CN113609559B - 一种建筑结构薄弱部位识别方法和系统 - Google Patents

一种建筑结构薄弱部位识别方法和系统 Download PDF

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Abstract

本说明书实施例提供一种建筑结构薄弱部位识别方法和系统。所述方法包括：基于建筑结构的信息，建立力学模型；基于建筑结构的信息，设定建筑结构中的至少一个候选结构薄弱部位；修改力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵，相关元素对应于经局部弱化处理后的至少一个候选结构薄弱部位；基于修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果；基于至少一个重分析结果进行动力学响应计算，确定至少一个动力学响应结果；基于所述至少一个动力学响应结果进行安全评估，从至少一个候选结构薄弱部位中确定至少一个目标结构薄弱部位。

Description

一种建筑结构薄弱部位识别方法和系统
技术领域
本说明书涉及力学设计分析领域，特别涉及一种建筑结构薄弱部位识别方法和系统。
背景技术
建筑结构是人们日常生活的重要组成部分，其安全性能是力学设计分析领域关注的重点。建筑结构的主要作用是承受载荷，当材料失效或载荷过大时结构就会发生破坏。对于安全问题而言，在力学承载方面起关键作用的构件或是建筑设计上相对薄弱部位的构件，有可能在局部失效后影响并威胁到整体结构。
因此，在评估安全性能时，需要一种能够对建筑结构薄弱部位进行快速识别的技术方案。
发明内容
本说明书实施例之一提供一种建筑结构薄弱部位识别方法。所述建筑结构薄弱部位识别方法包括：基于建筑结构的信息，建立力学模型；基于所述建筑结构的信息，设定所述建筑结构中的至少一个候选结构薄弱部位；修改所述力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵，所述相关元素对应于经局部弱化处理后的所述至少一个候选结构薄弱部位；基于所述修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果；基于所述至少一个重分析结果进行动力学响应计算，确定至少一个动力学响应结果；基于所述至少一个动力学响应结果进行安全评估，从所述至少一个候选结构薄弱部位中确定至少一个目标结构薄弱部位。
在一些实施例中，所述修改所述力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵包括：将所述相关元素修改为不等于所述相关元素初始值的数值。
在一些实施例中，所述基于所述修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果包括：对所述修改后的刚度矩阵中所述修改后的所述相关元素所在的行或列进行标记；基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，确定并标记所述修改后的刚度矩阵中被影响的行或列；基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，只对所述修改后的刚度矩阵中被标记的行或列进行三角分解；基于所述三角分解的结果，确定所述至少一个重分析结果。
在一些实施例中，所述三角分解的结果为三个矩阵的乘积，所述三个矩阵为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及所述下三角矩阵的转置。
在一些实施例中，所述基于修改后的刚度矩阵的稀疏性，确定并标记所述修改后的刚度矩阵中被影响的行或列包括：若所述修改后的所述相关元素为对角元，则对所述修改后的所述相关元素所在行或列进行标记；若所述修改后的所述相关元素为非对角元，则对所述修改后的所述相关元素所在列或行的对角元所在行或列进行标记；若已经被标记的行或列中还有其他非零元素，则对所述其他非零元素所在列或行的对角元所在行或列继续进行标记。
在一些实施例中，所述安全评估的结果包括局部安全评估结果和/或整体安全评估结果。
在一些实施例中，所述局部安全评估结果的确定过程包括：基于所述至少一个动力学响应，确定所述至少一个候选结构薄弱部位的所述邻近区域中的构件是否危险；统计处于危险状态的所述构件的占比或数量；以及基于处于危险状态的所述构件的所述占比或数量，确定所述局部安全评估结果。
在一些实施例中，所述整体安全评估结果为从结构整体的角度基于所述力学模型的刚度矩阵确定的广义特征值，所述广义特征值用于评估所述建筑结构发生整体失稳破坏的风险。
在一些实施例中，所述动力学响应结果包括位移、应力、应变或其任意组合。
在一些实施例中，所述建筑结构的信息包括与建筑结构的设计、施工、维护、事故记录方面相关的信息或其任意组合。
