CN114329678B - 一种建筑结构智能设计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑结构智能设计系统，它包括建筑资料读取模块、专家系统模块、参数化图像平台模块、结构计算模块、结构优化模块、施工图模块、精细化施工模块和城市CIM模型模块。本发明能够实现从建筑资料输入到生成施工图的全过程自动化、智能化，从而降低人才技术要求、减少人力成本、提高设计效率，设计成果具有更优的结构合理性与经济性。同时将工程设计、施工信息转化为城市CIM模型，为以后的智慧城市运营维护提供支撑，推动数字化城市的发展。

Description

一种建筑结构智能设计系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑设计技术领域，尤其涉及一种建筑结构智能设计系统及方法。

背景技术

现阶段结构设计领域仍然沿用传统的结构设计方法，由设计师根据经验进行初步构件布置，然后在结构计算分析软件中手动建模计算，对不满足规范的部位进行调整和再次计算，直到调整至所有构件满足规范要求，再根据计算结果进行图纸绘制；然而这种设计方法对设计师的经验依赖比较高，反复调整工作量较大，耗时长，并且在设计时间紧迫的情况下，精细化程度较低，导致经济性较差，不符合当前环保、节材和降低碳排放等社会发展的要求。而且数字化已经成为当下社会发展的大趋势，数字化转型深入各行各业中，如何安全、合理和经济地优化配置资源是结构设计领域需要面临的主要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种建筑结构智能设计系统及方法，解决了现有设计方式存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种建筑结构智能设计系统，其特征在于：它包括建筑资料读取模块、专家系统模块、参数化图像平台模块、结构计算模块、结构优化模块、施工图模块和精细化施工模块；所述建筑资料读取模块用于建筑图纸或建筑模型资料以及相应的项目信息；所述专家系统模块用于对读取的信息进行识别和初步处理；所述参数化图像平台模块用于建立结构几何模型并确定参数；所述结构计算模块用于对建立的结构几何模型进行结构分析计算并提取计算结果；所述结构优化模块用于对计算结果进行判断是否满足目标函数，并在不满足时自动调整结构几何模型；所述施工图模块用于根据所述结构优化模块优化完成后的结构模型自动生成相应的图纸和BIM模型；所述精细化施工模块用于读取BIM模型进行虚拟施工模型得到最优施工方案，并生成施工造价清单。

还包括城市CIM模型，其用于将所有的设计和施工信息以工程数据信息的形式转化为城市CIM模型，为智慧城市运营维护提供数据支持。

所述参数化图像平台模块构建的结构几何模型中包括结构的几何信息、构件截面、荷载和约束条件，同时确定参数并与建筑资料进行参数化联动调整。

所述结构优化模块采用基因遗传算法、退火算法和蚁群算法中的任意一种，通过设定目标函数分析结构计算结果并联动参数化图像平台模块自动调整参数进行迭代计算，得到满足目标函数的最优结果。

一种建筑结构智能设计方法，所述智能设计方法包括：

S1、专家系统模块对输入的建筑资料进行识别并初步确定包括结构体系、竖向构件布置、水平构件连接形式的结构信息；

S2、参数化图像平台模块根据确定的结构信息构建结构几何模型，同时确定参数并与建筑资料进行参数化联动调整；

S3、结构优化模块对结构几何模型进行结构分析计算并提取计算结果，判断提取的计算结果是否满足目标函数；

S4、如果不满足，则自动调整参数化图像平台模块中的结构几何模型并重复步骤S2和S3进行优化，直到满足目标函数；

S5、施工图模块根据优化完成的结构几何模型自动生成二维CAD图纸和三维BIM模型；

S6、精细化施工模块读取BIM模型进行虚拟施工模拟，得到最优施工方案并生成施工造价清单。

所述智能设计方法还包括资料读取步骤；所述资料读取步骤包括：通过建筑资料读取模块读取输入的二维、三维建筑图纸或者建筑模型资料以及相应的项目信息。

所述智能设计方法还包括数据信息转化步骤；所述数据信息转化步骤包括：通过城市CIM模型模块将所有步骤中的全部设计和施工资料以工程数据信息的形式转化为城市CIM模型。

本发明具有以下优点：一种建筑结构智能设计系统及方法，能够实现从建筑资料输入到生成施工图的全过程自动化、智能化，从而降低人才技术要求、减少人力成本、提高设计效率，设计成果具有更优的结构合理性与经济性。同时将工程设计、施工信息转化为城市CIM模型，为以后的智慧城市运营维护提供支撑，推动数字化城市的发展。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为结构计算软件SAP2000二次开发流程图

