高層建筑結構的優(yōu)化設計主要包括結構建模和結構優(yōu)化兩個部分。在結構建模階段，需要設計師從建筑平面圖中人工讀取建筑相關信息，包括幾何圖元、封閉區(qū)域、建筑元素等，隨后采用建模軟件進行結構構件的自動布置和荷載施加，由此完成結構計算模型的生成，這個過程高度依賴人工，建模工作量大且效率低下。 本研究提出一種建筑結構圖紙信息識別與結構自動建模的方法，旨在變革傳統(tǒng)依賴人工解讀圖紙、手動建立計算模型的設計流程，實現(xiàn)從二維設計圖紙到三維參數化結構分析模型的自動化、智能化轉換。該方法的成功應用，將極大提升結構設計的效率與準確性，減少人為錯誤，并為后續(xù)的結構優(yōu)化及數字化提供高質量、可計算的數據基礎，可推動建筑結構設計邁向全流程數字化與智能化。
建筑平面圖信息識別核心在于自動讀取以矢量形式表達的二維建筑圖紙中的建筑相關信息，高層鋼結構的圖紙信息識別與結構自動建模工作流程見下圖：
為了統(tǒng)一建筑信息識別，本課題制定了詳盡的圖層命名與屬性映射規(guī)則標準，該標準不僅規(guī)定了“墻”、“窗”、“門”、“軸線”、“文本”等基本元素所在的圖層名稱，也定義了每個圖層內圖形元素的屬性。例如，“WALL”圖層包含代表墻體輪廓的線段，每條線段通過其兩個端點的坐標來描述:“WIINDOW”圖層則包含門和窗輪廓的線段與弧線，其圖層通過幾何屬性(質心坐標、長度、旋轉角度)定義了門窗等洞口的位置和尺寸；“SPACE”圖層通過文本方式，承載了房間功能（如“臥室“、“客廳”）等關鍵語義信息；“AXIS”和“DOTE”圖層通過線段和幾何屬性（坐標、長度、旋轉角度）定義了軸線的位置及其相鄰距離。
因此，在制定的圖層標準基礎上，通過圖層分析法對DXF矢量文件的數據信息進行解析，可以提取得到墻體、窗戶、門洞、軸線、區(qū)域功能等基本圖元，能夠精準地獲得各類元素的幾何與屬性信息。該提取過程并非簡單的圖形抓取，而是基于特征的類型識別，例如，對于墻體，該方法識別的是具有特定線型和長度的線段：對于門窗洞口，該方法則識別封閉的多段線或圖塊，并計算其邊界框和方向角。所有這些被提取的信息都被轉化為結構化的數據（如列表），并存入內存中，以備后續(xù)的模型重建使用。通過這種標準化方法，確保了信息提取的準確性和一致性。
獲得離散的幾何圖形元素后，需要理解它們之間的空間邏輯關系及其語義，即構建一個表達建筑空間拓撲的模型。為了從二維CAD圖紙中檢測得到不同的功能區(qū)域，需要提取得到墻體和洞口的中心線，其主要步驟如下:
1.獲取建筑軸線坐標。根據圖層集合“AXIS”中獲取的線段確定軸線的方向和位置，包括水平軸與縱向軸兩類軸線。記錄軸線圖層中線段的端點坐標值，當線段兩端點x坐標相同時，該軸線標記為縱向軸并記錄其x坐標。由此可以識別得到建筑平面圖中的所有軸線，形成一個完整的正交軸線網格，作為整個結構模型定位的基準。
2.獲取建筑門窗洞口中心線。通過圖層集合“WINDOW”中獲取的線段得到旋轉角度，由此確定洞口方向，例如，角度信息為0和180°代表水平方向的洞口。其次，通過線段的長度信息，將中心坐標沿軸向的正負兩個方向各平移總長度的一半，獲得中心線的兩個端點。
3.獲取建筑墻體中心線。基于專家經驗，墻體中心線的獲取需要將代表同一片墻體兩側的平行線段進行配對，其配對依據是兩條線段在長度和端點位置上的相似性，具體需要進行以下兩步：（1）檢測線段并配對形成墻體分段;（2）獲取每段墻體中心線的兩個端點坐標。這一過程充分模擬了工程師的思維過程，將雜亂的線段轉化為清晰的、具有拓撲關系的線框模型。