本说明书实施例之一提供一种建筑结构薄弱部位识别系统，包括：建模模块，用于基于建筑结构的信息，建立力学模型；候选结构薄弱部位确定模块，用于基于所述建筑结构的信息，设定所述建筑结构中的至少一个候选结构薄弱部位；弱化处理模块，用于修改所述力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵，所述相关元素对应于经局部弱化处理后的所述至少一个候选结构薄弱部位；局部修改重分析模块，用于基于所述修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果；动力学响应计算模块，用于基于所述至少一个重分析结果进行动力学响应计算，确定至少一个动力学响应结果；安全评估模块，用于基于所述至少一个动力学响应结果进行安全评估，从所述至少一个候选结构薄弱部位中确定至少一个目标结构薄弱部位。
在一些实施例中，所述弱化处理模块还用于：将所述相关元素修改为不等于所述相关元素初始值的数值。
在一些实施例中，所述局部修改重分析模块还用于：对所述修改后的刚度矩阵中所述修改的相关元素所在的行或列进行标记；基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，确定并标记所述修改后的刚度矩阵中被影响的行或列；基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，只对所述修改后的刚度矩阵中被标记的行或列进行三角分解；以及基于所述三角分解的结果，确定所述至少一个重分析结果。
在一些实施例中，所述三角分解的结果为三个矩阵的乘积，所述三个矩阵为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及所述下三角矩阵的转置。
在一些实施例中，所述局部修改重分析模块还用于：若所述修改后的所述相关元素为对角元，则对所述修改后的所述相关元素所在行或列进行标记；若所述修改后的所述相关元素为非对角元，则对所述修改后的所述相关元素所在列或行的对角元所在行或列进行标记；若已经被标记的行或列中还有其他非零元素，则对所述其他非零元素所在列或行的对角元所在行或列继续进行标记。
在一些实施例中，所述安全评估的结果包括局部安全评估结果和/或整体安全评估结果。
在一些实施例中，所述安全评估模块还用于：基于所述至少一个动力学响应，确定所述至少一个候选结构薄弱部位的所述邻近区域中的构件是否危险；统计处于危险状态的所述构件的占比或数量；以及基于处于危险状态的所述构件的所述占比或数量，确定所述局部安全评估结果。
在一些实施例中，所述整体安全评估结果为从结构整体的角度基于所述力学模型的刚度矩阵确定的广义特征值，所述广义特征值用于评估所述建筑结构发生整体失稳破坏的风险。
本说明书实施例之一提供一种建筑结构薄弱部位识别装置，包括处理器，所述处理器用于执行建筑结构薄弱部位识别方法。
本说明书实施例之一提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当计算机读取存储介质中的计算机指令后，计算机执行建筑结构薄弱部位识别方法。
附图说明
本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别系统的应用场景示意图；
图2是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别系统的示例性模块图；
图3是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法的示例性流程图；
图4是根据说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法中进行局部弱化处理的示意图；
图5是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法中使用局部修改重分析算法确定重分析结果的示例性流程图；
图6是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法中确定修改后的刚度矩阵中被影响的行或列的示意图；
图7是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法中确定局部安全评估结果的示例性流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
图1是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别系统的应用场景示意图。在应用场景中，建筑结构薄弱部位识别系统100可以包括处理器110、网络120、用户终端130、存储设备140。建筑结构薄弱部位识别系统100可以通过实施本说明书公开的方法来实现建筑结构薄弱部位的快速识别。