图3 为精细化施工模块运行流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，为基于多平台的建筑结构智能设计系统及方法，包括：建筑资料读取模块、专家系统模块、参数化图形平台模块、结构计算模块、结构优化模块、施工图模块、精细化施工模块、城市CIM模型（城市信息模型）模块。

其中，其智能设计方法包括以下步骤：

（1）在建筑资料读取模块中输入二维、三维的建筑图纸或建筑模型资料以及相应的项目信息。

（2）由专家系统模块对输入的建筑资料进行识别并初步确定其结构体系、竖向构件布置、水平构件连接形式等结构信息。

（3）根据家系统模块中确定的结构信息在参数化图形平台模块中建立结构几何模型，并同时确定参数，可以与建筑资料进行参数化联动调整。

（4）结构几何模型同步发送至结构计算模块进行结构分析计算并提取计算结果。

（5）结构优化模块对提取的计算结果进行判断是否满足目标函数，若不满足，则自动调整参数化图形平台模块中的结构几何模型，重复（3）~（5）步骤，直至满足目标函数。

（6）将优化完成的结构模型发送至施工图模块，自动生成二维CAD图纸及三维BIM模型（建筑信息模型）。

（7）精细化施工模块读取BIM模型进行虚拟施工模拟，得到最优施工方案，并同时生成施工造价清单。

（8）前述步骤包含的全部设计、施工资料在城市CIM模型模块均以工程数据信息的形式转化为城市CIM模型，为以后的智慧城市运营维护提供支撑。

进一步的，所述实施例中步骤（1）的二维、三维的建筑图纸或建筑模型资料可以在AutoCAD、Revit、Rhino、SketchUp等软件中建立，其中应包含结构主要竖向构件（柱、剪力墙、核心筒等）的初步布置位置以及方案模型中外表皮的形状。

进一步的，所述相关项目信息包括建筑场地信息、建筑面积、建筑楼层、层高信息、场地地震参数等。

进一步的，所述实施例中步骤（2）的专家系统模块采用神经网络、机器学习等算法用过计算机语言编制而成。

进一步的，通过学习大量的工程案例来实现模拟人工根据类似工程经验初步确定其结构体系、竖向构件布置、水平构件连接形式等结构信息，并同时确定参数，可以与建筑资料进行参数化联动调整。

进一步的，所述实施例中步骤（3）的参数化图形平台模块通过接收专家系统模块的结构信息建立参数化结构几何模型，该几何模型不仅仅包含几何信息，也包含构件截面、荷载、约束条件等结构信息。

进一步的，参数化图形平台模块可以借助Rhino-Grasshopper、Revit-Dynamo、YJK-Gama等参数化平台，通过C#、PYTHON等编程语言通过对程序二次开发进行搭建。

进一步的可以实现结构参数化模型与建筑资料进行参数化联动调整。

进一步的，所述实施例中步骤（4）的结构计算模块可以采用跨平台法，通过对当下主流结构分析软件进行二次开发，创建跨平台接口来实现联动分析软件根据参数化几何模型自动建立参数化结构模型进行计算并获取计算结果。

进一步的，以结构计算软件SAP2000的二次开发为例，如图2所示，包括以下步骤：1）在编程环境中添加对SAP2000的引用。2）创建一个SAP2000对象实例。3）调用SAP2000程序并启动。4）创建模型对象并对模型进行操作。5）获取计算结果。6）关闭程序。

进一步的，所述实施例中步骤（5）的结构优化模块采用优化算法，通过设定目标函数，分析结构计算结果并联动参数化图形平台模块自动调整参数进行迭代计算，最终得到满足目标函数的最优结果。

进一步的，所述优化算法可以采用蚁群算法、基因遗传算法、粒子群算法、退火算法等。

进一步的，所述实施例中步骤（6）的施工图模块可以根据最终的结构模型自动生成二维结构图纸或三维BIM模型。

进一步的，所述施工图模块基于PKPM-EASYBIM、小讯智能平台、品览-筑绘通等主流施工图后处理程序进行开发。

进一步的，如图3所示，所述实施例中步骤（7）的精细化施工模块运行包含以下步骤：1）根据BIM模型搭建虚拟施工环境。2）设定施工顺序。3）施工过程模拟。4）模拟结果分析。5）判断是否满足要求，若不满足，则调整2）中施工顺序，重复2）~5），直至满足要求。6）确定最优方案。7）生成造价清单。

