModels，在所有文字標注中，帶有“L”的為梁標注，在梁標注中“×”號后面的整數，為梁的高度如圖4中數字“700”，（） 內的數字如（+0.200） 表示梁高在樓層高度以上0.200m（見圖5） 。

2.4 拉伸

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

2.5 拉伸底面輪廓

通過調用FamilyCreate.NewExtrusion方法，傳入在上文計算出的型件的底面輪廓和拉伸高度，實體拉伸三維模型外輪廓。

3 實驗結果

為驗證算法可行性，對如下圖紙進行試驗，實驗結果表明，本算法可以實現CAD圖紙數據提取及翻模。

3.1 讀取圖紙

使用Teigha.NET類庫，讀取CAD圖紙，刪除無用圖層，保留墻、柱、梁及文字標注圖層。使用數據提取算法，將提取到的文本信息，和幾何信息分別存儲。并通過構件識別算法，識別相應構件信息，見圖6。

3.2 根據提取的數據，生成三維模型

1） 生成墻

創建墻的底面輪廓：已知墻底面輪廓集CuveArray1，在Revit中創建一個二維輪廓線，使用Revit API中的Curve類來表示輪廓線。使用Line.CreateBound（）方法創建線段。

創建墻類型：使用Revit API，可以創建一個新的墻類型，并將輪廓線應用于該墻類型。使用WallType.Create（）方法創建新的墻類型，并設置相關參數。

創建墻實例：使用Revit API的Wall.Create（）方法來創建墻的實例，并指定其位置、朝向、墻類型等屬性。使用Document對象來管理Revit項目，并使用Document.Create方法將墻實例添加到項目中。

設置墻的高度：根據已知的拉伸高度，使用Revit API的Element類的來設置墻的高度屬性。使用Element.get_Parameter（）方法獲取墻的高度參數，然后使用Parameter.Set（）方法設置墻的高度值。

2） 生成柱

解析底面輪廓數據：根據已知的柱底面輪廓數據，將其轉換為Revit API可接受的幾何對象。使用Revit API中的Curve類來表示底面輪廓的邊界線，使用PolyLine類來創建底面輪廓的邊界線。

創建輪廓線的閉合環：將底面輪廓的邊界線連接為一個閉合的輪廓環。使用中的CurveLoop類來表示閉合環，通過添加底面輪廓的邊界線到CurveLoop對象中實現。

創建柱的幾何對象：使用Extrusion類創建柱的幾何對象。通過指定底面輪廓的閉合環、拉伸高度和拉伸方向來創建柱的幾何體。

創建柱的類型：通過Revit API，可以創建一個新的柱族類型，并將柱的幾何形狀和參數應用于該族類型。

創建柱的實例：使用FamilyInstance類來創建柱的實例，并指定其位置、朝向、族類型等屬性。

3） 生成梁

根據上文提取到的梁的平行線ListBeamLines，提取平行梁線段的起點和終點坐標。

使用起點和終點坐標創建兩條平行線段的幾何對象，使用Line.CreateBound（）方法來創建線段。

創建閉合輪廓：使用CurveLoop類創建一個閉合的曲線環，將兩條平行線段作為環上的兩條線。

創建梁的幾何模型：使用Extrusion類創建一個梁的幾何模型，將閉合輪廓作為剖面，并指定梁的高度作為拉伸的距離。

創建梁的族類型：使用Revit API創建一個新的梁族類型，并將梁的幾何模型應用于該族類型。

創建梁的實例：使用FamilyInstance類創建一個梁的實例，并指定其位置、朝向、族類型等屬性。

墻、柱、梁整體三維模型見圖7。

4 結論

通過Teigha.NET類庫直接讀取CAD圖層中構件的幾何位置信息，基于圖層及圖元線的幾何特征識別算法實現了CAD建筑圖紙中墻柱梁數據的提取識別，并實現在Revit平臺上的三維模型重建，有效地避免了設計過程中的重復勞動，提升了人工翻模的效率和模型重建的質量。經過實驗驗證，研究提出的方法具有較強的通用性和適應性，能夠基本實現單項構件自動翻模（部分構件由于繪圖不標準出現誤差），特別適合于熟悉CAD而不熟悉Revit的設計人員使用，能夠在很大程度上規避因為對Revit軟件操作不熟練而導致的翻模效率低下的問題，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省設計人員的時間和精力，讓設計人員從煩瑣的建模工作中解放出來。方法雖然已經達到了較高的準確率和效率，但是在容錯性和內容深度方面仍有改進空間，需要研究者進一步探索和優化。

參考文獻：

[1] 白玉星，劉云鑫.Revit二次開發研究進展及未來展望[J].科學技術創新，2019（6）：81-82.

[2] 王建宇，王昕妍.二次開發實現從AUTOCAD到REVIT快速翻模技術研究[J].土木建筑工程信息技術，2015，7（3）：111-115.

[3] Autodesk Asia Pte Ltd. Autodesk Revit二次開發基礎教程[M].上海：同濟大學出版社，2016.

[4] 李冠億.深入淺出AutoCAD.NET二次開發[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[5] 蔣健明，周迪斌，胡斌，等.基于建筑圖紙的三維重建技術研究進展[J].杭州師范大學學報（自然科學版），2011，10（4）：375-379.

[6] Autodesk Asia Pte Ltd. Autodesk Revit二次開發基礎教程[M].上海：同濟大學出版社，2015.

[7] 王博.基于Revit的地鐵車站換乘通道結構模型自動生成算法研究[D].南昌：華東交通大學，2017.

[8] 田思敏.基于BIM的三維重建技術研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[9] 張維錦，汪雷，石學榮，等.結構施工圖中暗柱識別算法研究[J].華東交通大學學報，2015，32（2）：117-122.

[10] 翟銳.AutoCAD建筑工程圖的讀取、識別與三維重建[D].杭州：杭州師范大學，2011.

[11] LI Zhengnong，ZHU Aimin，WU Honghua，et al. Research on the application of Revit-based secondary development in scaffolding design[J]. Journal of Hunan University（Natural Science Edition），2018，45（9）：65-73.

【通聯編輯：梁書】