在一些应用场景中，可以通过用户终端130输入获取建筑结构信息的请求、输入局部弱化处理的一些参数以及执行建筑结构薄弱部位识别方法的命令等。在一些应用场景中，处理器110可以通过网络120从用户终端130接受获取建筑结构信息的请求、接收局部弱化处理的一些参数以及执行建筑结构薄弱部位识别方法的命令等。在一些应用场景中，处理器110可以通过网络120从存储设备140获取建筑结构的结构信息、实验数据、类似建筑结构的事故记录等。在一些应用场景中，处理器110可以通过网络将执行本说明书公开的方法后得到的识别结果发送到用户终端130。上述方式仅为方便理解，本系统100亦可以其他可行的操作方式实施本说明书公开的方法。
在一些实施例中，处理器110、用户终端130以及其他可能的系统组成部分中可以包括存储设备140。
在一些实施例中，处理器110、用户终端130以及其他可能的系统组成部分中可以包括处理器110。
处理器110可以处理从其他设备或系统组成部分中获得的数据和/或信息。处理器可以基于这些数据、信息和/或处理结果执行程序指令，以执行一个或多个本申请中描述的功能。在一些实施例中，处理器110可以包含一个或多个子处理设备(例如，单核处理设备或多核多芯处理设备)。仅作为示例，处理器110可以包括中央处理器(CPU)、专用集成电路(ASIC)、专用指令处理器(ASIP)、图形处理器(GPU)、物理处理器(PPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编辑逻辑电路(PLD)、控制器、微控制器单元、精简指令集电脑(RISC)、微处理器等或以上任意组合。
网络120可以连接系统的各组成部分和/或连接系统与外部资源部分。网络120使得各组成部分之间，以及与系统之外其他部分之间可以进行通讯，促进数据和/或信息的交换。在一些实施例中，网络120可以是有线网络或无线网络中的任意一种或多种。在一些实施例中，网络可以是点对点的、共享的、中心式的等各种拓扑结构或者多种拓扑结构的组合。在一些实施例中，网络120可以包括一个或以上网络接入点。例如，网络120可以包括有线或无线网络接入点，例如基站和/或网络交换点120-1、120-2、…，通过这些识别系统100的一个或多个组件可连接到网络120上以交换数据和/或信息。
用户终端130指用户所使用的一个或多个终端设备或软件。在一些实施例中，使用用户终端130的可以是一个或多个用户，可以包括直接使用服务的用户，也可以包括其他相关用户。在一些实施例中，用户终端130可以是移动设备130-1、平板计算机130-2、膝上型计算机130-3及其他具有输入和/或输出功能的设备中的一种或其任意组合。
存储设备140可以用于存储数据和/或指令。存储设备140可以包括一个或多个存储组件，每个存储组件可以是一个独立的设备，也可以是其他设备的一部分。
应当理解，图1所示的系统及其模块可以利用各种方式来实现。例如，在一些实施例中，用户终端130可以与处理器110直接连接。在一些实施例中，处理器110可以与存储设备140直接连接。在一些实施例中，利用用户终端130从存储设备140获取信息并执行本说明书公开的方法。
需要注意的是，以上描述，仅为描述方便，并不能把本说明书限制在所举实施例范围之内。可以理解，对于本领域的技术人员来说，在了解该系统的原理后，可能在不背离这一原理的情况下，对各个组成模块进行任意组合，或者构成子系统与其他模块连接。在一些实施例中，图1中披露的处理器110、网络120、用户终端130、存储设备140可以是一个系统中的不同模块，也可以是一个模块实现上述的两个或两个以上模块的功能。例如，各个模块可以共用一个存储设备，各个模块也可以分别具有各自的存储设备。诸如此类的变形，均在本说明书的保护范围之内。
图2是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别系统的示例性模块图。识别系统200可以包括建模模块210、候选结构薄弱部位确定模块220、弱化处理模块230、局部修改重分析模块240、动力学响应计算模块250和安全评估模块260。
建模模块210，可以用于基于建筑结构的信息，建立力学模型。
候选结构薄弱部位确定模块220，可以用于基于建筑结构的信息，设定建筑结构中的至少一个候选结构薄弱部位。
弱化处理模块230，可以用于修改力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵，相关元素对应于经局部弱化处理后的至少一个候选结构薄弱部位。
在一些实施例中，弱化处理模块230还用于：将至少一个候选结构薄弱部位的构件在力学模型的刚度矩阵中的相关元素修改为不等于所述相关元素初始值的数值，确定修改后的刚度矩阵。在一些实施例中，弱化处理模块230还用于，将至少一个候选结构薄弱部位的构件在力学模型的刚度矩阵中的相关元素修改为小于相关元素初始值的非零数值，确定修改后的刚度矩阵。
