简便高效的建筑结构AI设计系统 | 新论文：集成式智能生成设计系统及其在剪力墙结构上的应用
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研究概述
基于生成对抗网络（GAN）的智能化设计方法代表了一种新兴的结构设计范式，表现出了强大的潜力。但是，基于GAN的智能化结构设计方法在业界落地应用也遇到了很多困难，主要矛盾在于GAN的数据形式与业界广泛使用的CAD图纸和模型是异构的，并且GAN对用户的计算机软硬件环境要求较高，导致其难以嵌入业界生产流程。因此，本研究提出了一种基于GAN的集成化智能生成设计系统，为GAN在剪力墙结构上的实际应用提供了一种可行的解决方案。具体而言，开发了建筑CAD图纸的前处理方法，衔接上游建筑设计；搭建了用户友好的云端设计平台，降低了对用户本地计算机环境的要求；提出了一种异构数据转化方法和一套参数化建模流程，根据GAN生成的设计自动建立结构分析模型，便于后续深化设计。本文的最后给出了该系统的演示视频。
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研究背景
智能化结构设计是智能建造的重要组成部分，也是土建行业向工业4.0转型升级的关键技术之一。关注我们公 众 号的小伙伴都知道，我们课题组近期围绕这个课题开展了系列研究，开发了从“图”到“图”、从“文本”到“图”、从“力学原理”到“图”的多种智能生成算法，其核心都是生成对抗网络（GAN）。
但是，基于GAN的方法尚面临系列难题，阻碍了其在业界的落地应用：（1）GAN的输入为像素图的形式，无法直接基于业界常用的建筑CAD图纸开展设计；（2）GAN模型的调用对计算机的环境提出了较高的要求，不便于工程师使用；（3）GAN的输出也是像素图，其中包含的结构设计相关信息为非结构化数据，难以形成后续深化设计所需的结构分析模型。
为了解决上述难题，我们提出了一套集成化智能生成设计系统（图1），包括建筑CAD图纸的前处理方法、基于软件服务化（SaaS）思想的云端设计平台、异构数据转换方法和参数化建模流程。该系统可以较好地嵌入既有的结构设计工作流，自动化地实现了原本由工程师手动完成的方案设计任务。
图1 传统工作流和我们建议的工作流
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核心模块
我们提出的集成化智能生成设计系统包括3个核心模块（图2），能在10分钟左右完成从建筑CAD图纸到结构设计方案和结构分析模型的设计流程。
（1）建筑CAD图纸的前处理：开发了AutoCAD插件GANIO，从建筑CAD图纸中自动识别和提取关键建筑构件，并输出构件坐标。用户也可以用人机交互的方式对提取结果进行校核和调整。基于构件坐标，进一步自动生成建筑像素图。该过程约耗时5分钟。
（2）结构方案设计的生成：将建筑像素图上传至部署了GAN的云端设计平台，并输入设计条件。一键生成结构像素图，并下载到本地。该过程约耗时1分钟。
（3）结构分析模型的构建：采用异构数据转换方法自动识别和提取结构像素图中的关键结构构件，得到构件的坐标。使用参数化建模软件Swallow(ESD)导入构件坐标，根据预设建模流程建立结构分析模型，并导出至ETABS进行结构分析。该过程约耗时2分钟。
图2 系统的核心模块
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主要方法
3.1 建筑CAD图纸前处理
我们基于AutoCAD的API开发了GANIO插件，能够从建筑CAD图纸中自动识别和提取出关键建筑构件（隔墙、门、窗）的轴线坐标。基于构件坐标，进一步采用OpenCV绘制为语义化的建筑像素图。如图3所示。
图3 建筑CAD图纸前处理方法
3.2 结构方案设计的生成
我们以StructGAN-PHY为核心智能生成算法，开发了基于软件服务化（SaaS）概念的云端设计平台，如图4所示。该云平台为用户提供软件服务，对用户本地的软硬件要求低，设计过程简单、高效。客户端提供人机交互界面，提供项目创建、文件上传、项目设计、成果下载等功能；服务端部署了训练完成的StructGAN-PHY模型，用于处理客户端请求、维护用户数据，其中所有的计算与设计过程均在搭载GPU的云服务器中实现。
图4 云端设计平台客户端
3.3 结构分析模型的构建
为了将GAN生成的结构像素图中非结构化的结构设计信息提取出来，我们提出了引入建筑设计信息的剪力墙构件像素图矢量化方法，如图5所示。第一步，基于HSV像素表达提取剪力墙像素；第二步，基于隔墙轴线和剪力墙像素轮廓的交点提取剪力墙轴线；第三步，基于剪力墙轴线与建筑轴线布置梁构件。该方法实现了高精度的异构数据转换，能够将非结构化的构件像素转换为结构化的构件坐标。
图5 异构数据转换方法
为了便于后续的深化设计任务，我们利用Swallow(ESD)搭建了一套参数化建模流程，包括结构参数解析模块、结构构件建模模块、荷载定义模块和ETABS调用模块，如图6所示。该参数化建模流程可以基于构件坐标，建立剪力墙结构的参数化模型，并导出至ETABS开展力学分析。当然，实际应用中也可以直接基于常用结构分析软件（例如YJK、PKPM）的API实现自动建模和分析。
图6 参数化建模流程
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系统演示
以一个剪力墙住宅的方案设计为例，演示一下我们的集成化智能生成设计系统（时长2分钟）。
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结论
我们提出了一种基于GAN的集成式智能设计系统，实现了剪力墙结构方案设计全过程的自动化，为基于GAN的方法在业界的落地应用提供了可行的解决方案。本系统具有简单高效的优点，不仅能够较好地嵌入既有结构设计工作流程、便于工程师使用，而且能够在10 min左右就完成设计，极大地提升了设计效率。
---End---
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