樓面荷載、結構構件是根據建筑區(qū)域的功能來確定和布置的，例如，由于表面鋪裝的不同，衛(wèi)生間和臥室的恒載和活載會有較大的不同，而且在不同的標準層，樓面荷載也可能不同，構件所在的位置也會有所區(qū)別。因此，為了得到用于力學分析的結構模型的樓面荷載分布，以便于進行結構參數化建模過程中的結構構件自動布置，對區(qū)域進行語義分割尤為重要。為了獲得區(qū)域功能，基于獲得的所有中心線，識別出由這些中心線圍合而成的各個封閉區(qū)域，采用數學圖論基本原理進行表達，具體而言，將整個中心線網絡視為一個“圖”，其中線的端點是“頂點”，中心線是“邊”。由此可通過封閉區(qū)域檢測法進行區(qū)域分割，具體步驟如下：
1.建筑墻體和門窗中心線合并。為了降低計算成本并消除墻體轉角處洞口對幾何線段的影響，將得到的洞口中心線與墻體中心線進行合并，具體步驟為:(1)隨機選擇一個門/窗洞口；（2）依次將其線段的端點與相鄰墻體的端點進行配對，當墻體線段的任何端點與所選洞口的任意端點坐標相同時，則將該墻體記錄在一個列表中，由此可記錄得到與該洞口相連的所有墻體線段;（3）將該洞口的中心線與列表中那些共點的墻體中心線合并;（4）對所有洞口都進行上述操作，記錄下所有洞口的相連墻體線段。將處理后的中心線（包括合并了洞口中心線的墻體中心線）轉化為圖數據結構。
2.建筑封閉區(qū)域識別。采用順時針輪廓識別方法檢測并識別合并后的洞口及墻體線段，即沿著中心線進行順時針方向的遍歷，記錄經過的中心線，由此得到封閉區(qū)域，當遍歷路徑回到起點時，即識別出一個封閉多邊形，其代表一個建筑封閉區(qū)域（如臥室、廚房等），見下圖，具體步驟為:（1)隨機選擇一條合并后的洞口及墻體線段，作為初始線段;（2）按照順時針方向，確定該線段的起點和終點:（3）記錄與所選線段終點相連的所有其他線段，其中，將順時針方向的那條線段標記為下一條線段，其確定規(guī)則見下表，共有四種情況。以第一種情況為例進行說明，當該線段為水平線段且其指向x正方向時，從與之相連的所有線段中找出具有端點y坐標最小的線段，將其作為該線段順時針方向的下一條線段。其他情況類似，具體規(guī)則詳見下表。（4）重復步驟（1）~（3），直至所選線段形成一個封閉區(qū)域，當前區(qū)域即為順時針方向檢測出的最小區(qū)域;（5）重復上述步驟，可檢測得到出所有封閉區(qū)域。
3.建筑封閉區(qū)域功能標注。每個封閉區(qū)域的功能通過其內部或附近的文本標簽（如“臥室”）進行自動標注。具體而言，利用圖層集合“SPACE”中獲取的信息，提取出每個能夠代表區(qū)域類型的文本數據，并且提取出該文本中心點所在的位置坐標，通過該坐標對其所屬區(qū)域進行判斷，即封閉區(qū)域的功能為位于它所在包圍框內部的區(qū)域類型文本。由此可對所有封閉區(qū)域的建筑功能進行標注。
4.建筑封閉區(qū)域連通性分析。根據數學圖論基本原理，采用連通分量分析法，結合度中心性進行區(qū)域分割，該中心性定義為:
式中，dci為區(qū)域i的度中心性；g為區(qū)域總數；Mij為區(qū)域zi與區(qū)域z之間的區(qū)域連接矩陣值，其具體定義見上式?；趨^(qū)域所在線段的坐標，及門洞線段的坐標，可判斷出區(qū)域與門洞的包含關系。在此基礎上，當兩個封閉區(qū)域共同包含同一扇門時，可將其視為連通，由此可得到封閉區(qū)域的連通關系圖，其中，節(jié)點代表封閉區(qū)域，邊代表門連接。其示例見下圖，0號區(qū)域為中心區(qū)域，通常為過道區(qū)域，其度中心性數值最高，11號區(qū)域與4號、19號區(qū)域相連通，12號區(qū)域與3號、18號區(qū)域相連通，17號區(qū)域與1號、2號區(qū)域相連通，這樣的組合區(qū)域通常為一個套間，這三個套間通過0號區(qū)域即過道相連通等。該連通關系圖揭示了建筑的交通流線，為后續(xù)的荷載分布和結構構件布置等應用提供了數據基礎。