在一些实施例中，弱化处理模块230还用于，将至少一个候选结构薄弱部位的构件在力学模型的刚度矩阵中的相关元素修改为零，确定修改后的刚度矩阵。
局部修改重分析模块240，可以用于基于修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果。
在一些实施例中，局部修改重分析模块240还用于：对修改后的刚度矩阵中修改的相关元素所在的行或列进行标记；基于修改后的刚度矩阵的稀疏性，确定并标记修改后的刚度矩阵中被影响的行或列；基于修改后的刚度矩阵的稀疏性，只对修改后的刚度矩阵中被标记的行或列进行三角分解；以及基于三角分解的结果，确定至少一个重分析结果。
在一些实施例中，三角分解的结果为三个矩阵的乘积，三个矩阵为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及下三角矩阵的转置。
在一些实施例中，局部修改重分析模块还用于：若修改后的所述相关元素为对角元，则对修改后的所述相关元素所在行或列进行标记；若修改后的相关元素为非对角元，则对修改后的相关元素所在列或行的对角元所在行或列进行标记；若已经被标记的行或列中还有其他非零元素，则对其他非零元素所在列或行的对角元所在行或列继续进行标记。
动力学响应计算模块250，用于基于至少一个重分析结果进行动力学响应计算，确定至少一个动力学响应结果。
安全评估模块260，可以用于基于至少一个动力学响应结果进行安全评估，从至少一个候选结构薄弱部位中确定至少一个目标结构薄弱部位。
在一些实施例中，安全评估的结果包括局部安全评估结果和/或整体安全评估结果。
在一些实施例中，安全评估模块260还用于：基于至少一个动力学响应，确定至少一个候选结构薄弱部位的邻近区域中的构件是否危险；统计处于危险状态的构件的占比或数量；以及基于处于危险状态的构件的占比或数量，确定局部安全评估结果。
图3是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法300的示例性流程图。
步骤310，基于建筑结构的信息，建立力学模型。在一些实施例中，步骤310可以由建模模块210执行。
建筑结构可以指在建筑物或构筑物中，由建筑材料做成的空间受力体系，这种空间受力体系是主要是用来承受各种荷载作用以及起骨架作用的，例如居民住宅楼、高层商务办公楼、中空式购物中心、大跨结构、桥梁、地下结构等。
建筑结构的信息可以指与建筑结构相关的信息，例如设计、施工、维护、事故记录方面的信息或其任意组合。
在一些实施例中，建筑结构的信息可以为建筑结构在设计阶段存档的结构信息。在一些实施例中，建筑结构的信息可以为建筑结构在施工阶段的材料、施工工艺方面的信息。在一些实施例中，建筑结构的信息可以为建筑结构在使用过程中对其中一些结构进行改造、维护、更换的信息。在一些实施例中，建筑结构的信息可以为与建筑结构类似的其他建筑所发生的事故记录，事故记录中可以包括事故发生原因、事故发生过程、建筑结构的问题部位、使用年限等。在一些实施例中，建筑结构的信息可以为设计人员指定的关于建筑结构的结构薄弱部位的信息。
力学模型是指根据建筑结构的几何特性等抽象出来的力学关系的一种表达。力学建模的方法可以采用但不限于有限元方法，任何其他可实现力学建模的方法均可以。在力学建模过程中，可以适当忽略对安全性能的贡献或影响较低的构件，例如楼板、幕墙、管道等。
步骤320，基于建筑结构的信息，设定建筑结构中的至少一个候选结构薄弱部位。在一些实施例中，步骤320可以由候选结构薄弱部位确定模块220执行。
结构薄弱部位是指建筑结构中在力学承载方面起关键作用的部位，或是建筑设计上相对薄弱的位置，例如截面较大的柱结构、角部的柱结构、核心筒结构、钢筋混凝土的柱结构、主承载梁、主承载剪力墙等。
候选结构薄弱部位是指建筑结构中初步设定的可能为结构薄弱部位的部位。
在一些实施例中，可以根据建筑结构在施工阶段的材料、施工工艺方面的信息来设定候选结构薄弱部位。在一些实施例中，可以根据建筑结构在使用过程中对其中一些结构进行改造、维护、更换的信息来设定候选结构薄弱部位。在一些实施例中，可以根据与建筑结构类似的其他建筑所发生的事故记录来设定候选结构薄弱部位。事故记录中可以包括事故发生原因、事故发生过程、建筑结构的问题部位、使用年限等。在一些实施例中，可以根据设计人员在根据经验指定的关于建筑结构的结构薄弱部位的信息来设定候选结构薄弱部位。
通过上述实施例设定候选结构薄弱部位后，可以缩小关注范围，从而减少后续识别过程的工作量。
步骤330，修改力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵，相关元素对应于经局部弱化处理后的至少一个候选结构薄弱部位。在一些实施例中，步骤330可以由弱化处理模块230执行。