进一步的，所述实施例中步骤（8）的城市CIM模型模块将项目包含的全部设计、施工资料以工程数据信息的形式转化为城市CIM模型，为以后的智慧城市运营维护提供支撑。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种建筑结构智能设计系统，其特征在于：它包括建筑资料读取模块、专家系统模块、参数化图像平台模块、结构计算模块、结构优化模块、施工图模块和精细化施工模块；所述建筑资料读取模块用于读取建筑图纸或建筑模型资料以及相应的项目信息；所述专家系统模块用于对读取的信息进行识别和初步处理，采用神经网络或机器学习算法，通过学习大量的工程案例来模拟人工根据类似工程经验初步确定结构信息，所述结构信息包括结构体系、竖向构件布置和水平构件连接形式；所述参数化图像平台模块用于根据确定的结构信息建立结构几何模型并确定参数，所述参数化图像平台模块构建的结构几何模型包括结构的几何信息、构件截面、荷载和约束条件，同时确定参数并与建筑资料进行参数化联动调整；所述结构计算模块用于对建立的结构几何模型进行结构分析计算并提取计算结果；所述结构优化模块用于判断计算结果是否满足目标函数，并在不满足时自动调整结构几何模型，并联动参数化图像平台模块自动调整参数进行迭代计算，得到满足目标函数的最优结果；所述施工图模块用于根据所述结构优化模块优化完成后的结构模型自动生成相应的图纸和BIM模型；所述精细化施工模块用于读取BIM模型进行虚拟施工模拟得到最优施工方案，并生成施工造价清单；

所述精细化施工模块的运行过程包括：(1)根据BIM模型搭建虚拟施工环境；(2)设定施工顺序；(3)施工过程模拟；(4)模拟结果分析；(5)判断是否满足要求，若不满足，则调整(2)中的施工顺序，重复(2)-(5)，直至满足要求；(6)确定最优方案；(7)生成造价清单。

2.根据权利要求1所述的一种建筑结构智能设计系统，其特征在于：还包括城市CIM模型，其用于将所有的设计和施工信息以工程数据信息的形式转化为城市CIM模型，为智慧城市运营维护提供数据支持。

3.根据权利要求1所述的一种建筑结构智能设计系统，其特征在于：所述结构优化模块采用基因遗传算法、退火算法和蚁群算法中的任意一种，通过设定目标函数分析结构计算结果。

4.一种建筑结构智能设计方法，其特征在于：所述智能设计方法包括：

S1、专家系统模块对输入的建筑资料进行识别，采用神经网络或机器学习算法，通过学习大量的工程案例来模拟人工根据类似工程经验初步确定包括结构体系、竖向构件布置、水平构件连接形式的结构信息；

S2、参数化图像平台模块根据确定的结构信息构建结构几何模型，所述结构几何模型包括结构的几何信息、构件截面、荷载和约束条件，同时确定参数并与建筑资料进行参数化联动调整；

S3、结构优化模块对结构几何模型进行结构分析计算并提取计算结果，判断提取的计算结果是否满足目标函数；

S4、如果不满足，则自动调整参数化图像平台模块中的结构几何模型并联动参数化图像平台模块自动调整参数进行迭代计算，重复步骤S2和S3进行优化，直到满足目标函数；

S5、施工图模块根据优化完成的结构几何模型自动生成二维CAD图纸和三维BIM模型；

S6、精细化施工模块读取BIM模型进行虚拟施工模拟，得到最优施工方案并生成施工造价清单；

所述智能设计方法还包括资料读取步骤；所述资料读取步骤包括：通过建筑资料读取模块读取输入的二维、三维建筑图纸或者建筑模型资料以及相应的项目信息；

所述精细化施工模块的运行过程包括：(1)根据BIM模型搭建虚拟施工环境；(2)设定施工顺序；(3)施工过程模拟；(4)模拟结果分析；(5)判断是否满足要求，若不满足，则调整(2)中的施工顺序，重复(2)-(5)，直至满足要求；(6)确定最优方案；(7)生成造价清单。

5.根据权利要求4所述的一种建筑结构智能设计方法，其特征在于：所述智能设计方法还包括数据信息转化步骤；所述数据信息转化步骤包括：通过城市CIM模型模块将所有步骤中的全部设计和施工资料以工程数据信息的形式转化为城市CIM模型。

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