基于信息化發(fā)展下的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)智設(shè)計(jì)的應(yīng)用

沙 萱,李 浩,李亦崎,邱宏杰,陳展淳

(東南大學(xué)成賢學(xué)院,南京210088)

2020年,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》,指出要加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用,逐步形成全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。智能化的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能建造的關(guān)鍵組成部分,形成數(shù)智化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作模式,對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率至關(guān)重要。

1 建筑結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)技術(shù)類型

近年來,為真正實(shí)現(xiàn)協(xié)同建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及兩專業(yè)相互間的模型轉(zhuǎn)換,出現(xiàn)了幾種智能設(shè)計(jì)技術(shù)類型,相關(guān)研究成為了工程領(lǐng)域及學(xué)界的熱點(diǎn)。

1.1 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)

因?yàn)榻ㄖ﨎IM軟件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析軟件專有的數(shù)據(jù)格式不同,彼此信息交互支持度較低,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分析仍需要重復(fù)建模,設(shè)計(jì)效率降低。工業(yè)基礎(chǔ)類(Industry Foundation Classes,IFC)標(biāo)準(zhǔn)具備良好的開放性和可拓展性,認(rèn)可度高,是國際主流BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),也是解決建筑結(jié)構(gòu)兩重要專業(yè)間數(shù)據(jù)有效交流問題的公共基礎(chǔ)。從表1可以看出,核心BIM軟件都支持IFC文件的輸入或輸出。IFC文件包含建筑模型中的幾何信息、截面信息、材料信息及各構(gòu)件間的相關(guān)信息。通過IFC文件,任何支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件都可以查找并提取相關(guān)信息,實(shí)現(xiàn)信息交換與共享。但由于各軟件對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的支持程度不同,沒有嚴(yán)格按照IFC標(biāo)準(zhǔn)格式構(gòu)建數(shù)據(jù)庫,導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享與交換過程中不同類型的構(gòu)件材質(zhì)信息丟失、構(gòu)件截面信息錯(cuò)誤和構(gòu)件位置偏差等問題。如表2所示,部分結(jié)構(gòu)分析軟件提供IFC接口,能夠在一定程度上基于IFC文件與BIM軟件進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的協(xié)同,但實(shí)際支持度較低,順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換難,一些大型通用有限元分析軟件不支持IFC文件的導(dǎo)入導(dǎo)出。

表1 支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM軟件

表2 支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的有限元分析軟件

因?yàn)橛邢拊浖缀谓５臄?shù)據(jù)定義格式與IFC模型定義格式迥異,直接將BIM與有限元軟件建模數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的效果并不理想,且需要大量的修正處理,在BIM與各類有限元軟件間直接建立數(shù)據(jù)互輸通道技術(shù)受限,意義不大。故目前實(shí)踐應(yīng)用中基于IFC的建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析軟件間的信息交互多是間接的。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模與計(jì)算分析一體化

參數(shù)化設(shè)計(jì)是將全部設(shè)計(jì)要素作為某函數(shù)變量,通過設(shè)計(jì)函數(shù)或算法將相關(guān)變量關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)輸入?yún)?shù)便可自動(dòng)生成模型設(shè)計(jì)。建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)?shù)化技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代初,目前應(yīng)用已很廣泛,特別適用于有個(gè)性的異形建筑。但在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程下,每建一次幾何模型只能計(jì)算一種結(jié)構(gòu)方案,結(jié)構(gòu)形式或某一結(jié)構(gòu)參數(shù)一旦改變,幾何模型就需修改。改變的幾何線模型導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件后,單元、節(jié)點(diǎn)及二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系也會(huì)改變,單元、截面、材料、荷載、邊界約束等有限元信息都需要重新建立,效率低。目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)行業(yè)設(shè)計(jì)周期短,效率要求高,因此設(shè)計(jì)行業(yè)不僅需要利用參數(shù)化技術(shù)來提高某階段的效率,還需要?jiǎng)?chuàng)建、分析、設(shè)計(jì)全過程自動(dòng)進(jìn)行,直接輸出用戶需要的設(shè)計(jì)結(jié)果文件,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)建模與計(jì)算一體化分析,不需人工干預(yù)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)及一體化比選分析流程如圖1所示。在Rhino、Revit等軟件中形成BIM模型,Rhino-Grasshopper(GH)和Revit-Dynamo等參數(shù)化平臺(tái)根據(jù)建筑模型生成結(jié)構(gòu)參數(shù)化點(diǎn)、線、面幾何模型,再聯(lián)動(dòng)PKPM、SAP2000、ETABS、Midas、ABAQUS、ANSYS等結(jié)構(gòu)計(jì)算平臺(tái),賦予截面、荷載、材料等結(jié)構(gòu)屬性并設(shè)置約束條件,進(jìn)行計(jì)算后返回位移、周期等結(jié)果給參數(shù)化平臺(tái)。判斷計(jì)算結(jié)果是否滿足設(shè)定的目標(biāo)函數(shù),若不滿足,則程序自動(dòng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)重新進(jìn)行計(jì)算,自動(dòng)連接需要調(diào)整的參數(shù),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,直至計(jì)算結(jié)果滿足目標(biāo)函數(shù),計(jì)算終止。進(jìn)入施工圖平臺(tái)、工程管理平臺(tái)和運(yùn)維平臺(tái),利用Revit出施工圖可以直接基于其統(tǒng)計(jì)工程量,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與算量的一體化。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)及一體化比選分析流程Fig.1 Parametric design and integrated comparison analysis process