力学模型的刚度矩阵为将力学模型进行数学描述所得力学有限元方程组中的系数矩阵。
局部弱化处理是指将待判定部位的构件从原结构中删除或刚度削减，以近似模拟突发的失效破坏情况。
删除并不是真的从原结构中删除，而是指将刚度矩阵中该构件的例如刚度、质量、载荷或任意组合乘上一个修改因子进行修改，即可实现将该构件从原结构中删除的效果。在一些实施例中，删除的功能通常利用有限元软件中的生死单元功能实现。经过删除处理后的构件将不再显示到修改后的力学矩阵中。在一些实施例中，修改因子可以选择为千分之一、万分之一、十万分之一、百万分之一、千万分之一。
经过刚度削减处理后的构件仍然会被正常显示到修改后的力学矩阵中。在一些实施例中，将构件的刚度设置为在某个时间点发生突变。在一些实施例中，将构件的刚度设置为在某个时间段内遵循某种函数关系例如线性关系逐渐变化而构件的其他参数保持不变。在一些实施例中，将构件的刚度乘以一个修改因子，例如0.8、0.6、0.4、0.2、0.1。
相关元素是指刚度矩阵中反映经局部弱化处理后的候选结构薄弱部位构件的修改情况的元素，例如刚度矩阵中反映修改后的刚度、质量、载荷或其任意组合的元素。在一些实施例中，相关元素可以为非零元素。
在一些实施例中，将相关元素修改为不等于相关元素初始值的数值。在一些实施例中，将一部分相关元素与相关元素初始值的数值相等，而另一部分相关元素乘以一个修改因子，例如十万分之一，修改为不等于相关元素初始值的数值。在一些实施例中，将全部相关元素乘以一个修改因子，例如十万分之一，修改为不等于相关元素初始值的数值。
例如，如图4所示，为根据说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法中进行局部弱化处理的示意图。在建筑结构中，通过局部弱化处理，可以将图4中的候选结构薄弱部位的构件从410的状态处理成为420的状态。
步骤340，基于修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果。在一些实施例中，步骤340可以由局部修改重分析模块240执行。
在有限元计算软件中，常见的求解方法有带宽解法、变带宽解法和稀疏矩阵解法等。随着有限元求解技术的发展，对于大规模问题，稀疏矩阵解法具有压倒性的高效优势，已经成为最主流的有限元方程求解方法。稀疏矩阵解法主要有两个特点：一是采用系数索引存储方案，只存储非零元，大大节省了存储空间，提高了计算效率；二是在进行矩阵的三角分解之前进行填充元优化，极大地减少了计算量。
步骤340中的局部修改重分析算法即在稀疏矩阵解法的基础上提出的改进的分析方法。局部修改重分析算法的核心思想在于：相邻两个计算步的结构修改之后，使用前一步刚度矩阵的分解结果，利用稀疏矩阵解法的计算特点，考虑后一步刚度矩阵的变化情况，只对后一步刚度矩阵中被修改后的行或列以及被修改所影响的行或列进行必要的重新计算，然后对前一步刚度矩阵的分解结果中相应行或列进行更新，从而减少每个计算步的计算量，节省总体的计算时间。关于局部修改重分析算法的具体过程，详见后面关于图5的详细描述。
重分析结果指的是根据局部修改重分析算法对修改后的刚度矩阵进行重分析计算之后所得的修改后的刚度矩阵的三角分解结果。在一些实施例中，重分析结果可以体现为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及所述下三角矩阵的转置。
步骤350，基于至少一个重分析结果进行动力学响应计算，确定至少一个动力学响应结果。在一些实施例中，步骤350可以由动力学响应计算模块250执行。
动力学响应计算指的是向结构输入动力载荷，然后获取结构的动力学响应结果。动力学响应结果可以为例如位移、应力、应变或其任意组合。
在一些实施例中，重分析结果可以表示为LDLT，步骤350的动力学响应计算过程即为基于LDLT进行二次求解的过程，求解结果即最终要求的动力学响应结果。这个二次求解的过程计算量相对三角分解刚度矩阵的计算量要小很多。
步骤360，基于至少一个动力学响应结果进行安全评估，从至少一个候选结构薄弱部位中确定至少一个目标结构薄弱部位。在一些实施例中，步骤360可以由安全评估模块260执行。
在建筑结构中，局部构件的弱化会导致邻近其他构件出现应力上升、变形增大等现象，严重时甚至可以引发整体建筑结构的大幅度垮塌。但建筑结构大多在设计时对性能留有余地，因此，需要进行安全评估。安全评估指的是通过建立安全评估指标的方式对局部弱化处理导致的危险程度或安全隐患进行量化判断，得到一个安全评估的结果。
安全评估的结果可以包括局部安全评估结果。局部安全评估结果指的是从候选结构薄弱部位的局部邻近区域的角度来评估建筑结构中是否存在连续破坏及整体垮塌的风险。局部安全评估结果可以包括安全、危险。关于局部安全评估结果的确定过程，详见图7的详细说明。
