本研究的核心創(chuàng)新在于建立建筑結(jié)構(gòu)的完整矩陣表達體系，實現(xiàn)建筑信息與結(jié)構(gòu)模型的無縫轉(zhuǎn)換，通過將數(shù)字信息技術(shù)、數(shù)學(xué)方法與力學(xué)理論結(jié)合，顯著提高了高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的自動化水平。與傳統(tǒng)方法相比，該方法具有以下突出優(yōu)勢： 1. 全流程自動化。實現(xiàn)從建筑平面圖到結(jié)構(gòu)分析模型的全過程自動化轉(zhuǎn)換，大幅提高設(shè)計效率。 2. 高精度建模?；诰仃嚮臄?shù)據(jù)表達，確保結(jié)構(gòu)模型信息的完整性和準(zhǔn)確性。 3. 智能決策支持。集成結(jié)構(gòu)計算模型相關(guān)的多種信息處理算法，為結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。 4. 良好擴展性。模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)便于功能擴展和定制化開發(fā)。 本研究成果將為建筑結(jié)構(gòu)的自動化設(shè)計提供完整的技術(shù)路線和實施方案。隨著建筑行業(yè)數(shù)字化程度的不斷提高，該方法將在智能建造領(lǐng)域發(fā)揮更大價值，推動建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計向智能化、自動化方向邁進。 選取兩棟典型建筑進行案例分析：案例1建筑為規(guī)則矩形平面結(jié)構(gòu)，案例2建筑為更復(fù)雜的Z型平面結(jié)構(gòu)。此類建筑在宿舍樓或辦公樓工程實際中極為常見，能夠用于驗證該方法的可行性和通用性，見建筑平面圖及圖層信息提取結(jié)果圖。 案例1與案例2的高度均為36.3米，案例1考慮兩個標(biāo)準(zhǔn)層（SS），第一個標(biāo)準(zhǔn)層SS1為1~6層，第二個標(biāo)準(zhǔn)層SS2為7~12層，考慮采用4組結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分別標(biāo)記為KZ1（SS1中的結(jié)構(gòu)柱）、KZ2（SS2中的結(jié)構(gòu)柱）、HL（橫向結(jié)構(gòu)梁）和ZL（縱向結(jié)構(gòu)梁）。 案例2同樣考慮兩個標(biāo)準(zhǔn)層，SS1為1~7層，SS2為8~12層，每個標(biāo)準(zhǔn)層考慮三組構(gòu)件（KZ柱、HL橫向梁、ZL縱向梁），共計6組構(gòu)件。相較于案例1，案例2呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)空間復(fù)雜度，以及后續(xù)用于優(yōu)化的維度復(fù)雜度。兩個案例的荷載信息及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特性詳見荷載信息及結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料特性表，在后續(xù)優(yōu)化過程中考慮荷載組合下的結(jié)構(gòu)最不利工況。 建筑平面圖及圖層信息提取結(jié)果——案例1 建筑平面圖及圖層信息提取結(jié)果——案例2 荷載信息及結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料特性 建筑平面圖信息識別結(jié)果見建筑元素中心線提取結(jié)果圖、區(qū)域語義分割結(jié)果圖、建筑區(qū)域連通關(guān)系圖。由此可見，基于專家經(jīng)驗，可實現(xiàn)從建筑二維CAD平面圖自動讀取建筑相關(guān)信息，此類配置合理，滿足建筑功能需求，可為結(jié)構(gòu)計算模型的生成提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 建筑元素中心線提取結(jié)果——案例1 建筑元素中心線提取結(jié)果——案例2 區(qū)域語義分割結(jié)果——案例1 區(qū)域語義分割結(jié)果——案例2 建筑區(qū)域連通關(guān)系——案例1 建筑區(qū)域連通關(guān)系——案例2 在兩個案例中，區(qū)域連通關(guān)系圖成功生成，其中，頂點代表區(qū)域編號，這些編號取自區(qū)域邊界矩陣，黑色邊線則表示相鄰區(qū)域通過門洞形成的連通關(guān)系。例如，案例1中，客廳（#2）與臥室（#6和#13）、衛(wèi)生間（#16）、廚房（#11）及走廊（#7）相連通，建筑區(qū)域被準(zhǔn)確識別。在案例2中同樣可觀察到類似的結(jié)果。 為評估房間劃分有效性與樓面荷載分布準(zhǔn)確性，采用精確率和召回率進行評估，其定義如下： 式中，TP、FP 和FN分別為真陽性、假陽性與假陰性的數(shù)量。 下表展示了包含墻體、門窗洞口、建筑區(qū)域及樓面荷載分布的參數(shù)化建模結(jié)果。在兩個案例中，所有建筑元素提取、封閉區(qū)域識別以及樓面荷載布置的精確率和召回率均達100%，結(jié)果表明建筑構(gòu)件檢測、建筑區(qū)域分割及樓面荷載分布的準(zhǔn)確率均為100%。該參數(shù)化建模過程僅耗時約8秒。 結(jié)構(gòu)平面圖及荷載布置結(jié)果——案例1 結(jié)構(gòu)平面圖及荷載布置結(jié)果——案例2 結(jié)構(gòu)計算模型生成結(jié)果——案例1 結(jié)構(gòu)計算模型生成結(jié)果——案例2 結(jié)構(gòu)平面圖及荷載布置結(jié)果圖與結(jié)構(gòu)計算模型生成結(jié)果圖展示了兩個案例的參數(shù)化建模結(jié)果。不同的樓面荷載數(shù)值根據(jù)樓板的飾面工藝和房間功能確定。例如，在案例1中，通過加權(quán)求和法，將5.18 kN/m2的恒荷載與2.00 kN/m2的活荷載施加于#7區(qū)域。在結(jié)構(gòu)計算模型中，鋼構(gòu)件包括梁柱的布局與結(jié)構(gòu)平面布置完全一致，且結(jié)構(gòu)梁柱連接均有效建立，荷載包括作用于結(jié)構(gòu)梁上的均布線荷載以及作用于梁柱節(jié)點的等效水平荷載均有效施加。根據(jù)自動劃分的標(biāo)準(zhǔn)層和規(guī)定的構(gòu)件分類規(guī)則，結(jié)構(gòu)模型共包括KZ1、KZ2、HL、ZL四類構(gòu)件類型，即標(biāo)準(zhǔn)層1結(jié)構(gòu)柱、標(biāo)準(zhǔn)層2結(jié)構(gòu)柱、縱向梁、橫向梁，由此，設(shè)計構(gòu)件總數(shù)從847個減少至4類，這對優(yōu)化設(shè)計極為有利。由此可見，得到的參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型可用于后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化工作。 相關(guān)文章：
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