聯(lián)動(dòng)參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析一體化的關(guān)鍵科學(xué)問題在于要實(shí)現(xiàn)從參數(shù)輸入到提取結(jié)果再優(yōu)化的整個(gè)過程的實(shí)時(shí)更新和聯(lián)動(dòng),無需手動(dòng)導(dǎo)入分析軟件和手動(dòng)查看結(jié)果,其中建立空間結(jié)構(gòu)線模型在GH等參數(shù)化平臺(tái)中應(yīng)用已較為成熟[1],因此需用信息化技術(shù)解決的問題主要包括以下幾個(gè)方面:①參數(shù)化模型自動(dòng)化轉(zhuǎn)變至結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。對(duì)于ANSYS、Midas等沒有API接口的分析軟件,需手動(dòng)導(dǎo)入幾何線模型或二次開發(fā)。劉宜豐等[2]利用TCLTK語言在ANSYS中建立tcp服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過Python開發(fā)的程序?qū)⒃贕H中輸入的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的去重、整理,進(jìn)而形成有限元模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元建模的ANSYS的APDL命令流,再由程序添加截面、材料和邊界條件施加的命令流,通過二次開發(fā)的接口程序?qū)⒚盍鱾魉偷紸NSYS中。②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算結(jié)果傳遞到參數(shù)化平臺(tái)。如ANSYS支持TCLTK語言提供獲取模型數(shù)據(jù)的函數(shù),通過TCP服務(wù)器返回給Python客戶端,完成計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)從ANSYS到GH的傳遞過程[2]。③參數(shù)化軟件根據(jù)傳遞計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整初始參數(shù)再返回結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化,使計(jì)算結(jié)果滿足預(yù)期目標(biāo),其分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)比選。單目標(biāo)優(yōu)化,如設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為結(jié)構(gòu)水平剛度最大或構(gòu)件截面或桁架形態(tài)等,通過遺傳算法進(jìn)行迭代優(yōu)化[3]。如文獻(xiàn)[2]中,若某桿件應(yīng)力比大于所設(shè)定的最大限值,則將截面調(diào)大一個(gè)級(jí)別,向ANSYS發(fā)送命令,對(duì)有限元模型的截面進(jìn)行修改,再次計(jì)算分析,完成后再進(jìn)行應(yīng)力比的計(jì)算,如此反復(fù),直到所有的桿件應(yīng)力比滿足要求或截面無法進(jìn)一步調(diào)大,則終止優(yōu)選。多目標(biāo)比選,將多個(gè)結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛重比、頂點(diǎn)位移、周期比、層間位移角、剪重比、位移比等指標(biāo)批量計(jì)算后提取結(jié)果生成比選報(bào)告。

如上,使得設(shè)計(jì)初期可快速進(jìn)行海量方案的試算比選,形成建筑結(jié)構(gòu)雙優(yōu)方案,提升核心競爭力。深化設(shè)計(jì)階段,可減少重復(fù)工作,提高設(shè)計(jì)效率,加快結(jié)構(gòu)專業(yè)響應(yīng)速度。