安全评估的结果还可以包括整体安全评估结果。整体安全评估结果指的是从建筑结构整体的角度计算广义特征值问题，得到量化的失稳因子，进而评估建筑结构失稳破坏的风险。
在一些实施例中，失稳因子的计算公式可以为式(1)：
其中：K为建筑结构的刚度矩阵；为待求的特征向量；Kg为建筑结构的几何刚度矩阵；λ为待求的广义特征值，也即评估结构失稳状态的失稳因子。
在一些实施例中，将失稳因子与预设阈值进行比较，如果失稳因子小于或等于预设阈值，则整体安全评估结果为危险，如果失稳因子大于预设阈值，则整体安全评估结果为安全。
根据安全评估的结果，可以判断候选结构薄弱部位对于整体建筑结构的敏感程度。
目标结构薄弱部位指的是通过安全评估的方式确定存在连续破坏、整体垮塌和/或失稳破坏风险的候选结构薄弱部位。
在一些实施例中，可以根据安全评估所得的至少一个安全评估结果直接将对应的至少一个候选结构薄弱部位中确定为目标结构薄弱部位。在一些实施例中，若局部安全评估结果为危险，则可以将对应的候选结构薄弱部位直接确定为目标结构薄弱部位。在一些实施例中，若局部安全评估结果为安全，则可以将对应的候选结构薄弱部位直接确定为非目标结构薄弱部位。
在一些实施例中，可以将根据安全评估所得的至少一个安全评估结果综合其他因素将对应的至少一个候选结构薄弱部位中确定为目标结构薄弱部位。综合考虑的其他因素指的是影响结构薄弱部位发生破坏的可能性的因素，例如，日常使用下的内力是否接近极限、空间位置是否容易受到外界荷载的冲击、是否有加固或损伤等现象。
图5是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法中使用局部修改重分析算法确定重分析结果的示例性流程图。在一些实施例中，流程500可以由局部修改重分析模块340执行。
步骤510，对所述修改后的刚度矩阵中所述修改的相关元素所在的行或列进行标记。
标记指的是对相关的行或列中所有非零元素进行标记。在一些实施例中，还可以为标记的行或列专门分配存储空间。
步骤520，基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，确定并标记所述修改后的刚度矩阵中被影响的行或列。
一般地，采用有限元方法对建筑结构进行力学建模时，都可以转化成大规模方程组的求解问题，即求解式(2)：
Ku＝f (2)
式(2)中：K是有限元方程的刚度矩阵，具有稀疏性的特点，稀疏性是指在矩阵K中绝大部分元素都为0；u是最终要求的位移；f为荷载向量。
对于式(2)的求解，通常做法是先将刚度矩阵K三角分解为三个矩阵的乘积，如下面的式(3)。
K＝LDLT (3)
在一些实施例中，式(3)中的三个矩阵可以为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及一个下三角矩阵的转置。
下面的例子中，以L表示下三角矩阵，D为对角矩阵，LT为矩阵L的转置。利用分解后的刚度矩阵K对式(2)进行两次三角方程的求解，即可得到响应结果u。其中，整个计算过程中计算量最大、耗时最长的部分就是刚度矩阵K的三角分解部分。
在稀疏矩阵解法中，用矩阵A＝(aij)∈Rn×n表示三角分解过程中的刚度矩阵K，记L＝(lij)∈Rn×n，D＝diag(di)∈Rn×n。其中，n为刚度矩阵K的阶数，即方程的总个数。稀疏矩阵解法进行三角分解计算的过程就是对A循环更新的过程，本说明书采用jki形式，三角分解方法可表示如式(4)：
aji＝aji-likljkdkk，k＜j≤i (4)
由于L为下三角矩阵且对角元为1，并且D为对角矩阵，为了方便一般将L和D一起存储，与A占用相同的空间。因此，式(4)可以统一表示为式(5)：
通过观察式(5)，可以总结出以下两个特点：一是对角元ajj改变时，会影响到第j行的所有aji(j＜i≤n)的计算；二是非对角元akj改变时，会导致ajj(k＜j≤n)改变。从这两个特点出发，利用有限元刚度矩阵的稀疏性，可以发现传递规则为：当第j行被修改后，只有满足条件的i行(aji≠0(j＜i≤n))的计算结果会发生改变。
本说明书公开的局部修改重分析算法就是利用上述传递规则对被修改或被影响的行或列进行标记的。对于结构局部修改的情形来说，一般只有有限行或列的少数非零元素被修改，因此只有较小比例行或列的计算结果相对前一步会发生变化，只需要对这些行或列重新进行计算即可。
如图6所示，即为利用传递规则确定修改后的刚度矩阵600中被影响的行的示意图。如果第1行元素的值被修改，则标记第1行为修改行610。因为第一行中的a15和a17非零，其他元素为零，因此会使第5行和第7行的计算结果发生改变，因此又标记第5行和第7行为影响行620-1、620-3。进一步地，因为第5行的a56和a57非零，因此第5行的改变又会影响到第6行和第7行，因此又标记第6行为影响620-2。以此类推，最终发现第1行被修改后，最终会影响到修改后的刚度矩阵中1、5、6、7行的最终三角分解结果。
在一些实施例中，若三角分解的三个矩阵为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及一个下三角矩阵的转置，则标记方法可以如下：
若修改后的所述相关元素为对角元，则对修改后的所述相关元素所在行或列进行标记；若修改后的相关元素为非对角元，则对修改后的相关元素所在列或行的对角元所在行或列进行标记；若已经被标记的行或列中还有其他非零元素，则对其他非零元素所在列或行的对角元所在行或列继续进行标记。在一些实施例中，相关元素均可以为非零元素。
步骤530，基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，只对所述修改后的刚度矩阵中被标记的行或列进行三角分解。
在一些实施例中，若三角分解的三个矩阵为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及一个下三角矩阵的转置，则只对所述修改后的刚度矩阵中被标记的列进行三角分解。
步骤540，基于所述三角分解的结果，确定至少一个重分析结果。
由于修改前的刚度矩阵已经三角分解为三个矩阵的乘积，因此，实际上只需要根据步骤530中所得三角分解的结果对三个矩阵中与被标记的行或列对应的行或列进行更新，即可得到重分析结果。
在一些实施例中，可以根据步骤530所得分解结果直接对修改前的刚度矩阵的分解结果中与被标记的行或列对应的行或列进行替换，从而得到重分析结果。在一些实施例中，可以将修改前的刚度矩阵的分解结果的上三角矩阵中与被标记的行所对应的行还原成零值，其余行保持不变，然后将根据步骤530所得分解结果的上三角矩阵与修改前的刚度矩阵的分解结果的上三角矩阵相加，从而得到重分析结果。在一些实施例中，可以将修改前的刚度矩阵的分解结果的对角矩阵中与被标记的行所对应的行还原成零值，其余行保持不变，然后将根据步骤530所得分解结果的对角矩阵与修改前的刚度矩阵的分解结果的对角矩阵相加，从而得到重分析结果。
在实际建筑结构的有限元分析计算中，刚度矩阵非常稀疏，一小部分行发生改变后，受影响的行数量一般也较少，使用结构局部修改的快速重分析算法可以很大程度上减少计算量。例如，根据建筑结构的信息建立的刚度矩阵为十万阶，而每次在单行中修改的元素只有几十个。
图5中所示步骤510-540的执行顺序只是用于一部分实施例，并不作为对本说明书公开的方法的全部实施例的限制。在一些实施例中，步骤510-540中的部分可以反复执行。例如，在通过步骤520确定被步骤510标记的行或列直接影响的行或列，然后反复执行步骤520以确定被直接影响的行或列继续影响的行或列，一直到没有进一步的行或列被影响为止。在一些实施例中，步骤510-540的全部可以被反复执行。例如，在发生连续破坏的情况，需要先后对多个构件进行弱化处理，每一次弱化处理后都需要执行步骤510-540，然后得到重分析结果。又例如，在对不同候选结构薄弱部位进行遍历分析的过程中，在对候选结构薄弱部位的构件弱化处理后，都需要执行步骤510-540，然后得到重分析结果。
图7是根据本说明书一些实施例所示的建筑结构薄弱部位识别方法中确定局部安全评估结果的示例性流程图。在一些实施例中，流程700可以由安全评估模块250执行。
步骤710，基于至少一个动力学响应，确定至少一个候选结构薄弱部位的邻近区域中的构件是否危险。在一些实施例中，可以通过构件是否发生断裂判断构件是否危险。在一些实施例中，可以通过构件是否发生形变超过安全系数判断构件是否危险。
步骤720，统计处于危险状态的构件的占比或数量。在一些实施例中，处于危险状态的构件的占比可以是处于危险状态的构件的数量与整体建筑结构的构件的数量之比值。在一些实施例中，处于危险状态的构件的占比可以是处于危险状态的构件的数量与候选结构薄弱部位的局部邻近区域中的构件的数量之比值。
步骤730，基于处于危险状态的构件的占比或数量，确定局部安全评估结果。在一些实施例中，将处于危险状态的构件的占比或数量与预设阈值进行比较，如果处于危险状态的构件的占比或数量大于或等于预设阈值，则局部安全评估结果为危险，如果处于危险状态的构件的占比或数量小于预设阈值，则局部安全评估结果为安全。
本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：(1)通过建筑结构的信息设定候选结构薄弱部位，然后对这些部位进行重点识别，而不用对建筑结构中所有部位都进行识别，可以节省大量的计算量；(2)利用局部修改重分析法，可以在修改建筑结构后只对刚度矩阵中被修改或修改所影响的行或列进行必要的重新计算，然后对前一步刚度矩阵的分解结果中相应行或列进行更新，从而减少每个计算步的计算量，节省总体的计算时间。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本说明书中的)也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (8)