1.3 生成式人工智能的使用

生成式人工智能是指基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法,使計(jì)算機(jī)能夠利用已有內(nèi)容來創(chuàng)造像真實(shí)對(duì)象的完全原創(chuàng)的內(nèi)容。建筑結(jié)構(gòu)智能生成式設(shè)計(jì)通過深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法,以大量真實(shí)圖紙作為訓(xùn)練材料,訓(xùn)練后的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)輸入的建筑圖智能化生成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。在建筑限制條件下,通過AI對(duì)初步結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行識(shí)別與分析,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件截面尺寸智能擇優(yōu)和不同結(jié)構(gòu)體系比對(duì),將衍生出的所有潛在方案進(jìn)行計(jì)算分析,對(duì)比后產(chǎn)生最佳方案。理論上經(jīng)過力學(xué)計(jì)算、規(guī)范條文、材料用量三方面的檢查,生成的結(jié)構(gòu)圖紙是安全可靠的。

但建筑結(jié)構(gòu)生成式智能設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)從AI輔助到AI為主,面臨以下幾個(gè)關(guān)鍵問題:①在小樣本下識(shí)別關(guān)鍵特征并發(fā)掘潛在規(guī)律。以人臉識(shí)別為例,實(shí)現(xiàn)百萬級(jí)數(shù)據(jù)量的圖片訓(xùn)練。但建筑作為個(gè)性化產(chǎn)品,同一類工程訓(xùn)練集只能達(dá)到數(shù)百的數(shù)據(jù)量。②準(zhǔn)確識(shí)別、提取和學(xué)習(xí)稀疏關(guān)鍵特征。深度學(xué)習(xí)具有提取高維特征、發(fā)現(xiàn)隱含規(guī)律的能力,訓(xùn)練后的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可根據(jù)輸入的建筑圖智能化生成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖,但建筑圖紙上信息復(fù)雜,與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的有效信息比例少,難學(xué)習(xí)。③構(gòu)造可以反映不同約束且梯度連續(xù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足建筑布置、設(shè)計(jì)規(guī)范條文、力學(xué)性能要求等約束,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算規(guī)則異常復(fù)雜。④多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的信息提取與多維非結(jié)構(gòu)化知識(shí)表征?；谖谋镜囊?guī)范條文、基于圖像的建筑布置可分別轉(zhuǎn)換成人工智能可以處理的三維矩陣,采用等尺寸張量加權(quán)融合文本-圖像特征,AI自動(dòng)將構(gòu)件的數(shù)量與面積和抗震設(shè)防烈度與結(jié)構(gòu)高度等設(shè)計(jì)條件建立關(guān)聯(lián),但力學(xué)原理到結(jié)構(gòu)圖生成時(shí),深度學(xué)習(xí)算法與力學(xué)性能計(jì)算的運(yùn)行機(jī)制不匹配。

深度學(xué)習(xí)在建筑結(jié)構(gòu)的方案生成設(shè)計(jì)中具有很好的應(yīng)用前景。目前,一些針對(duì)具體的構(gòu)件布置、構(gòu)件尺寸設(shè)定和特殊構(gòu)件設(shè)計(jì)的算法被提出,如圖像合成生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)、圖像-文本特征融合生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)、力學(xué)計(jì)算增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)、注意力機(jī)制增強(qiáng)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)知識(shí)增強(qiáng)的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)等[4-6],如圖2所示。在用這些方法構(gòu)建的AI設(shè)計(jì)系統(tǒng)中輸入建筑方案和設(shè)計(jì)條件后可完成結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),將結(jié)構(gòu)方案導(dǎo)入 PKPM、YJK 等結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,完成方案驗(yàn)算和截面配筋設(shè)計(jì),有效提升設(shè)計(jì)效率。

圖2 生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Generated adversarial network model

2 國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件信息化進(jìn)展

目前,關(guān)于BIM建模軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件數(shù)據(jù)交互的研究主要有基于IFC標(biāo)準(zhǔn)文件、基于二次開發(fā)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)3種方式。

基于IFC標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行BIM模型與結(jié)構(gòu)分析模型的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于特定軟件,完整穩(wěn)定,不僅用于建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)間數(shù)據(jù)共享,也適合作為項(xiàng)目全生命周期協(xié)同工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但BIM軟件眾多,即使是通過IFC官方驗(yàn)證的軟件也不能完全準(zhǔn)確解析項(xiàng)目的IFC數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)不一致問題頻繁發(fā)生,各軟件需要提高對(duì)IFC數(shù)據(jù)的解析質(zhì)量。多種新有限元分析軟件出現(xiàn),軟件間聯(lián)合分析對(duì)比需求增加,難以滿足。IFC標(biāo)準(zhǔn)仍在發(fā)展完善階段,對(duì)于結(jié)構(gòu)分析中的預(yù)應(yīng)力荷載、各種荷載組合及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析等問題,標(biāo)準(zhǔn)沒有提供清晰的描述,將已修改變更的結(jié)構(gòu)模型再轉(zhuǎn)化成為符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型、大型建筑IFC模型文件輕量化及提高處理速度等方面也需進(jìn)一步研究。