1.一种建筑结构薄弱部位识别方法，其特征在于，包括：
基于建筑结构的信息，建立力学模型；
基于所述建筑结构的信息，设定所述建筑结构中的至少一个候选结构薄弱部位；
修改所述力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵，所述相关元素对应于经局部弱化处理后的所述至少一个候选结构薄弱部位；
基于所述修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果；
基于所述至少一个重分析结果进行动力学响应计算，确定至少一个动力学响应结果；
基于所述至少一个动力学响应结果进行安全评估，从所述至少一个候选结构薄弱部位中确定至少一个目标结构薄弱部位，所述安全评估的结果包括局部安全评估结果和/或整体安全评估结果；其中，
所述局部安全评估结果的确定过程包括：
基于所述至少一个动力学响应，确定所述至少一个候选结构薄弱部位的邻近区域中的构件是否危险；
统计处于危险状态的所述构件的占比或数量；以及
基于处于危险状态的所述构件的所述占比或数量，确定所述局部安全评估结果。
2.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述修改所述力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵包括：
将所述相关元素修改为不等于所述相关元素初始值的数值。
3.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述基于所述修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果包括：
对所述修改后的刚度矩阵中所述修改后的所述相关元素所在的行或列进行标记；
基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，确定并标记所述修改后的刚度矩阵中被影响的行或列；
基于所述修改后的刚度矩阵的稀疏性，只对所述修改后的刚度矩阵中被标记的行或列进行三角分解；
以及
基于所述三角分解的结果，确定所述至少一个重分析结果。
4.如权利要求3所述的识别方法，其特征在于，所述基于修改后的刚度矩阵的稀疏性，确定并标记所述修改后的刚度矩阵中被影响的行或列包括：
若所述修改后的所述相关元素为对角元，则对所述修改后的所述相关元素所在行或列进行标记；
若所述修改后的所述相关元素为非对角元，则对所述修改后的所述相关元素所在列或行的对角元所在行或列进行标记；
若已经被标记的行或列中还有其他非零元素，则对所述其他非零元素所在列或行的对角元所在行或列继续进行标记。
5.如权利要求3所述的识别方法，其特征在于，所述三角分解的结果为三个矩阵的乘积，所述三个矩阵为一个下三角矩阵、一个对角矩阵以及所述下三角矩阵的转置。
6.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述整体安全评估结果为从结构整体的角度基于所述力学模型的刚度矩阵确定的广义特征值，所述广义特征值用于评估所述建筑结构发生整体失稳破坏的风险。
7.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述动力学响应结果包括位移、应力、应变或其任意组合。
8.一种建筑结构薄弱部位识别系统，其特征在于，包括：
建模模块，用于基于建筑结构的信息，建立力学模型；
候选结构薄弱部位确定模块，用于基于所述建筑结构的信息，设定所述建筑结构中的至少一个候选结构薄弱部位；
弱化处理模块，用于修改所述力学模型的刚度矩阵中的相关元素，确定修改后的刚度矩阵，所述相关元素对应于经局部弱化处理后的所述至少一个候选结构薄弱部位；
局部修改重分析模块，用于基于所述修改后的刚度矩阵，使用局部修改重分析算法进行重分析，确定至少一个重分析结果；
动力学响应计算模块，用于基于所述至少一个重分析结果进行动力学响应计算，确定至少一个动力学响应结果；以及
安全评估模块，用于基于所述至少一个动力学响应结果进行安全评估，从所述至少一个候选结构薄弱部位中确定至少一个目标结构薄弱部位，所述安全评估的结果包括局部安全评估结果和/或整体安全评估结果；其中，
所述局部安全评估结果的确定过程包括：
基于所述至少一个动力学响应，确定所述至少一个候选结构薄弱部位的邻近区域中的构件是否危险；
统计处于危险状态的所述构件的占比或数量；以及
基于处于危险状态的所述构件的所述占比或数量，确定所述局部安全评估结果。
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