在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模與計(jì)算分析一體化方面,目前有API接口的結(jié)構(gòu)分析軟件有限或接口剛剛開放,如PKPM。相較于API接口開放時(shí)間久、功能較全面的國外軟件,如Sap2000、Etabs等功能待完善。但國外軟件雖有足夠的設(shè)計(jì)能力,但對(duì)國內(nèi)規(guī)范支持不夠,未完全對(duì)應(yīng),與國產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件相比,操作復(fù)雜,不易上手,漢化程度一般,接受度低。而PKPM和YJK等國內(nèi)自主研發(fā)的結(jié)構(gòu)軟件與國內(nèi)規(guī)范匹配,操作簡單,普及度高,但二次開發(fā)程序編制底層語言和API接口調(diào)用速度方面有待進(jìn)一步升級(jí)。國內(nèi)自主研發(fā)的BIM應(yīng)用軟件的三維圖形引擎與國際水平有較大差距,是必須解決的卡脖子問題。目前國內(nèi)使用的BIM建模軟件和基礎(chǔ)平臺(tái)主要來自于幾家國際大型軟件開發(fā)商,如Autodesk、Bentley、Trimble等。BIM軟件與有限元分析軟件彼此獨(dú)立,各軟件公司采用的信息文件儲(chǔ)存格式不同,能實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)用的軟件少,信息傳輸多通過過渡文件或間接交互,尤其是在有限元軟件結(jié)果傳回BIM軟件方面存在一體化壁壘。

國內(nèi)YJK還沒有形成二次開發(fā)環(huán)境,推出的智能化設(shè)計(jì)模塊GAMA,即Geometry幾何、Algorithm算法、Mechanics力學(xué)、Automation自動(dòng)化四項(xiàng)元素在一定程度上可以對(duì)標(biāo)基于Rhino軟件的GH參數(shù)化設(shè)計(jì)。GH的結(jié)構(gòu)工程師可以無縫切換到GAMA,無需額外的學(xué)習(xí)成本,但目前還無法通過GAMA原生電池直接操作YJK的前處理模塊,卡片的外觀設(shè)計(jì)缺乏高級(jí)感,操作面板也有待提高靈活性。

在生成式人工智能方面,構(gòu)力科技推出的PKPM-AID讓更高效的算法調(diào)試代替人工試錯(cuò),可高效完成構(gòu)件截面優(yōu)選及整體計(jì)算指標(biāo)控制、超限構(gòu)件調(diào)整,可精細(xì)化控制優(yōu)化效果。如采用PKPM-AID進(jìn)行梁構(gòu)件截面優(yōu)選,定義有若干備選截面的設(shè)計(jì)組,進(jìn)而設(shè)置配筋率、構(gòu)造要求等優(yōu)化約束和優(yōu)化目標(biāo),如造價(jià)最低或梁高最小或兩者兼考慮。軟件上手容易,學(xué)習(xí)成本極低。

但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)向數(shù)字設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型過程中仍面臨著優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)難獲取、優(yōu)化設(shè)計(jì)難自動(dòng)的問題。AI系統(tǒng)需要大量的高質(zhì)量數(shù)據(jù)來進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí),算法和計(jì)算能力要不斷提升。

3 結(jié)束語

為提升建設(shè)行業(yè)生產(chǎn)效率,智能建造成為人們關(guān)注的重要問題。人工智能與建筑業(yè)融合可形成智能建造技術(shù),這是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢。而智能化的建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能建造的關(guān)鍵組成部分,發(fā)展需求強(qiáng)烈。結(jié)構(gòu)工程師能力也在迭代,需要有算法能力的結(jié)構(gòu)工程師。目前,建筑與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題尚未得到有效解決。未來,各大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件將開發(fā)相應(yīng)的API,全人工智能設(shè)計(jì)前景可期。隨著國家和地方政策的推動(dòng),BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將不斷完善,IFC數(shù)據(jù)解析質(zhì)量的提高與建筑結(jié)構(gòu)的生成式智能設(shè)計(jì)將成為未來設(shè)計(jì)的主流。